Metaplasticita je termín původně vytvořený W.C. Abrahamem a M.F. Bearem pro označení plasticity synaptické plasticity. Do té doby synaptická plasticita odkazovala na plastickou povahu jednotlivých synapsí. Nicméně tato nová forma odkazovala na plasticitu samotnou, tedy na termín metaplasticita. Myšlenka je taková, že předchozí historie aktivity synapse určuje její současnou plasticitu. To může hrát roli v některých základních mechanismech považovaných za důležité v paměti a učení, jako je dlouhodobá potenciace (LTP), dlouhodobá deprese (LTD) a tak dále. Tyto mechanismy závisí na současném synaptickém „stavu“, jak je dán probíhajícími vnějšími vlivy, jako je úroveň synaptické inhibice, aktivita modulačních aferentů, jako jsou katecholaminy, a zásobárna hormonů ovlivňujících zkoumané synapse. Nedávno se ukázalo, že předchozí historie synaptické aktivity je další proměnnou, která ovlivňuje synaptický stav, a tím i stupeň LTP nebo LTD produkovaný daným experimentálním protokolem. V jistém smyslu je tedy synaptická plasticita řízena na aktivitě závislou plasticitou synaptického stavu; taková plasticita synaptické plasticity byla nazývána metaplasticitou. O metaplasticitě je toho známo málo a v současné době na toto téma probíhá mnoho výzkumů, navzdory obtížnosti studia, kvůli jejímu teoretickému významu v mozku a kognitivní vědě. Většina výzkumů tohoto typu je prováděna prostřednictvím kultivovaných hipokampových buněk nebo hipokampálních řezů.
Mozek je „plastický“, což znamená, že může být tvarován a formován. Tato plasticita je to, co vám umožňuje učit se po celý život (Thiagarajan et al. 2007, p. 156); vaše synapse se mění na základě vašich zkušeností. Mohou být vytvořeny nové synapse, staré zničeny, nebo mohou být posíleny nebo oslabeny ty stávající. Původní teorie plasticity se nazývá „hebbovská plasticita“, pojmenovaná po Donaldu Hebbovi v roce 1949. Rychlé, ale efektivní shrnutí Hebbovské teorie je, že „buňky, které spolu hoří, propojují se“, dohromady je klíčovým slovem, které zde bude vysvětleno v krátké době. Hebb popsal rané pojetí teorie, ne samotnou mechaniku. Hebbovská plasticita zahrnuje dva mechanismy: LTP a LTD, objevené Blissem a Lomem v roce 1973. LTP, neboli dlouhodobá potenciace, je zvýšení citlivosti synapse v důsledku delšího období aktivity v presynaptickém i postsynaptickém neuronu. Toto delší období aktivity jsou obvykle koncentrované elektrické impulsy, obvykle kolem 100 Hz. Nazývá se detekce „shody okolností“ v tom smyslu, že synapsi posiluje pouze tehdy, pokud byla dostatečná aktivita v presynaptických i postsynaptických buňkách. Pokud se postsynaptická buňka dostatečně nedepolarizuje, pak k detekci shody okolností nedochází a LTP/LTD se nevyskytuje. LTD, neboli dlouhodobá deprese, funguje stejně, nicméně se zaměřuje na nedostatek depolarizační shody. LTD může být indukována elektrickými impulsy kolem 5 Hz. Tyto změny jsou specifické pro synapsi. Neuron může mít mnoho různých synapsí, všechny řízené stejnými mechanismy definovanými zde.
Výzkum z roku 2004 ukázal, že synapse se neposilují ani neoslabují v klouzavém měřítku. Existují diskrétní stavy, mezi kterými se synapse pohybují. Tyto stavy jsou aktivní, tiché, nedávno tiché, potencované a depresivní. Stavy, do kterých se mohou pohybovat, jsou závislé na stavu, ve kterém se právě nacházejí. Budoucí stav je tedy určen stavem získaným předchozí aktivitou. Například tiché (ale ne nedávno tiché) synapse mohou být převedeny na aktivní prostřednictvím vložení AMPAR do postsynaptické membrány. Aktivní synapse se mohou pohybovat buď potencované nebo depresivní prostřednictvím LTP, respektive LTD. Dlouhodobá nízkofrekvenční stimulace (5 Hz, metoda používaná k indukci LTD) může pohybovat aktivní synapsí do depresivní a poté tiché. Nicméně synapse, které se právě staly aktivní, nemohou být depresivní nebo umlčené. Tudíž v synapsi existuje stavové strojové chování, pokud jde o přechody. Nicméně stavy samotné mohou mít různý stupeň intenzity. Jedna synapse v aktivním stavu může být silnější než jiná synapse v aktivním stavu. To je teoreticky způsob, jak můžete mít silnou paměť vs. slabou paměť. Silné vzpomínky jsou ty s velmi silně obydlenými aktivními synapsemi, zatímco slabé vzpomínky mohou být stále aktivní, ale špatně obydlené AMPAR. Stejný výzkum ukázal, že samotné NMDA receptory, kdysi považované za řídící mechanismus organizace AMPA receptorů, mohou být regulovány synaptickou aktivitou (Montgomery & Madison 2004, str. 744). Tato regulace samotného regulačního mechanismu přidává další vrstvu složitosti do biologie mozku.
Nedávný výzkum (Young a kol. 2006, str. 1784) nalezl mechanismus známý jako „synaptické značení“. Když jsou nové receptorové proteiny exprimovány a syntetizovány, musí být také transportovány do synaptické membrány, a k tomu je nutný nějaký druh chemické komunikace. Jejich výzkum ukázal, že pro indukci LTP je nutná aktivace signálních drah cAMP/PKA vzhledem k jeho „značení“. Dokonce bylo prokázáno, že jednoduchá farmakologická aktivace cAMP/PKA drah je dostatečná k tomu, aby byla synapse značena, zcela nezávislá na jakémkoli druhu aktivity.
NMDA receptor se skládá ze tří podjednotek: NR1, variabilní NR2 podjednotky a variabilní NR3 podjednotky. Předmětem intenzivního studia byly zejména dvě podjednotky NR2: NR2A a NR2B. Podjednotka NR2B je nejen citlivější na glutamát a její znecitlivění trvá déle, ale také umožňuje větší vstup vápníku do buňky, když se otevře. Nízký poměr NR2A/NR2B obecně koreluje se sníženým prahem aktivace způsobeným chovem zvířat v prostředí s nedostatkem světla. To bylo experimentálně prokázáno studiemi deprivace světla, ve kterých bylo prokázáno, že poměr NR2A/B klesal. Práh lze v některých situacích zvýšit expozicí světlu. Studie tohoto charakteru byly použity ke zjištění kritického období pro vznik zrakového systému u koček. Tento posuvný poměr je měřením prahové hodnoty LTD/LTP, a byl tedy hodnocen jako mechanismus metaplasticity (Philpot, Cho & Bear 2007, str. 495).
Gliální buňky poskytují neuronům nejen strukturální a nutriční podporu, ale také podporu zpracování prostřednictvím chemických látek známých jako gliotransmitery. Gliotransmitery zahrnují glutamát, ATP a v poslední době aminokyselinu D-serin. Kdysi považovaný za samotný glycin, D-serin slouží jako ligand v glycinovém místě NMDAR. D-serin je syntetizován astrocyty a je silně kolokalizován s NMDAR. Bez D-serinu nemůže dojít k NMDA indukované neurotoxicitě, nebo téměř k jakékoliv NMDA reakci jakéhokoli druhu. Díky těmto důkazům je jasné, že D-serin je základním ligandem pro NMDA receptory. Zásadním faktorem v tomto výzkumu je skutečnost, že astrocyty budou měnit své pokrytí neuronů na základě fyziologických procesů těla. Oxytocinové a vazopresinové neurony budou mít více NMDA receptorů vystavených díky aktivitě astrocytů během laktace než během normálního fungování. Tento výzkum probíhal většinou v buňkách z hypothalamického supraoptického jádra, neboli SON. Vzhledem k tomu, že synaptická plasticita je téměř zcela závislá na zpracování NMDAR, je dynamické pokrytí NMDAR astrocyty ze své podstaty parametrem metaplasticity (Panatier 2006, str. 775).
Homeostatická plasticita řídí synaptické spoje napříč celou buňkou ve snaze udržet je na zvládnutelné úrovni spojení. Hebbianovské metody mají tendenci hnát sítě buď do maximalizovaného stavu, nebo do minimalizovaného stavu výpalu, čímž omezují potenciální aktivitu a růst sítě. Se zavedenými homeostatickými mechanismy nyní existuje jakási „kontrola zisku“, která umožňuje tyto hebbovské metody kontrolovat, aby si zachovaly své schopnosti zpracování informací (Thiagarajan et al. 2007, str. 156). Tento druh modulace je důležitý pro boj s intenzivním nedostatkem nervové aktivity, jako je dlouhodobá smyslová deprivace (v této studii jde zejména o světelnou deprivaci postihující zrakové neurony mozkové kůry) nebo poškození způsobené mozkovou mrtvicí. Synaptické škálování je mechanismus, který udržuje citlivost synapse na normalizovaných úrovních. Dlouhodobá nečinnost zvyšuje citlivost synapsí tak, že jejich celková úroveň aktivity může zůstat užitečná. Chronická aktivita způsobuje desenzibilizaci receptorů, čímž snižuje celkovou aktivitu na biologicky zvládnutelnější úroveň. Tímto procesem jsou ovlivněny jak hladiny AMPA, tak NMDA receptorů, a tak je zachována celková „váha“ každého synaptického spojení (upřesněna hebbiánskými metodami) a zároveň je stále zvyšována celková úroveň aktivity v celém neuronu. Bylo prokázáno, že presynaptický i postsynaptický neuron jsou zapojeny do tohoto procesu a mění rychlost obměny váčků, respektive složení AMPA receptorů (Perez-Ontano & Ehlers 2005).
Nedávný výzkum zjistil, že kalcium-dependentní enzym CaMKII, který existuje v alfa a beta izoformě, je klíčový v modulaci závislé na nečinnosti. Nízký poměr alfa/beta způsobuje zvýšený práh buněčné excitace prostřednictvím přísunu vápníku a tím upřednostňuje LTP (Thiagarajan et al. 2007, str. 156).
Endokanabinoid Metaplasticita
Výzkum z roku 2004 ukázal, že uvolňování endokanabinoidů z postsynaptického neuronu může inhibovat aktivaci presynaptického neuronu. Typ 1 kanabinoidní receptory (CB1R) jsou receptory na presynaptickém neuronu zodpovědné za tento účinek. Za specifický ligand je považován 2-arachidonyl glycerol, nebo 2-AG. Ten byl nalezen hlavně v GABAergních synapsích, a proto byl označen jako inhibiční dlouhodobá deprese (I-LTD). Bylo zjištěno, že tento účinek je extrémně lokalizovaný a přesný, což znamená, že kanabinoidy se nešíří daleko od svého zamýšleného cíle. Tato inhibice připravuje synapse pro budoucí indukci LTP a je tedy metaplastické povahy (Chevaleyre & Castillo 2004, str. 871).
Mechanismus neuronové adaptace
Byl navržen nový mechanismus, který se týká vrozené dráždivosti neuronu. Je kvantifikován velikostí hyperpolarizace v mV v důsledku znovuotevření K+ kanálů během akčního potenciálu. Po jakémkoli druhu učebního úkolu, zejména klasickém nebo operantním podmiňovacím úkolu, je amplituda K+ hyperpolarizace, neboli „po hyperpolarizaci (AHP)“, značně snížena. Postupem času se tato AHP vrátí na normální úroveň. Tato normalizace nekoreluje se ztrátou paměti, ale místo toho se ztrátou učebního potenciálu. (Zelcer et al. Grossberger, str. 460)