Как нейроны/синапсы «смещены»?

Термин, который большинство ученых использует для описания «предвзятости» синапса, — это сила синапса. Сильные стороны синапсов зависят от их «истории». Изменение синаптической силы называется синаптической пластичностью. Эта тема тесно связана с формированием памяти и представляет собой очень широкий вопрос для ответа (группы страниц википедии/шоларпедии и тонны обзоров, а не отдельные публикации).

Как правило, сила синапса, т. е. величина воздействия пресинаптического раздражителя на постсинаптический нейрон, зависит от пресинаптических и постсинаптических факторов. Чтобы назвать только несколько:

• количество везикул, высвобождаемых из терминали,
• уровни экспрессии ферментов обратного захвата и/или распада нейротрансмиттеров,
• уровень экспрессии, расположение и посттрансляционные модификации постсинаптических рецепторов и
• бесчисленное множество других факторов.

Несмотря на то, что по этой теме проводились десятилетия исследований и была присуждена Нобелевская премия (Эрику Канделу), многое еще предстоит выяснить.

Для начала вы можете поискать информацию о синаптической пластичности и/или пластичности, зависящей от времени спайка (длительное потенцирование и долгосрочная депрессия).

LTP также является хорошим примером для ответа на все три ваших вопроса (если я правильно их понял).

• третий вопрос: да.
• второй вопрос: LTP (и другие механизмы).
• Первый вопрос: Различные частоты последовательностей спайков более или менее эффективны для запуска LTP, что делает их более или менее мощными для изменения синаптической силы, влияя на реакцию будущих входных сигналов на тот же синапс.

@ тигр дал хороший ответ, но мне он кажется слишком кратким. Поэтому я просто хочу уточнить это, предоставив некоторые подробности. Кроме того, позвольте мне сначала сказать вам, что это очень широкая тема, поэтому укрыть все в чем-то меньшем, чем в книге, практически невозможно. Я только добавлю очков, достаточных для вводного ответа. Я отвечу на ваши вопросы один за другим.

1. Are some "actions" or "transmissions" more powerful than others, contributing more dramatically to action potentials of neurons receiving neurotransmitters when it fires?

   Да, именно поэтому они называются градуированными потенциалами. Градиентные потенциалы на самом деле отличаются от обычных потенциалов действия тем, что потенциалы действия следуют закону « все или ничего », тогда как сила градиентного потенциала может варьироваться в зависимости от того, сколько ионных каналов он стимулирует. Вы могли бы лучше понять это по уравнениям, которым они следуют.

   Нормальные потенциалы действия подчиняются уравнению Нернста , т.е.

   $E_{eq,K^+} = \underline{RT}\times \ln \underline{[K^+]_{out}}$
   $\hspace{20mm}nF\hspace{12.5mm}[K^+]_{in}$

   С другой стороны, градуированные потенциалы следуют уравнению Голдмана , т.е.

   $E_{m} = \underline{RT}\times \ln \underline{P_K[K^+]_{out} + P_{Na}[Na^+]_{out} + P_{Cl}[Cl^-]_{in}}$
   $\hspace{14mm}F\hspace{14.5mm}{P_K[K^+]_{in} + P_{Na}[Na^+]_{in} + P_{Cl}[Cl^-]_{out}}$

   что существенно отличается от уравнения Нернста. Самая большая разница заключается в том, что в соответствии с уравнением Гольдмана чистый потенциал зависит от концентрации более чем одного иона, а это означает, что он может достигать диапазона значений, в отличие от уравнения Нернста. Это прямо отвечает на ваш вопрос, что да, некоторые градуированные потенциалы могут отличаться от других по силе и времени, таким образом давая разный вклад в потенциал действия на следующем нейроне. Да и время тоже. Это связано с тем, что разные ионные каналы находятся в разных состояниях (открыты, закрыты, инактивированы) разное время и занимают разное время для переходов. Вы можете понять это по этой диаграмме:

   

2. How does the bias occur/form over time? Is a bias based on short term or long term series of interactions?

   Как правило, смещение формируется за счет постоянного усиления синапса на основе его активности в последнее время, процесса, известного как LTP или долгосрочное потенцирование . LTP может привести к длительному усилению синапса и, следовательно, считается, что он играет важную роль в формировании воспоминаний в мозгу. Когда синапс неоднократно стимулируется с течением времени, следующий за ним нейрон создает больше дендритных рецепторов, чтобы можно было генерировать более эффективный потенциал. Со временем первый нейрон начинает выделять все больше и больше нейротрансмиттеров всякий раз, когда он возбуждается. Эти два фактора в сочетании приводят к более сильной синаптической связи, т. е. к формированию предвзятости. Вы можете увидеть следующие изображения для лучшего понимания:

На самом деле смещение является результатом как краткосрочного, так и долгосрочного потенцирования. Первый, то есть STP , представляет собой временное увеличение синаптической силы двух нейронов, обычно из-за увеличения вероятности высвобождения синаптических пузырьков. Это также может быть вызвано такими заболеваниями, как столбняк. Итак, если вы посмотрите на картину в целом, то да, предвзятость является результатом как краткосрочных, так и долгосрочных взаимодействий между двумя или более нейронами .

3. How many past interactions are significant in the current state of the bias at any given time?

   Формирование предвзятости — длительный процесс, который требует многих этапов, включая экспрессию генов и синтез белка . Вот почему LTP был разделен на две (а иногда и три) разные фазы: E-LTP (ранняя фаза или LTP1) и L-LTP (поздняя фаза, далее разделенная на LTP2 и LTP3). Принципиальная схема LTP приведена ниже:

   

   Таким образом, короче говоря, мы не знаем точно, сколько времени требуется для образования ДП, и, вероятно, точного времени, необходимого для его образования, не существует .

4. Is there bias at all?

   Сначала я должен был ответить на этот вопрос, но поскольку я это сделал наконец, я добавлю еще несколько моментов. Смещение, или синаптическая пластичность , — это способность синапсов усиливаться (по LTP) или ослабевать (по LTD ) с течением времени из-за изменения характера их активности. Предполагается, что его механизм зависит от:

   • изменение вероятности высвобождения глутамата.
   • вставка или удаление постсинаптических AMPA-рецепторов.
   • фосфорилирование и дефосфорилирование, вызывающее изменение проводимости АМРА-рецепторов.

   Третий процесс представляет собой более сложную часть процесса, в то время как первые два процесса рассматривались с помощью математической формулы для кальциевой модели пластичности как:

   $\underline{dW_i(t)} = \underline{\{\Omega([Ca^{2+}]_i) - W_i\}}$
   $\hspace{3mm}dt\hspace{22mm}\tau([Ca^{2+}]_i)$

   куда:

   • $W_i$синаптический вес$i^{th}$входной аксон
   • $\tau$- постоянная времени, зависящая от скорости введения и удаления рецепторов нейротрансмиттеров, которая зависит от$[Ca^{2+}]$
   • $\Omega$(концентрация кальция) также является функцией концентрации кальция ($\Omega = \beta A^{fp}_m$), который линейно зависит от количества рецепторов на мембране нейрона в некоторой фиксированной точке.

   Короче говоря, да, предвзятость существует в нейронах и играет важную роль во многих важных явлениях, таких как воспоминания .

PS Я также хочу добавить о связи синаптической пластичности с эпилепсией, о которой вы говорили в своем вопросе. Хотя мы не знаем всего об эпилепсии , мы знаем, что синаптическая пластичность действительно играет роль в эпилептических припадках. Во время эпилепсии снижается судорожный порог, т.е. количество стимула, необходимое для потенциала действия. Кроме того, из-за таких факторов, как долговременное потенцирование, даже небольшой потенциал усиливается до большего потенциала. Все эти факторы, наряду с некоторыми другими неизвестными, в сочетании приводят к припадку или приступу.

Кроме того, эпилепсия также возникает из-за снижения устойчивости нейронов к раздражителю и уменьшения рефрактерного периода ионных каналов (то, что вы называете временем перезарядки). Из-за уменьшения времени перезарядки нейроны способны генерировать ненужные потенциалы действия, что в конечном итоге приводит к припадку. Как уже говорилось, рефрактерный период — это время сразу после деполяризации ионных каналов, в течение которого они не могут передавать другой сигнал. Простой график показывает рефрактерный период следующим образом: