Kurzzeitige und Langzeitige Synaptische Plastizität

Synapsen sind nicht fixiert: Ihre Stärke ändert sich mit der Nutzung. Kurzzeitige Plastizität verändert die Übertragung über Millisekunden bis Minuten, hauptsächlich durch Änderungen der Wahrscheinlichkeit der Transmitterfreisetzung, während langzeitige Plastizität eine dauerhafte Stärkung (Langzeit-Potenzierung) oder Schwächung (Langzeit-Depression) von Synapsen bewirkt, was weithin als zelluläres Substrat von Lernen und Gedächtnis angesehen wird. Dieses Thema führt beide Zeitskalen und ihre Mechanismen ein.

Definition

Synaptische Plastizität ist die aktivitätsabhängige Modifikation der synaptischen Stärke, umfassend kurzzeitige Änderungen der Freisetzungswahrscheinlichkeit, die Millisekunden bis Minuten dauern, und Langzeit-Potenzierung oder -Depression, die Stunden oder länger anhalten kann und als Grundlage für Lernen und Gedächtnis gilt.

Scope

Dieses Thema behandelt aktivitätsabhängige Änderungen der synaptischen Stärke: kurzzeitige Fazilitation und Depression, Langzeit-Potenzierung und Depression, Spike-Timing-Abhängigkeit und homöostatische Skalierung, die die Aktivität innerhalb von Grenzen hält. Es ist physiologisch ausgerichtet und bietet keine klinische oder Behandlungsanleitung.

Core questions

• Wie verändert frühere Aktivität die Stärke einer Synapse?
• Was unterscheidet kurzzeitige von langzeitiger Plastizität mechanistisch?
• Wie entstehen Langzeit-Potenzierung und -Depression an derselben Synapse?
• Wie halten Neuronen ihre Gesamtaktivität in einem stabilen Bereich?

Key concepts

• Kurzzeitige Fazilitation und Depression
• Gepaarte-Puls-Effekte
• Langzeit-Potenzierung (LTP)
• Langzeit-Depression (LTD)
• NMDA-Rezeptor-abhängige Plastizität
• Spike-Timing-abhängige Plastizität
• Homöostatische synaptische Skalierung
• Plastizität als Gedächtnissubstrat

Key theories

Hebbsche Plastizität und Langzeit-Potenzierung

Synapsen, die wiederholt aktiv sind, wenn die postsynaptische Zelle ebenfalls aktiv ist, werden verstärkt; im Hippocampus wird dies als NMDA-Rezeptor-abhängige Langzeit-Potenzierung realisiert, die als synaptisches Gedächtnismodell vorgeschlagen wird.

Spike-Timing-abhängige Plastizität

Das Vorzeichen und die Größe der Langzeitveränderung hängen vom Millisekunden-Timing zwischen präsynaptischen und postsynaptischen Spikes ab und liefern eine zeitlich präzise Hebbsche Lernregel.

Homöostatische synaptische Skalierung

Neuronen passen die Stärke ihrer Synapsen global an, um längere Aktivitätszunahmen oder -abnahmen auszugleichen, wodurch die Feuerungsrate stabilisiert wird, während die relativen synaptischen Gewichte erhalten bleiben.

Mechanisms

Kurzzeitige Plastizität entsteht größtenteils durch Änderungen des präsynaptischen Kalziums und der Verfügbarkeit freisetzbarer Vesikel: Restkalzium kann die Freisetzung erleichtern, während die Erschöpfung des leicht freisetzbaren Pools sie über kurze Intervalle hemmen kann. Langzeit-Potenzierung an vielen zentralen Synapsen hängt vom NMDA-Rezeptor ab, der Kalzium nur dann einlässt, wenn die postsynaptische Zelle gleichzeitig mit der Aktivität der Synapse depolarisiert ist; das resultierende Kalziumsignal löst Signalkaskaden aus, die die synaptische Stärke erhöhen, oft durch Hinzufügen von AMPA-Rezeptoren, während unterschiedliche Muster des Kalziumeintritts stattdessen eine Langzeit-Depression hervorrufen können. Das Timing von prä- und postsynaptischen Spikes prägt die Richtung dieser Änderungen, und separate homöostatische Mechanismen skalieren synaptische Gewichte nach oben oder unten, um die gesamte neuronale Aktivität stabil zu halten.

Clinical relevance

Synaptische Plastizität wird als Substrat von Lernen und Gedächtnis und als Prozess, der bei kognitiven Störungen beeinträchtigt ist, untersucht, und die Moleküle, die sie vermitteln, sind von Interesse als Ziele für das Verständnis solcher Störungen. Dieser Eintrag beschreibt die zugrunde liegende Physiologie und dient als Referenzhintergrund und nicht als Diagnose- oder Behandlungsratschlag.

History

Die Langzeit-Potenzierung wurde erstmals in den frühen 1970er Jahren im Hippocampus beschrieben und entwickelte sich in den folgenden Jahrzehnten zu einem führenden zellulären Gedächtnismodell, das 1993 von Bliss und Collingridge maßgeblich rezensiert wurde. Parallel dazu wurden kurzzeitige Plastizität, Spike-Timing-Abhängigkeit und homöostatische Skalierung charakterisiert, was das Verständnis der Regulation synaptischer Stärke über Zeitskalen hinweg erweiterte.

Key figures

• Timothy Bliss
• Graham Collingridge
• Eric Kandel
• Gina Turrigiano

Seminal works

• bliss-collingridge-1993
• zucker-regehr-2002
• kandel-2001

Frequently asked questions

Was ist Langzeit-Potenzierung?

Es ist eine dauerhafte Zunahme der synaptischen Stärke, die bestimmten Aktivitätsmustern folgt, oft abhängig vom NMDA-Rezeptor und dem von ihm eingelassenen Kalziumsignal, und sie wird weithin als zelluläres Gedächtnismodell angesehen.

Wie unterscheidet sich kurzzeitige Plastizität von langzeitiger Plastizität?

Kurzzeitige Plastizität verändert die Übertragung über Millisekunden bis Minuten, hauptsächlich durch präsynaptische Änderungen der Freisetzungswahrscheinlichkeit, während langzeitige Plastizität eine dauerhafte Stärkung oder Schwächung bewirkt, die anhaltende molekulare und strukturelle Änderungen beinhaltet.