Escala sináptica

En neurociencia, la escala sináptica (o escala homeostática ) es una forma de plasticidad homeostática , en la que el cerebro responde a una actividad crónicamente elevada en un circuito neuronal con retroalimentación negativa , lo que permite que las neuronas individuales reduzcan su tasa de activación del potencial de acción general . ^[1] Cuando los mecanismos de plasticidad de Hebbian modifican las conexiones sinápticas neuronales de forma selectiva, la escala sináptica normaliza todas las conexiones sinápticas neuronales ^[2]disminuyendo la fuerza de cada sinapsis por el mismo factor (cambio multiplicativo), de modo que se conserva la ponderación sináptica relativa de cada sinapsis. ^[1]

Componentes celulares involucrados

1. Conexión sináptica (química) : en las sinapsis químicas, las neuronas presinápticas liberan vesículas que contienen neurotransmisores en la hendidura sináptica. Los neurotransmisores extracelulares interactúan luego con receptores de proteínas transmembrana postsinápticos particulares para permitir que una fracción de los neurotransmisores ingrese a la neurona postsináptica.
2.  Vesículas presinápticas : las vesículas son el medio de plasticidad químico-sináptica. Las neuronas presinápticas transmiten información (en forma de neurotransmisores ) a las neuronas postsinápticas a través de vesículas. Los neurotransmisores dentro de las vesículas se transportan a la hendidura sináptica donde interactúan con receptores de proteínas postsinápticos específicos de neurotransmisores.
3. Glutamato: El glutamato es el neurotransmisor excitador principal dentro de los vertebrados y juega un papel importante en la plasticidad sináptica . El estímulo a las neuronas presinápticas desencadena la liberación de glutamato en la hendidura sináptica a través de la liberación de vesículas presinápticas. Una vez en la hendidura sináptica, el glutamato puede unirse y activar receptores de proteínas glutamatérgicos postsinápticos como los receptores NMDA y AMPA .
4. Receptor AMPA postsináptico: Los receptores AMPA son receptores ionotrópicos de proteínas transmembrana que se abren y cierran rápidamente y son responsables de la comunicación sináptica excitadora rápida en el sistema nervioso central . Los receptores AMPA tienen cuatro subunidades a las que se puede unir el glutamato. Dependiendo de las composiciones de la subunidad del receptor AMPA, el receptor puede ser permeable a cationes como calcio , sodio o potasio.

Interacciones

La escala sináptica es un mecanismo de plasticidad homeostática postsináptica que tiene lugar con cambios en la cantidad de receptores AMPA en una terminal postsináptica (la punta de la dendrita que pertenece a la neurona postsináptica que se encuentra con la punta de un axón).perteneciente a la neurona presináptica) de una neurona. Este proceso de circuito cerrado le da a una neurona la capacidad de tener un control de retroalimentación negativa global de la fuerza sináptica de todas sus conexiones sinápticas al alterar la probabilidad de que el glutamato (el neurotransmisor excitador más común) entre en contacto con los receptores AMPA postsinápticos. Por lo tanto, la capacidad de una neurona para modular la cantidad de receptores AMPA postsinápticos le da la capacidad de lograr una tasa de activación de potencial de acción establecida . ^[3]

La probabilidad de que el glutamato entre en contacto con un receptor de AMPA postsináptico es proporcional a la concentración tanto de glutamato transmembrana como de receptores de AMPA postsinápticos. Cuando los receptores de glutamato y AMPA postsinápticos interactúan, la célula postsináptica experimenta una corriente despolarizante temporal, conocida como EPSP (potencial postsináptico excitador). La acumulación espacial y temporal de EPSP en la neurona postsináptica aumenta la probabilidad de que la neurona dispare un potencial de acción. Por lo tanto, las concentraciones de glutamato extracelular (y otros cationes) y la cantidad de receptores AMPA postsinápticos se correlacionan directamente con la velocidad de activación del potencial de acción de las neuronas. Algunas teorías sugieren que cada neurona utiliza sensores celulares dependientes del calcio para detectar su propia velocidad de activación del potencial de acción.^[4] Estos sensores también formulan información para sistemas de regulación de la plasticidad homeostática específicos de la célula. En la escala sináptica, las neuronas utilizan esta información para determinar un factor de escala. Posteriormente, cada neurona usa el factor de escala para escalar globalmente (ya sea para regular hacia arriba o hacia abajo) la cantidad de receptores AMPA transmembrana en todos los sitios postsinápticos.

Algunas investigaciones indican que hay dos formas mecánicamente distintas de plasticidad homeostática que involucran el tráfico o la traducción de los receptores AMPA en la post-sinapsis de las conexiones sinápticas:

1. Síntesis local de receptores AMPA: La síntesis del receptor AMPA de área local tiene lugar en una escala de tiempo de 4 horas. La frecuencia de traducción del ARNm dentro de la neurona postsináptica altera la cantidad de receptores AMPA locales producidos. Este mecanismo se utiliza para alterar la cantidad de receptores AMPA postsinápticos durante períodos cortos de tiempo.
2. Escala sináptica global: esta forma de plasticidad homeostática tiene lugar durante un período de días (24 a 48 horas) ^[3] y tiene un efecto más pronunciado sobre la tasa de activación general de las neuronas que la síntesis del receptor AMPA local. Varios mecanismos de transporte intracelular ayudan a los receptores AMPA a migrar a la hendidura postsináptica desde toda la célula.

Mecanismos

Traducción del receptor AMPA de área local

Las primeras fases de la modulación de la cantidad del receptor AMPA (dentro de un período de tiempo de cuatro horas) dependen de la síntesis del receptor AMPA del área local (cerca de la sinapsis), donde los ARNm se traducen para la transcripción del receptor AMPA local. Este mecanismo se utiliza para aumentar el número de receptores AMPA postsinápticos durante un período de tiempo corto.

Ibata y sus colegas estudiaron los mecanismos de escala del receptor AMPA local mediante la obtención de imágenes de las subunidades GluR2 transmembrana postsinápticas utilizando manipulaciones farmacéuticas durante un período de tiempo de 4 horas. ^[5] Se utilizó microscopía fluorescente para visualizar las proteínas GluR2 en los sitios sinápticos de las neuronas. El estudio mostró que la traducción del receptor AMPA de área local tiene lugar cuando la activación postsináptica y los receptores NMDA se bloquean simultáneamente mediante manipulaciones farmacéuticas utilizando APV y TTX.para bloquear el disparo postsináptico. El Dr. Turrigiano planteó la hipótesis de que el bloqueo de la activación postsináptica induciría una regulación positiva de los receptores AMPA. Se observaron cambios en la fluorescencia de la proteína GluR-2 existente en tan solo una hora después de un baño TTX. La cantidad de sitios sinápticos se mantuvo constante, lo que indica que esta síntesis del receptor AMPA a corto plazo tiene lugar solo en las conexiones sinápticas existentes.

Se realizaron registros de electrofisiología intracelular para verificar si el aumento en la cantidad de receptores AMPA postsinápticos equivalía a una regulación positiva de la fuerza de la conexión sináptica. Los registros intracelulares muestran un fuerte aumento en la amplitud de mEPSC (aproximadamente un 130% por encima de los valores de control) después de 4-5 horas de tratamiento con TTX. Los tratamientos TTX más prolongados produjeron un aumento más notable en la amplitud de mEPSC. Se supone que esta forma de tráfico del receptor AMPA está dirigida por la transcripción local de ARNm.

Global

Esta forma de escala sináptica tiene lugar durante un período de tiempo de días y tiene un efecto más pronunciado en la tasa de activación general de las neuronas que el tráfico del receptor AMPA local. Varios mecanismos de transporte intracelular ayudan a los receptores AMPA a migrar desde toda la neurona a la hendidura postsináptica.

Una investigación de electrofisiología y microscopía confocal concurrente a largo plazo realizada en redes neuronales in vitro de ratas corticales (edad> 3 semanas in vitro) que crecen en matrices de electrodos múltiples examinó la correlación entre los niveles de actividad de la red y los cambios en los tamaños de las sinapsis individuales. ^[6] Específicamente, se utilizó microscopía fluorescente a largo plazo para rastrear cambios en la cantidad (fluorescencia) de PSD-95.moléculas en sinapsis individuales en escalas de tiempo de varios días. Dado que las moléculas PSD-95 anclan los receptores postsinápticos AMPA y NMDA, sirven como marcadores cuantitativos fiables para los receptores de glutamato transmembrana postsinápticos. Esta investigación consistió en dos conjuntos de experimentos. En el primer conjunto, se monitorizó la morfología de la sinapsis y la actividad neuronal espontánea durante aproximadamente 90 horas (es decir, no se utilizaron estímulos externos o manipulaciones farmacéuticas para perturbar las redes neuronales). Durante este período, se observó que el tamaño de las sinapsis individuales fluctuaba considerablemente; sin embargo, las distribuciones de tamaños sinápticos, así como los valores de tamaño sináptico promedio, permanecieron notablemente constantes.Se encontró que la actividad en curso actuó para restringir los tamaños sinápticos aumentando la tendencia de las sinapsis grandes a encogerse y aumentando la tendencia de las sinapsis pequeñas a crecer. Por lo tanto, la actividad actuó para mantener las distribuciones de tamaños sinápticos (a nivel de población) dentro de ciertos límites. En el segundo conjunto de experimentos se realizó el mismo análisis después de la adición deTTX para bloquear toda la actividad espontánea. Esto condujo a una ampliación de las distribuciones de tamaño sináptico y a aumentos en los valores de tamaño sináptico promedio. Cuando se siguieron las sinapsis individuales a lo largo del tiempo, todavía se encontró que sus tamaños fluctuaban significativamente, sin embargo, ahora, no se encontraron relaciones entre la extensión o dirección de los cambios de tamaño y el tamaño sináptico inicial. En particular, no se encontró evidencia de que los cambios en el tamaño sináptico aumentaran con el tamaño sináptico inicial. Esto indicó que el crecimiento homeostático en el contenido del receptor AMPA asociado con la supresión de la actividad es un fenómeno de población , que resulta de la pérdida de restricciones dependientes de la actividad, no de la escala del contenido del receptor AMPA en sinapsis individuales.

Relación con la plasticidad homeostática y hebbiana

Artículos principales: Plasticidad homeostática y teoría de Hebb.

Existe evidencia de que la plasticidad homeostática presináptica y postsináptica funcionan al unísono para regular la velocidad de disparo. ^[7] Postsináptica actividad bloqueo (por TTX) en cultivo puede aumentar mEPSC amplitud y frecuencia mEPSC. ^{[8] Los} aumentos en la frecuencia de mEPSC indican que las neuronas experimentan un aumento en la probabilidad de que el neurotransmisor de glutamato presináptico haga contacto con un receptor AMPA postsináptico. Además, se ha demostrado que las vesículas presinápticas cambian de tamaño cuando la activación del potencial de acción se bloquea a través de (a través de TTX). ^[9]

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La plasticidad homeostática presináptica implica: 1) Tamaño y frecuencia de liberación de neurotransmisores presinápticos (por ejemplo, modulación de mEPSC). 2) Probabilidad de liberación de vesículas de neurotransmisores después de un disparo de potencial de acción. La actividad postsináptica bloqueo (por TTX) en cultivo puede aumentar mEPSC amplitud y frecuencia mEPSC (frec. Sólo se cambió en cultivos de más de 18 días). ^{[8] El} aumento en la frecuencia de mEPSC indica que las neuronas experimentan un aumento en la probabilidad de que el neurotransmisor de glutamato presináptico haga contacto con un receptor AMPA postsináptico.

La plasticidad hebbiana y la plasticidad homeostática tienen una relación de mano en guante. ^[10] Las neuronas utilizan los mecanismos de plasticidad de Hebb para modificar sus conexiones sinápticas dentro del circuito neural basándose en la información correlacionada que reciben de otras neuronas. Los mecanismos de potenciación a largo plazo (LTP) son impulsados ​​por disparos de neuronas presinápticas y postsinápticas relacionadas; con la ayuda de la plasticidad homeostática, los LTP y los LTD crean y mantienen pesos sinápticos precisosen la red neuronal. La actividad neuronal correlacionada persistente, sin un circuito de retroalimentación homeostática, hace que los mecanismos de LTP regulen continuamente la fuerza de la conexión sináptica. El fortalecimiento no especificado de los pesos sinápticos hace que la actividad neuronal se vuelva inestable hasta el punto de que perturbaciones estimuladoras insignificantes pueden desencadenar disparos caóticos y sincrónicos en toda la red conocidos como ráfagas. Esto hace que la red neuronal sea incapaz de computar. ^[11] Dado que la plasticidad homeostática normaliza las fuerzas sinápticas de todas las neuronas en una red, la actividad general de la red neuronal se estabiliza.

Referencias

1. Siddoway, Benjamín; Hou, Hailog; Xia, Houhui (marzo de 2014). "Mecanismos moleculares de reducción de escala sináptica homeostática" . Neurofarmacología . 78 : 38–44. doi : 10.1016 / j.neuropharm.2013.07.009 . PMC  8262101 . PMID  23911745 .
2. Turrigiano, GG; Nelson, SB (2000). "Hebb y homeostasis en plasticidad neuronal". Opinión actual en neurobiología . 10 (3): 358–64. doi : 10.1016 / s0959-4388 (00) 00091-x . PMID 10851171 . 
3. Turrigiano, GG (2008). "La neurona de autoajuste: escala sináptica de sinapsis excitadoras" . Celular . 135 (3): 422–35. doi : 10.1016 / j.cell.2008.10.008 . PMC 2834419 . PMID 18984155 .  
4. Marder, E; Goaillard, JM (2006). "Variabilidad, compensación y homeostasis en la función de neuronas y redes". Nature Reviews Neurociencia . 7 (7): 563–74. doi : 10.1038 / nrn1949 . PMID 16791145 . 
5. Ibata, K; Sun, Q; Turrigiano, GG (2008). "Rápida escala sináptica inducida por cambios en la descarga postsináptica" . Neurona . 57 (6): 819–26. doi : 10.1016 / j.neuron.2008.02.031 . PMID 18367083 . 
6. Minerbi, A; Kahana, R; Goldfeld, L; Kaufman, M; Marom, S; Ziv, NE (2009). "Relaciones a largo plazo entre tenacidad sináptica, remodelación sináptica y actividad de la red" . PLoS Biology . 7 (6): e1000136. doi : 10.1371 / journal.pbio.1000136 . PMC 2693930 . PMID 19554080 .  
7. Wallace, W; Bear, MF (2004). "Un correlato morfológico de escala sináptica en la corteza visual" . Revista de neurociencia . 24 (31): 6928–38. doi : 10.1523 / JNEUROSCI.1110-04.2004 . PMID 15295028 . 
8. Wierenga, CJ; Walsh, MF; Turrigiano, GG (2006). "Regulación temporal del locus de expresión de la plasticidad homeostática". Revista de neurofisiología . 96 (4): 2127–33. doi : 10.1152 / jn.00107.2006 . PMID 16760351 . 
9. Turrigiano, GG; Leslie, KR; Desai, NS; Rutherford, LC; Nelson, SB (1998). "Escalado dependiente de la actividad de amplitud cuántica en neuronas neocorticales". Naturaleza . 391 (6670): 892–6. doi : 10.1038 / 36103 . PMID 9495341 . 
10. Turrigiano, GG (1999). "Plasticidad homeostática en redes neuronales: cuanto más cambian las cosas, más permanecen igual". Tendencias en neurociencias . 22 (5): 221–7. doi : 10.1016 / s0166-2236 (98) 01341-1 . PMID 10322495 . 
11. Wagenaar, DA; Pine, J; Potter, SM (2006). "Búsqueda de plasticidad en cultivos corticales disociados en matrices de electrodos múltiples" . Revista de resultados negativos en biomedicina . 5 : 16. doi : 10.1186 / 1477-5751-5-16 . PMC 1800351 . PMID 17067395 .