18.10: Long-term Potentiation
18.10: Potentialisation à long terme
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 potentialisation à long terme, ou LTP, est l’un des moyens par lesquels la plasticité synaptique — les changements dans la force des synapses chimiques — peut se produire dans le cerveau. LTP est le processus de renforcement synaptique qui se produit au fil du temps entre les connexions neuronales pré- et postsynaptiques. Le renforcement synaptique du LTP fonctionne en opposition à l’affaiblissement synaptique de la dépression à long terme (LTD) et sont ensemble les principaux mécanismes qui sous-tendent l’apprentissage et la mémoire.
Hebbian LTP
LTP peut se produire lorsque les neurones présynaptiques à plusieurs reprises le feu et stimuler le neurone postsynaptique. C’est ce qu’on appelle le LTP hebbien puisqu’il découle du postulat de Donald Hebb en 1949 selon lequelle « les neurones qui tirent ensemble se filent ensemble ». La stimulation répétée des neurones présynaptiques induit des changements dans le type et le nombre de canaux ions dans la membrane postsynaptique.
Deux types de récepteurs postynaptiques du glutamate de neurotransmetteur excitateur sont impliqués dans le LTP : 1) les récepteurs N-méthyl-D-aspartate ou NMDA et 2) les récepteurs α-amino-3-hydroxy-5-méthyl-4-isoxazolepropionic ou récepteurs AMPA. Bien que les récepteurs NMDA s’ouvrent sur la liaison de glutamate, leur pore est habituellement bloqué par des ions de magnésium qui empêchent d’autres ions chargés positivement d’entrer dans le neurone. Cependant, le glutamate libéré par les neurones présynaptiques peut se lier aux récepteurs appa postsynaptiques, provoquant un afflux d’ions de sodium qui entraîne la dépolarisation de la membrane. Lorsque la membrane postsynaptique est dépolarisée par de multiples apports presynaptiques fréquents, l’ion de magnésium bloquant le pore récepteur NMDA est déplacé, ce qui permet aux ions de sodium et de calcium de s’écouler dans le neurone.
L’afflux accru d’ions de calcium déclenche alors une cascade de signalisation qui culmine dans plus de récepteurs AMPA étant insérés dans la membrane plasmatique. Alternativement, la cascade de signalisation peut phosphorylate récepteurs glutamate- leur permettant de rester ouvert pendant une plus longue durée et l’amélioration de la conductance des ions chargés positivement dans la cellule. En conséquence, la même stimulation presynaptique évoquera maintenant une réponse postsynaptique plus forte étant donné que plus de récepteurs de glutamate seront activés et les ions plus positivement chargés entreront dans le neurone postsynaptique. L’amplification qui se produit est connue sous le nom de renforcement synaptique ou potentialisation.
L’adage « pratique rend parfait » peut être expliqué en partie par LTP. Lorsqu’une nouvelle tâche est apprise, de nouveaux circuits neuronaux sont renforcés à l’aide de LTP. Après chaque itération de la pratique, la force synaptique dans les circuits neuronaux deviennent plus forts, et bientôt la tâche peut être exécutée correctement et efficacement. Les connexions nouvellement renforcées peuvent durer de quelques minutes à des semaines ou plus si la stimulation presynaptique persiste, ce qui signifie que chaque fois que la tâche est exécutée ultérieure, le PLT est maintenu.
LTP et maladie
Lorsque LTP fonctionne normalement, nous pouvons apprendre et former des souvenirs avec facilité. Cependant, des anomalies dans le LTP ont été impliquées dans beaucoup de désordres neurologiques et cognitifs tels que la maladie d’Alzheimer, l’autisme, la dépendance, la schizophrénie, et la sclérose en plaques. Une meilleure compréhension des mécanismes derrière le PLT pourrait éventuellement mener à des thérapies.
