Dlouhodobá potenciace (LTP) je trvalý nárůst synaptické síly po vysokofrekvenční stimulaci chemické synapse. Studie LTP jsou často prováděny v řezech hipokampu, důležitého orgánu pro učení a paměť. V takových studiích jsou elektrické záznamy pořízeny z buněk a zaneseny do grafu, jako je tento. Tento graf porovnává odezvu na podněty v synapsích, které podstoupily LTP, oproti synapsím, které LTP nepodstoupily. Synapsy, které podstoupily LTP, mívají silnější elektrické odezvy na podněty než jiné synapse. Termín dlouhodobá potenciace vychází ze skutečnosti, že toto zvýšení synaptické síly, neboli potenciace, trvá velmi dlouho ve srovnání s jinými procesy, které ovlivňují synaptickou sílu.
Dlouhodobá potenciace (LTP) je v neurovědě dlouhodobé posílení přenosu signálu mezi dvěma neurony, které je výsledkem jejich synchronní stimulace. Je to jeden z několika fenoménů, které jsou základem synaptické plasticity, schopnosti chemických synapsí měnit svou sílu. Protože se má za to, že vzpomínky jsou zakódovány modifikací synaptické síly, LTP je široce považován za jeden z hlavních buněčných mechanismů, které jsou základem učení a paměti.
LTP sdílí mnoho vlastností s dlouhodobou pamětí, což z něj činí atraktivního kandidáta pro buněčný mechanismus učení. Například LTP a dlouhodobá paměť se spouští rychle, každá závisí na syntéze nových proteinů, každá má vlastnosti asociativity a každá může trvat mnoho měsíců. LTP může vysvětlovat mnoho typů učení, od relativně jednoduché klasické kondicionování přítomné u všech zvířat až po složitější poznávání na vyšší úrovni pozorované u lidí.
Na buněčné úrovni LTP zesiluje synaptický přenos. Zlepšuje schopnost dvou neuronů, jednoho presynaptického a druhého postsynaptického, komunikovat mezi sebou přes synapsi. Přesné molekulární mechanismy pro toto zesilování přenosu nebyly plně stanoveny, částečně proto, že LTP je řízeno více mechanismy, které se liší podle druhu a oblasti mozku. V nejlépe pochopené formě LTP je zesílená komunikace prováděna převážně zlepšením citlivosti postsynaptické buňky na signály přijímané z presynaptické buňky. Tyto signály ve formě neurotransmiterových molekul jsou přijímány neurotransmiterovými receptory přítomnými na povrchu postsynaptické buňky. LTP zlepšuje citlivost postsynaptické buňky na neurotransmiter z velké části zvýšením aktivity stávajících receptorů a zvýšením počtu receptorů na povrchu postsynaptické buňky.
LTP objevil v králičím hipokampu Terje Lømo v roce 1966 a od té doby zůstává oblíbeným předmětem výzkumu. Mnohé moderní studie LTP se snaží lépe porozumět jeho základní biologii, zatímco jiné usilují o vytvoření příčinné souvislosti mezi LTP a behaviorálním učením. Ještě další se snaží vyvinout metody, farmakologické či jiné, ke zlepšení LTP ke zlepšení učení a paměti. LTP je také předmětem klinického výzkumu, například v oblasti Alzheimerovy choroby a medicíny závislosti.
Rané teorie učení
Neuronanatom 19. století Santiago Ramón y Cajal navrhl, že by vzpomínky mohly být uloženy napříč synapsemi, což jsou spoje mezi neurony, které umožňují jejich komunikaci.
Na konci 19. století si vědci obecně uvědomovali, že počet neuronů v mozku dospělých (zhruba 100 miliard) se s věkem výrazně nezvyšuje, což neurobiologům dávalo dobrý důvod k domněnce, že vzpomínky obecně nejsou výsledkem produkce nových neuronů. S tímto zjištěním přišla potřeba vysvětlit, jak se mohou vzpomínky tvořit při absenci nových neuronů.
Španělský neuroanatom Santiago Ramón y Cajal byl mezi prvními, kdo navrhl mechanismus učení, který nevyžadoval tvorbu nových neuronů. Ve své Croonian Lecture z roku 1894 navrhl, že vzpomínky by místo toho mohly být vytvářeny posílením spojení mezi existujícími neurony, aby se zlepšila efektivita jejich komunikace. Hebbianova teorie, zavedená Donaldem Hebbem v roce 1949, zopakovala myšlenky Ramóna y Cajala a dále navrhla, že buňkám mohou růst nová spojení nebo procházet metabolickými změnami, které zvyšují jejich schopnost komunikovat:
Předpokládejme, že přetrvávání nebo opakování dozvukové aktivity (nebo „stopy“) má tendenci vyvolávat trvalé buněčné změny, které přispívají k jeho stabilitě… Když je axon buňky A dostatečně blízko, aby vybudil buňku B, a opakovaně nebo trvale se účastní jejího vystřelování, dochází v jedné nebo obou buňkách k nějakému růstovému procesu nebo metabolické změně, takže se zvyšuje efektivita buňky A, jako jedné z buněk, které vystřelují buňku B.
I když jsou tyto teorie tvorby paměti dnes dobře zavedené, byly na svou dobu prozíravé: neurovědci a psychologové z konce 19. a počátku 20. století nebyli vybaveni neurofyziologickými technikami nezbytnými pro objasnění biologických základů učení u zvířat. Tyto dovednosti se objevily až v druhé polovině 20. století, přibližně ve stejné době jako objev dlouhodobé potenciace.
LTP byl poprvé objeven v králičím hipokampu. U lidí se hipokampus nachází ve středním spánkovém laloku. Tento obrázek spodní strany lidského mozku ukazuje červeně zvýrazněný hipokampus. Čelní lalok je nahoře na obrázku a týlní lalok je dole.
LTP byl poprvé pozorován Terje Lømem v roce 1966 v norském Oslu, laboratoři Pera Andersena. Tam Lømo provedl sérii neurofyziologických experimentů na králících v anestezii, aby prozkoumal roli hipokampu v krátkodobé paměti.
Lømovy experimenty se zaměřovaly na spojení, neboli synapse, od perforační dráhy k zubnímu gyru. Tyto experimenty byly prováděny stimulací presynaptických vláken perforační dráhy a záznamem odpovědí ze sbírky postsynaptických buněk zubního gyru. Jak se dalo očekávat, jediný impuls elektrické stimulace vláken perforační dráhy způsobil v buňkách zubního gyru excitační postsynaptické potenciály (EPSP). Lømo nečekaně pozoroval, že reakce postsynaptických buněk na tyto jednopulzní podněty by mohla být po dlouhou dobu zvýšena, pokud by nejprve doručil vysokofrekvenční proud podnětů do presynaptických vláken. Když byl takový proud podnětů aplikován, následné jednopulzní podněty vyvolaly u postsynaptické buněčné populace silnější, prodloužené EPSP. Tento jev, kdy vysokofrekvenční podnět mohl vyvolat dlouhotrvající posílení reakce postsynaptických buněk na následné jednopulzní podněty, byl zpočátku nazýván „dlouhotrvající potenciací“.
Timothy Bliss, který se připojil k Andersenově laboratoři v roce 1968, spolupracoval s Lømem a v roce 1973 oba publikovali první charakteristiku dlouhotrvající potenciace u králičího hipokampu. Bliss a Tony Gardner-Medwin publikovali podobnou zprávu o dlouhotrvající potenciaci u probuzeného zvířete, která se objevila ve stejném čísle jako Blissova a Lømova zpráva. V roce 1975 Douglas a Goddard navrhli „dlouhodobou potenciaci“ jako nový název pro fenomén dlouhotrvající potenciace. Andersen navrhl, aby autoři zvolili „dlouhodobou potenciaci“ možná kvůli jeho snadno vyslovitelné zkratce „LTP“.
Od svého původního objevu v králičím hipokampu bylo LTP pozorováno v celé řadě dalších nervových struktur, včetně mozkové kůry, mozečku, amygdaly a mnoha dalších. Robert Malenka, významný výzkumník LTP, naznačil, že LTP se může vyskytovat dokonce u všech excitačních synapsí v mozku savců.
Různé oblasti mozku vykazují různé formy LTP. Specifický typ LTP vykazovaný mezi neurony závisí na řadě faktorů. Jedním z nich je stáří organismu, kdy je pozorováno LTP. Například molekulární mechanismy LTP v nezralém hipokampu se liší od mechanismů, které jsou základem LTP dospělého hipokampu. Signalizační dráhy používané konkrétní buňkou také přispívají ke specifickému typu přítomného LTP. Například některé typy hipokampálního LTP závisí na NMDA receptoru, jiné mohou záviset na metabotropickém glutamátovém receptoru (mGluR), zatímco ještě další závisí na úplně jiné molekule. Různorodost signálních drah, které přispívají k LTP, a široké rozložení těchto různých drah v mozku jsou důvody, proč typ LTP vykazovaný mezi neurony částečně závisí na anatomickém místě, kde je pozorováno LTP. Například LTP v Schafferově kolaterální dráze hipokampu je závislé na NMDA receptoru, zatímco LTP v dráze mechových vláken je nezávislé na NMDA receptoru.
Presynaptická a postsynaptická aktivita potřebná k indukci LTP jsou dalšími kritérii, podle kterých se LTP klasifikuje. Obecně to umožňuje klasifikaci LTP na hebbianské, neheblické a anti-hebbianské mechanismy. Hebbianské LTP si vypůjčilo svůj název z Hebbova postulátu, shrnutého do rčení, že „buňky, které spolu hoří, se navzájem propojují“, a pro svou indukci vyžaduje simultánní pre- a postsynaptickou depolarizaci. Nehebbianské LTP je typ LTP, který nevyžaduje takovou simultánní depolarizaci pre- a postsynaptických buněk; příklad se vyskytuje v mechové vláknité hipokampální dráze. Zvláštní případ nehebbianského LTP, anti-hebbianského LTP výslovně vyžaduje simultánní presynaptickou depolarizaci a relativní postsynaptickou hyperpolarizaci pro svou indukci.
Díky své předvídatelné organizaci a snadno indukovatelnému LTP se CA1 hippocampus stal prototypickým místem studie LTP u savců. Zejména LTP závislé na NMDA receptoru u dospělého CA1 hippocampu je nejčastěji studovaným typem LTP, a proto je předmětem tohoto článku.
NMDA receptor-dependentní LTP vykazuje několik vlastností, včetně vstupní specificity, asociativity, kooperativity a perzistence.
Dlouhodobá potenciace probíhá prostřednictvím různých mechanismů v celém nervovém systému; žádný jednotlivý mechanismus nespojuje všechny typy LTP. Pro účely studia je však LTP běžně rozděleno do tří fází, které se vyskytují postupně: krátkodobá potenciace, časná LTP a pozdní LTP. O mechanismech krátkodobé potenciace je známo jen málo, proto se o tom zde nebude diskutovat.
Každá fáze LTP je řízena sadou mediátorů, malých molekul, které diktují události této fáze. Tyto molekuly zahrnují proteinové receptory, které reagují na události mimo buňku, enzymy, které provádějí chemické reakce uvnitř buňky, a signalizační molekuly, které umožňují progresi z jedné fáze do druhé. Kromě těchto mediátorů existují také molekuly modulátorů, popsané později, které interagují s mediátory, aby jemně změnily nakonec vytvořené LTP.
Časná (E-LTP) a pozdní (L-LTP) fáze LTP jsou charakterizovány sérií tří dějů: indukce, údržba a exprese. Indukce je proces, kterým krátkodobá doba signálu spustí tuto fázi LTP. Udržovací fáze odpovídá trvalým biochemickým změnám, které se vyskytují v reakci na indukci této fáze. Exprese zahrnuje dlouhotrvající buněčné změny, které vyplývají z aktivace udržovacího signálu. Mechanismy LTP tak mohou být diskutovány z hlediska mediátorů, které jsou základem indukce, údržby a exprese E-LTP a L-LTP.
Raná fáze LTP, jejíž jeden model je zde ukázán, je nezávislá na syntéze proteinů.
Ca2+/kalmodulin-dependentní proteinkináza II (CaMKII) se zdá být důležitým mediátorem časné fáze LTP nezávislé na syntéze proteinů.
K indukci E-LTP dochází, když koncentrace vápníku uvnitř postsynaptické buňky překročí kritický práh. V mnoha typech LTP vyžaduje tok vápníku do buňky NMDA receptor, a proto jsou tyto typy LTP považovány za NMDA receptorově závislé. LTP závislé na NMDA receptoru lze experimentálně indukovat aplikací několika vlaků vysokofrekvenčních podnětů na spojení mezi dvěma neurony. Porozumění normálnímu synaptickému přenosu ilustruje, jak může tato tetanická stimulace indukovat E-LTP.
Chemické synapse jsou funkční spojení mezi neurony v celém nervovém systému. V typické synapsi jsou informace předávány z prvního (presynaptického) neuronu do druhého (postsynaptického) neuronu procesem synaptického přenosu. Prostřednictvím experimentální manipulace může být na presynaptickou buňku aplikován nettetanický stimul, který způsobí uvolnění neurotransmiteru – typicky glutamátu – na postsynaptickou buněčnou membránu. Tam se glutamát váže na AMPA receptory (AMPAR) zakotvené v postsynaptické membráně. AMPA receptor je jedním z hlavních excitačních receptorů v mozku a je zodpovědný za většinu jeho rychlé, momentální excitační aktivity. Glutamátová vazba na AMPA receptor spouští příliv pozitivně nabitých sodíkových iontů do postsynaptické buňky, což způsobuje krátkodobou depolarizaci zvanou excitační postsynaptický potenciál (EPSP).
Velikost této depolarizace určuje, zda bude E-LTP indukován v postsynaptické buňce. Zatímco jediný podnět nevytváří EPSP schopný indukovat E-LTP, opakované podněty podávané s vysokou frekvencí způsobují postupnou depolarizaci postsynaptické buňky v důsledku EPSP sumace: s každým EPSP, který se dostane do postsynaptické buňky před tím, než se předchozí EPSP může rozpadnout, se následné EPSP přidávají k depolarizaci způsobené předchozími EPSP. V synapsích, které vykazují LTP závislé na NMDA receptorech, dostatečná depolarizace odblokuje NMDA receptory (NMDARs), receptory, které umožňují vápníku proudit do buňky, když je vázán glutamátem. Zatímco NMDARs jsou přítomny na většině postsynaptických membrán, v klidových membránových potenciálech jsou blokovány iontem hořčíku, který zabraňuje vstupu vápníku do postsynaptické buňky. Dostatečná depolarizace prostřednictvím sumace EPSPs zmírňuje blokádu NMDAR hořčíkem, což umožňuje přítok vápníku (navzdory snížené hnací síle pro vstup vápníku). Rychlý vzestup intracelulární koncentrace vápníku spouští krátkodobou aktivaci několika enzymů, které zprostředkovávají indukci E-LTP. Zvláštní význam mají některé proteinkinázové enzymy, včetně proteinkinázy II závislé na vápníku/kalmodulinu (CaMKII) a proteinkinázy C (PKC). V menší míře k indukci E-LTP přispívají také proteinkináza A (PKA) a aktivace proteinkinázy aktivované mitogeny (MAPK).
Zatímco indukce zahrnuje přechodnou aktivaci CaMKII a PKC, udržování E-LTP je charakterizováno jejich trvalou aktivací. Během této fáze se PKMz(Protein kináza Mζ), která není závislá na vápníku, stává autonomně aktivní. V důsledku toho jsou schopny provádět fosforylační události, které jsou základem exprese E-LTP.
Fosforylace je chemická reakce, při které se malá fosfátová skupina přidá k jiné molekule, aby se změnila aktivita této molekuly. Autonomně aktivní CaMKII a PKC využívají fosforylaci k provedení dvou hlavních mechanismů, které jsou základem exprese E-LTP. Za prvé, a to je nejdůležitější, fosforylují existující AMPA receptory, aby zvýšily jejich aktivitu. Za druhé, zprostředkovávají nebo modulují vložení dalších AMPA receptorů do postsynaptické membrány. Důležité je, že dodávka AMPA receptorů do synapse během E-LTP je nezávislá na syntéze proteinů. Toho je dosaženo tím, že je v blízkosti postsynaptické membrány nonsynaptický bazén AMPA receptorů. Když dorazí příslušný LTP-indukující stimul, jsou nonsynaptické AMPA receptory pod vlivem proteinkináz rychle transportovány do postsynaptické membrány. Jak již bylo zmíněno, AMPA receptory jsou nejhojnější glutamátové receptory v mozku a zprostředkovávají většinu jeho excitační aktivity. Zvýšením účinnosti a počtu AMPA receptorů v synapsi budoucí excitační stimuly generují větší postsynaptické odezvy.
Zatímco výše uvedený model E-LTP popisuje zcela postsynaptické mechanismy indukce, udržování a exprese, další složka exprese se může objevit presynapticky. Jednou z hypotéz tohoto presynaptického zprostředkování je, že přetrvávající CaMKII aktivita během E-LTP může vést k syntéze „retrográdního posla“, o kterém se pojednává později. Podle této hypotézy nově syntetizovaný posel putuje přes synaptickou štěrbinu od postsynaptické k presynaptické buňce, což vede k řetězci událostí, které usnadňují presynaptickou odpověď na následné podněty. Takové události mohou zahrnovat zvýšení počtu váčků neurotransmiterů, pravděpodobnost uvolnění váčků, nebo obojí. Kromě retrográdního posla, který je podkladem presynaptické exprese v časném LTP, může retrográdní posel hrát roli také v expresi pozdního LTP.
Předpokládá se, že časná a pozdní fáze LTP komunikují přes extracelulární signálem regulovanou kinázu (ERK).
Pozdní LTP je přirozeným rozšířením E-LTP. Na rozdíl od E-LTP, který je nezávislý na syntéze proteinů, L-LTP vyžaduje genovou transkripci a syntézu proteinů v postsynaptické buňce. Existují dvě fáze L-LTP: první závisí na syntéze proteinů, zatímco druhá závisí jak na genové transkripci, tak na syntéze proteinů. Tyto fáze se občas nazývají LTP2, respektive LTP3, přičemž E-LTP se v této nomenklatuře označuje jako LTP1.
Pozdní LTP je indukováno změnami v genové expresi a syntéze proteinů, které jsou vyvolány perzistentní aktivací proteinových kináz aktivovaných během E-LTP, jako je MAPK. MAPK – konkrétně podskupina MAPK (extracellular signal-regulated kinase – ERK) může být ve skutečnosti molekulární vazbou mezi E-LTP a L-LTP, protože mnoho signalizačních kaskád zapojených do E-LTP, včetně CaMKII a PKC, se může na ERK sbíhat. Nedávný výzkum ukázal, že indukce L-LTP může záviset na souběžných molekulárních událostech, konkrétně na aktivaci PKA a přítoku vápníku, které se sbíhají na CRTC1 (TORC1), silném transkripčním koaktivátoru pro CREB. Tento požadavek na molekulární shodu dokonale vysvětluje asociativní povahu LTP a pravděpodobně i povahu učení.
Po aktivaci může ERK fosforylovat řadu cytoplazmatických a nukleárních molekul, které v konečném důsledku vedou k syntéze proteinů a morfologickým změnám pozorovaným u L-LTP. Tyto cytoplazmatické a nukleární molekuly mohou zahrnovat transkripční faktory, jako je cAMP response element binding protein (CREB). Změny aktivity transkripčního faktoru zprostředkované ERK mohou vyvolat syntézu proteinů, které jsou základem udržování L-LTP. Jednou z takových molekul může být proteinkináza Mζ (PKMζ), trvale aktivní kináza, jejíž syntéza se zvyšuje po indukci LTP. PKMζ je atypická izoforma PKC, která postrádá regulační podjednotku, a zůstává tedy konstitutivně aktivní. Na rozdíl od jiných kináz, které zprostředkovávají LTP, je PKMζ aktivní nejen v prvních 30 minutách po indukci LTP; PKMζ se stává požadavkem na udržování LTP spíše až v pozdní fázi LTP. PKMζ se tak jeví jako důležitá pro přetrvávání paměti a dalo by se očekávat, že bude důležitá pro udržení dlouhodobé paměti. Podání inhibitoru PKMζ do hipokampu potkanů má totiž za následek retrográdní amnézii s neporušenou krátkodobou pamětí; PKMζ nehraje roli při vytváření krátkodobé paměti. Nedávno bylo prokázáno, že PKMζ stojí za udržováním L-LTP tím, že řídí obchodování a reorganizaci proteinů v synaptickém lešení, které je základem exprese L-LTP.
Kromě PKMζ jsou známy identity jen několika proteinů syntetizovaných během L-LTP. Bez ohledu na jejich identity se předpokládá, že přispívají ke zvýšení počtu dendritických páteří, plochy povrchu a postsynaptické citlivosti na neurotransmiter spojené s expresí L-LTP. Ta může být částečně vyvolána zvýšenou syntézou AMPA receptorů během L-LTP. Pozdní LTP je také spojováno s presynaptickou syntézou synaptotagminu a zvýšením počtu synaptických vezikul, což naznačuje, že L-LTP indukuje syntézu proteinů nejen v postsynaptických buňkách, ale také v presynaptických buňkách. Jak již bylo zmíněno, aby postsynaptická indukce LTP vedla k presynaptické syntéze proteinů, musí existovat komunikace postsynaptické s presynaptickou buňkou. K tomu může dojít prostřednictvím syntézy retrográdního posla, o čemž bylo pojednáno později.
Ani ve studiích omezených na postsynaptické příhody vyšetřovatelé nezjistili místo syntézy bílkovin, která je základem L-LTP. Konkrétně není jasné, zda syntéza bílkovin probíhá v postsynaptickém buněčném těle, nebo v jeho dendritech. Navzdory tomu, že ribozomy (hlavní komponenty zařízení pro syntézu bílkovin) byly pozorovány v dendritech již v 60. letech, převládala moudrost, že buněčné tělo bylo převládajícím místem syntézy bílkovin v neuronech. Tato úvaha nebyla vážně zpochybněna až do 80. let, kdy vyšetřovatelé oznámili pozorování syntézy bílkovin v dendritech, jejichž spojení s jejich buněčným tělem bylo přerušeno. Nedávno vyšetřovatelé prokázali, že tento typ lokální syntézy bílkovin je nezbytný pro některé typy LTP.
Jedním z důvodů popularity hypotézy lokální syntézy proteinů je, že poskytuje možný mechanismus pro specificitu spojenou s LTP. Konkrétně, pokud je základem L-LTP skutečně lokální syntéza proteinů, LTP podstoupí pouze dendritické páteře přijímající podněty indukující LTP; potenciace se nebude šířit do sousedních synapsí. Naproti tomu globální syntéza proteinů, ke které dochází v buněčném těle, vyžaduje, aby byly proteiny odeslány do všech oblastí buňky, včetně synapsí, které nedostaly podněty indukující LTP. Zatímco lokální syntéza proteinů poskytuje mechanismus pro specificitu, globální syntéza proteinů by ji zřejmě přímo ohrozila. Nicméně, jak bylo uvedeno později, hypotéza synaptického tagování úspěšně slaďuje globální syntézu proteinů, synaptickou specificitu a asociativitu.
Retrográdní signalizace je hypotéza, která se pokouší vysvětlit, že zatímco LTP je indukováno a exprimováno postsynapticky, některé důkazy naznačují, že je exprimováno také presynapticky. Hypotéza dostává své jméno, protože normální synaptický přenos je směrový a probíhá z presynaptické do postsynaptické buňky. Aby došlo k indukci postsynapticky a byla částečně exprimována presynapticky, musí zpráva putovat z postsynaptické buňky do presynaptické buňky retrográdním (obráceným) směrem. Jakmile je tam, zpráva pravděpodobně iniciuje kaskádu událostí, která vede k presynaptické složce exprese, jako je zvýšená pravděpodobnost uvolnění váčků neurotransmiteru.
Retrográdní signalizace je v současnosti sporným tématem, protože někteří badatelé nevěří, že presynaptická buňka vůbec přispívá k expresi LTP. I mezi zastánci této hypotézy panují spory o identitu posla. První myšlenky se zaměřovaly na oxid dusnatý, zatímco nejnovější důkazy ukazují na buněčné adhezní proteiny.
Než získala hypotéza o lokální syntéze proteinů významnou podporu, panovala všeobecná shoda, že k syntéze proteinů, která je základem L-LTP, dochází v buněčném těle. Dále se předpokládalo, že produkty této syntézy jsou dodávány celobuněčně nespecifickým způsobem. Bylo tedy nutné vysvětlit, jak může v buněčném těle docházet k syntéze proteinů, aniž by byla ohrožena vstupní specificita LTP. Hypotéza synaptického značení se pokouší vyřešit složitý problém buňky syntetizovat proteiny v buněčném těle, ale zajistit, aby se dostaly pouze k synapsím, které obdržely podněty indukující LTP.
Hypotéza synaptického značení navrhuje, že „synaptický tag“ je syntetizován u synapsí, které obdržely podněty indukující LTP, a že tento synaptický tag může sloužit k zachycení proteinů souvisejících s plasticitou, které jsou celobuněčně dodávány z buněčného těla. Studie LTP u mořského hlemýždě Aplysia californica naznačily synaptické značení jako mechanismus pro input-specificitu LTP. Existují určité důkazy, že vzhledem ke dvěma široce odděleným synapsím, podnět indukující LTP u jedné synapse pohání několik signalizačních kaskád (popsaných dříve), které iniciují genovou expresi v buněčném jádru. U stejné synapse (ale ne u nestimulované synapse) vytváří lokální proteinová syntéza krátkodobou (méně než tři hodiny) synaptickou značku. Produkty genové exprese jsou dodávány globálně po celé buňce, ale jsou zachyceny pouze synapsemi, které vyjadřují synaptický tag. Tak je potencována pouze synapse přijímající podněty indukující LTP, což demonstruje vstupní specificitu LTP.
Hypotéza synaptických značek může také vysvětlovat asociativitu a kooperaci LTP. Asociativita (viz Vlastnosti) je pozorována, když je jedna synapse vzrušena stimulací indukující LTP, zatímco samostatná synapse je jen slabě stimulována. Zatímco by se dalo očekávat, že LTP podstoupí pouze silně stimulovaná synapse (protože slabá stimulace sama o sobě nestačí k indukci LTP u obou synapsí), obě synapse ve skutečnosti podstoupí LTP. Zatímco slabé stimuly nejsou schopny indukovat syntézu bílkovin v buněčném těle, mohou podnítit syntézu synaptické značky. Simultánní silná stimulace samostatné dráhy, schopná indukovat syntézu bílkovin buněčného těla, pak může podnítit produkci bílkovin příbuzných plasticitě, které jsou dodávány celobuněčně. S oběma synapsemi exprimujícími synaptickou značku by obě zachytily bílkovinové produkty, což by vedlo k expresi LTP v silně stimulovaných i slabě stimulovaných dráhách.
Kooperabilita je pozorována, když jsou dvě synapse aktivovány slabými podněty neschopnými vyvolat LTP, pokud jsou stimulovány individuálně. Ale při současné slabé stimulaci obě synapse podstupují LTP kooperativním způsobem. Synaptické značení nevysvětluje, jak mohou mnohočetné slabé podněty vést ke kolektivnímu podnětu dostatečnému k vyvolání LTP (to je vysvětleno postsynaptickým shrnutím EPSP popsaným výše). Synaptické značení spíše vysvětluje schopnost slabě stimulovaných synapsí, z nichž žádná není schopna nezávisle generovat LTP, přijímat produkty syntézy proteinů iniciované kolektivně. Stejně jako dříve, může toho být dosaženo syntézou lokálního synaptického značení po slabé synaptické stimulaci.
Jak bylo popsáno výše, molekuly, které tvoří základ LTP, mohou být klasifikovány jako mediátory nebo modulátory. Mediátor LTP je molekula, například NMDA receptor nebo vápník, jejíž přítomnost a aktivita je nezbytná pro generování LTP téměř za všech podmínek. Oproti tomu modulátor je molekula, která může měnit LTP, ale není nezbytná pro jeho tvorbu nebo expresi.
Kromě výše popsaných signálních drah může být hipokampální LTP měněno řadou modulátorů. Například steroidní hormon estradiol může zvyšovat LTP tím, že řídí fosforylaci CREB a následný růst dendritické páteře. Navíc agonisté β-adrenergních receptorů, jako je norepinefrin, mohou měnit pozdní fázi LTP závislou na syntéze proteinů. Aktivita syntázy oxidu dusnatého může také vést k následné aktivaci guanylylcyklázy a PKG. Podobně může aktivace dopaminových receptorů zvyšovat LTP prostřednictvím signalizační dráhy cAMP/PKA.
Vztah k behaviorální paměti
Zatímco se zdá, že dlouhodobé potenciace synapsí v buněčné kultuře poskytuje elegantní substrát pro učení a paměť, přínos LTP pro behaviorální učení – tedy učení na úrovni celého organismu – nelze jednoduše extrapolovat ze studií in vitro. Z tohoto důvodu bylo vynaloženo značné úsilí na zjištění, zda je LTP požadavkem pro učení a paměť u živých zvířat.
Úkol Morrisova vodního bludiště byl použit k prokázání nutnosti NMDA receptorů při vytváření prostorových vzpomínek.
V roce 1986 poskytl Richard Morris jeden z prvních důkazů, že LTP je skutečně vyžadováno pro tvorbu vzpomínek in vivo. Otestoval prostorovou paměť potkanů farmakologickou modifikací jejich hipokampu, mozkové struktury, jejíž role v prostorovém učení je dobře stanovena. Krysy byly cvičeny na Morrisově vodním bludišti, úkolu prostorové paměti, při kterém potkani plavou v kaluži kalné vody, dokud nenajdou plošinu ukrytou pod jejím povrchem. Během tohoto cvičení se očekává, že normální potkani si spojí umístění skryté plošiny s výraznými podněty umístěnými na specifických místech po obvodu bludiště. Po výcviku se jedna skupina potkanů vykoupala v blokátoru NMDA receptoru APV, zatímco druhá skupina sloužila jako kontrola. Obě skupiny byly poté podrobeny úkolu prostorové paměti vodního bludiště. Krysy v kontrolní skupině byly schopny plošinu lokalizovat a uniknout z bazénu, zatímco výkonnost potkanů léčených APV byla výrazně snížena. Navíc, když byly odebrány plátky hipokampu z obou skupin, LTP byla snadno indukována v kontrolách, ale nemohla být indukována v mozcích potkanů léčených APV. To poskytlo včasné důkazy, že NMDA receptor – a potažmo LTP – byl vyžadován alespoň pro některé typy učení a paměti.
Podobně Susumu Tonegawa v roce 1996 prokázal, že oblast CA1 hipokampu je klíčová pro tvorbu prostorových vzpomínek u živých myší. Takzvané lokální buňky nacházející se v této oblasti se aktivují pouze tehdy, když se potkan nachází v určitém místě – nazývaném lokální pole – v prostředí. Vzhledem k tomu, že tato lokální pole jsou rozmístěna po celém prostředí, jedna z interpretací je, že skupiny lokálních buněk tvoří v hipokampu mapy. Přesnost těchto map určuje, jak dobře se potkan učí o svém prostředí a jak dobře se v něm může orientovat. Tonegawa zjistil, že narušením receptoru NMDA, konkrétně genetickým odstraněním podjednotky NR1 v oblasti CA1, jsou generovaná lokální pole podstatně méně specifická než pole kontrol. To znamená, že potkani vytvářeli chybné prostorové mapy, když byly jejich receptory NMDA narušeny. Jak se očekávalo, tyto potkani si vedli velmi špatně v prostorových úlohách ve srovnání s kontrolami, což dále podpořilo roli LTP v prostorovém učení.
Ukázalo se také, že zvýšená aktivita NMDA receptoru v hipokampu vede ke zvýšenému LTP a celkovému zlepšení prostorového učení. V roce 2001 Joe Tsien vytvořil řadu myší se zvýšenou funkcí NMDA receptoru nadměrnou expresí NR2B podjednotky v hipokampu. Výsledné chytré myši, přezdívané „Doogie mice“ podle fiktivního zázračného doktora Doogie Howsera, měly větší LTP a vynikaly v úkolech prostorového učení, což posílilo význam LTP při tvorbě vzpomínek závislých na hipokampu.
V roce 2006 Jonathan Whitlock a jeho kolegové referovali o sérii experimentů, které poskytly zřejmě nejsilnější důkaz o roli LTP v behaviorální paměti, a tvrdili, že aby se dospělo k závěru, že LTP je základem behaviorálního učení, musí se oba procesy navzájem napodobovat i uzavírat. S využitím inhibičního vyhýbacího učebního paradigmatu cvičili výzkumníci krysy ve dvoukomorovém aparátu se světlými a tmavými komorami, přičemž posledně jmenovaná byla vybavena zařízením, které při vstupu přineslo kryse šok chodidlem. Analýza CA1 hipokampálních synapsí odhalila, že inhibiční vyhýbací trénink vyvolal in vivo fosforylaci AMPA receptoru stejného typu, jaká byla pozorována u LTP in vitro; to znamená, že inhibiční vyhýbací trénink napodoboval LTP. Navíc synapse potencované během tréninku nemohly být dále potencovány experimentálními manipulacemi, které by jinak vyvolaly LTP; to znamená, že inhibiční vyhýbací trénink uzavřel LTP. Timothy Bliss a jeho kolegové v reakci na článek poznamenali, že tyto a související experimenty „podstatně posunují argumenty pro LTP jako nervový mechanismus pro paměť“.
Role LTP u onemocnění je méně jasná než jeho role v základních mechanismech synaptické plasticity. Změny v LTP však mohou přispívat k řadě neurologických onemocnění, včetně deprese, Parkinsonovy choroby, epilepsie a neuropatické bolesti. Porucha LTP může mít také roli u Alzheimerovy choroby a drogové závislosti.
Nesprávné zpracování amyloidního prekurzorového proteinu (APP) u Alzheimerovy choroby narušuje LTP a předpokládá se, že vede k časnému kognitivnímu poklesu u jedinců s touto chorobou.
LTP se dostalo velké pozornosti mezi těmi, kdo se zabývají studiem Alzheimerovy choroby (AD), neurodegenerativního onemocnění, které způsobuje výrazný kognitivní pokles a demenci. Velká část tohoto zhoršení se objevuje v souvislosti s degenerativními změnami v hipokampu a dalších strukturách mediálního spánkového laloku. Vzhledem k dobře zavedené roli hipokampu v LTP někteří uvádějí, že kognitivní pokles pozorovaný u jedinců s AD může být důsledkem zhoršené LTP.
Rowan a kol. v roce 2003 v přehledu literatury navrhli jeden model, jak by mohlo být LTP ovlivněno v AD. Zdá se, že AD je alespoň částečně důsledkem nesprávného zpracování amyloidního prekurzorového proteinu (APP). Výsledkem tohoto abnormálního zpracování je hromadění fragmentů tohoto proteinu, nazývaného amyloid β (Aβ). Aβ existuje v rozpustné i fibrilární formě. Nesprávné zpracování APP má za následek hromadění rozpustného Aβ, který podle Rowanovy hypotézy zhoršuje hipokampální LTP a může vést k kognitivnímu poklesu pozorovanému na počátku AD.
AD může také poškodit LTP prostřednictvím mechanismů odlišných od Aβ. Například jedna studie prokázala, že enzym PKMζ se hromadí v neurofibrilárních spletencích, které jsou patologickým markerem AD. PKMζ je enzym s kritickým významem při udržování pozdního LTP.
Výzkum v oblasti závislostní medicíny se také nedávno zaměřil na LTP, a to kvůli hypotéze, že drogová závislost představuje silnou formu učení a paměti. Závislost je komplexní neurobehaviorální fenomén zahrnující různé části mozku, jako je ventrální tegmentální oblast (VTA) a nucleus accumbens (NAc). Studie prokázaly, že VTA a NAc synapse jsou schopny podstoupit LTP a že toto LTP může být zodpovědné za chování, které charakterizuje závislost.
Arousal (Wakefulness) · Intrakraniální tlak · Lateralizace mozkových funkcí · Spánek · Paměť
Bereitschaftspotential · P300 · sluchově evokovaný potenciál · Somatosensory evokované potenciály · Somatosensory evokované potenciály · Vizuálně evokovaný potenciál
Neurotransmise · Chronaxie · Membránový potenciál · Akční potenciál · Postsynaptický potenciál (Excitační, inhibiční)
Axoplazmatický transport · Neuroregenerace/Nervová regenerace · Neuroplasticita/Synaptická plasticita (dlouhodobá potenciace, dlouhodobá deprese)
anat (n/s/m/p/4/e/b/d/c/a/f/l/g)/phys/devp
noco (m/d/e/h/v/s)/cong/tumr, sysi/epon, injr
proc, lék (N1A/2AB/C/3/4/7A/B/C/D)
anat(h/r/t/c/b/l/s/a)/phys(r)/devp/prot/nttr/nttm/ntrp
noco/auto/cong/tumr, sysi/epon, injr