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18.10: La potenciación a largo plazo
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Long-term Potentiation
 
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18.10: Long-term Potentiation

18.10: La potenciación a largo plazo

Long-term potentiation, or LTP, is one of the ways by which synaptic plasticity—changes in the strength of chemical synapses—can occur in the brain. LTP is the process of synaptic strengthening that occurs over time between pre- and postsynaptic neuronal connections. The synaptic strengthening of LTP works in opposition to the synaptic weakening of long-term depression (LTD) and together are the main mechanisms that underlie learning and memory.

Hebbian LTP

LTP can occur when presynaptic neurons repeatedly fire and stimulate the postsynaptic neuron. This is called Hebbian LTP since it follows from Donald Hebb’s 1949 postulate that “neurons that fire together wire together.” The repeated stimulation from presynaptic neurons induces changes in the type and number of ion channels in the postsynaptic membrane.

Two types of postsynaptic receptors of the excitatory neurotransmitter glutamate are involved in LTP: 1) N-methyl-D-aspartate or NMDA receptors and 2) α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid or AMPA receptors. Although NMDA receptors open upon glutamate binding, their pore is usually blocked by magnesium ions that prevent other positively charged ions from entering the neuron. However, glutamate released from presynaptic neurons can bind to postsynaptic AMPA receptors, causing an influx of sodium ions that results in membrane depolarization. When the postsynaptic membrane is depolarized by multiple frequent presynaptic inputs, the magnesium ion blocking the NMDA receptor pore is displaced, allowing sodium and calcium ions to flow into the neuron.

The increased calcium ion influx then initiates a signaling cascade that culminates in more AMPA receptors being inserted into the plasma membrane. Alternatively, the signaling cascade may phosphorylate glutamate receptors—enabling them to stay open for a longer duration and enhancing the conductance of positively charged ions into the cell. As a result, the same presynaptic stimulation will now evoke a stronger postsynaptic response given that more glutamate receptors will be activated and more positively charged ions will enter the postsynaptic neuron. The amplification that occurs is known as synaptic strengthening or potentiation.

The adage “practice makes perfect” can be partly explained by LTP. When a novel task is being learned, new neural circuits are reinforced using LTP. After each iteration of practice, the synaptic strength in the neural circuits become stronger, and soon the task can be performed correctly and efficiently. The newly strengthened connections can last from minutes to weeks or longer if the presynaptic stimulation persists, meaning that each subsequent time the task is performed the LTP is maintained.

LTP and Disease

When LTP functions normally, we can learn and form memories with ease. However, abnormalities in LTP have been implicated in many neurological and cognitive disorders such as Alzheimer’s disease, autism, addiction, schizophrenia, and multiple sclerosis. A better understanding of the mechanisms behind LTP could eventually lead to therapies.

La potenciación a largo plazo, o LTP, es una de las formas en que la plasticidad sináptica (cambios en la fuerza de las sinapsis químicas) puede ocurrir en el cerebro. LTP es el proceso de fortalecimiento sináptico que ocurre con el tiempo entre las conexiones neuronales pre y postsinápticas. El fortalecimiento sináptico de LTP trabaja en oposición al debilitamiento sináptico de la depresión a largo plazo (LTD) y juntos son los principales mecanismos que subyacen al aprendizaje y la memoria.

Hebbian LTP

LTP puede ocurrir cuando las neuronas presinápticas repetidamente disparan y estimulan la neurona postsináptica. Esto se llama LTP hebbian ya que se deriva del postulado de Donald Hebb de 1949 que "las neuronas que disparan juntas se unen". La estimulación repetida de las neuronas presinápticas induce cambios en el tipo y el número de canales iónicos en la membrana postsináptica.

Dos tipos de receptores postsinápticos del neurotransmisor excitatorio glutamato están involucrados en LTP: 1) N-metil-D-aspartato o receptores NMDA y 2) -amino-3-hidroxi-5-metil-4-ácido isoxazolepropionónico o receptores AMPA. Aunque los receptores NMDA se abren sobre la unión de glutamato, su poro es generalmente bloqueado por iones de magnesio que impiden que otros iones cargados positivamente entren en la neurona. Sin embargo, el glutamato liberado de las neuronas presinápticas puede unirse a los receptores AMPA postsinápticos, causando una afluencia de iones de sodio que resulta en la despolarización de la membrana. Cuando la membrana postsináptica es despolarizada por múltiples entradas presinápticas frecuentes, el ion de magnesio que bloquea el poro del receptor NMDA se desplaza, permitiendo que los iones de sodio y calcio fluyan hacia la neurona.

El aumento de la afluencia de iones de calcio inicia entonces una cascada de señalización que culmina en más receptores AMPA que se insertan en la membrana plasmática. Alternativamente, la cascada de señalización puede fosforilar los receptores de glutamato, lo que les permite permanecer abiertos durante más tiempo y mejorar la conductancia de los iones cargados positivamente en la célula. Como resultado, la misma estimulación presináptica ahora evocará una respuesta postsináptica más fuerte dado que se activarán más receptores de glutamato y los iones cargados más positivamente entrarán en la neurona postsináptica. La amplificación que se produce se conoce como fortalecimiento o potenciación sináptica.

El adagio "la práctica hace perfecto" puede ser explicado en parte por LTP. Cuando se aprende una tarea novedosa, se refuerzan los nuevos circuitos neuronales mediante LTP. Después de cada iteración de la práctica, la fuerza sináptica en los circuitos neuronales se vuelve más fuerte, y pronto la tarea se puede realizar correctamente y eficientemente. Las conexiones recién reforzadas pueden durar de minutos a semanas o más si la estimulación presináptica persiste, lo que significa que cada vez que se realiza la tarea se mantiene el LTP.

LTP y Enfermedades

Cuando el LTP funciona normalmente, podemos aprender y formar recuerdos con facilidad. Sin embargo, las anomalías en el LTP se han implicado en muchos trastornos neurológicos y cognitivos como la enfermedad de Alzheimer, autismo, adicción, esquizofrenia y esclerosis múltiple. Una mejor comprensión de los mecanismos detrás de LTP podría eventualmente conducir a terapias.


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