시냅스 가소성

신경과학에서, 시냅스 가소성은 시냅스의 ^[1]활동의 증가 또는 감소에 반응하여 시간이 지남에 따라 강화 또는 약해지는 시냅스의 능력이다.기억은 뇌에서 광범위하게 상호 연결된 신경 회로에 의해 표현된다고 가정되기 때문에, 시냅스 가소성은 학습과 기억의 중요한 신경 화학적 기반 중 하나입니다.

플라스틱 변화는 종종 시냅스에 ^[2]위치한 신경전달물질 수용체 수의 변화에서 비롯된다.시냅스 가소성을 달성하기 위해 협력하는 몇 가지 근본적인 메커니즘이 있는데, 여기에는 시냅스로 방출되는 신경전달물질의 양의 변화와 세포가 그러한 ^[3]신경전달물질에 효과적으로 반응하는 방법의 변화가 포함됩니다.흥분성 시냅스와 억제성 시냅스의 시냅스 가소성은 시냅스 후 칼슘 ^[2]방출에 의존하는 것으로 밝혀졌다.

역사적 발견

1973년, Terje Lömo와 Tim Bliss는 생리학 저널에 실린 출판물에서 현재 널리 연구되고 있는 장기강화(LTP) 현상을 처음으로 설명했다.설명된 실험은 마취된 토끼의 해마에서 다공성 경로와 치아 회 사이의 시냅스에 대해 수행되었다.그들은 다공성 경로 섬유에 대한 테타닉(100Hz) 자극의 폭발을 보여줄 수 있었고, 이는 이러한 섬유들이 치아의 회에서 시냅스하는 세포의 시냅스 후 반응에 극적인 장기간의 증가를 가져왔다.같은 해, 이 한 쌍은 깨어있는 토끼로부터 기록된 매우 유사한 데이터를 발표했다.이 발견은 특정한 기억 형태에서 해마의 역할을 제안했기 때문에 특히 흥미로웠습니다.

생화학적 메커니즘

시냅스 가소성을 위한 두 가지 분자 메커니즘은 NMDA 수용체와 AMPA 글루탐산 수용체를 포함한다.NMDA채널(는 휴대 탈분극의 수준과 관련된 것)의 개방 시냅스 후 전위성 칼슘 농도를 증가하고, 이 장기 상승 작용, 핵 연료 하부 결합판(뿐만 아니라 proteinkinase 활성화)과 연관되어 왔다;그 시냅스 후 전위 세포의 강한 탈분극는 NMDA이온 채널 a블록이 마그네슘 이온은 배수량이 이끈다nd는 칼슘 이온이 세포로 들어가도록 허용하며, 아마도 LTP를 일으킬 수 있지만, 약한 탈분극은 Mg 이온을²⁺ 부분적으로만 치환하여 시냅스 후 뉴런으로 들어가는²⁺ Ca가 줄어들고²⁺ 세포 내 Ca 농도가 낮아진다(단백질 포스파타아제를 활성화하고 장기 우울증을 유발함).^[4]

이러한 활성화된 단백질 인산화효소는 시냅스 후 흥분성 수용체(예: AMPA 수용체)를 인산화하여 양이온 전도를 향상시키고 시냅스를 강화시키는 역할을 한다.또, 이러한 신호는 시냅스 후의 막에 추가 수용체를 모집해, 수식 수용체형의 생성을 촉진해, 칼슘의 유입을 촉진한다.이것은 차례로 주어진 시냅스 전 자극에 의해 시냅스 후 들뜸을 증가시킨다.이 과정은 이러한 양이온 채널을 ^[5]탈인산화하는 역할을 하는 단백질 포스파타아제들의 활성을 통해 역전될 수 있다.

두 번째 메커니즘은 유전자 전사와 CaMKII 및 PKAII와 같은 안구 시냅스에서 주요 단백질 수준의 변화를 조절하는 두 번째 메신저 캐스케이드에 의존합니다.두 번째 전달 경로의 활성화는 수지상 척추 내에서 CaMKII와 PKAII의 수치를 증가시킨다.이러한 단백질 키나아제들은 ^[6]투과성을 높이기 위해 혈장막에 AMPA 수용체를 추가하고 이온 채널의 인산화와 같은 수지상 척추 부피의 성장과 LTP 과정과 관련이 있다.활성화된 단백질의 국부화 또는 구획화는 수지상 척추에 국부적 효과를 만드는 주어진 자극의 존재 하에서 일어난다.NMDA 수용체로부터의 칼슘 유입은 CaMKII의 활성화를 위해 필요하다.이 활성화는 국소 자극이 있는 척추에 국한되어 인접한 척추 또는 축으로 확산되기 전에 비활성화됩니다. 이는 단백질 활성화의 특정 변화가 국소화되거나 단일 수상돌기의 응답성을 높이기 위해 구획화될 수 있다는 점에서 LTP의 중요한 메커니즘을 나타냅니다.각각의 수상돌기는 시냅스 전 ^[7]세포에 대한 독특한 반응을 형성할 수 있다.이 두 번째 메커니즘은 단백질 인산화로 인해 유발될 수 있지만, 오래 걸리고 오래 지속되며, 오래 지속되는 기억 저장 메커니즘을 제공합니다.LTP의 지속 시간은 이러한 두 번째 메신저의 고장에 의해 조절될 수 있습니다.예를 들어, 포스포디에스테라아제는 시냅스^{[citation needed]} 후 뉴런의 AMP 수용체 합성이 증가하는 것과 관련이 있는 2차 메신저 cAMP를 분해한다.

두 개의 뉴런 사이의 시냅스 연결의 효과의 장기적인 변화는 시냅스 접촉의 생성과 파괴를 포함할 수 있습니다.액티빈 A의 서브유닛을 코드하는 액티빈 δ-A 등의 유전자는 초기 LTP에서 업 레귤레이션된다.액티빈 분자는 MAP-키나아제 경로를 통해 수상돌기의 액틴 역학을 조절합니다.수상돌기의 F액틴 세포골격 구조를 변화시킴으로써 척추목을 길게 하여 전기적 분리를 ^[8]증가시킨다.결과적으로 LTP의 ^[9]장기 유지보수가 이루어집니다.

시냅스 후막의 이온 채널 수는 시냅스의 ^[10]강도에 영향을 미칩니다.연구에 따르면 시냅스 후 막에 있는 수용체의 밀도가 변화하여 자극에 반응하는 뉴런의 흥분성에 영향을 미친다고 한다.평형상태를 유지하는 동적공정에서 N-메틸D-아스파르트산수용체(NMDA수용체)와 AMPA수용체를 세포외이입에 의해 막에 첨가하고 세포내이입에 ^[11][12][13]의해 제거한다.이러한 과정과 막의 수용체 수는 시냅스 활성에 ^[11][13]의해 변경될 수 있습니다.실험에 따르면 AMPA 수용체는 NMDA 수용체를 통한 칼슘 유입에 의해 활성화되는 단백질 키나제 CaMKII를 통해 시냅스 후막과 소포막 융합을 통해 시냅스로 전달된다.CaMKII는 또한 인산화를 ^[14]통해 AMPA 이온 전도도를 향상시킨다.고주파 NMDA 수용체 활성화가 있을 경우 AMPA ^[15]수용체에 대한 시냅스 용량을 증가시키는 단백질 PSD-95의 발현이 증가한다.이것이 AMPA 수용체의 장기적인 증가를 초래하여 시냅스 강도와 가소성을 유발한다.

만약 시냅스의 강도가 자극에 의해서만 강화되거나 그것의 부족으로 약해진다면, 양성 피드백 루프가 발달하여 어떤 세포는 절대 발화하지 않고 어떤 세포는 너무 많이 발화하게 될 것이다.그러나 스케일링과 메타플라스틱이라고 불리는 두 가지 형태의 가소성도 부정적인 ^[13]피드백을 제공하기 위해 존재합니다.시냅스 스케일링은 뉴런이 발화 속도를 위아래로 ^[16]안정시킬 수 있는 주요 메커니즘이다.

시냅스 스케일링은 지속적인 들뜸에 반응하여 작은 흥분성 후 시냅스 전위의 진폭을 낮추고 장기간의 차단 ^[13]또는 억제 후에 상승시키는 시냅스의 강도를 서로에 대한 강점을 유지하는 역할을 한다.이러한 영향은 시냅스에서 NMDA 수용체 수를 변화시킴으로써 몇 시간 또는 며칠에 걸쳐 점진적으로 발생한다(Pérez-Otano and Ehlers, 2005).메타플라스틱성은 가소성이 발생하는 임계값 레벨을 변화시켜 시간이 지남에 따라 시냅스 활동에 대한 통합 응답을 가능하게 하고 LTP 및 LTD의 포화 상태를 방지합니다.LTP 및 LTD(장기 우울증)는 NMDA 채널을 통한 Ca의²⁺ 유입에 의존하기 때문에, 메타플라스틱성은 NMDA 수용체의 변화, 칼슘 버퍼링의 변화, 키나아제 또는 포스파타아제의 상태 변화 및 단백질 합성 ^[17]기계의 프라이밍에 기인할 수 있다.시냅스 스케일링은 뉴런이 다양한 ^[18]입력에 선택적으로 반응하는 주요 메커니즘이다.LTP/LTD의 영향을 받고 스케일링과 메타플라스틱에 의해 변형된 신경회로는 기억으로 나타나는 반향신경회로의 발달과 조절로 이어지는 반면 시냅스 수준에서 시작되는 신경회로의 변화는 유기체의 ^[19]학습능력에 필수적인 부분이다.

또한 시냅스 가소성을 생성하기 위한 생화학 상호작용의 특이성 요소, 즉 위치의 중요성도 있습니다.프로세스는 미세 도메인에서 발생하며, 예를 들어 AMPA 수용체의 세포 외이식은 t-SNARE STX4에 ^[20]의해 공간적으로 조절된다.특수성도 CAMK의 중요한 측면입니다.나노도메인 ^[7]칼슘을 포함하는 II 신호.수상돌기와 축 사이의 PKA 공간 구배는 시냅스 가소성의 ^[6]강도와 조절에도 중요하다.시냅스 가소성을 바꾸는 생화학적 메커니즘은 뉴런의 개별 시냅스 수준에서 일어난다는 것을 기억하는 것이 중요하다.생화학적 메커니즘이 이러한 "마이크로 도메인"에 한정되기 때문에, 결과적인 시냅스 가소성은 그것이 일어난 특정한 시냅스에만 영향을 미칩니다.

이론적 메커니즘

시냅스 가소성의 LTP와 LTD를 모두 설명하는 양방향 모델은 컴퓨터 신경과학, 신경 네트워크 및 생물물리학에서 많은 다른 학습 메커니즘에 필요한 것으로 입증되었다.이러한 가소성의 분자 성질에 대한 세 가지 주요 가설이 잘 연구되었으며, 독점 메커니즘이 될 필요는 없습니다.

1. 글루탐산염 방출 확률의 변화.
2. 시냅스 후 AMPA 수용체 삽입 또는 제거
3. AMPA 수용체 전도성의 변화를 일으키는 인산화 및 탈인산화.

이들 중, 후자의 두 가설은 최근 수학적으로 동일한 칼슘 의존적 역학을 가지고 있는 것으로 수학적으로 검토되어 왔는데, 이것은 총 수용체 수가 보존되는 선형 모델에서 다음과 같이 보입니다.

$({displaystyle {dW_{i}(t)}{dt}}=flac {1}{\flash([Ca^2+}_{i})}}\left(\Omega([2+}_{i})}-W_{i}\right})$

어디에

• $($ W_${i$})는 i$(디스플레이 스타일$ i$)$ 입력 축삭의 시냅스 중량입니다.
• ${\displaystyle [}$ ${\displaystyle {Ca\mathrm{}}^{}}$ a${\displaystyle {}^{}}$2 +$$] { $displaystyle$[ $Ca$^ { 2 +$$} }는$$ 칼슘 농도입니다.
• $γ {\displaystyle$ \tau$}$는 신경전달물질 수용체의 삽입 및 제거 속도에 따라 달라지는 시간상수로서 $[$ $a$2 $+]$ \$displaystyle$ [Ca$^{$2$+\}\}\}$에 ${\displaystyle \mathrm{따라}}{\displaystyle }$달라지며,
• ${\displaystyle {}_{}^{}}$= ${\displaystyle {\beta }_{}^{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{a}}_{}^{}}$ m$f$ p \ Omega = \ $displaystyle A_{m}^{\rm {$fp$$}}도 일정한 지점에서 뉴런막의 수용체 수에 선형적으로 의존하는 칼슘 농도의 함수이다.

$(\displaystyle$ \Omega$)$와 ${\(\displaystyle \tau)$는 모두 실험적으로 발견되었으며 두 가설의 결과에 일치한다.이 모형은 실제 실험 예측에 적합하지 않게 하는 중요한 단순화를 수행하지만 칼슘 기반 시냅스 가소성 ^[21]의존성 가설에 대한 유의한 근거를 제공합니다.

단기 가소성

단기 시냅스 가소성은 몇 분에서 몇 시간 동안 지속되는 장기 가소성과 달리 수십 밀리초에서 몇 분 사이에 작용합니다.단기 가소성은 시냅스를 강화하거나 약화시킬 수 있다.

시냅스 강화

단기 시냅스 강화는 시냅스 전위(pre-synaps action potentials)에 반응하여 시냅스 단말기가 송신기를 방출할 확률이 높아짐에 따라 발생합니다.각 동작 전위에 대응하여 ^[22]패키지화된 송신기의 양이 증가하기 때문에 시냅스는 단기간에 강화됩니다.시냅스 증강 작용을 하는 시간 척도에 따라 신경 촉진, 시냅스 증강 또는 테탄 후 증강으로 분류된다.

시냅스 우울증

시냅스 피로 또는 우울증은 일반적으로 쉽게 방출되는 소포가 고갈되는 것에 기인한다.우울증은 시냅스 후 과정과 시냅스 전 ^[23]수용체의 피드백 활성화에서도 발생할 수 있다.헤테로시냅스 우울증은 성세포에서 ^[24]아데노신 삼인산(ATP)의 방출과 관련이 있는 것으로 생각된다.

장기 가소성

장기저하(LTD)와 장기강화(LTP)는 흥분성 ^[2]시냅스에서 발생하는 두 가지 형태의 장기 가소성이다.NMDA 의존 LTD와 LTP는 광범위하게 연구되었으며, NMDA ^[24]수용체의 활성화를 위해 글루탐산염, 글리신 또는 D-세린의 결합이 필요한 것으로 밝혀졌다.시냅스의 시냅스 수정의 전환점은 시냅스의 ^[25]역사에 따라 수정될 수 있는 것으로 밝혀졌다.최근에는 대부분의 시냅스 ^[26]가소성을 설명할 수 있는 포괄적인 모델을 제공하기 위한 여러 시도가 이루어지고 있습니다.

장기불황

흥분성 경로의 짧은 활성화는 뇌의 많은 영역에서 시냅스 전달의 장기 우울증(LTD)으로 알려진 것을 생산할 수 있습니다.LTD는 최소 수준의 시냅스 후 탈분극과 동시에 시냅스 후 뉴런의 세포 내 칼슘 농도 증가에 의해 유도된다.LTD는 헤테로시냅스 활성화에 의해 칼슘 농도가 최소 요구 수준까지 상승하거나 세포외 농도가 상승하면 비활성 시냅스에서 개시될 수 있다.LTD를 일으킬 수 있는 이러한 대체 조건은 Hebb 규칙과 다르며 대신 시냅스 액티비티 수정에 의존합니다.성상세포에 의한 D-세린 방출은 ^[24]해마에서 LTD의 유의한 감소로 이어지는 것으로 확인되었다.활성 의존 LTD는 2011년에 전기적 시냅스(활동을 통한 ^[27]갭 접합 효과 수정)에 대해 조사되었다.뇌에서 소뇌는 LTD가 신경가소성의 ^[28]한 형태인 구조 중 하나이다.

장기 증강

일반적으로 LTP라고 불리는 장기 증강은 기본 반응보다 높은 수준에서 몇 시간 이상 지속되는 전기 자극의 증강 펄스에 따른 시냅스 반응의 증가이다.LTP는 시냅스 후 뉴런과 시냅스 결합을 형성하는 특정 시냅스 전 입력 사이의 상호작용을 포함하며 시냅스 전달의 자극 경로에 특이합니다.시냅스 변화의 장기적인 안정성은 축삭 부톤, 수상돌기 척추 및 시냅스 후 ^[15]밀도와 같은 시냅스 전/후 구조의 병렬 증가에 의해 결정된다.분자 수준에서 시냅스 후 발판 단백질 PSD-95와 Homer1c의 증가는 시냅스 확대 ^[15]안정화와 상관관계가 있는 것으로 나타났다.

해마의 시냅스에서의 성상세포 커버리지의 수정은 성상세포에 ^[24]의한 D-세린, 일산화질소 및 케모카인 s100B의 방출과 관련이 있는 것으로 판명된 LTP의 유도에 기인하는 것으로 밝혀졌다.LTP는 또한 헵비안 가소성의 시냅스적 기초를 연구하는 모델이다.유도 조건은 장기 우울증(LTD) 개시에 대해 설명된 것과 유사하지만,^[29] LTP를 달성하려면 더 강한 탈분극과 더 큰 칼슘 증가가 필요합니다.일련의 개별 수상돌기를 자극하여 수행된 실험에 따르면, 2개의 인접한 수상돌기에 의한 시냅스 협력이 LTD를 방지하고 ^[30]LTP만 허용하는 것으로 나타났습니다.

시냅스 강도

시냅스 강도의 변형을 기능적 가소성이라고 합니다.시냅스 강도의 변화는 특정 유형의 글리아 세포의 뚜렷한 메커니즘을 포함하며, 가장 많이 연구된 유형은 ^[24]성상세포이다.

가소성 계산 사용

모든 종류의 시냅스 가소성에는 다른 계산 ^[31]용도가 있습니다.단기 촉진은 읽기용 작업 메모리와 매핑 입력, 자동 상관 제거를 위한 단기 억제 기능을 모두 수행하는 것으로 입증되었습니다.장기 증강은 공간 메모리 격납에 사용되며, 장기 억제 기능은 각각 부호화 공간 특징, 시냅스의 선택적 약화 및 오래된 메모리 트레이스 클리어에 사용된다.순방향 스파이크 타이밍 의존 가소성은 장거리 시간 상관관계, 시간 부호화 및 시공간 부호화에 사용된다.스파이크 타이밍에 의존하는 역방향 가소성은 감각 필터링으로 작용합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

추가 정보

외부 링크

• 개요
• 런던, MRC 신경변성연구센터, Finnerty 랩
• 두뇌 기초 시냅스 소성 시냅스 전달은 플라스틱입니다.
• Synaptic Plasticity, Neuroscience Online(UT Houston 의대 전자 신경과학 교과서)

비디오, 팟캐스트

• 시냅스 가소성: 다양한 메커니즘과 기능 - 스탠포드 대학 박사, 로버트 말렌카 교수 강연비디오 팟캐스트, 런타임: 01:05:17.