Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

18.10: Langfristige Potenzierung
INHALTSVERZEICHNIS

JoVE Core
Biology

This content is Free Access.

Education
Long-term Potentiation
 
PROTOKOLLE

18.10: Long-term Potentiation

18.10: Langfristige Potenzierung

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.

Die Langzeitpotenzierung oder LTP ist eine der Möglichkeiten, wie synaptische Plastizität im Gehirn auftreten kann. Dabei handelt es sich um Veränderungen in der Stärke der chemischen Synapsen. LTP ist der Prozess der synaptischen Verstärkung, der im Laufe der Zeit zwischen prä- und postsynaptischen neuronalen Verbindungen auftritt. Die synaptische Stärkung der LTP wirkt der synaptischen Schwächung der Langzeitdepression (LTD) entgegen und stellt zusammen die Hauptmechanismen dar, die dem Lernen und dem Gedächtnis zugrunde liegen.

Hebbische LTP

LTP kann auftreten, wenn präsynaptische Neuronen wiederholt feuern und das postsynaptische Neuron stimulieren. Man bezeichnet dies als hebbische LTP. Es folgt aus dem Postulat von Donald Hebb aus dem Jahr 1949, dass "Neuronen, die zusammen feuern, sich miteinander verdrahten". Die wiederholte Stimulation von präsynaptischen Neuronen induziert Veränderungen in der Art und Anzahl der Ionenkanäle in der postsynaptischen Membran.

Bei der LTP sind zwei Arten von postsynaptischen Rezeptoren des exzitatorischen Neurotransmitters Glutamat beteiligt: 1) N-Methyl-D-Aspartat bzw. NMDA-Rezeptoren und 2) α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolpropionsäure bzw. AMPA-Rezeptoren. Obwohl sich die NMDA-Rezeptoren bei der Glutamat-Bindung öffnen, werden ihre Poren normalerweise durch Magnesium-Ionen blockiert. Diese verhindern, dass andere positiv geladene Ionen in das Neuron eindringen. Glutamat, das aus präsynaptischen Neuronen freigesetzt wird, kann jedoch an postsynaptische AMPA-Rezeptoren binden. Dadurch wird ein Einströmen von Natriumionen verursacht, das zu einer Depolarisierung der Membran führt. Wenn die postsynaptische Membran durch mehrere häufige präsynaptische Inputs depolarisiert wird, wird das Magnesium-Ion, das die NMDA-Rezeptor-Pore blockiert, verdrängt. Dadurch können Natrium -und Kalzium-Ionen in das Neuron einströmen.

Der erhöhte Calcium-Ionen-Zufluss löst dann eine Signalkaskade aus. Diese gipfelt darin, dass mehr AMPA-Rezeptoren in die Plasmamembran eingefügt werden. Alternativ kann die Signalkaskade auch Glutamatrezeptoren phosphorylieren. Dadurch bleibt sie sie länger offen und erhöht die Leitfähigkeit positiv geladener Ionen in der Zelle. Als Ergebnis wird dieselbe präsynaptische Stimulation nun eine stärkere postsynaptische Reaktion hervorrufen, da mehr Glutamatrezeptoren aktiviert werden und mehr positiv geladene Ionen in das postsynaptische Neuron eindringen. Die auftretende Verstärkung ist als synaptische Verstärkung oder Potenzierung bekannt.

Das Sprichwort “Übung macht den Meister” kann teilweise durch LTP erklärt werden. Beim Erlernen einer neuartigen Aufgabe werden neue neuronale Schaltkreise durch LTP verstärkt. Nach jeder Iteration der Übung wird die synaptische Stärke in den neuronalen Schaltkreisen stärker. So kann die Aufgabe bald korrekt und effizient ausgeführt werden. Die neu verstärkten Verbindungen können von Minuten bis zu Wochen oder länger dauern, wenn die präsynaptische Stimulation andauert, was bedeutet, dass bei jeder weiteren Ausführung der Aufgabe die LTP beibehalten wird.

LTP und Krankheiten

Wenn LTP normal funktioniert, können wir mit Leichtigkeit lernen und Erinnerungen formen. Jedoch sind Anomalien in der LTP in viele neurologische und kognitive Störungen wie Alzheimer, Autismus, Suchtkrankheiten, Schizophrenie und Multiple Sklerose involviert. Ein besseres Verständnis der Mechanismen hinter LTP könnte eventuell zu Therapien führen.


Suggested Reading

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

Waiting X
simple hit counter