Neural lempelse - Neural facilitation

Neural facilitation , også kendt som paired-pulse facilitation ( PPF ), er et fænomen inden for neurovidenskab , hvor postsynaptiske potentialer (PSP'er) ( EPP'er , EPSP'er eller IPSP'er ) fremkaldt af en impuls øges, når den impuls følger nøje en tidligere impuls. PPF er således en form for kortvarig synaptisk plasticitet . Mekanismerne bag neurale facilitering er udelukkende præ-synaptiske; bredt set opstår PPF på grund af øget presynaptisk Ca2+
koncentration, der fører til en større frigivelse af neurotransmitterholdige synaptiske vesikler . Neural facilitation kan være involveret i flere neuronale opgaver, herunder simpel læring, informationsbehandling og lydkildelokalisering.

Mekanismer

Oversigt

Ca2+
spiller en væsentlig rolle i transmission af signaler ved kemiske synapser . Spændingsstyret Ca2+
kanaler er placeret i den presynaptiske terminal. Når et handlingspotentiale invaderer den presynaptiske membran, åbnes disse kanaler og Ca2+
går ind i. En højere koncentration af Ca2+
gør det muligt for synaptiske vesikler at smelte sammen med den presynaptiske membran og frigive deres indhold ( neurotransmittere ) i den synaptiske kløft for i sidste ende at kontakte receptorer i den postsynaptiske membran. Mængden af ​​frigivet neurotransmitter er korreleret med mængden af Ca2+
tilgang. Derfor er kortvarig facilitation (STF) resultatet af en opbygning af Ca2+
inden for den presynaptiske terminal, når handlingspotentialer formeres tæt sammen i tiden.

Lettelse af excitatorisk postsynaptisk strøm (EPSC) kan kvantificeres som et forhold mellem efterfølgende EPSC-styrker. Hver EPSC udløses af præ-synaptisk calciumkoncentrationer og kan tilnærmes af:

EPSC = k ([ Ca.2+
] presynaptisk ) 4 = k ([ Ca2+
] hvile + [ Ca2+
] tilstrømning + [ Ca2+
] rest ) 4

Hvor k er en konstant.

Facilitation = EPSC 2 / EPSC 1 = (1 + [ Ca.2+
] rest / [ Ca2+
] tilstrømning ) 4 - 1

Eksperimentelle beviser

Tidlige eksperimenter af Del Castillo & Katz i 1954 og Dudel & Kuffler i 1968 viste, at facilitering var mulig ved det neuromuskulære kryds, selvom transmitterfrigivelse ikke forekommer, hvilket indikerer, at facilitering er et udelukkende presynaptisk fænomen.

Katz og Miledi foreslog den resterende Ca2+
hypotese. De tilskrev stigningen i frigivelse af neurotransmitter til resterende eller akkumuleret Ca2+
("aktivt calcium") inden i axonmembranen, der forbliver fastgjort til membranens indre overflade. Katz og Miledi manipulerede Ca2+
koncentration i den presynaptiske membran for at bestemme, om der er rest Ca eller ikke2+
 forbliver inden i terminalen efter den første impuls forårsagede en stigning i frigivelse af neurotransmitter efter den anden stimulus.

Under den første nerveimpuls, Ca2+
koncentrationen var enten signifikant under eller nærmer sig den anden impuls. Når Ca2+
koncentrationen nærmede sig den anden impuls, forenkling blev øget. I dette første eksperiment blev stimuli præsenteret i intervaller på 100 ms mellem den første og anden stimuli. En absolut ildfast periode blev nået, når intervallerne var ca. 10 ms fra hinanden.

For at undersøge facilitering i kortere intervaller anvendte Katz og Miledi direkte korte depolariserende stimuli på nerveender. Når man øger den depolariserende stimulus fra 1-2 ms, steg neurotransmitterfrigivelsen kraftigt på grund af ophobning af aktiv Ca2+
. Derfor afhænger graden af ​​lempelse af mængden af ​​aktiv Ca2+
, som bestemmes af reduktionen i Ca2+
ledningsevne over tid såvel som mængden af ​​fjernet fra axonterminaler efter den første stimulus. Lettelse er størst, når impulser er tættest på hinanden, fordi Ca2+
ledningsevne ville ikke vende tilbage til baseline før den anden stimulus. Derfor er begge Ca2+
ledningsevne og akkumuleret Ca2+
 ville være større for den anden impuls, når den blev præsenteret kort efter den første.

I Calyx of Held- synapsen har kortvarig lempelse (STF) vist sig at være resultatet af binding af resterende Ca2+
til neuronal Ca2+
 sensor 1 (NCS1). Omvendt har STF vist sig at falde, når Ca2+
chelatorer sættes til synapsen (forårsager chelation ), som reducerer rest Ca2+
. Derfor "aktiv Ca2+
"spiller en væsentlig rolle i neural facilitering.

I synapsen mellem Purkinje-celler har kortvarig lempelse vist sig at være fuldstændig medieret af lempelse af Ca2+
strømme gennem de spændingsafhængige calciumkanaler .

Forhold til andre former for kortvarig synaptisk plasticitet

Forstørrelse og forstærkning

Kortvarig synaptisk forbedring differentieres ofte i kategorier af facilitering , forstærkning og potentiering (også kaldet post-tetanisk potentiering eller PTP ). Disse tre processer adskiller sig ofte efter deres tidsskalaer: facilitering varer normalt i titusinder af millisekunder, mens augmentation virker på en tidsskala i størrelsesordenen sekunder, og potentiering har et tidsforløb på titusinder til minutter. Alle tre effekter øger sandsynligheden for frigivelse af neurotransmitter fra den presynaptiske membran, men den underliggende mekanisme er forskellig for hver. Parring af pulsfacilitering er forårsaget af tilstedeværelsen af ​​resterende Ca2+
forstærkning sandsynligvis opstår på grund af øget virkning af det presynaptiske protein munc-13, og post-tetanisk potentiering medieres ved presynaptisk aktivering af proteinkinaser. Typen af ​​synaptisk forbedring set i en given celle er også relateret til variantdynamik af Ca2+
fjernelse, som igen er afhængig af typen af ​​stimuli; et enkelt handlingspotentiale fører til lempelse, mens en kort stivkrampe generelt forårsager forstærkning, og en længere stivkrampe fører til forstærkning.

Kortvarig depression (STD)

Kortvarig depression (STD) fungerer i den modsatte retning af facilitering og mindsker PSP'ernes amplitude. STD opstår på grund af et fald i den let frigørelige pulje af vesikler (RRP) som et resultat af hyppig stimulering. Inaktivering af presynaptisk Ca2+
kanaler efter gentagne handlingspotentialer bidrager også til STD. Depression og facilitering interagerer for at skabe kortsigtede plastiske ændringer inden for neuroner, og denne interaktion kaldes dual-process teorien om plasticitet . Grundlæggende modeller præsenterer disse effekter som additiv, hvor summen skaber netto plastændring (facilitering - depression = nettoændring). Imidlertid har det vist sig, at depression forekommer tidligere i stimulus-respons-banen end facilitering, og derfor spiller ind i udtrykket for facilitering. Mange synapser udviser egenskaber ved både lettelse og depression. Generelt er synapser med lav initial sandsynlighed for vesikelfrigivelse imidlertid mere tilbøjelige til at udvise lempelse, og synapser med stor sandsynlighed for initial vesikelfrigivelse er mere tilbøjelige til at udvise depression.

Forhold til transmission af information

Synaptisk filtrering

Fordi sandsynligheden for vesikelfrigivelse er aktivitetsafhængig, kan synapser fungere som dynamiske filtre til transmission af information. Synapser med lav initial sandsynlighed for vesikelfrigivelse fungerer som højpasfiltre : fordi frigivelsessandsynligheden er lav, er der brug for et signal med højere frekvens for at udløse frigivelse, og synapsen reagerer således selektivt på højfrekvente signaler. Ligeledes fungerer synapser med høj sandsynlighed for initial frigivelse som lavpasfiltre , der reagerer på signaler med lavere frekvens. Synapser med en mellemliggende sandsynlighed for frigivelse fungerer som båndpasfiltre, der selektivt reagerer på et bestemt frekvensområde. Disse filtreringsegenskaber kan blive påvirket af en række faktorer, herunder både PPD og PPF såvel som kemiske neuromodulatorer . Især fordi synapser med sandsynlighed for lav frigivelse er mere tilbøjelige til at opleve lempelse end depression, konverteres højpasfiltre ofte til båndpasfiltre. På samme måde er synapser med høje sandsynligheder for initial frigivelse mere tilbøjelige til at gennemgå depression end lempelse, og det er også almindeligt, at lavpasfiltre også bliver båndpasfiltre. Neuromodulatorer kan i mellemtiden påvirke disse kortvarige plasticiteter. I synapser med mellemliggende frigivelsessandsynligheder bestemmer egenskaberne for den enkelte synaps, hvordan synapsen ændres som reaktion på stimuli. Disse ændringer i filtrering påvirker transmission af information og kodning som reaktion på gentagne stimuli.

Lydkildelokalisering

Hos mennesker opnås lydlokalisering primært ved hjælp af oplysninger om, hvordan intensiteten og timingen af ​​en lyd varierer mellem hvert øre. Neuronale beregninger, der involverer disse interaurale intensitetsforskelle (IID'er) og interaurale tidsforskelle (ITD'er) udføres typisk på forskellige veje i hjernen. Kortvarig plasticitet hjælper sandsynligvis med at skelne mellem disse to veje: kortvarig facilitering dominerer i intensitetsveje, mens kortvarig depression dominerer i tidsmæssige veje. Disse forskellige typer kortvarig plasticitet muliggør forskellige former for informationsfiltrering og bidrager således til opdeling af de to slags informationer i forskellige behandlingsstrømme.

Filtreringsmulighederne ved kortvarig plasticitet kan også hjælpe med kodning af information relateret til amplitudemodulation (AM). Kortvarig depression kan dynamisk justere forstærkningen på højfrekvente indgange og kan således muliggøre et udvidet højfrekvensområde for AM. En blanding af lettelse og depression kan også hjælpe med AM-kodning ved at føre til hastighedsfiltrering.

Se også

Referencer

Yderligere læsning