Plasticitatea sinaptică este capacitatea de a modifica puterea sinapsei (cantitatea de modificare a potențialului transmembranar al celulei țintă ca răspuns la impactul unei anumite forțe asupra neuronului presinaptic) [1] . Este considerat principalul mecanism prin care se realizează fenomenul memoriei şi învăţării . Acest mecanism este caracteristic tuturor organismelor care au un sistem nervos și sunt capabile să învețe ceva cel puțin pentru o perioadă scurtă de timp. După ce neurotransmițătorul este eliberat în fanta sinaptică, activează receptorii celulei postsinaptice, ceea ce duce la excitarea (depolarizarea) sau inhibarea (hiperpolarizarea) celulei țintă (în funcție de natura receptorilor și a neurotransmițătorului) [2] .
După durata de acțiune, se disting plasticitatea pe termen scurt și pe termen lung, după natură - depresie și potențare ; astfel, există patru tipuri principale de plasticitate sinaptică.
Un număr semnificativ de diferite forme de plasticitate sinaptică pe termen scurt (de la milisecunde la câteva minute) a fost găsit pentru aproape toate sinapsele organismelor cu diferite niveluri de complexitate - de la nevertebrate la oameni . Acest tip de plasticitate este considerat important pentru adaptarea pe termen scurt la informațiile senzoriale, schimbările comportamentale și memoria pe termen scurt. Plasticitatea pe termen scurt este inițiată de explozii scurte de activitate care provoacă o acumulare temporară de ioni de calciu în terminalele presinaptice. Ca urmare a acestei acumulări, are loc o modificare a probabilității eliberării neurotransmițătorilor datorită modulării directe a proceselor biochimice care controlează exocitoza [1] .
Procesarea impulsurilor pereche este cea mai importantă sarcină a plasticității pe termen scurt. Dacă o celulă primește două impulsuri separate printr-un interval scurt, răspunsul la cel de-al doilea impuls poate fi fie mai puternic (potenciare) fie mai slab (depresie) decât răspunsul la primul. Slăbirea impulsurilor pereche se observă de obicei la intervale scurte de timp între ele (mai puțin de 20 ms ); motivul cel mai probabil pentru această slăbire poate fi dezactivarea canalelor de sodiu și calciu dependente de tensiune sau o scădere temporară a numărului de vezicule în terminalul presinaptic [3] . La intervale mai lungi între stimuli (20-500 ms ), în multe cazuri răspunsul la al doilea semnal este mai puternic decât la primul.
Manifestarea amplificării sau slăbirii impulsurilor pereche depinde de istoricul sinapselor. Aceste forme de plasticitate sunt foarte dependente de modificarea probabilității eliberării neurotransmițătorului ca răspuns la primul semnal. Dacă această probabilitate este mare, al doilea semnal tinde să slăbească; dacă activarea sinapsei de către un semnal este puțin probabilă, este rezonabil să presupunem că următorul semnal va crește această probabilitate. Manipulațiile care modifică probabilitatea ca o sinapsă să răspundă la un semnal pot modifica magnitudinea efectului sau chiar pot schimba natura acestuia, de exemplu, de la amplificare la atenuare [4] .
Formele de plasticitate cu viață mai lungă apar după o serie de stimulări produse la o frecvență ridicată (stimulare convulsivă sau tetanică). Amplificarea (amplificare, facilitare) și potențarea post-convulsivă (potențiere post-tetanică, PTP) descriu o creștere a eliberării neurotransmițătorilor care durează de la câteva secunde (amplificare) la câteva minute (PTP). În același timp, probabilitatea eliberării neurotransmițătorilor crește și datorită acumulării de calciu în terminalul presinaptic în timpul unei serii de stimuli, care pot fi combinați cu modificarea proteinelor presinaptice [3] .
În unele cazuri, stimularea convulsivă duce la deprimarea conexiunii sinaptice, care poate dura de la câteva secunde până la minute. De obicei, acest efect apare la sinapsele cu probabilitate mare atunci când stimularea convulsivă duce la epuizarea rapidă a rezervorului de vezicule sau la alte manifestări ale mecanismului inhibitor [3] .
Pentru prima dată, ideea unei legături între dobândirea de experiență și schimbarea forței sinaptice a fost exprimată la începutul secolelor al XIX-lea și al XX-lea. laureatul Nobel Santiago Ramón y Cajal . Un studiu experimental al plasticității sinaptice pe termen lung se bazează pe postulatul lui Hebb , formulat în 1949 : „Dacă axonul celulei A este situat suficient de aproape de celula B pentru a o excita și participă constant la activarea acesteia, atunci astfel de modificări metabolice. sau au loc procese în creșterea uneia sau a ambelor celule care crește eficiența lui A ca una dintre celulele care activează B” [5] . În formularea modernă a postulatului Hebb, se înțelege că modificarea eficienței transmiterii semnalului în sinapsă este controlată de corelarea forței necesare pentru activarea neuronului pre- și postsinaptic [6] .
Primele rezultate experimentale care confirmă postulatul lui Hebb au fost obținute la începutul anilor 1970 [7] : activarea repetată a sinapselor excitatoare în hipocampul iepurelui a determinat o creștere a puterii sinapselor care a durat câteva ore sau chiar zile. Acest fenomen se numește „ potenciare pe termen lung ” (potențiere pe termen lung, LTP). Ulterior, au fost descoperite și alte fenomene asociate cu plasticitatea sinaptică - slăbirea pe termen lung (depresie pe termen lung, LTD), plasticitatea homeostatică, metaplasticitatea . Plasticitatea homeostatică, de exemplu, este o schimbare a puterii tuturor sinapselor unei anumite celule ca răspuns la schimbările pe termen lung ale activității, în special, o creștere a puterii sinapselor ca răspuns la o scădere a activității semnalului. Acest tip de plasticitate este asociat cu timpi mult mai lungi decât LTP și LTD și poate fi important în dezvoltarea căilor neuronale. Termenul „metaplasticitate” se referă la efectele asociate cu modificarea capacității unei sinapse de a prezenta plasticitate [1] . Spre deosebire de plasticitatea pe termen scurt, plasticitatea pe termen lung este asociată cu expresia genelor și cu sinteza de noi proteine. Cele mai studiate forme de plasticitate pe termen lung sunt încă LTP și LTD în regiunea hipocampică CA1, care sunt controlate de receptorii N-metil-D-aspartat (NMDA). Doar în ultimii ani s-au obținut dovezi în favoarea existenței unei potențe pe termen lung a transmiterii sinaptice mediate de GABA A (LTP GABA ), care are loc printr-un mecanism heterosinaptic, dar acest proces necesită și activarea receptorilor NMDA din glutamat. sinapsele [8] .
Modelul de plasticitate dependentă de spike-timing (STDP) este un tip de plasticitate sinaptică care reglează puterea conexiunilor în funcție de timpul relativ dintre activarea neuronilor și potențialele de acțiune de intrare (picurile de intrare). Conform acestui model de plasticitate, dacă vârful de intrare urmează, în medie, imediat înainte de activarea neuronului, atunci această conexiune este întărită, iar dacă urmează, în medie, imediat după activarea neuronului, atunci această conexiune este slăbită. Astfel, influența intrărilor care pot provoca activarea neuronilor este sporită, iar influența intrărilor ale căror semnale nu ar putea și nu pot fi cauza activării este slăbită. Acest tip de plasticitate este în acord cu principiul Hebb pentru antrenarea rețelelor neuronale artificiale , conform căruia conexiunea dintre nodurile care sunt activate în același timp ar trebui consolidată. Deoarece semnalele dintr-un sistem biologic nu se propagă instantaneu, ci cu întârziere, pentru ca activarea unui neuron să provoace activarea altuia, primul trebuie activat puțin mai devreme.