علوم اعصاب پروس؛ مکانیسم‌های زیربنایی تضعیف طولانی‌مدت

Mechanisms underlying Long-Term Depression

If synapses simply continued to increase in strength as a result of long-term potentiation, eventually they would reach some level of maximum efficacy, making it difficult to encode new information. Thus, to make synaptic strengthening useful, other processes must selectively weaken specific sets of synapses, and LTD is such a process. In the late 1970s, LTD was found to occur at the synapses between the Schaffer collaterals and the CA1 pyramidal cells in the hippocampus. Whereas LTP at these synapses requires brief, high-frequency stimulation, LTD occurs when the Schaffer collaterals are stimulated at a low rate about 1 Hz for long periods (10-15 minutes). This pattern of activity depresses the EPSP for several hours and, like LTP, is specific to the activated synapses (Figure 8.16A,B). Moreover, LTD can erase the increase in EPSP size due to LTP, and conversely, LTP can erase the decrease in EPSP size due to LTD. This complementarity suggests that LTD and LTP reversibly affect synaptic efficiency by acting at a common site. 

مکانیسم‌های زیربنایی تضعیف طولانی‌مدت

اگر سیناپس‌ها به سادگی در نتیجه تقویت طولانی‌مدت به افزایش قدرت خود ادامه دهند، در نهایت به سطحی از حداکثر اثربخشی می‌رسند و رمزگذاری اطلاعات جدید را دشوار می‌کنند. بنابراین، برای مفید بودن تقویت سیناپسی، فرآیندهای دیگری باید به طور انتخابی مجموعه‌های خاصی از سیناپس‌ها را تضعیف کنند و LTD چنین فرآیندی است. در اواخر دهه 1970، مشخص شد که LTD در سیناپس‌های بین سلول‌های جانبی شافر و سلول‌های هرمی CA1 در هیپوکامپ رخ می‌دهد. در حالی که LTP در این سیناپس‌ها نیاز به تحریک کوتاه مدت و با فرکانس بالا دارد، LTD زمانی رخ می‌دهد که سلول‌های جانبی شافر با سرعت کم حدود 1 هرتز برای مدت طولانی (10-15 دقیقه) تحریک شوند. این الگوی فعالیت، EPSP را برای چندین ساعت تضعیف می‌کند و مانند LTP، مختص سیناپس‌های فعال شده است (شکل 8.16A،B). علاوه بر این، LTD می‌تواند افزایش اندازه EPSP ناشی از LTP را از بین ببرد، و برعکس، LTP می‌تواند کاهش اندازه EPSP ناشی از LTD را از بین ببرد. این مکمل بودن نشان می‌دهد که LTD و LTP با عمل در یک محل مشترک، به طور برگشت‌پذیر بر کارایی سیناپسی تأثیر می‌گذارند.

FIGURE 8.15 Mechanisms responsible for long lasting changes in synaptic transmission during LTP. (A) The late component of LTP is the result of PKA activating the transcriptional regulator CREB, which turns on expression of several genes that produce long lasting changes in PKA activity and synapse structure. (B,C) Structural changes associated with LTP in the hippocampus. (B) The dendrites of a CA1 pyramidal neuron were visualized by filling the cell with a fluorescent dye. (C) New dendritic spines (white arrows) can be observed approximately 1 hour after a stimulus that induces LTP. The presence of novel spines raises the possibility that LTP may arise, in part, from formation of new synapses. (A after Squire and Kandel, 1999; B and C after Engert and Bonhoeffer, 1999.)

شکل 8.15 مکانیسم‌های مسئول تغییرات طولانی‌مدت در انتقال سیناپسی در طول LTP. (الف) جزء تأخیری LTP نتیجه فعال شدن تنظیم‌کننده رونویسی CREB توسط PKA است که بیان چندین ژن را فعال می‌کند و تغییرات طولانی‌مدتی در فعالیت PKA و ساختار سیناپس ایجاد می‌کند. (ب، ج) تغییرات ساختاری مرتبط با LTP در هیپوکامپ. (ب) دندریت‌های یک نورون هرمی CA1 با پر کردن سلول با رنگ فلورسنت قابل مشاهده بودند. (ج) خارهای دندریتیک جدید (فلش‌های سفید) تقریباً 1 ساعت پس از محرکی که LTP را القا می‌کند، قابل مشاهده هستند. وجود خارهای جدید این احتمال را افزایش می‌دهد که LTP ممکن است تا حدی از تشکیل سیناپس‌های جدید ناشی شود. (الف پس از Squire و Kandel، 1999؛ ب و ج پس از Engert و Bonhoeffer، 1999.)

FIGURE 8.16 Long term synaptic depression in the hippocampus. (A) Electrophysiological procedures used to monitor transmission at the Schaffer collateral synapses on CA1 pyramidal neurons. (B) Low frequency stimulation (one per second) of the Schaffer collateral axons causes a long lasting depression of synaptic transmission. (C) Mechanisms underlying LTD. A low amplitude rise in Ca²⁺ concentration in the postsynaptic CA1 neuron activates postsynaptic protein phosphatases, which cause internalization of postsynaptic AMPA receptors, thereby decreasing the sensitivity to glutamate released from the Schaffer collateral terminals. (B after Mulkey et al., 1993.)

شکل 8.16 تضعیف سیناپسی طولانی مدت در هیپوکامپ. (الف) روش‌های الکتروفیزیولوژیکی مورد استفاده برای نظارت بر انتقال در سیناپس‌های جانبی شافر روی نورون‌های هرمی CA1. (ب) تحریک با فرکانس پایین (یکی در ثانیه) آکسون‌های جانبی شافر باعث تضعیف طولانی مدت انتقال سیناپسی می‌شود. (ج) مکانیسم‌های زیربنایی LTD. افزایش کم دامنه غلظت⁺Ca² در نورون پس سیناپسی CA1، پروتئین فسفاتازهای پس سیناپسی را فعال می‌کند که باعث درونی شدن گیرنده‌های AMPA پس سیناپسی می‌شود و در نتیجه حساسیت به گلوتامات آزاد شده از پایانه‌های جانبی شافر را کاهش می‌دهد. (ب برگرفته از مالکی و همکاران، 1993.)

LTP and LTD at the Schaffer collateral CA1 synapses actually share several key elements. Both require activation of NMDA type glutamate receptors and the resulting entry of Ca²⁺ into the postsynaptic cell. The major determinant of whether LTP or LTD arises appears to be the nature of the Ca²⁺ signal in the postsynaptic cell: Small and slow rises in Ca²⁺ lead to depression, whereas large and fast increases in Ca²⁺ trigger potentiation. As noted above, LTP is at least partially due to activation of protein kinases, which phosphorylate their target proteins. LTD, in contrast, appears to result from activation of phosphatases, specifically PP1 and PP2B (calcineurin), a Ca²⁺ dependent phosphatase (see Chapter 7). Evidence in support of this idea is that inhibitors of these phosphatases prevent LTD but do not block LTP. The different effects of Ca²⁺ during LTD and LTP may arise from the selective activation of protein phosphatases and kinases by the different types of postsynaptic Ca²⁺ signals occurring during these two forms of synaptic plasticity. Although the phosphatase substrates important for LTD have not yet been identified, it is possible that LTP and LTD phosphorylate and dephosphorylate the same set of regulatory proteins to control the efficacy of transmission at the Schaffer collateral CA1 synapse. Just as LTP at this synapse is associated with insertion of AMPA receptors, LTD is often associated with a loss of synaptic AMPA receptors. This loss probably arises from internalization of AMPA receptors into sorting endosomes in the postsynaptic cell (Figure 8.16C), due to the same clathrin dependent endocytosis mechanisms important for synaptic vesicle recycling in the presynaptic terminal (see Chapter 5). As is also the case for LTP, there is a late phase of LTD that requires synthesis of new proteins.

LTP و LTD در سیناپس‌های جانبی شافرCA1 در واقع چندین عنصر کلیدی مشترک دارند. هر دو نیاز به فعال شدن گیرنده‌های گلوتامات از نوع NMDA و در نتیجه ورود⁺Ca² به سلول پس سیناپسی دارند. به نظر می‌رسد عامل اصلی تعیین‌کننده‌ی LTP یا LTD، ماهیت سیگنال⁺Ca² در سلول پس سیناپسی باشد: افزایش‌های کوچک و آهسته در⁺Ca² منجر به کاهش فعالیت می‌شود، در حالی که افزایش‌های بزرگ و سریع در⁺Ca² باعث تقویت فعالیت می‌شود. همان طور که در بالا ذکر شد، LTP حداقل تا حدی به دلیل فعال شدن پروتئین کینازها است که پروتئین‌های هدف خود را فسفریله می‌کنند. در مقابل، به نظر می‌رسد LTD از فعال شدن فسفاتازها، به ویژه PP1 و PP2B (کلسینورین)، یک فسفاتاز وابسته به⁺Ca²، ناشی می‌شود (به فصل 7 مراجعه کنید). شواهد در حمایت از این ایده این است که مهارکننده‌های این فسفاتازها از LTD جلوگیری می‌کنند اما LTP را مسدود نمی‌کنند. اثرات متفاوت⁺Ca² در طول LTD و LTP ممکن است ناشی از فعال‌سازی انتخابی پروتئین فسفاتازها و کینازها توسط انواع مختلف سیگنال‌های⁺Ca² پس‌سیناپسی باشد که در طول این دو شکل از انعطاف‌پذیری سیناپسی رخ می‌دهند. اگرچه سوبستراهای فسفاتاز مهم برای LTD هنوز شناسایی نشده‌اند، اما این امکان وجود دارد که LTP و LTD مجموعه یکسانی از پروتئین‌های تنظیمی را فسفریله و دفسفریله کنند تا اثربخشی انتقال در سیناپس جانبی شافر CA1 را کنترل کنند. همانطور که LTP در این سیناپس با ورود گیرنده‌های AMPA مرتبط است، LTD اغلب با از دست دادن گیرنده‌های AMPA سیناپسی همراه است. این از دست دادن احتمالاً ناشی از درونی شدن گیرنده‌های AMPA به اندوزوم‌های مرتب‌کننده در سلول پس‌سیناپسی است (شکل 8.16C)، به دلیل همان مکانیسم‌های اندوسیتوز وابسته به کلاترین که برای بازیافت وزیکول سیناپسی در ترمینال پیش‌سیناپسی مهم هستند (به فصل 5 مراجعه کنید). همانطور که در مورد LTP نیز صادق است، یک مرحله پایانی LTD وجود دارد که نیاز به سنتز پروتئین‌های جدید دارد.

A quite different form of LTD is observed in the cerebellum. LTD of synaptic inputs onto cerebellar Purkinje cells was first described by Masao Ito and Masanobu Kano in Japan in the early 1980s. Purkinje neurons in the cerebel- lum receive two distinct types of excitatory input: climbing fibers and parallel fibers (Figure 8.17A; see Chapter 19). LTD reduces the strength of transmission at the parallel fiber synapse (Figure 8.17B) and subsequently was found to depress transmission at the climbing fiber synapse as well. This form of LTD has been implicated in the motor learning that mediates the coordination, acquisition, and storage of complex movements in the cerebellum. Although the role of LTD in cerebellar motor learning remains controversial, it has nonetheless been a useful model system for understanding the cellular mechanisms of long-term synaptic plasticity. 

شکل کاملاً متفاوتی از LTD در مخچه مشاهده می‌شود. LTD ورودی‌های سیناپسی به سلول‌های پورکنژ مخچه اولین بار توسط ماسائو ایتو و ماسانوبو کانو در ژاپن در اوایل دهه 1980 توصیف شد. نورون‌های پورکنژ در مخچه دو نوع ورودی تحریکی متمایز دریافت می‌کنند: فیبرهای بالارونده و فیبرهای موازی (شکل 8.17A؛ به فصل 19 مراجعه کنید). LTD قدرت انتقال در سیناپس فیبر موازی را کاهش می‌دهد (شکل 8.17B) و متعاقباً مشخص شد که انتقال در سیناپس فیبر بالارونده را نیز کاهش می‌دهد. این شکل از LTD در یادگیری حرکتی که واسطه هماهنگی، اکتساب و ذخیره حرکات پیچیده در مخچه است، نقش دارد. اگرچه نقش LTD در یادگیری حرکتی مخچه همچنان بحث‌برانگیز است، با این وجود یک سیستم مدل مفید برای درک مکانیسم‌های سلولی انعطاف‌پذیری سیناپسی طولانی‌مدت بوده است.

FIGURE 8.17 Long-term synaptic depression in the cerebellum. (A) Experimental arrangement. Synaptic respons- es were recorded from Purkinje cells following stimulation of parallel fibers and climbing fibers. (B) Pairing stimulation of climbing fibers (CF) and parallel fibers (PF) causes LTD that reduces the parallel fiber EPSP. (C) LTD requires depolarization of the Purkinje cell, produced by climbing fiber activation, as well as signals generated by active parallel fiber synapses. (D) Mechanism underlying cerebellar LTD. Glutamate released by parallel fibers activates both AMPA receptors and metabotropic glutamate receptors (mGluRs). The activated mGluRs produce two second messengers, DAG and IP3, which interact with Ca²⁺ that enters when climbing fiber activity opens voltage gated Ca²⁺ channels. The resultant release of Ca²⁺ from the endoplasmic reticulum leads to a further rise in intracellular Ca²⁺ concentration and the activation of PKC, which triggers clathrin dependent internalization of postsynaptic AMPA receptors, weakening the parallel fiber synapse. (B after Sakurai, 1987.)

شکل 8.17 تضعیف سیناپسی طولانی مدت در مخچه. (الف) چیدمان آزمایش. پاسخ‌های سیناپسی از سلول‌های پورکنژ پس از تحریک فیبرهای موازی و فیبرهای بالارونده ثبت شدند. (ب) تحریک جفت شدن فیبرهای بالارونده (CF) و فیبرهای موازی (PF) باعث LTD می‌شود که EPSP فیبر موازی را کاهش می‌دهد. (ج) LTD نیاز به دپلاریزاسیون سلول پورکنژ دارد که توسط فعال شدن فیبر بالارونده و همچنین سیگنال‌های تولید شده توسط سیناپس‌های فیبر موازی فعال تولید می‌شود. (د) مکانیسم زیربنایی LTD مخچه. گلوتامات آزاد شده توسط فیبرهای موازی، گیرنده‌های AMPA و گیرنده‌های گلوتامات متابوتروپیک (mGluRs) را فعال می‌کند. mGluRs فعال شده دو پیام‌رسان ثانویه، DAG و IP3، تولید می‌کنند که با⁺Ca² که هنگام باز شدن کانال‌های⁺Ca² وابسته به ولتاژ توسط فعالیت فیبر بالارونده وارد می‌شود، تعامل دارند. آزادسازی ⁺Ca² حاصل از شبکه آندوپلاسمی منجر به افزایش بیشتر غلظت⁺Ca² درون سلولی و فعال شدن PKC می‌شود که باعث درونی‌سازی وابسته به کلاترین گیرنده‌های AMPA پس‌سیناپسی شده و سیناپس فیبر موازی را تضعیف می‌کند. (B پس از ساکورایی، ۱۹۸۷)

Like many forms of motor learning, cerebellar LTD is associative because it occurs only when climbing fibers and parallel fibers are activated at the same time (Figure 8.17C). In this case, associativity arises from the combined actions of two distinct intracellular signal transduction pathways that are activated in the postsynaptic Purkinje cell in response to activity of the climbing fiber and parallel fiber synapses. In the first pathway, glutamate released from the parallel fiber terminals activates two types of receptors, the AMPA type and metabotropic glutamate receptors (see Chapter 6). Glutamate binding to the AMPA receptor results in mild membrane depolarization, whereas binding to the metabotropic receptor produces the second messengers inositol triphosphate (IP3) and diacylglycerol (DAG) (see Chapter 7). Glutamate released by climbing fibers also activates AMPA receptors, which strongly depolarizes the Purkinje cell membrane potential and initiates a second signal transduction pathway: an influx of Ca²⁺ through voltage gated channels and a subsequent increase in intracellular Ca²⁺ concentration. These two second messengers IP3 and Ca²⁺cause an amplified rise in intracellular Ca²⁺ concentration by acting together on IP3 receptors. This triggers release of Ca²⁺ from intracellular stores and leads to synergistic activation of PKC by Ca²⁺ and DAG (Figure 8.17D). Thus, the associative property of cerebellar LTD appears to arise from both IP3 receptors and PKC serving as coincidence detectors. Other protein kinases also act to sustain the activation of PKC beyond the time that IP3 and Ca²⁺ concentrations are elevated.

مانند بسیاری از اشکال یادگیری حرکتی، LTD مخچه‌ای تداعی‌گر است زیرا فقط زمانی رخ می‌دهد که فیبرهای بالارونده و فیبرهای موازی به طور همزمان فعال شوند (شکل 8.17C). در این حالت، تداعی‌گری از اعمال ترکیبی دو مسیر انتقال سیگنال درون سلولی مجزا ناشی می‌شود که در سلول پورکنژ پس‌سیناپسی در پاسخ به فعالیت سیناپس‌های فیبر بالارونده و فیبرهای موازی فعال می‌شوند. در مسیر اول، گلوتامات آزاد شده از پایانه‌های فیبر موازی، دو نوع گیرنده، نوع AMPA و گیرنده‌های گلوتامات متابوتروپیک را فعال می‌کند (به فصل 6 مراجعه کنید). اتصال گلوتامات به گیرنده AMPA منجر به دپلاریزاسیون خفیف غشاء می‌شود، در حالی که اتصال به گیرنده متابوتروپیک، پیام‌رسان‌های ثانویه اینوزیتول تری فسفات (IP3) و دی‌آسیل گلیسرول (DAG) را تولید می‌کند (به فصل 7 مراجعه کنید). گلوتامات آزاد شده توسط فیبرهای بالارونده، گیرنده‌های AMPA را نیز فعال می‌کند که پتانسیل غشای سلول پورکنژ را به شدت دپلاریزه کرده و مسیر انتقال سیگنال دوم را آغاز می‌کند: هجوم⁺Ca² از طریق کانال‌های دریچه‌دار ولتاژی و متعاقباً افزایش غلظت⁺Ca² درون سلولی. این دو پیام‌رسان ثانویه IP3 و⁺Ca² با عمل مشترک بر روی گیرنده‌های IP3 باعث افزایش شدید غلظت⁺Ca² درون سلولی می‌شوند. این امر باعث آزاد شدن⁺Ca² از ذخایر درون سلولی شده و منجر به فعال شدن سینرژیک PKC توسط⁺Ca² و DAG می‌شود (شکل 8.17D). بنابراین، به نظر می‌رسد خاصیت انجمنی LTD مخچه از هر دو گیرنده IP3 و PKC که به عنوان آشکارسازهای همزمان عمل می‌کنند، ناشی می‌شود. سایر پروتئین کینازها نیز برای حفظ فعال شدن PKC فراتر از زمانی که غلظت IP3 و⁺Ca² بالا می‌رود، عمل می‌کنند.

PKC phosphorylates several down- stream substrate proteins, including AMPA receptors. The main consequence of PKC-dependent phosphorylation is to cause an internalization of AMPA receptors via clathrin dependent endocytosis (see Figure 8.17D). This loss of AMPA receptors decreases the response of the postsynaptic Purkinje cell to glutamate released from the presynaptic terminals of the parallel fibers. Thus, in contrast to LTD in the hippocampus, cerebellar LTD requires the activity of protein kinases, rather than phosphatases, and does not involve Ca²⁺ entry through NMDA receptors. However, the net effect. is the same in both cases: Internalization of postsynaptic AMPA receptors is a common mechanism for decreased efficacy of both hippocampal and cerebellar synapses during LTD. As is the case for LTP at the hippocampal Schaffer collateral synapse, as well as for long term synaptic plasticity in Aplysia, CREB appears to be required for a late phase of cerebellar LTD. It is not yet known which proteins are synthesized as a consequence of CRE activation.

PKC چندین پروتئین سوبسترای پایین‌دست، از جمله گیرنده‌های AMPA را فسفریله می‌کند. پیامد اصلی فسفوریلاسیون وابسته به PKC، ایجاد درونی‌سازی گیرنده‌های AMPA از طریق اندوسیتوز وابسته به کلاترین است (شکل 8.17D را ببینید). این از دست دادن گیرنده‌های AMPA، پاسخ سلول پورکنژ پس‌سیناپسی به گلوتامات آزاد شده از پایانه‌های پیش‌سیناپسی فیبرهای موازی را کاهش می‌دهد. بنابراین، برخلاف LTD در هیپوکامپ، LTD مخچه به فعالیت پروتئین کینازها، نه فسفاتازها، نیاز دارد و شامل ورود⁺Ca² از طریق گیرنده‌های NMDA نمی‌شود. با این حال، اثر خالص در هر دو مورد یکسان است: درونی‌سازی گیرنده‌های AMPA پس‌سیناپسی یک مکانیسم رایج برای کاهش اثربخشی سیناپس‌های هیپوکامپ و مخچه در طول LTD است. همانطور که برای LTP در سیناپس جانبی شافر هیپوکامپ و همچنین برای انعطاف‌پذیری سیناپسی بلندمدت در آپلیزیا صادق است، به نظر می‌رسد CREB برای فاز انتهایی LTD مخچه مورد نیاز است. هنوز مشخص نیست که کدام پروتئین‌ها در نتیجه فعال شدن CRE سنتز می‌شوند.

Spike Timing-Dependent Plasticity

The preceding sections show that LTP and LTD are preferentially initiated by different rates of repetitive synaptic activity, with LTP requiring high frequency activity and LTD being induced by low frequency activity. ation. Nature 385: 533–536.