Name: synaptic pruning in long-term depression
Uploaded: 2019-03-11T09:21:27.000Z
Duration: 1 min 5 s
Channel: JoVE

Długotrwała depresja lub LTD to proces osłabienia synaptycznego, który zachodzi z czasem między pre- i postsynaptycznymi połączeniami neuronalnymi.

Jednym z mechanizmów, w wyniku których zachodzi LTD, jest ilość jonów wapnia wpływających do neuronu postsynaptycznego po stymulacji presynaptycznej. Niskie stężenie wapnia spowodowane rzadką stymulacją presynaptyczną może zainicjować kaskadę sygnałową, której kulminacją jest endocytoza lub usunięcie receptorów glutaminianu AMPA z błony. W rezultacie odpowiedź postsynaptyczna na tę samą sporadyczną stymulację presynaptyczną jest jeszcze bardziej osłabiona.

Dlatego LTD jest ważne dla uczenia się, ponieważ nieużywane lub rzadko używane synapsy są osłabione, a nawet mogą zostać przycięte, zwalniając zasoby i przestrzeń, które mogą być wykorzystane przez neuron do innych funkcji, takich jak wzmocnienie LTP ważniejszych synaps.

Kukushkin, Nikolay Vadimovich i Thomas James Carew. "Pamięć wymaga czasu". Neuron 95, nr 2 (19 lipca 2017): 259–79. [<a href="https://doi.org/10.1016/j.neuron.2017.05.029" target="__blank">Źródło</a>]

Lüscher, Christian i Robert C. Malenka. "Długoterminowe wzmocnienie i długotrwała depresja zależna od receptora NMDA (LTP/LTD)." Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 4, nr 6 (1 czerwca 2012): a005710. [<a href="https://doi.org/10.1101/cshperspect.a005710" target="__blank">Źródło</a>]

długotrwała depresja

Długoterminowa depresja, w skrócie LTD, to jeden ze sposobów, w jaki plastyczność synaptyczna — zmiany w sile synaps chemicznych — mogą wystąpić w mózgu. LTD to proces osłabienia synaptycznego, który zachodzi w czasie między przedsynaptycznymi i postsynaptycznymi połączeniami neuronowymi. Osłabienie synaptyczne LTD działa w opozycji do wzmocnienia synaptycznego poprzez długotrwałe wzmocnienie (LTP) i razem stanowią główne mechanizmy leżące u podstaw uczenia się i pamięci.

<h4>Mechanizm koncentracji jonów wapnia</h4>

Jeśli z biegiem czasu wszystkie synapsy zostaną maksymalnie wzmocnione poprzez LTP lub jakiś inny mechanizm, wydajność mózgu spadnie, co utrudni uczenie się i tworzenie nowych wspomnień. LTD to sposób na przycięcie słabszych synaps, uwalniając w ten sposób zasoby i przywracając elastyczność ośrodkowemu układowi nerwowemu. Jeden z mechanizmów występowania LTD zależy od liczby jonów wapnia w neuronie postsynaptycznym po stymulacji presynaptycznej. Rzadkie lub niskie poziomy stymulacji presynaptycznej prowadzą do niskiego napływu jonów wapnia, a w konsekwencji do niskiego stężenia jonów wapnia w neuronie postsynaptycznym.

Niskie stężenie jonów wapnia inicjuje kaskadę sygnalizacyjną, której kulminacją jest endocytoza lub usunięcie receptorów glutaminianu kwasu α-amino-3-hydroksy-5-metylo-4-izoksazolopropionowego (AMPA) z błony komórkowej. W rezultacie odpowiedź postsynaptyczna na tę samą sporadyczną stymulację presynaptyczną jest jeszcze bardziej osłabiona, ponieważ jest mniej kanałów, przez które dodatnio naładowane jony mogą przedostawać się do błony i depolaryzować ją. Neuron ponownie wykorzystuje receptory AMPA w późniejszym czasie i/lub rozdziela je na podjednostki składowe.

LTD po raz pierwszy opisano jako występującą w hipokampie, gdzie, jak się uważa, usuwa stare wspomnienia. Następnie wykazano, że LTD występuje w wielu obszarach mózgu, takich jak móżdżek, prążkowie i kora mózgowa. Wszechobecność LTD podkreśla jego znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania mózgu.

<h4>LTD i choroby</h4>

Uważa się, że nieprawidłowe mechanizmy LTD przyczyniają się do licznych zaburzeń neurologicznych i poznawczych, takich jak uzależnienia, upośledzenie umysłowe i choroba Alzheimera. Trwają badania mające na celu lepsze zrozumienie mechanizmów LTD, powstawania zaburzeń neurologicznych i opracowanie metod leczenia.

Długotrwała depresja

Długotrwała depresja lub LTD jest jednym ze sposobów, w jaki plastyczność synaptyczna - zmiany w sile synaps chemicznych - może wystąpić w ...

Education

JoVE Core

Biology

Biologia

Human Biology

Biologia człowieka

Nervous System

Układ nerwowy

KEY TERMS AND CONCEPTS

Kluczowe terminy i pojęcia

Long-term Depression

synaptic pruning in long-term depression

Long-term depression, or LTD, is a form of synaptic plasticity that weakens chemical synapses over time. It acts between presynaptic and postsynaptic neurons. LTD works in opposition to long-term potentiation, or LTP, which strengthens synapses. Together, LTD and LTP are two of the main mechanisms behind learning and memory.

LTD helps the brain avoid staying locked in a fully strengthened state. If synapses were always maximally strengthened, the brain would become less efficient and it would be harder to learn new information or form new memories. By weakening weaker synapses, LTD helps prune connections and restore flexibility to the central nervous system.

One common LTD mechanism depends on calcium ions in the postsynaptic neuron after presynaptic stimulation. When presynaptic activity is infrequent or low, calcium ion influx is also low. This leads to a low calcium ion concentration in the postsynaptic cell. That signal starts a cascade that removes AMPA glutamate receptors from the plasma membrane through endocytosis.

With fewer AMPA receptors on the membrane, the postsynaptic response to the same weak presynaptic signal becomes even smaller. Fewer channels are available for positively charged ions to enter and depolarize the membrane. The neuron can later reuse these AMPA receptors or break them into subunits.

LTD was first described in the hippocampus, where it is thought to help clear old memories. It has also been found in the cerebellum, striatum, and cortex. Because LTD appears in many brain regions, it is an important part of normal brain function. Problems with LTD are thought to play a role in addiction, mental retardation, and Alzheimer’s disease, so researchers continue to study it and possible treatments.

Synaptic Pruning in Long-term Depression

what is a nervous system?

Nervous System Parts and Control

The nervous system is a network of specialized cells that keeps the body working and helps it respond to the world around it. It controls essential functions such as heart rate and breathing. It also supports movement that helps an organism escape danger. In vertebrates, the nervous system has two major parts: the central nervous system, or CNS, and the peripheral nervous system, or PNS. The CNS includes the brain, spinal cord, and retina, which is the sensory tissue of the visual system. The...

the parasympathetic nervous system

Rest and Digest: Parasympathetic Control

The parasympathetic nervous system helps the body stay calm and return to a rested state. It is one of the two major divisions of the autonomic nervous system, which controls many unconscious functions such as heart rate and digestion. Its neurons are found in the brain and the peripheral nervous system, and they send axons to muscles, organs, and glands. This system is often called the “rest and digest” system because it supports body processes that restore homeostasis. It is most active...

the sympathetic nervous system

Sympathetic Stress Response and Body Changes

The sympathetic nervous system helps the body respond to stress and danger. It is one of the two main divisions of the autonomic nervous system. When it turns on, it prepares the body for action and puts lower-priority functions, such as digestion, on hold. This response is often called the fight-or-flight system. A surprise exam can trigger it, and students may notice a tight stomach, a dry mouth, and a fast heartbeat. In a real threat, the system shifts blood away from the digestive system...

the blood-brain barrier

How the Blood-Brain Barrier Works

The blood-brain barrier is a specialized system of blood vessels that helps control what enters the brain. It delivers nutrients from the blood while tightly regulating ions, molecules, pathogens, and other substances. This semipermeable barrier protects the brain and also makes it harder to deliver some therapies. The blood-brain barrier includes several cellular parts, especially endothelial cells and astrocytes. These cells share a common basement membrane and regulate movement between the...

neuron structure

How Neurons Send Signals

Neurons send signals through a clear set of structures that let them receive, process, and pass on information. They are the main cells of the nervous system and use electrochemical signals to communicate. Neurons also talk to other cells through neurotransmitters at junctions called synapses. Most neurons share three main parts: a cell body, also called the soma, dendrites, and an axon. The soma holds the nucleus and other organelles needed for cell function. Dendrites usually receive...

glial cells

Glial Cells and Nervous System Support

Glial cells support the nervous system and work alongside neurons. They are one of the two main cell types in the nervous system. Unlike neurons, glia do not send electrical signals, but they help with nearly every other part of nervous system function. In humans, glial cells are about as numerous as neurons in the brain. In the central nervous system, glia include astrocytes, oligodendrocytes, microglia, and ependymal cells. Astrocytes are the most common glial cells. They form organized,...

action potentials

How Nerve Signals Travel in Axons

Neurons send signals through action potentials, the rapid electrical changes that move along the axon. These signals lead to neurotransmitter release at axon terminals, which passes information through the nervous system. An action potential is an all-or-none change in membrane potential, the voltage across a cell membrane. A neuron usually has a resting membrane potential of about -70 millivolts. When it receives signals from neurotransmitters or sensory input, the membrane can become more...

the resting membrane potential

How Neurons Keep a Negative Resting Charge

Neurons keep a negative resting charge across their membrane. This electrical difference, called the membrane potential, comes from how ions move and how the membrane lets them pass. In a resting neuron, the inside is typically around -70 millivolts and is more negative than the outside, so the cell is polarized. Two main factors create this resting state. First, the membrane is selectively permeable, which means most ions and molecules cannot cross the lipid bilayer without help from ion...

long-term potentiation

Synaptic Strengthening in Learning and Memory

Long-term potentiation, or LTP, is a form of synaptic strengthening in the brain. It changes the strength of chemical synapses over time between pre- and postsynaptic neurons. LTP works against long-term depression, or LTD, which weakens synapses. Together, LTP and LTD are major mechanisms behind learning and memory. LTP can happen when a presynaptic neuron fires again and again and keeps stimulating a postsynaptic neuron. This is called Hebbian LTP, based on Donald Hebb’s idea that neurons...

long-term depression

Long-term depression, or LTD, is a form of synaptic plasticity that weakens chemical synapses over time. It acts between presynaptic and postsynaptic neurons. LTD works in opposition to long-term potentiation, or LTP, which strengthens synapses. Together, LTD and LTP are two of the main mechanisms behind learning and memory. LTD helps the brain avoid staying locked in a fully strengthened state. If synapses were always maximally strengthened, the brain would become less efficient and it would...

the synapse

How Neurons Signal at Synapses

Neurons communicate through synapses, the points where two neurons meet to pass on signals. At a synapse, the sending neuron is the presynaptic cell, and the receiving neuron is the postsynaptic cell. Most neurons can serve in both roles because they send and receive information. Electrical synapses move signals directly between cells. The presynaptic and postsynaptic cells are linked by gap junctions, which are proteins that physically connect them. This type of synapse can pass electrical...

key terms and concepts

Learn how long-term depression weakens synapses, removes AMPA receptors, and supports learning, memory, and brain flexibility in high school biology.

Synaptic Pruning in Long-term Depression | JoVE K12

JoVE Core series brings biology to life through over 300 concise and easy-to-understand animated video lessons that explain key concepts in biology, plus more than 150 scientist-in-action videos that show actual research experiments conducted in today’s laboratories.

biology

myJoVE Corporation

Synaptic Pruning in Long-term Depression

Description

Transcript

Tags