Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

18.10: Langetermijnpotentiëring
INHOUDSOPGAVE

JoVE Core
Biology

This content is Free Access.

Education
Long-term Potentiation
 
Deze voice-over is door de computer gegenereerd
TRANSCRIPT

18.10: Long-term Potentiation

18.10: Langetermijnpotentiëring

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.

Langetermijnpotentiëring, of LTP, is een van de manieren waarop synaptische plasticiteit - veranderingen in de sterkte van chemische synapsen - in de hersenen kan optreden. LTP is het proces van synaptische versterking dat optreedt in de tijd tussen pre- en postsynaptische neuronale verbindingen. De synaptische versterking van LTP werkt in tegenstelling tot de synaptische verzwakking van langdurige depressie (LTD) en vormen samen de belangrijkste mechanismen die ten grondslag liggen aan leren en geheugen.

Hebbian LTP

LTP kan optreden wanneer presynaptische neuronen herhaaldelijk vuren en het postsynaptische neuron stimuleren. Dit wordt Hebbian LTP genoemd omdat het volgt uit het postulaat van Donald Hebb uit 1949 dat "neuronen die samen vuren met elkaar verbonden zijn". De herhaalde stimulatie door presynaptische neuronen veroorzaakt veranderingen in het type en aantal ionkanalen in het postsynaptische membraan.

Bij LTP zijn twee soorten postsynaptische receptoren van de exciterende neurotransmitter glutamaat betrokken: 1) N-methyl-D-aspartate of NMDA-receptoren en 2) a-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionzuur- of AMPA-receptoren. Hoewel NMDA-receptoren openen na glutamaatbinding, wordt hun porie meestal geblokkeerd door magnesiumionen die voorkomen dat andere positief geladen ionen het neuron binnendringen. Glutamaat dat vrijkomt uit presynaptische neuronen kan echter binden aan postsynaptische AMPA-receptoren, waardoor een instroom van natriumionen wordt veroorzaakt die resulteert in membraandepolarisatie. Wanneer het postsynaptische membraan wordt gedepolariseerd door meerdere frequente presynaptische inputs, wordt het magnesiumion dat de NMDA-receptorporie blokkeert, verplaatst, waardoor natrium- en calciumionen in het neuron kunnen stromen.

De verhoogde instroom van calciumionen initieert vervolgens een signaalcascade die culmineert in meer AMPA-receptoren die in het plasmamembraan worden ingebracht. Als alternatief kan de signaalcascade glutamaatreceptoren fosforyleren, waardoor ze langer open kunnen blijven en de geleiding van positief geladen ionen naarde cel. Als gevolg hiervan zal dezelfde presynaptische stimulatie nu een sterkere postsynaptische respons oproepen, aangezien meer glutamaatreceptoren geactiveerd zullen worden en meer positief geladen ionen het postsynaptische neuron zullen binnendringen. De versterking die optreedt, staat bekend als synaptische versterking of potentiëring.

Het adagium "oefening baart kunst" kan gedeeltelijk verklaard worden door LTP. Wanneer een nieuwe taak wordt geleerd, worden nieuwe neurale circuits versterkt met behulp van LTP. Na elke herhaling van de oefening wordt de synaptische kracht in de neurale circuits sterker, en al snel kan de taak correct en efficiënt worden uitgevoerd. De nieuw versterkte verbindingen kunnen minuten tot weken of langer duren als de presynaptische stimulatie aanhoudt, wat betekent dat elke volgende keer dat de taak wordt uitgevoerd, de LTP wordt gehandhaafd.

LTP en ziekte

Als LTP normaal functioneert, kunnen we gemakkelijk herinneringen leren en vormen. Afwijkingen in LTP zijn echter bij veel neurologische en cognitieve stoornissen zoals de ziekte van Alzheimer, autisme, verslaving, schizofrenie en multiple sclerose. Een beter begrip van de mechanismen achter LTP zou uiteindelijk tot therapieën kunnen leiden.


Aanbevolen Lectuur

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter