Neuronin plastisuus, LLTP, LTD

Löysin uuden tuoreen väitöskirjan, jonka väitöstilaisuuskin on vielä edessäpäin Göteborgin Yliopistossa Sahlgrenskan Akatemiassa.

• Fen-Sheng Huang. Short- and long- term neuronal plasticity in hippocampal CA1 region of rat. ISBN 978-91-628-8130-6.

• Tässä työssä on ollut osat

I: Huang FS et al (2007) Properties of paired-pulse firing thresholds and the relationship with paired-pulse plasticity in hippocampal CA3- CA1 synapses.
II: Huang FS et al. ( manuscript) Variability of AMPA-EPSCs at CA3-CA1 synapses.
III: Li R , Huang FS et al.(2007) Role of NMDA receptor subtypes in different forms of NMDA-dependent synaptic plasticity.
IV: Huang FS et al.(2010) Bidirectional synaptic plasticity in response to single or paired pulse activation of NMDA receptors.

• Abstraktista suomennosta käsityskykyni mukaisesti:

AIVOT ovat mitä plastisimmat ja niissä tapahtuu sekä lyhytkestoisia (SHORT-TERM) että pitkäaikaisia (LONG-TERM) muutoksia, mitkä johtuvat kehityksellisistä prosesseista ja oppimisesta (LEARNING) sekä muistista ( MEMORY) .

Sellaisten prosessien kuten LTP ( long-term potentiation) ja LTD ( long-term depression) ovat pitkäaikaisempia prosesseja ja niissä tapahtuu presynaptisia ja postsynaptisia muutoksia. Näitä synaptisia muutoksia taas on monitoroitu PPF- ja PPD- menetelmillä. PPF on paired-pulse facilitation( kiihdytys) ja PPD on paired pulse depression (vaimennus).

Monet tämän aihepiirin asiat ovat vielä ratkaisemattomia, esimerkiksi miten PPF ja PPD suhtautuvat synaptisen transmission todennäköisperäisiin piirteisiin. Tämä on aihe, jolla on myös metodologiset näkökohtansa.

Mitä tulee LTP ja LTD-prosessoitumisiin ollaan vieläkin epävarmoja siitä, millä tavalla aktiivi kalsiumjoni (Ca++) tuottaa NMDA-reseptoriteitse (NMDA-R) niin synaptisia vahvuuden lisääntymisiä kuin vähentymisiäkin.

Tutkijat tekivät kokeelliset työnsä koe-eläinten hippokampileikkeissä. Solunsisäisiä rekisteröintejä saatiin tehtyä visuaalisesti tunnistetuista CA1 pyramidaalisoluista eräällä tekniikalla (whole-cell patch clamp ). Solun ulkopuolisia, extrasellulaarisia, rekisteröintejä saatiin tehtyä suurentavan optiikan avulla mittaamalla kenttäpotentiaaleja, joita generoitui synaptisessa kerroksessa.

AMPA- reseptorin (AMPA-R) ja NMDA-reseptorin (NMDA-R) välittämät vasteet arvioitiin paralleelisti varhais- ja myöhäis-EPSP-mittauksilla. EPSP tarkoittaa excitatorisia ( stimuloivia) postsynaptisia potentiaaleja.

• Tutkija selvitti ensiksi lyhytaikaisplastisuutta millisekunttien ja sekuntien aikaraamista, mihin sisältyi PPF ja PPD. Tässä hän käytti heikkoja parillisia tai multippeleita stimuluksia, jotka kohdistuivat presynaptisiin afferentteihin, tuoviin hermoratoihin ( siis minimaaleja stimuluksia).

CA1 soluissa stimuloivat( excitatoriset) virrat (EPSC) ilmensivät riippuvuutta vahvuudesta, mitä oli vaikea selittää isoloituna synaptisena ilmiönä, ja tämä taas viittasi afferenttien aktivaation epävarmaan, epäluotetavaan roolin .

Tätä ajatusta tuki myös CA3 solujen rekisteröinti, joko aksonaalisen aktiviteetin monitorointina tai käyttö mallina lähellä kynnysarvoa generoituvasta piikistä.

Aktiopotentiaalia lähettävä kynnykset CA3 soluissa /aksoneissa olivat merkitsevästi alempia sekundäärisille parillisten pulssien stimulaatioille kuin primäärisille. Tällä on seuraamuksensa kun tulkitaan synaptisten parametrien mittauksia tuollaisen epäluotettavan presynaptisen aktivaation aikana. esim. vapautumisen todennäköisyyttä, parillisten pulssien taajuutta ja variaatiovakiota.

• Seuraava työ koski pitkäaikasiplastisuutta.

Alayksikköspesifiset NMDA-R antagonistit olivat käytössä, kun kohdennettiin NR2A- ja NR2B sisältäviin NMDA-reseptoreihin ja niitä testattiin LTP:n ja kahden LTD-muodon suhteen.

Osoittautui, että NR2A-sisältöiset reseptorit olivat hallitsevia niin plastisiteetin induktiossa kuin myös isoloitujen NMDA-reseptorien välittämissä vasteissa.

Sellaiset kokeet, joissa käytettiin alentunutta magnesiumpitoisuutta (Mg++), jotta saataisiin kalsiumin sisäänmeno reseptorin jonikanavaan vahvistettua, osoittivat, että molemmat reseptorialatyypit NR2A ja NR2B osallistuivat LTP ja LTD prosessien indusoitumiseen.

Tiedoista voidaan päätellä, että aktiivin kalsiumjonin (Ca++) sisäänvirtaus (influx) postsynaptiseen neuroniulokkeeseen erilaisten NMDA-reseptorien kautta muodostaa finaalisen, lopullisen, yleistien, mikä kontrolloi synaptista plastisuutta vahvuutensa avulla ja ajasta riippuvalla tavalla riippumatta alkulähteestä.

Tätä aihetta pohdittiin vielä sellaisessa protokollassa, missä NMDA-R aktivaatio äkisti lisääntyi kun vaihdettiin yksittäisimpulssien stimulaatio (SPS) parillisten impulssien stimulaatioksi (PPS)
Tällainen johti aluksi lyhytaikaispotentiaatioon (STP) AMPA reseptorin vasteissa ja sitä seurasi hitaasti esiin kehkeytyvä LTD sekä AMPA että NMDA reseptoreissa.

Nämä tulokset viittaavat siihen, että NMDA:sta riippuvat synaptiset muutokset eivät riipu ainoastaan hetkellisistä aktiivien kalsiumjonien (Ca++) konsentraatioista postsynaptisessa neuroniulokkeessa, vaan ne vaikuttuvat myös edeltävistä induktiotapahtumista.

Tuloksia voidaan kuvata metaplastisuuden modifioidulla BCM- mallilla ja aktiviteetistä riippuvalla liukuvalla kynnyksellä.

Sen lisäksi että esiintyy NMDA-R käyttöisiä prosesseja niin passiivinen relaksoituminen vaikuttaa myös plastisuuteen ja joissain tapauksissa voi järkyttää aktiivin kontrollin tasapainon.