Артър Бикбаев

1 Катедра по експериментална неврофизиология, Медицински факултет, Рурски университет, Бохум, Бохум, Германия

Дениз Манахан-Вон

1 Катедра по експериментална неврофизиология, Медицински факултет, Рурски университет, Бохум, Бохум, Германия

2 Международно висше училище по неврология, Рурски университет, Бохум, Бохум, Германия

Това е статия с отворен достъп, предмет на изключително лицензионно споразумение между авторите и Frontiers Research Foundation, което позволява неограничено използване, разпространение и възпроизвеждане на всякакъв носител, при условие че оригиналните автори и източник са кредитирани.

Резюме

В хипокампуса in vivo синаптичната пластичност и мрежовата активност са тясно взаимозависими. Установихме, че веднага след опит за индуциране на дългосрочно потенциране (LTP), промените в активността на theta (5–10 Hz) и гама (30–100 Hz) корелират плътно с появата на LTP, което предполага, че активираното от тетанизация активиране на сензорните входове синхронизира активността на грануларните клетки и интернейроните и по този начин улеснява кодирането на придобитите стимули. Това води до увеличаване на тета и гама мощността и повишава вероятността аферентните стимули да съвпадат с пика на тета цикъла и да достигнат своята постсинаптична цел в гама времевия прозорец (от 10–30 ms). И двата механизма могат ефективно да изместят посоката на индуцираните от тетанизация промени в синаптичното тегло към потенциране и индуциране на LTP. Тук обсъждаме нашите открития в контекста на възможните механизми, които свързват тета и гама трептенията с индукция на LTP, както и тяхната роля в обработката на информация и формирането на спомени.

Дългосрочно потенциране на синаптичната трансмисия като модел на синаптична пластичност

Способността да се анализира и научава нова информация и, ако е необходимо, да се променя текущото поведение, въз основа на комбинация от предишни и скорошни спомени, е важен фактор за оцеляването на организмите в един постоянно променящ се свят. Създаването и управлението на тези следи от паметта включват основните функции на централната нервна система, които разчитат на способността й да участва в синаптична пластичност. Те могат да бъдат наблюдавани на различни нива, вариращи от субклетъчните до поведенческите.

От откриването си в края на 60-те години (Andersen and Lømo, 1967; Bliss and Lømo, 1973; вж. За преглед: Lømo, 2003), дългосрочното усилване (LTP) е обект на интензивно проучване, като се използват множество индукционни протоколи, видове и различни препарати както in vivo, така и in vitro. В наши дни LTP, наред с дългосрочната депресия (LTD), се използва широко като модел за съхранение на синаптична информация и се смята, че представлява процесите на обучение и памет в невронните мрежи (Abraham, 2003; Bear, 1996; Bliss and Collingridge, 1993; Kemp и Manahan-Vaughan, 2007; Lynch, 2004; Whitlock et al., 2006).

Освен различното относително участие на невротрансмитерните системи, индукцията и/или експресията на LTP, като отражение на централните синапси за придобиване, обработка и впоследствие съхраняване на нова информация, зависи от няколко други фактора, включително обогатяване на околната среда, различни форми на стрес и т.н. . (Artola et al., 2006; Avital et al., 2006; Bruel-Jungerman et al., 2005; Duffy et al., 2001; Foster et al., 2000; Kopp et al., 2006; Seidenbecher et al., 1997; van Praag et al., 1999; Xu et al., 1998), които свързват сензорния вход с текущо поведенческо състояние и осигуряват контекстуалната рамка за обработка на сензорни стимули. По този начин, като се вземат предвид множеството механизми, лежащи в основата на феномена LTP, не е изненадващо, че различни фактори и/или експериментални манипулации могат значително да повлияят на различните му фази. Въпреки това, за повечето форми на LTP, и по-специално за електрически индуцирания LTP, състоянието на животното (синаптично и поведенческо) през кратък период от време, както по време, така и непосредствено след тетанизация, изглежда решаващо за определяне на устойчивостта на потенциране (Abraham, 2003).

В нашето проучване (Bikbaev and Manahan-Vaughan, 2007), ние прилагаме високочестотно тетанизиране (HFT) при свободно поведение на възрастни плъхове и наблюдаваме полеви възбуждащи синаптични потенциали (fEPSPs) успоредно с интрахипокампалната електроенцефалограма за период от 24 часа. Въпреки факта, че за всички животни е използван идентичен протокол за стимулиране, е установена значителна вариация в резултатите от тетанизацията. При първата група животни се получи стабилен LTP, който беше стабилен поне 24 часа (LTP група), във втората група се предизвика краткосрочно усилване, което трае до 3 часа (STP група), докато при третата група настъпи неуспех на потенцирането, т.е. не се наблюдава постоянно нарастване на синаптичното предаване (група с неуспех). Като се има предвид този диапазон от резултати от тетанизация, ние ги анализирахме в контекста на промените в мрежовата активност, настъпили по време и в рамките на първите 300 s след тетанизация.

Задействаното от тетанизиране улесняване на тета и гама активността благоприятства LTP

Резултатите от нашето проучване демонстрират, че успешното усилване на синаптичното предаване (LTP и STP групи) при свободно движещи се плъхове е предшествано от по-висока относителна тета мощност в периода 300 s след HFT, в сравнение с периода преди тетанизация ( Фигура (Фигура1). 1). За разлика от това, в групата с неуспех на LTP е установено постепенно възстановяване на тета мощността до стойности преди тетанизиране, но не и увеличение. С други думи, успешното индуциране на потенциране (или под формата на STP или LTP), доведе до засилване на тета осцилаторната активност след тетанизация, докато такова подобрение не се наблюдава при плъхове, които показват неуспех на LTP. Средната амплитуда на единичен тета цикъл също е значително по-висока в периода след тетанизация в групите LTP и STP, в сравнение с групата с неуспешно синаптично потенциране. Взети заедно, тези данни предполагат, че е необходимо преходно увеличаване на тета мощността за правилното боравене със сензорното активиране на входа (имитирано тук от HFT). Това от своя страна може да изиграе разрешителна роля в индукцията на LTP и като цяло при формирането на следи от памет на новопридобитата информация.

тета

Преходното усилване на тета и гама мощността в периода след тетанизация корелира с потенцирането на синаптичното предаване в зъбната извивка на свободно движещи се плъхове. (А) Примери за ЕЕГ епохи, които включват 100 s дълги периоди на тетанизиране (200 Hz, 10 влака: първият влак е маркиран със стрелка) и следващите 300 s, записани при плъхове, които показват или LTP (ляв панел), STP (среден панел) или неуспех на потенциране (десен панел), съответно. Звездичката обозначава периода непосредствено след HFT, когато амплитудата на мрежовите трептения е по-висока в случаите на LTP и STP, в сравнение с неуспешно потенциране. Мащабна лента: 20 s. (Б) Успешното потенциране (LTP и STP) на синаптичното предаване е свързано с видно увеличение на относителната тета и гама мощност, особено в периода, обхващащ 100 s след тетанизация. Резултатите са обединени за LTP, STP и групите с отказ и са представени като Mean ± S.E.M. (изменено от Bikbaev and Manahan-Vaughan, 2007).

Разликите между LTP, STP и неуспешните групи за потенциране не бяха ограничени в нашето изследване от тета трептенията. Установихме, че през първите 100 s след HFT увеличаването на тета мощността и средната амплитуда на единичен тета цикъл е придружено от по-висока гама мощност в LTP групата и по-висока амплитуда на гама трептения в рамките на един тета цикъл и в двете групите LTP и STP, в сравнение със случаите на неуспешно усилване (Фигура (Фигура 1B). 1 B). Това показва, че не увеличаването на тета мощността само по себе си, а корелираното увеличение както на тета, така и на гама мощността е важно за активиране или посредничество на пластичните промени в синаптичните тегла. Освен това, нашите резултати показват, че тези повишения на осцилаторната активност трябва да се осъществят в рамките на относително кратък период от време, за да настъпи синаптична пластичност. Като се има предвид, че амплитудата на гама-трептенията в зъбната извивка, но не и в областите CA3 или CA1, е значително по-висока при наличието на тета-трептения, отколкото в не-тета състояния (Csicsvari et al., 2003), тези открития предполагат че индуцираното от тетанизиране улесняване на тета активността може да играе причинно-следствена роля за засилване на гама трептенията.

Схематично представяне на последиците от високочестотното тетанизиране, които се случват в мрежата и клетъчните нива и водят към дългосрочно усилване на синаптичното предаване. (А) Силната аферентна стимулация води до засилване както на тета, така и на гама трептенията, което се случва в рамките на 5 минути интервал след тетанизация и може да бъде медиирано чрез GABARs, NMDARs и mGluRs. (Б) Задействаното от тетанизиране активиране както на йонотропни, така и на метаботропни глутаматни рецептори е последвано от експресията на свързаните с пластичността гени с непосредствена ранна употреба (IEGs) и синтеза на протеини, което може да бъде в основата на структурната синаптична реорганизация и дългосрочното повишаване на синаптичната ефективност. Експерименталните процедури, които инхибират индукцията, експресията или поддържането на LTP, могат да доведат до увреждане на посттетаничното потенциране, STP, ранен LTP или късен LTP (съответно 1–4). Сивите стрелки означават възможни връзки между NMDAR и mGluR активиране и улесняване на мрежовата активност в тета и гама честотните ленти.

Посоката на промяна в синаптичното тегло корелира с фазата на тета цикъла

В този контекст може да се заключи, че преходното усилване на тета и гама трептенията в периода след тетанизация отразява ангажираността на системата в кодирането на придобитата информация. Това може да доведе до последващо „преконфигуриране“ на мрежата, съчетано с укрепване на текущо активирани връзки и отслабване на останалите. Освен това, улеснената тета дейност може да поддържа по-строг контрол на времето за стрелба на основните клетки и интернейрони в мрежата, което служи за оптимизиране на обработката на информация. Засиленото от тетанизиране подобряване на гама трептенията е свързано, от друга страна, с по-висока синхронизация и отразява координираната ансамбъл дейност, целяща да кодира/извлече съответните спомени. Съответно отсъствието или несъответствието на такива промени в мрежовата активност може да бъде свързано с липсата или недостатъчността на активиране на необходимите невротрансмитерни системи, неоптимални условия за обработка на сензорна информация и следователно по-ниска вероятност за LTP.

Обобщение

Изявление за конфликт на интереси

Авторите декларират, че изследването е проведено при липса на каквито и да било търговски или финансови отношения, които биха могли да се тълкуват като потенциален конфликт на интереси.

Благодарности

Тази работа е подкрепена с безвъзмездна помощ от Deutsche Forschungsgemeinschaft на Д. Манахан-Вон (Ma1843).