MECHANISMYPAMĚTI•Fyziologiesynaptickéhospojení

•Mechanismyjednoduchéhoučeníumodelovéhoorganismu(Aplysie)

•Synaptickáplasticitausavců

•Dlouhodobápotenciace– LTP

•VztahLTPapaměti

KONCEPCEPAMĚTIJAKOSCHOPNOSTIMODIFIKOVATSVÉCHOVÁNÍNAZÁKLADĚ

ZKUŠENOSTI

• Weconsiderlearningtobeanadaptivechangeinbehaviorcausedbyexperience

• Memoryreferstotheinternalstorageandrecallofpreviouslylearnedbehaviors.(Forgettingisthelossofstorageorrecall.)

• Modifikacechovánímásvůjzákladvplastickýchzměnáchvčinnostinervovýchspojů(synapticképlasticitě),kteréjsoupodklademzměnvchování.

SYNAPSE

SYNAPTICKÁSPOJENÍ

• Chemickásynapse‐ příkladnervosvalovéspojení– docházízdekvýlevuneuropřenašeče

• Elektrickásynapse– gapjunction –elektrickýsignálpřecházízjednébuňkynadruhou‐ konexinové můstky,vCNSnaneuronech,glii,hojněubezobratlých

• Synaptickáplasticita– dobředoloženánachemickýchsynapsích.

ELEKTRICKÁSYNAPSE– GAPJUNCTIONŠTĚRBINOVITÉSPOJENÍ

ELEKTRICKÁSYNAPSE– ŠTĚRBINOVITÉSPOJENÍ

• Příménízkoodporovéelektricképropojenídvoubuněk– H2O,ionty,malémolekuly

• ‐ ztohovyplývá– absencesynaptickéhozpoždění,typickéhoprochemickousynapsi.

• Méněmechanismůproplasticitu• Avšakexistujíusměrňujícígapjunctions,prokteréjevodivostvjednomsměrupodstatněvyššínežvdruhém

Glie,neurony,vývoj,dospělost

CHEMICKÁSYNAPSE

• Obecněvzatosejednáospojeníjednénervovébuňkysjinou,popř.sjinouefektorovoubuňkou(svalovou,žlázovou)

• Lidskýmozekobsahujeřádově1014 synapsí(100‐500triliónů)

• Ch.S.Sherrington – autortermínusynapse(řecké„syn“‐spoluahaptein“– obejmout,stisknout).

• Typickýneurontvořířádovětisícesynapsí.

• Axodendritické,axo‐axonální,axosomatické,atd.

• Synaptickézpoždění(cca1ms)– dobapotřebnákevtokuvápníkudozakončeníakfůzi synaptickýchvezikulů smembránou

CHEMICKÁSYNAPSE

CHEMICKÁSYNAPSE

• Akčnípotenciálnapresynaptickémneuronu‐>depolarizacenervovéhozakončení,vstupCa2+ dozakončení

• Neuropřenašeč skladovánvsynaptickýchváčcích(vesicles)

• Výlevneuropřenašeče – fůze membrányvezikulu smembránouterminály(SNARE,SNAPproteinyatd.)

• Kvantovýobsah(uvolněnýpočetkvant)‐ Kvantovávelikost(početmolekulvkvantu)

• Difúzeneuropřenašeče skrzeštěrbinu,vazbanapostsynaptickéreceptory.

• Odpověd

NERVOSVALOVÉSPOJENÍJAKOMODELOVÁCHEMICKÁSYNAPSE

• Nervosvalovéspojení,ploténka(motorendplate,neuromuscular junction)– klasickýpreparátstudovanýtéměřodpolovinyminuléhostoletí.

• Motorickýaxontvořísynapsinakosternímsvalovémvlákně.

• Přenašečemjeacetylcholin,kontrasnmiter ATP,postsynapticky vázánnaacetylcholinovéreceptorynikotinovéhotypu(nAChR)

• Tentopřenosjepostsynapticky inhibovánpomocíkurare

• VýlevAchblokovánnapř.botulotoxinem(enzymatickýjed),interferujesmechanismemvýlevu

• nAchR – ionotropní receptor– tvoříkationtovýkanál

NERVOSVALOVÉSPOJENÍ

• Výlevacetylcholinu– 1váčekodpovídájednomukvantu– obsahujecca30000molekulAch

• Evokovanýploténkovýpotenciál>výlev mnohakvant

• Spontánníminiaturníploténkovýpotenciál(miniatureendplate potential ‐MEPP)– občasnýspontání výlevjednohokvanta– vyvolánasvalupodprahovoupřechodnoudepolarizaci

NERVOSVALOVÉSPOJENÍ

• Výlevacetylcholinu– 1váčekodpovídájednomukvantu– obsahujecca30000molekulAch

• Evokovanýploténkovýpotenciál>výlev mnohakvant

• Spontánníminiaturníploténkovýpotenciál(miniatureendplate potential ‐MEPP)– občasnýspontání výlevjednohokvanta– vyvolánasvalupodprahovoupřechodnoudepolarizaci

• Achuvolňovántakénekvantově(non‐quantal release)objeviteléKatzaMilediasoučasněVyskočilaIllés.JednáseokontinuálnísekreciAch,patrněpřesacetylcholinovývezikulárnítransportér.

SYNAPSE

CHEMICKÉSYNAPSEVCNS

• Nachemickésynapsinajdemeřaducílovýchstrukturnakterýchlzezesilovatsílupřenosu(synaptickáplasticita)

• Např.zesíleníodpovědireceptorůjejichfosforylací,insercínovýchreceptorůdomembrány,desensitizace receptoru,popř.zvětšenímkvantovéhoobsahupresynapticky– retrográdnímsignálem

SYNAPTICKÉSPOJENÍ

• Excitačníainhibičnísynapse

• Postsynaptickýpotenciál

• Depolarizace,hyperolarizace

• Sumacečasováaprostorová

A population field potential (“EPSP”) evoked in the dentate gyrus

Stimulus artefact

Population spike

EPSP

SYNAPTICKÁPLASTICITA

• Jepravděpodobněmechanismem,jakýmjsouuchováványinformacevpaměti.

• Mohlabybýtpodklademnejenučeníapaměti,aleidlouhodobějšíchvzorcůchování.

• Plasticitamávýznampatrněivdrogovézávislostianapř.idlouhodobéaneuropatickébolesti

• Jepřístupnáexperimentálnímuzkoumání,dáseměřitnapř.elektrofyziologicky

SYNAPTICKÁPLASTICITA

• Synaptickáplasticitajedefinovánajakoschopnostsynapsezměnitsvojisynaptickousílu(synapticstrength)vzávislostinavlastníaktivitě

• Synaptickásíla• jemírazměnypostsynaptickéhopotenciáluevokovanéhoaktivacípresynaptickéhozakončeníanáslednýmvýlevemneuropřenašeče.

• Defacto,účinnost,efektivitasynaptickéhopřenosu

• Změnadráždivostipostsynaptickémembránydanáopakovanouaktivacípresynaptickéhoapostsynaptickéhoneuronu• (tatodefiniceseblížípojetíHebba).

SYNAPTICKÁPLASTICITA

• SantiagoRamónyCajal(1852‐1934)bylvroce1894prvním,kdonavrhlpředstavu,žeučenínenízprostředkovánopřírůstkempočtuneuronů,alekezměněsilspojenímezitěmitoneurony.

• Aždodruhépoloviny20.stoletínemělivědcinástroje,jaktytozměnyměřit

HEBBŮV ZÁKON

Cellsthat fire toghether,wire together“

• Hebbův zákon

(Hebb,D.O.(1949)TheOrganizationofBehavior,JohnWiley&Sons,Inc.,N.Y)

• „WhenanaxonofcellAisnearenoughtoexciteacellBandrepeatedlyorpersistentlytakespartinfiringit,somegrowthprocessormetabolicchangetakesplaceinoneorbothcellssuchthatA'sefficiency,asoneofthecellsfiringB,isincreased.“

• Hebbovská synaptickáplasticitabylastudovánačastounižšíchživočichů,např.Aplysie (E.Kandel)‐ Velkéneurony,definovanáspojení,apod..

MARRŮVMODELFORMOVÁNÍPAMĚŤOVÝCHSTOP(1971)

"Simple memory: a theory for archicortex." Phil. Trans. Royal Soc. London, 262:23-81 (1971)

DavidCourtnayMarr (1945‐1980) – britskýneurobiologapsycholog,zabývalsepředevšímviděním.

Vr.1971navrhnulautoasociativnímodelarchikortikální(hipokampální)reprezentacepaměti,kdyaktivovanéneuronyvytvářelyvzájemnáspojenínazákladězvýšenísynaptickéúčinnostianásledněpovytvořenísítěstačilaaktivacečástibuněkkobnovenífunkcecelésítě.

Modelzaložennamodifikacisynaptickýchspojenípomocízkušenosti,umožňovalvybavenípaměťovéstopyinazákladěčástečnéinformace.

Modelsestalvýchodiskempromnohohypotézofunkcihipokampu,znichžněkterébylypotvrzeny.

MECHANISMYSYNAPTICKÉPLASTICITY

Mechanismů,kterévedouksynapticképlasticitě,jemnoho.

• fosforylacereceptorů,

• zvýšeníintracelulárníhoCa2+,

• vkládáníreceptorůdosyn.štěrbiny,

• syntézanovýchbílkovin,

• zvýšenípočtusynaptickýchknoflíků,

• rašeníkolaterálníchvláken(sprouting)

• zvýšenívýlevuzpresynaptickéterminályprostřednictvímretrográdníhosignálu

STUDIUMPLASTICITYUJEDNODUCHÝCHORGANISMŮ‐ APLYSIACALIFORNICA

• Několiktisícsnadnoidentifikovatelných,poměrněvelkýchneuronů.

• Zpravidlasestudujeodpověd žaber(gill)napodrážděnísifonu(siphon),kterýmzvířenasáváafiltrujemořskouvodu.Někdyvědcistudujíizatahovánísifonu

• Sifonjeinervovánsenzorickýmneuronem(LEmechanosenzorem),kterýjesynaptickyspojenspostsynaptickýmmotorickýmneuronem(L7)inervujícím žábry

MECHANISMYJEDNODUCHÉHOUČENÍUMOŘSKÉHOZEJE

(APLYSIA)

EricKandel– Nobelovacenazalékařstvíafyziologii(r.2000)

HABITUACEZATAHOVACÍHOREFLEXUŽABERUAPLYSIE

Přiopakovanémdrážděnídošlojakkesníženíbehaviorálníchodpovědí,takkesníženíamplitudypostsynaptickéhopotenciálu.

KLASICKÉ(PAVLOVOVSKÉ)PODMIŇOVÁNÍZATAHOVACÍHOREFLEXUSIFONUU

APLYSIE

SYNAPTICKÉZMĚNYVDŮSLEDKUUČENÍUAPLYSIE

Kandelzjistil,ževdůsledkudlouhodobéhabituace(opakovanoutaktilnístimulací)nebosenzitizace(opakovanýmšokovánímdoocásku)docházíuzejekezměněpočtusynaptickýchspojení– vdůsledkutohoikezměněúčinnostisynaptickéhopřenosu

=jedenzpříkladůSYNAPTICKÉPLASTICITY

Avšakzvýšenípočtusynapsíjepouzejedenzmechanismů...

OPERANTNÍPODMIŇOVÁNÍUAPLYSIE

• Hawkins,R.D.,Clark,G.A.,&Kandel,E.R.(2006).OperantConditioningofGillWithdrawalinAplysia.TheJournalofNeuroscience,26,2443‐2448.

• PokudAplysie povolilažábrypourčitouhranici,byla„potrestána“mírnýmšokemdoocásku.

• Zvířatasenaučilaoperantnězatahovatžábry,abysevyhnulapotrestání.

• Vzhledemktomu,ženeuronyinervující struktury,kterésetohotochováníúčastní,jsoujižidentifikovány,otevřelotocestukestudiumechanismůtohototypuučení.• MichelM,GreenCL,Eskin A,LyonsLC. PKG‐mediatedMAPKsignalingisnecessaryforlong‐termoperantmemoryinAplysia.LearnMem.2011;18(2):108‐17.

ODBEZOBRATLÝCHKSAVCŮM

• Synaptickáplasticita jepozorovatelnásamozřejměiuvyššíchobratlovců,adlouhosepředpokládalo,žebymohlabýtpodklademuchovávánípaměťovýchstop.

• Dlouhodobápotenciaceadlouhodobádeprese–LTPaLTD– horcíkandidátinaneurálnísubstrátučeníapaměti

EPSP

EPSP(intracelulárně– uvětšíchvláken,popř.pomocítechnikyterčíkovéhozámku

fEPSP(field‐EPSP)– extracelulárně,připadávúvahuustrukturspravidelnýmuspořádánímneuronůdovrstevčilamin– např.hipokampus

LTPALTD

• Dlouhodobézvýšení,resp.sníženíodpovědí,neboliamplitudyEPSPpropředchozítetanickéstimulaci

• Mádvěfáze:časnou(E‐LTP)apozdní(L‐LTP)

• Časnáfázejenezávislánaproteosyntéze,pozdnínanízávisí

EXISTUJEVÍCEMOŽNOSTÍZESÍLENÍSYNAPTICKÉÚČINNOSTI

Inzercenovýchreceptorůdopostsynaptickémembrány – většíodpovědínastejnémnožstvíneuropřenašeče

Zvýšenívýlevu prostřednictvímretrográdníhosignálu– nejasné,uvažujeseoNO,popř.extracelulárníchadhezníchmolekulách

Rašenínovýchsynaptickýchknoflíků

Ztenčeníkrčkudendritickéhotrnu– změnaelektrickýchvlastností– vyššíexcitabilita

DLOUHODOBÁPOTENCIACE‐ LTPDlouhodobézvýšenísynaptickýchodpovědípostsynaptickéhoneuronu(=amplitudyEPSP)potetanickémdrážděnípresynaptickéterminály

Velmičastoseměřívhipokampuapřilehlýchstrukturách.

A population field potential (“EPSP”) evoked in the dentate gyrus by stimulating the perforant path.

Stimulus artefact

Population spike

EPSP

DLOUHODOBÁPOTENCIACE(LTP)

BlissandLømo(1973)J.Physiol.232:331‐356‐ LTPpoprvépopsánavgyrusdentatuskrálíka

Tim Bliss Terje Lømo

Dlouhodobézvýšenísynaptickýchodpovědípostsynaptickéhoneuronu(=amplitudyEPSP)potetanickémdrážděnípresynaptickéterminály.Někdysevykládájakozesíleníkomunikacemezipresynaptickýmapostsynaptickýmneuronem,nazákladěaktivaceoboutěchtoneuronů.

LTP

DLOUHODOBÁPOTENCIACE(LTP)VS.DLOUHODOBÁDEPRESE(LTD)

DLOUHODOBÁDEPRESE‐ LTD• Opakdlouhodobépotenciace,

jdeodlouhodobésníženíúčinnostisynaptickéhopřenosunásledkemrepetitivnístimulace presynaptickýchvstupů

• JetovlastněprotějšekLTP,zfyziologickéhohlediskasezdábýtintuitivněnezbytný(„what goes up,must godown“)

• Vyskytujesenapř.vhipokampu (nízkofrekvenčnístimulace)nebovPurkyňovýchbuňkáchmozečku (silnástimulace)

DLOUHODOBÁDEPRESE‐ LTD

LTD je podmíněna zpravidla aktivací NMDA receptorů (ne vždy),ale o nižší hodnotě, a zvýšením intracelulárního vápníku, avšak na nižší hladinu, než jaká je pozorována u LTP.

Někdy se LTD mohou účastnit také metabotropní glutamátové receptory (mGluR), popř snad i kanabinoidní receptory (také spřažené s G-proteinem)

Indukce LTD zahrnuje aktivaci fosfatáz (defosforylující enzymy), které následně sníží citlivost glutamátových receptorů a tím redukují postsynaptickou odpověď na neuropřenašeč.

Může zahrnovat také internalizaci AMPA receptorů z postsynaptické membrány do intracelulárních kompartmentů.

DLOUHODOBÁDEPRESE‐ LTDNa synapsích Schafferových kolaterál (spojení hipokampálních oblastí CA3 a CA1) lze vyvolat LTP i LTD tetanickým dráždění, klíčovým faktorem pro to, který fenomén bude indukován, je frekvence dráždění (viz obrázek).

Nízkofrekvenční stimulace vede ke vzniku LTD.

LTD je odlišná od tzv. synaptické depotenciace, což je de facto návrat LTP na klidovou hladinu.

V mozečku se LTD účastní motorického učení.

LTPVYKAZUJESPECIFICITU

• Běhemdrážděníurčitéhovstupudocházíkpotenciacipouzeutohotostimulovanéhovstupu,aneusousedníchvstupů (pakliženejsoutytovstupyfunkčněspřaženy,popř.stimuloványsoučasně– vizasociativitaakooperativita)

LTPVYKAZUJEASOCIATIVITU

• Associativita představujefenomén,kdyrelativněslabástimulacenajednomvstupunenídostatečnáabyvyvolalaLTP,současnésilnástimulacenajiném,funkčněasociovanémvstupuvyvoláLTPnaobouvstupech.

• Častojepozorovánanapř.nasynapsíchSchafferových kolaterálzhipokampálníoblastiCA3doCA1

LTPVYKAZUJEKOOPERATIVITU

LTP může být indukována buď silným tetanickým drážděním jednoho vstupu, nebo kooperativně slabším drážděním více vstupů současně. Pokud je stimulován slabě jen jeden vstup, nedosáhne depolarizace hodnoty potřebné k indukci LTP. Pokud je však takovouto slabší stimulací drážděno více konvergujících vstupů, může dojít k sumaci těchto efektů a následné tvorbě dlouhodobé potenciace.

Někteří autoři zastávají názor, že rozdíl mezi kooperativitou a asociativitou je pouze sémantický

ČASNÁAPOZDNÍFÁZELTP

• Časnáfáze– nezávislánaproteosyntéze

• Induction phase

• Maintenancephase

• Pozdnífáze– závisínasyntézenovýchbílkovinaremodelaci synapse.

• Induction

• Maintenance

ČASNÁAPOZDNÍFÁZELTP‐MECHANISMY•Iniciacečasnéfáze– zvýšenáaktivaceAMPAreceptorů– depolarizace–odblokováníNMDAreceptorů– vtokCa2+‐Ca‐calmodulin kinázaII– PKC– MAPkináza(MAPK)

•Udržováníčasné‐ CMKIIaPKCztrácízávislostnaCa– perzistentníaktivita>fosforylace AMPAreceptorů,inzercerezervníchAMPAreceptorů (bezprotesyntézy)

•Indukcepozdní– MAPK(ERK)vykazujeprezistentní aktivitu

•Udržovánípozdní– ERKfosforyluje řadycytosolických ajadernýchmolekul,kterénakonecvedouksyntézespecifickýchproteinů,kteréudržujílate‐LTP,předevšímPKMζJ Neurochem. 2001 Jan;76(1):1-10. The neuronal MAP kinase cascade: a biochemical signal integration system subserving synaptic plasticity and memory. Sweatt JD.

UDRŽOVACÍFÁZEPOZDNÍLTP– HOTSPOTSOUČASNÉNEUROCHEMIEPAMĚTI

• BěhemudržovacífázedocházípřeskinázyatranskripčnífaktoryksyntézePKMζ (zeta),cožjepodtypPKC,kterájeposvésyntézekonstitutivněaktivníaregulujetrafficking asyntézuAMPAreceptorů,reorganizacisynaptickýchproteinůaremodelaci synapse.

• Patrněijinékinázy,alenedávnástudieukázala,žesyntézaPKMζudržujespecifickypozdníLTP.

• Zvýšeuvedenéhovyplývá,ževindukciaudržováníčasnéLTPavindukcipozdníLTPhrajerolímnohoregulačníchkináz,alenaPKMζ sepatrněsignálsbíhá

RETROGRÁDNÍSIGNALIZACE

• Nicméně,běhempozdníLTPdocházítakékekomunikacispresynaptickýmzakončením,neboťbyloprokázáno,žesezvyšujezásobasynaptickýchváčkůvtermináleadocházíkdalšímzměnámnapresynaptickýchproteinech,mělabytedyexistovatretrográdnísignalizace(uvažujeseoNO,neboproteinechextracelulárnímatrix– vizbiologiebuňky)

Zkušenost Změna synaptické účinnnosti(přirozená plasticita)

Paměť

Tetanizace Změna účinnosti synaptického přenosu

(LTP)

Zvýšení evokované odpovědi (EPSP)

Teoretická koncepce studia vztahu “LTP-paměť”

Typy studií zabývajících se vztahem LTP - paměť:

• Vliv učení na synaptickou sílu a LTP• Vliv tetanizace (saturace LTP) na učení• Vliv manipulace (např.blokády) synaptické plasticity na učení paměť

UČENÍPŘÍMOINDUKUJELTP• WhitlockJR,Heynen AJ,ShulerMG,BearMF. Learninginduceslong‐termpotentiation

inthehippocampus. Science.2006; 313(5790):1093‐7

UČENÍPŘÍMOINDUKUJELTPII

• Whitlockaspol.ukázali,žetréninkpotkanůvúlozepasivníhovyhýbání(otésipovímevkapitoleupaměťovýchúlohách)způsobujeuněkterýchneuronůindukciLTP.

• UmnohazměřenýchneuronůvšakLTPindukovánanení,atobylopatrnědůvodem,pročsenaobjevčekalotakdlouho.

• Jetorovněžpodpůrnýmdůkazempro„distributedmemory encoding“– vizobecnýmodul

INHIBICEPKMΖ VEDEKVYMAZÁNÍJIŽUSTAVENÉPAMĚŤOVÉSTOPY

• PastalkovaE,SerranoP,Pinkhasova D,WallaceE,FentonAA,Sacktor TC.StorageofspatialinformationbythemaintenancemechanismofLTP. Science.2006;313(5790):1141‐4

SpecifickýblokátorPKMζ bylaplikovándohipokampuazablokovaljakpozdníLTP,takvybavenínaučenéinformace, avšakneovlivnínovéučení,tzn.žePKMζ nehrajepatrněrolivindukcičasnéLTP

Prokázánobylo,žesyntézaPKMζ jenezbytnouproudržovacífázipozdníLTP

ZIPMAŽEPAMĚŤOVOUSTOPU,ALENEBRÁNÍNOVÉMUUČENÍ.

PROBLEMATICKÉOTÁZKY• JeLTPindukovánatakéjinýmitypyučenínežpasivnímvyhýbáním?

• MažeinhibicePKMζ pomocípeptiduZIPtakéjinédruhypamětinežplaceavoidance,cožjekognitivníúlohavysocezávislánahipokampu?

• Jetotovymazánípamětipatrnéivjinýchstrukturáchvmozkunežjehipokampus?

• Některéurčitě,např.chuťovouaverzivkortexu,viz:ShemaR,SacktorTC,Dudai Y. Rapiderasureoflong‐termmemoryassociationsinthecortexbyaninhibitorofPKMzeta. Science; 317(5840):951‐3

• Byloprokázáno,žeuřadytypůpamětitentomechanismusfunguje

• Serrano P,Friedman EL,Kenney J,Taubenfeld SM,Zimmerman JM,Hanna J,Alberini C,Kelley AE,Maren S,RudyJW,Yin JC,Sacktor TC,Fenton AA.PKMzeta maintains spatial,instrumental,andclassically conditioned long‐termmemories.PLoS Biol.2008Dec23;6(12):2698‐706.

NEGATIVNÍDŮKAZOPKMZETA ALTP• Letosvyšlaprácepopisujícítransgennípotkanyskonstitutivnía

podmíněnoudelecíPKMζ aunichnebylopozorovánížádnézhoršenípamětianiLTP.

• NaopakaplikaceZIPtěmtopotkanůmvedlakvymazáníLTP,zdásežeZIPtedyblokujedoposudneznáméprocesy,kroměaktivitynaPKMζ

Volk LJ,Bachman JL,JohnsonR,Yu Y,Huganir RL.PKM‐ζis notrequired for hippocampalsynaptic plasticity,learning andmemory.Nature.2013;493(7432):420‐3

KlíčovákompenzacepomocíPKCι/λ

„THE STORYCONTINUES“

SHRNUTÍ• Napaměťjemožnéaužitečnénahlížetjakonazměnyvchovánívyvolanépředchozízkušenostísubjektu

• Takovétozměnyvchovánídanézkušenostíjemožnépozorovatiuevolučně„primitivních“organismů

• TytozměnychováníjsouzpůsobenyzměnamivčinnostiCNS,předevšímzměnouvsílesynapsívmozku

• Dlouhodobápotenciace(LTP)jakopříkladsynapticképlasticitybymohlaneuronálnímpodklademalespoňněkterýchtypůpaměti,jejízablokovánítutopaměťvyruší,alePKMzeta nemusíbýtonou„memorymolecule“