Долговременная потенциация и долговременная депрессия как выражение пластичности в бидирекционном синапсе

После того как в мозжечке было открыто явление долговре­менной депрессии (ДВД) и ее удалось связать с механизмом выра­ботки мигательного условного рефлекса, интерес к изучению ДВД резко возрос. ДВД в мозжечке выявлена в отношении возбудитель­ной передачи и развивается на синапсах параллельных волокон — сенсорного пути к клеткам Пуркинье. Для ее появления требуется сочетание стимуляции параллельных волокон, представляющих условный сигнал, со стимуляцией лазящих волокон, проводящих сигнал от безусловного раздражителя к клеткам Пуркинье. ДВД сегодня выявлена не только в мозжечке, но и в новой коре, гип­покампе, таламусе и др.

Какой эффект появится: ДВД или ДВП — зависит от того, какова частота стимуляции путей к пресинаптическому нейрону и каков уровень поляризации мембраны постсинаптического нейро­на. В коре и гиппокампе высокочастотная стимуляция обычно вы­зывает ДВП, низкочастотная — ДВД. В мозжечке, наоборот, высо­кочастотная совместная стимуляция параллельных и лазящих во­локон приводит к развитию ДВД.

Оказалось, что ДВД и ДВП более тесно связаны между собой, нежели представляли раньше. Оба явления могут быть воспроиз­ведены на одном и том же синапсе (рис. 35). Синапс, в котором можно при определенных условиях получить ДВП или ДВД, полу­чил название бидирекционного. Он принципиально отличен от си­напса Хебба, требующего пре-постсинаптического совпадения. Ему не нужно подкрепления в виде активации постсинаптического ней­рона. Так, ДВД можно получить ритмической стимуляцией, когда мембрана постсинаптического нейрона гиперполяризована.

Рис. 35. Зависимость появления долговременной потенциации (ДВП) и долговременной депрессии (ДВД) в бидирскционном синапсе от порога модификации и уровня постсинаптического возбуждения.

Полагают, что пластические изменения у такого бидирекци­онного синапса в виде появления ДВП и ДВД обусловлены дей­ствием ритмической стимуляции на особый тип рецепторов, воз­буждение которых открывает каналы для впуска в клетку мощного потока ионов кальция. Такими свойствами обладают рецепторы NMDA. Их активация аналогична действию безусловного раздра­жителя. Высокочастотная стимуляция, вызывающая ДВП, действует непосредственно через NMDA-рецепторы. Хотя не исключается, что высокочастотный раздражитель может открывать и потенциал-зависимые кальциевые каналы. А это означает возможное подклю­чение и постсинаптического нейрона, т.е. участие подкрепления полностью не исключается.

Для объяснения свойств бидирекционного синапса вводится по­нятие «порог модификации». Он соответствует определенной ком­бинации уровня постсинаптического возбуждения и частоты сти­муляции, при которой не возникает ни ДВП, ни ДВД. Порог моди­фикации — это некая критическая точка, в которой происходит переход от ДВП к ДВД. Только уход от порога модификации опре­деляет появление ДВД или ДВП. Порог модификации — скользящая величина, он может сдвигаться как в одну, так и в другую сторону в зависимости от состояния постсинаптического нейрона. Его скольжение получило название «пластичности синоптической пластичности» или «метапластичности».

В качестве возможных механизмов «метапластичности» рассмат­ривают кальций-зависимые изменения активности внутриклеточ­ных веществ. В их роли выступают протеинкиназы, вызывающие фосфорилирование белков, и протеинфосфотазы, инициирующие обратный процесс — дефосфорилирование. Баланс между фосфорилированием и дефосфорилированием определяет появление ДВП или ДВД. При малой интенсивности постсинаптического возбуждения преобладает активность фосфотазы, что приводит к дефосфорилированию. При сильном возбуждении доминирует процесс фосфорилирования.

В некоторых случаях ДВД можно было получить только после предварительно вызванной ДВП. Такая ДВД была названа депотенциацией. Недавно были выявлены ДВП и ДВД тормозной пере­дачи в неокортексе и в мозжечке. ДВП и ДВД противоположно действуют в отношении возбудительных и тормозных входов. Так, увеличение концентрации Са²⁺ в нейронах коры вызывает ДВП возбудительного входа и ДВД тормозного, и наоборот. В мозжечке увеличение содержания ионов Са²⁺ в нейронах ведет к ДВД возбу­дительного входа и ДВП тормозного.