Synaptisk plasticitet er evnen til at ændre styrken af synapsen (mængden af ændring i målcellens transmembranpotentiale som reaktion på påvirkningen af en bestemt kraft på den præsynaptiske neuron) [1] . Det betragtes som den vigtigste mekanisme, hvorved fænomenet hukommelse og læring realiseres . Denne mekanisme er karakteristisk for alle organismer, der har et nervesystem og er i stand til at lære noget i det mindste i kort tid. Efter at neurotransmitteren er frigivet til den synaptiske kløft, aktiverer den receptorerne i den postsynaptiske celle, hvilket fører til excitation (depolarisering) eller hæmning (hyperpolarisering) af målcellen (afhængigt af arten af receptorerne og neurotransmitteren) [2] .
I henhold til virkningens varighed skelnes kortsigtet og langsigtet plasticitet, i henhold til naturen - depression og potensering ; der er således fire hovedtyper af synaptisk plasticitet.
Et betydeligt antal forskellige former for kortvarig (fra millisekunder til adskillige minutter) synaptisk plasticitet er blevet fundet for næsten alle synapser af organismer med forskellige niveauer af kompleksitet - fra hvirvelløse dyr til mennesker . Denne form for plasticitet anses for vigtig for kortsigtet tilpasning til sensorisk information, adfærdsændringer og korttidshukommelse. Kortvarig plasticitet initieres af korte udbrud af aktivitet, der forårsager en midlertidig ophobning af calciumioner i præsynaptiske terminaler. Som et resultat af denne akkumulering er der en ændring i sandsynligheden for neurotransmitterfrigivelse på grund af direkte modulering af de biokemiske processer, der styrer exocytose [1] .
Behandling af parrede pulser er den vigtigste opgave for kortvarig plasticitet. Hvis en celle modtager to impulser adskilt af et kort interval, kan responsen på den anden impuls enten være stærkere (potentiering) eller svagere (depression) end responsen på den første. Svækkelsen af parrede pulser observeres sædvanligvis med korte tidsintervaller mellem dem (mindre end 20 ms ); den mest sandsynlige årsag til denne svækkelse kan være deaktivering af spændingsafhængige natrium- og calciumkanaler eller et midlertidigt fald i antallet af vesikler i den præsynaptiske terminal [3] . Ved længere intervaller mellem stimuli (20-500 ms ) er responsen på det andet signal i mange tilfælde stærkere end på det første.
Manifestationen af forstærkning eller svækkelse af parrede impulser afhænger af synapsens historie. Disse former for plasticitet er meget afhængige af ændringen i sandsynligheden for neurotransmitterfrigivelse som reaktion på det første signal. Hvis denne sandsynlighed er høj, har det andet signal en tendens til at svækkes; hvis aktivering af synapsen med et signal er usandsynlig, er det rimeligt at antage, at det næste signal vil øge denne sandsynlighed. Manipulationer, der ændrer sandsynligheden for, at en synapse reagerer på et signal, kan ændre effektens størrelse eller endda ændre dens natur, for eksempel fra forstærkning til dæmpning [4] .
Længerelivede former for plasticitet opstår efter en række stimulationer produceret med høj frekvens (krampe- eller tetanisk stimulation). Amplifikation (augmentation, facilitering) og post-konvulsiv potensering (post-tetanisk potensering, PTP) beskriver en stigning i neurotransmitterfrigivelse, der varer fra nogle få sekunder (amplifikation) til flere minutter (PTP). Samtidig øges sandsynligheden for frigivelse af neurotransmitter også på grund af ophobning af calcium i den præsynaptiske terminal under en række stimuli, som kan kombineres med modifikation af præsynaptiske proteiner [3] .
I nogle tilfælde fører konvulsiv stimulation til depression af den synaptiske forbindelse, som kan vare fra et par sekunder til minutter. Typisk opstår denne effekt ved højsandsynlige synapser, når konvulsiv stimulering fører til hurtig udtømning af vesikelpuljen eller andre manifestationer af hæmmende maskineri [3] .
For første gang blev ideen om en sammenhæng mellem at opnå erfaring og ændret synaptisk styrke udtrykt ved skiftet til det 19. og 20. århundrede. Nobelpristageren Santiago Ramón y Cajal . En eksperimentel undersøgelse af langsigtet synaptisk plasticitet er baseret på Hebbs postulat , formuleret i 1949 : "Hvis aksonet i celle A er placeret tæt nok på celle B til at excitere det og konstant deltager i dets aktivering, så er sådanne metaboliske ændringer eller der sker processer i en eller begge cellevækst, at effektiviteten af A som en af de celler, der aktiverer B, øges” [5] . I den moderne formulering af Hebb-postulatet er det underforstået, at ændringen i effektiviteten af signaltransmission i synapsen styres af korrelationen af styrken, der er nødvendig for aktiveringen af den præ- og postsynaptiske neuron [6] .
De første eksperimentelle resultater, der bekræftede Hebbs postulat, blev opnået i begyndelsen af 1970'erne [7] : gentagen aktivering af excitatoriske synapser i kaninhippocampus forårsagede en stigning i synapsestyrken, der varede flere timer eller endda dage. Dette fænomen kaldes " langsigtet potensering " (langtidsforstærkning, LTP). Senere blev andre fænomener forbundet med synaptisk plasticitet opdaget - langsigtet svækkelse (langtidsdepression, LTD), homøostatisk plasticitet, metaplasticitet . Homøostatisk plasticitet, for eksempel, er en ændring i styrken af alle synapser i en bestemt celle som reaktion på langsigtede ændringer i aktivitet, især en stigning i styrken af synapser som reaktion på et fald i signalaktivitet. Denne form for plasticitet er forbundet med meget længere tid end LTP og LTD og kan være vigtig i udviklingen af neuronale veje. Udtrykket "metaplasticitet" refererer til de virkninger, der er forbundet med at ændre en synapses evne til at udvise plasticitet [1] . I modsætning til kortvarig plasticitet er langsigtet plasticitet forbundet med genekspression og syntese af nye proteiner. De mest undersøgte former for langvarig plasticitet er stadig LTP og LTD i hippocampus-regionen CA1, som styres af N-methyl-D-aspartat (NMDA) receptorer. Først i de senere år er der opnået beviser til fordel for eksistensen af en langsigtet potensering af GABA A - medieret synaptisk transmission (LTP GABA ), som sker gennem en heterosynaptisk mekanisme, men denne proces kræver også aktivering af NMDA-receptorer i glutamat synapser [8] .
Den spike-timing-dependent plasticity (STDP) model er en type synaptisk plasticitet, der regulerer styrken af forbindelser afhængigt af den relative tid mellem neuronaktivering og inputhandlingspotentialer (input spikes). Ifølge denne model af plasticitet, hvis input-spidsen i gennemsnit følger umiddelbart før neuronaktivering, så styrkes denne forbindelse, og hvis den i gennemsnit følger umiddelbart efter neuronaktivering, så svækkes denne forbindelse. Påvirkningen af input, der kan forårsage neuronaktivering, forstærkes således, og indflydelsen af input, hvis signaler ikke kunne og ikke kan være årsagen til aktivering, svækkes. Denne type plasticitet er i god overensstemmelse med Hebb-princippet for træning af kunstige neurale netværk , ifølge hvilket forbindelsen mellem noder, der aktiveres på samme tid, bør styrkes. Da signaler i et biologisk system ikke forplanter sig øjeblikkeligt, men med en forsinkelse, for at aktiveringen af en neuron kan forårsage aktivering af en anden, skal den første aktiveres lidt tidligere.