Synaptinen plastisuus ja NEUROGRANIININ osuus, LTP, LTD

PKC aktiivisuus synaptisessa plastisuudessa.
LÄHDE:

Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry. 1997 Apr;21(3):455-86. Protein kinase C in synaptic plasticity: changes in the in situ phosphorylation state of identified pre- and postsynaptic substrates.

Ramakers GM, Pasinelli P, Hens JJ, Gispen WH, De Graan PN.

Source

Rudolf Magnus Institute for Neurosciences, Utrecht, The Netherlands.

Abstract (Suomennosta9

1. Long-term potentiation (LTP) and its counterpart long-term depression (LTD) are two forms of activity dependent synaptic plasticity, in which protein kinases and protein phosphatases are essential.
Pitkäaikaispotentiotuminen (LTP) ja sen vastainen tapahtuma, pitkäaikaisvaimentaminen(LTD) ovat kaksi sellaista aktiivisuutta, jotka riippuvat synapsin plastisuudesta, missä taas proteiinikinaaseilla ja proteiinifosfataaseilla on essentiellitehtävänsä.
2. B-50/GAP-43 and RC3/neurogranin are two defined neuronal PKC substrates with different synaptic localization. B-50/GAP-43 is a presynaptic protein and RC3/neurogranin is only found at the postsynaptic site. Measuring their phosphorylation state in hippocampal slices, allows us to simultaneously monitor changes in pre- and postsynaptic PKC mediated phosphorylation.
Kaksi tunnettua PKC- kinaasientsyymin neuronaalista substraattia ovat presynaptinen B-50/GAP ja postsynaptinen RC3/NEUROGRANIINI. Kun mitataan niiden fosforyloitumisen astetta, voidaan samanaikaisesti monitoroida presynaptisen PKCkinaasin ja postsynaptisen PKC kinaasin välittämiä fosforylaatioita.
3. Induction of LTP in the CA1 field of the hippocampus is accompanied with an increase in the in situ phosphorylation of both B-50/GAP-43 and RC3/neurogranin, during narrow, partially overlapping, time windows.
Kun hippokampin CA1 alueella indusoidaan LTP (muistin ym. pitkä-aikaispotentioituminen), siitä seuraa paikallinen fosforyloituminen molemmissa mainituissa proteiineissa kapean, osittain toisensa kattavan aikaraamin kuluessa.
4. Pharmacological data show that mGluR stimulation results in an increase in the in situ phosphorylation of B-50/GAP-43 and RC3/neurogranin.
Farmakologiset tiedot osoittavat, että mGlu reseptorin stimulaatiosta seuraa näiden molempien proteiinien (GAP-43 ja NEUROGRANIINI) paikallinen fosforylaatio.

Comment in

• Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry. 1997 Apr;21(3):373-8.

PMID:

9153068

[PubMed - indexed for MEDLINE]

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.

Synaptinen plastisuus. Glutamaattisynapsista (Strandberg J). LTP, LTD, AMPA, NMDA

On ilmestynyt uusi väitöskirja, joka kuvaa glutamaattisynapsin kehtyksellistä plastisuutta. Matalafrekvenssisen stimuluksen osuutta, Hebbin induktiota ja NMDA-reseptoria.

Väitöstilaisuuskaan ei ole vielä pidetty.

LÄHDE: Strandberg Joakim. Developmental plasticity of the glutamate synapse: roles of low frequency stimulation, Hebbian induction and the NMDA receptor. ISBN: 978-91-628-7882-5.

Kirjassa kerrotaan seuraavaa:

• Ihmisen aivojen kehityksen aikana muodostuu noin 100 miljardia neuronia eli hermosolua. NEURONI pyrkii muodostamaan kommunikaatiokohtia, SYNAPSI nimeltään, tuhansien muitten neuronien kanssa. Lopulta on olemassa kokonainen kommunikaatioverkosto ja se vastaa yksinkertaisista reflekseista mitä harjaanteneimpiin ja kehittyneimpiin kognitiivisiin funktioihin asti ihmisen toiminnoista, oppiminen (LEARNING) ja muisti (MEMORY) niiden joukossa.

• Tässä kehityksessä on havaittavissa kaksi faasia:

Ensimmäisessä vaiheessa neuronit lähettävät aksonaalisia haaroja, jotka ohjaavien molekyylien avulla muodostavat synapseja eri aivoalueissa.
Toisessa vaiheessa muodostuu neuronaalinen aktiviteetti ja tarkkoja neuronaalisia verkko-yhteyksiä, joissa aktiivina olevat neuronit voivat linkkiytyä keskenään erilaisissa funktionaalisissa yhteyksissä.

Synapsien muodostumisessa vaikuttaa sekä geneettiset tekijät että funktionaaliset relevanssit; irrelevantit synapsit poistetaan.

• SYNAPTINEN PLASTISUUS on aktiviteetistä riippuvaa synapsien modifioitumista

( activity dependent modification of synapses).

• Suomennan hieman työn abstraktista:

• GLUTAMAATTISYNAPSI on kaikkein tavallisin synapsi aivoissa ja se toimii postsynaptisten AMPA-, NMDA- ja mGlu-reseptorien kautta.

Aivojen kehityksen aikana tuottuu näitä synapseja jatkuvasti ja ne synapsit, jotka osallistuvat neuronaaliseen aktiviteettiin valiutuvat muodostamaan asianmukaisia funktionaalisia synaptisia johtumismalleja, mutta ne jotka eivät osallistu neuronaaliseen aktiviteettiin, eliminoituvat. Aktiviteetista johtuvat synaptiset plastisuudet kuten Hebbin indusoitu pitkäaikaispotentiaali (LTP) ja matalafrekvenssisesti ( 1 Hz) indusoitu pitkäaikaisvaimentuma (LTD) ovat pidetty kriittisesti tärkeinä tässä valiutumisessa.

Kuitenkin neonataalissa aivostossa glutamaattisynapsilla näyttää olevan selvästi erilainen plastisuus siinä, että jopa hyvin matalafrekvenssinen stimulaatio ( 0.05- 0.2 Hz) johtaa AMPA-reseptorien välittämän signaalin vaimenemiseen ja mahdolliseen synaptiseen eliminoitumiseen.

Tämän väitöskirjan tarkoituksena on ollut selvittää, mikä suhde ja interaktio vallitsee hyvin matalan frekvenssin indusoimalla plastisuudella ja konventionellisemmilla synaptisen plastisuuden lajeilla: näitä ovat mGLu-reseptorista riippuvainen LTD ja NMDA-reseptorista riippuvainen LTP ja LTD.

• SYNAPSIMALLINA tutkija käytti koe-eläimen neonataalia hippokampus synapsia CA3-CA1. Koe-eläimen ikä vastasi samaa kuin ihmissikön viimeisten raskauskuukausien ikä (ja aivojen kehitysvaihe).

Yhteenvetona hän kirjoitti, että aivojen kehityksen aikana glutamaatilla aktivoidut AMPA-reseptorit (AMPAR) katoavat hyvin helposti sellaisissa aktivaatioissa, jotka jättävät nämä synapsit AMPA reseptorien osalta rauhaan. Hebbin stimulus voi vain väliaikaisesti saada synapseja pelastetuksi AMPA-vaimentumiselta. Niinpä kehittyvän aivon synapsit pitävät yllä AMPA-signalointiaan vain enemmän tai vähemmän jatkuvassa ko-operatiivisen neuronaalisen aktiivisuuden yhteydessä. Synaptinen aktiivisuus tämän yhteyden ulkopuolella johtaa AMPA-vaimenemiseen ja mahdolliseen eliminoitumiseen.

• ERILAISET VAATIMUKSET synapsien organisoitumisessa ja uudelleen järjestäytymisessä kehittyvässä aivossa ja valmiiksi kehittyneen aivon oppimisprosessissa viittaavat siihen, että on olemassa erilaisia SYNAPTISIA PLASTISUUKSIA ( different synaptic plasticities).

Tutkija selvitteli tätä kehittyvän aivoston synaptista plastisuutta valitsemalla CA3-CA1 synapsin pyramidaalisoluista. Tämä on glutamaattierginen synapsi.

Väitöskirjan johdannossa hän kuvaa glutamaattiergisen synapsin perustavia piirteitä, rakennetta, fysiologiaa ja AMPA-siganloinnin postsynaptisia aspekteja.
Hän korostaa, että mitään tässä työssä saatuja tuloksia ei ole saatu esiin in situ elävästä aivosta CA3- CA1 synapsitasosta.

Koska asia on lievästi sanoen monimutkaista, käsittelen pieninä pätkinä näitä reseptoreita.
En ehtinyt tehdä kovinkaan paljon muistiinpanoja tänään, mutta mitä ehdin, niin niistä teen yhteenvetoa vaikka PubMed haun avulla. Paljon uutta tietoa oli joukossa, aivan tuoretta.