Vuonna 1992 seurasi neurotieteen sarjassa jännittävä kuvaus muistin synaptisesta sijoittautumisesta ihmisen aivostossa. Tämä esitettiin Ruotsin lääkärilehdessä Läkartidningen 1992, Vol. 89, Nr 4. Ss 201-206. Tämän artikkelin kirjoittajina olivat docentit R Gustafsson ja H Wigström Göteborgin Yliopistosta.
- Artikkelissa kuvataan ensiksi kanadalaisen psykologin D O Hebbin teoria oppimisen ja muistin pohjautumisesta synaptisen tehokkuuden lisääntymiseen .
- LTP, long term potential
- Neuronvälittäjäaineita, joiden nimet vilahtelivat tässä artikkelissa olivat
* GABA
* Glutamaatti (Glu)
* asetyylikoliini (Ach)
* noradrenaliini (NA) ja
* dopamiini (DA).
- Reseptorit jotka keskeissinä esitetään ovat
* AMPA reseptori (AMPAR)
Artikkelissa kutsutaan NMDA- jonikanavaa oppimisen molekyyliksi
”inlärningsmolekylen”).
AMPA-reseptori puolestaan kantoi nimitystä muistin molekyyli, ”minnesmolekylen”.
Asiaan liittyy muutamia selventäviä kaavakuvia synapseista, Koetan tässä harsia kokoon pienen lyhennyksen näistä erittäin tiiviiksi jo pakatuista kappaleista alkusivujen tekstiä.
- MUISTIN SIJOITTUMINEN
Olisiko LTP, pitkäaikaislatautuminen, synapsitason muistia?
Kuva synapsista hahmotettiin 1950-1960-luvulla. Siinä ei niin ollut sijaa millekään pitkäaikaislatauksille.
Norjalainen neurofysiologi T Lomo (1966) havaitsi, että lyhytaikainen hippokamppialueen synapsien korkeajaksoinen (Hz) aktivointi tuotti pitkäaikaisen synaptisen vaikutuksen kaniineille. Sitä ennen oli jo huomattu, että oppiminen ja muisti olivat yhteydessä juuri hippokamppialueeseen. Tämä herätti suuren mielenkiinnon. Ilmiötä sanottiin jo silloin pitkäaikaispotentioitumiseksi LTP. Olisiko siinä synaptinen muisti?
Tulipa sitten 1970- luku.
Nyt huomattiin, että hereillä olevilla koe-eläimillä LPT oli erittäin pitkäaikainen, jopa viikkoja kestävä. Mutta samalla havaittiin, että LTP:n aktivointiin tarvittiin tietty samanaikaisaktivointi suuressa määrässä postsynaptisia aksoneita.
1980-luvulla otettiin apuun hippokampi-ainesta(CA3, CA1) koe-eläimistä asian selvittelyyn.
- CA3-CA1 hermorata ja synapsi sijainniltaan
http://www.mpipsykl.mpg.de/en/research/themes/aging/figures/almeida_02_01.jpg
Havaittiin, että LTP voidaan liipaista esiin helposti, jos postsynaptinen estyminen voidaan vähentää farmakologisesti.
Tästä seuraa, että annettu presynaptinen aktivointi tuottaa vahvemman postsynaptisen depolarisaation ja siten lisääntyneen impulssivirran.
Osoitettiin suoraan, että LTP:n induktio vaatii samanaikaisen pre- ja postsynaptisen aktiviteetin Vaade samanaikaisuudelle pre- ja postsynaptisssa aktiviteetissa on hyvin jyrkkä, aikaraami on vain noin 50 ms.
Kysymys pitkäaikaispotentioitumisen (LTP) starttisignaalista.
Minkälainen mekanismi voi tunnistaa samanaikaisesti pre- ja postsynaptisen aktiviteetin? Mikä mekanismi voi alstroida alkusignaalin paikallisille modifioiville prosesseille? Mikä mekanismi voi pitää yllä nämä huomattavasti solun geeneistä kauempana sijaitsevat prosessit?
Kalsiumin osuus havaittiin siten, että tekijä, joka sitoi postsynaptisen solun kalsiumia, teki mahdottomaksi LTP:n muodostumisen. Se viittasi siihen, että LTP muodostuisi lähinnä postsnaptisesti.
Lisäksi havaittiin, että jos antagonisteilla (vastavaikuttajilla) blokeerattiin NMDA-reseptorin laaja kanava, LTP ei indusoitunut.(Tällainenhan on paha aine).
Sellainen excitatorinen postsynaptinen potentiaali (EPSP),
joka normaalisti tavataan hippokampeissa ja joka tulee suuremmaksi, kun LTP välittyy, on AMPA-välitteinen.
Mutta sellainen EPSP, joka on NMDA- välitteinen, liipaistuu esiin samalla kuin AMPA-välitteinenkin. Mutta normaalisti nämä NMDA-EPSP:t ovat vaimennuksissa, mikä johtunee siitä, että NMDA-reseptorikanavat omaavat erikoispiirteitä ollen sekä jännitteestä että hermonvälittäjäaineesta riippuvia. Niillä on korkea vaatimus aktiviteettiin, mutta sitten kun aktivointi tapahtuu, teho on hyvä ja vaikutus pitkäaikainen. Siis iso jonikanava aukeaa vain, kun välittäjäaine sitoutuu siihen samanaikaisesti kuin postsynaptinen kalvo on riittävästi depolarisoitunut. Sitten kun se aukeaa, sillä on hyvin suuri kalsiumin läpäisevyys (permeabiliteeti) verrattuna AMPA-reseptorin kanaviin.
Näistä malleista päädyttiin nykyiseen käsitykseen LTP-induktiosta.
Tämä pätee siis useimmilla hippokampin alueilla (hippocampus) ja todennäköisesti myös neocortex-alueella monissa synapseissa: AMPA ja NMDA- reseptoreita on nimittäin paikallistuneena samoihin dendriittivarsiin, lyhyisiin, sauvamaisiin ulokkeisiin, jotka muodostavat postsynapsin (”eng spines”) ja synaptinen aktivaatio taas vapauttaa glutamaattia, joka sitoutuu sekä AMPA- että NMDA-reseptoreihin.
Jos presynaptinen aktivointi ei anna riittävästi postsynaptista depolarisaatiota, esim. sen takia, että liian harvoja excitatorisia synapseja on aktivoituneena tai interneuronien kautta on kerrostunut ylimäärin postsynaptista estotilaa, inhibitiota, silloin aukeaa vain AMPA-kanavat.
Mutta jos taas AMPA- kanavan vaikutuksesta alkaakin depolarisaatio, voi olla postsynaptisella tasolla aktivointi niin riittävää, että NMDA-kanavakin aukeaa, mistä seuraa iso kalsiumtulva aktivoituun neuronin dendriittiulokkeeseen. Koska kuitenkin jokaisella dendriittulokkeella on kaulakohta, joka toimii kalsiumin diffuusion esteenä, rajoittuu intrasellulaarinen kalsium ja tämän kautta myös LTP näihin aktiivisiin synapseihin. (Muisti saa lukemattomat karttamahdollisuutensa)
NMDA- kanava voi täten ominaisuuksiena takia (koska se vaatii sekä transmittorin että tietyn jännitteen) toimia samanaikaisuuden tunnistajana, detektorina, mikä Hebbsin synapsimalliin tarvitaan lisäselvityksenä.
AMPA –kanavat toisaalta sitten välittävät niitä potentioituja vasteita.
On oletettu, että tällaisella työparilla kuten NMDA ja AMPA-kanavilla on samaa lokalisaatiota. Tätä tukee tiedemiehien eräät havainnot. soluviljelyistä. (Muuten- mikä virhetoimintojen mahdollisuus, kun on kaksi toisestansa riippuvaa tekijää, jotka voivat vaurioitua). (Nykyään 2009-2010 arvellaan NMDA reseptorien olevan keskisiä ja AMPA reseptorien perifeerisempia postsynaptisessa densiteetissä PSD ja metabolisetovat aivan perisynapsissa. Tämä on kin loogista: Vahvistus NMDA reseptoreihin tulee joka suunnnalta).
Artikkelissa on hyvä kuva hippokampialueesta ja sen pääradoista selvitettynä
Hippocampus (merihevonen) on osa aivokuorta, joka on muistille tärkeä. Se sijaitsee ohimolohkojen sisällä. Sivuprojektiossa sen osuus ei niin suuren suuri ole, kuin yksi lyhyehkö siveltimen sipaisu pitkin ohimolohkoa. Mutta kun sen poikkileikkausta tarkistaa, siinä on erittäin kondensoidut ratajärjestelmät, joten siinä erotetaan monta eri kohtaa.
Aivorakenteissa on useitakin eräänlaisia sarvien tapaisia hahmoja sisäkuvissa. Tässäkin hippokampirakenteessa on kiharamuotoinen sarvimainen alue, Cornu Ammonis (CA) . Koska tämä hippokampi on parillinen elin, siinä on läpikulkevat radat, perforanttiradat toisellekin puolelle keskiviivaan yli. Radat tekevät sivuille päin myös synapsin kohtaan Gyrus dentatus (DG).
mf- säikeet (mossy fibers, mosstrådarna) projisoituvat CA3 pyramidaalisoluihin ( Cornu Ammonis.
CA3 pyramidaalisolut, solujen kollateraalit ja kommissuurasäikeet omaavat synapseja CA1 alueen pyramidaalisoluihin (Cornu Ammonis 1).(Synapsi CA3-CA1)
Kalsium(Ca++) näyttää siis viime kädessä olevan se signaali, joka käynnistää LTP:een eli pitkäaikaislatautumiseen johtavan biokemiallisen koneiston. Tätä teoriaa vahvasti tukee se seikka, että LTP ei lähde alstroitumaan, jos estetään NMDA-kanavan kalsiumvirrat.
Ja tästä taas voi päinvastoin päätellä, että jos injisoituu kalsiumia dendriittiulokkeisiin, siitä indusoituu esiin LTP. Tämä onkin osoitettu jollain fotolabiililla kalsiumia sitovalla aineella ja sitten salamavalolla koe-olosuhteissa – tunnin kestoinen LTP saatiin sellaisessa kokeessa.
Uusi kysymys heräsi: Onko kalsium yksinään riittävä LTP:hen? Tarvitaanko muita tekijöitä? Jos applisoidaan vain NMDA reseptoriin, tuottuu vain alle tunnin lyhytaikainen STP.
LTP:n kesto ehkä lienee kriittisesti riippuvainen sen kalsimin influx- määrästä, joka ehtii virrata NMDA-kanavasta.
Mutta stabiilin LTP:n muodostus vaatii vielä yhden ehdon. On olemassa entsyymi PLC, fosfolipaasi C, joka on kytkeytyneenä metabotrooppiseen glutamaattireseptoriin mGluR. Jos tämä entsyymi estetään, LTP loppuu nopeammin. Tästä tullaan johtopäätökseen, että
myös metabotrooppisen glutamaattiresptorin (mGluR) osuus tarvitaan,
jotta pitkäaikainen LTP-potentioituminen saadaan aikaan.
Onko vielä välittäjäaineita, joitten osuus on olennaisen tärkeä LTP:n muodostuksessa?
Koska postsynaptinen aktiviteetti on kontrolloiva tekijä, niin kaikki tekijät, jotka suoraan tai epäsuoraan vaikuttavat solun ärtyvyyteen, vaikuttavat täten LTP:n indusoitumiseen. Nyt ollaankin sitten laajan modifioivien tekijäin verkon etsinnässä.
GABA-ergiset mekanismit
voivat omata suurta vaikutusta, koska ne pystyvät estämään postsynaptista aktiviteettia. Ne farmakologiset aineet, jotka vaikuttavt lisäämällä GABA- inhibitiota tai vähentämällä GABA-inhibitiota, lisäävät tai vastaavasti vähentävät sitä GABA-ergistä estoa postsynaptisessa miljöössä.
Mikä on mahdollinen kolinergisen järjestelmän vaikutus LTP-prosessiin?
Tämä on erityisen kiinnostava alue, koska muistiprosessissa usein korostetaan asetyylkikoliinin (AK) osuutta. On myös pystytty osoittamaan, että asetyylikoliinin(AK) reseptoriagonistit ( myötävaikuttajat) lisäävät tai asetyylikoliinin (AK) reseptorivastavaikuttajat ( antagonistit) vähentävät LTP ainesta, jota hippokampit tuottavat. Koska asetylikoliini(AK) tapaa blokeerata joukon postsynaptisia kalium(K+)-kanavia, joiden aukiolosta tulee hyperpolarisaatiota, voisi AK- vaikutus välittyä epäsuoraan lisäämällä postsynaptista depolarisaatiota. Mutta kokeellista tukea on saatu uudestakin tiedosta: Asetyylikoliini pystyy laajentamaan NMDA-kanaalin suuruutta muskariinin(M) kaltaisin suorin vaikutuksin( mikä tehostanee kalsiumin sisäänvirtausta).
Entä monoamiinien osuus LTP-tuotossa?
Tietyissä hippokampialueissa monoamiinit voivat helpottaa LTP- aineksen indusoitumista.
Tämä on todennäköisesti epäsuoraa vaikutusta pre ja ( tai) postsynaptisiin jonikanaviin induktiomomentin aikana.
On havaittu vieläkin eräs lisävaikutus. Jos on läsnä dopamiinin vastavaikuttajia , tapahtuu erikoinen ilmiö: ensimmäiset 4 tuntia ei havaita mitään erityistä LTP-muodostuksessa, mutta 8 tunnin päästä on LTP-muodostus kokonaan sammunut. Tästä voisi päätellä, että dopaminergisten afferenttien neuronien aktivoituminen on merkityksestä, jotta pitkäaikainen LTP-tuotto stabilisoituu.
Minkä prosessin alkaa kalsium?
Synapsin efekti LTP:n indusoimisessa ei ole välitön, vaan siihen menee 2-3 sekunttia siitä kun kalsiumvirtaus on tapahtunut ja sitten kasvua on muutamia minuutteja. Tästä näkee, että kalsiumin ja LTP:n tuottumiseen johtavien biokemiallisten prosessien kytkeytyminen on monimutkainen tapahtuma. Lisääntynyt synaptinen teho ei sitten välttämättä ole stabiili, vaan voi vähetä huomattavasti jo lähimpien 10 minuutin aikana. Tämä synapsien kyky ”unohtaa” viittaa siihen, että varsin labiilit prosessit vastaavat LTP:n aikaisesta faasista. Väheneminen tai vähenemisen puuttuminen riippuu induktiohetken vahvuudesta ja kestosta ja ehkä muista tekijöistä. Jos induktio on heikko, esim. impulssiaktiviteetti postsynaptisesti pieni, voi LTP kadota kokonaan jo minuuteissa. LTP-prosessi voi myös keskeytyä joistain manipulaatioista lyhyen aikaa induktiosta. LTP voi pyyhkiytyä kokonaan pois lyhyestäkin anoksiasta 1-2 minuuttia induktion jälkeen, mutta ei myöhemmässä vaiheessa . Tämän katsotaan johtuvan adenosiinin vapautumisesta anoksiaperiodin aikana.
Mitä biokemiallisia ( pre- tai postsynaptisia) prosesseja sitten lähtee käyntiin, kun on alkanut postsynaptinen kalsiumtulvahdus?
* Kinaasien suhteellista osuutta on tässä pohdittu.
* Kalsium aktivoi proteiinikinaaseja. Proteiineja fosforyloituu tällöin.
* CaMKII on kalsium-kalmoduliinista (CaM) riippuva proteiinikinaasi II.
* LTP alkaa rakentua, kun tämä aktivoituu.
* PKC on kalsium-fosfolipidistä riippuva proteiinikinaasi. Myöhemmässä vaiheessa tulee ehkä tämä kuvaan.
Sellaiset aineet, jotka estävät kalsiumilla aktivoituja proteaaseja tai fosfolipaaseja, voivat nopeuttaa LTP:n vähenemistä. Silloin ne toimivat kinaasien estäjinä.
Mikä on aikatekijä?
Muutamat alkuminuutit ovat herkkä vaihe, jossa kinaasien estäjät voivat kääntää takaisin, reversoida, LTP:n
PKC:n katalyyttisen kohdan blokeeraaminen pyyhkäisee pois LTP:n, vaikka sitä olisi parilta tunniltakin.
LTP siis pidetään ehkä jatkuvasti yllä entsymaattisesti esim. siten, että jokin proteaasi pilkkoo PKC:n säätely-yksikköä. Tämä on häivähtävä ajatus. Ei varma asia.
LTP-potentioitumista indusoiva stimulaatio on voinut aktivoida jopa ”immediately-early genes”.
Kun pohditaan LTP:n pitkäaikaisuutta, ollaan arveltu, että solutuman geenistökin voisi ottaa siihen osaa, koska proteiineja syntetisoituu. Ja ehkä sellainen mekanismi kantaa kerrostettua informaatiota siitä, mitkä synapsit ovat aluksi modifioituneet ja nukleäärisin mekanismein sitten syntetisoituvat proteiinit huolehtivat, että oikeat synapsit pidetään modifioituna. Tavallaan genomi on tällöin sekundäärisesti aktivoitu asiaan ehkä niiltä tuntemattomilta ja näennäisen turhilta osilta, jotka ehkä vain odottavat kognition ja muistin laajempaa käyttöä, kuin tyhjien kasettien latausta.
MUISTIN ja LTP:n yhteenkuluvaisuus
Vaikka LTP tuottuu myös muilla kortikaalisilla alueilla, niin aivan huomattavat määrät sitä tuottuu hippokampuksista, joka on jo kauan sitten pidetty muistin kehtona. Jos hippokampit vaurioituvat seuraa amnesia ja vakavasti alentunut kyky uusien muistikuvien mieleenpainamiseen (anterogradinen amnesia).
Retrogradinen amnesia, muistamattomuus, on vähemmän silmäänpistävä ja oikein vanhat muistikuvat eivät kärsi.
Tästä voi päätellä että hippokampit eivät ole muistin vanhin varasto, vaan ”TEMP”, temporary, hetkellinen.
Vanhemmat muistiainekset mahdollisesti varastoituvat neokortikaalisiin alueisiin, jotka suoraan muokkaavat informaatiota ja hippokampus lähinnä avustaa neokortikaalisten muistiainesten strukturoimista. Hippokampeilla saattaa olla myös tukea antavat rooli, kun ottaa huomioon alueen vastavuoroiset yhteydet kortikaalisine assosiaatioalueineen.
Tässä yhteydessä pitää myös erottaa proseduurimuisti ja deklaratiivinen muisti. Hippokampien vaurioissa jää tämä proseduurimuisti huonontumatta ( TAITOMUISTI tapa ja tottumusmuistia), joten henkilö voi oppia erilaisia valmiuksia.
Mutta se mikä vaurioituu, on deklaratiivinen muisti, mikä on sellaista oppimista, mistä on sitten mitä ottaa saatavilla olevaa muistitietoa tietoisen analyysin kenttään (Semantinen eli ASIAMUISTI ja episodinen eli TAPAHTUMAMUISTI ).
Erityisesti vaurioituu episodinen muisti, jolla ihminen pystyy muistamaan eriTAPAHTUMIA.
LTP näyttää täyttävän ne vaatimukset, mikä vastaavat sellaista välitöntä oppimista, koska sitä voi indusoida jopa muutamalla presynaptisilla aktiopotentiaalilla samalla kun postsynaptinen depolarisoituminen on vahva-asteista.
Huonontunut UUDEN OPPIMINEN havaitaan, kun LTP vähenee.
* Iän mukana tulee unohtelevaisuutta ja se korreloi nopeammin sammuvaan LTP:hen.
* Koe-eläimellä on osoitettu että sähköinen stimulus keinotekoisesti kyllästää LTP:n ja hippokampiin johtavat radat saavat silloin vahvan stimuluksen aiheuttaen vahvasti huonontuneen oppimisen. Sen sijaan hyvin sjoitettu yli 2 viikkoinen muistiaines ei vaikuttunut. Koe-eläimiltä on tutkittu LTP:n esiintyminen luonnollisessa oppimistilanteessa. Jos koe-eläimeen infusoitiin NMDA-reseptorin vasta-vaikuttajaa, siitä seurasi oppimisen paralleeli väheneminen ja LTP- väheneminen.
* Traumaattinen päävamma huononsi oppimiskykyä ja vähensi LTP:tä.
* Etanoli sellaisissa annoksissa, mikä vaikuttaa ihmisen oppimiseen, vähentää stimuluksella indusoituvan LTP:n määrää hippokampeissa, mikä hyvin korreloi etanolin NMDA-kanavia estävään vaikutukseen
Onko kaikki LTP samantapaista?
Ei. Vaikka useimmat hippokampialueen synapsit omaavat NMDA:sta riippuvan LTP:n, niin tavataan myös toisenlaisia neuroneita. Ne mf- säikeet jotka tulevat Gyrus Dentatuksesta CA3 aluelle ( mossy fibers) eivät omaa NMDA- jonikanavia, vaan ne käyttävät sen sijaan vain jännitteestä riippuvia kalsiumkanavia. Tällaiset erilaiset LTP-taustat antavat muistitoiminnoille erilaisia alueellisia sopeutumismahdollisuuksia.
Aktiivi synaptinen unohtaminen ?
Jos hippokampit ovat ”TEMP”- hetkellinen muistipankki, informaatiota varastoidaan ja sitten se vähitellen katoaa. Tässä voi pohtia, onko tämä vain passiivi tapahtuma (ajasta riipuvilla prosesseilla) vai onko se aktiivia (esim. tulosta spesifisistä stimuloimismalleista, jotka eivät välttämättä liipaise esiin LTP:tä.)
LTD
Pikkuaivoista Hebbin synapsin ehdoilla indusoituu synaptiset pitkäaikaisdepressiot (LTD) ja niitä korreloidaan motoriseen oppimiseen. Koska Purkinjen solujen lähettämä signaali on laadultaan inhibitorista, sen aiheuttama pitkäaikaisedepressio (vaimentuma) LTD pitää silloin katsoa LTP:n veroiseksi ilmiöksi.
Mutta onko olemassa jotain synaptista depressiota niissä synapseissa, jotka toimittavat LTP:tä esim oppimisen tarkkuuden hiojana tai ehkä väärinopittujen assosiaatioitten unohduttajana. Teoreettiset hermoverkkomallit pitävät sellaista mahdollisuutta toivottavana. Tosiaankin vuonna 1992 mainitaan, että hippokampialueilta ja neocortexillta on ollut havaittavissa sellaista hienosäätöpotentiaalia LTD.
Kommentti
Näitten aikojen jälkeen on tullut lisää tietoa mainittujen jonikanavien alayksiköiden keskinäisistä suhteista mm solunsisäisen IP3/IP6 järjestelmän osuudesta NMDA ja AMPA reseptorien (reseptorityöparin) funktiossa. Pitäsi osata tietää olla varuilla, jos mainitaan jonkin farmakologisn aineen vaikuttavan NMDA tai AMPA reseptoreihin.
Nyt 2010 mainitaan, missä yhteydessä aktivoituu DAG/IP3 ja solun sisäisen kalsiumin vapauttaminen tässä reseptorierepertuaarissa: perisynaptisesti sijaitsevat metaboliset Glu-reseptorit(mGluR) omaavat alatyypin ryhmä I mGluR (Näitä ovat alayksiköt mGlu1 ja mGlu5) jotka aktivoivat fosfolipaasin PLC. Silloin tuottuu DAG ja se puolestaan aktivoi PKC:n. IP3 joka muodostuu samalla kuin DAG, nostaa solun sisäistä kalsiumpitoisuutta.
Ryhmän II ja III metaboliset Glu -reseptorit taas ovat negatiivisesti kytkeytyneitä AC entsyymiin( adenyylisyklaasiin) ja täten ne estävät cAMP:n muodostusta.
25.10.2007 21:15 Muistiin L Bright. Päivitys 30.1. 2010.
