Synaptické škálování (nebo homeostatické škálování) je v neurovědě forma homeostatické plasticity, která umožňuje jednotlivým neuronům regulovat jejich celkový akční potenciál rychlost střelby. Stejně jako mnoho jiných fyziologických systémů, nervová elektrochemická aktivita podléhá homeostáze. Tam, kde Hebbianovy plastické mechanismy selektivně modifikují nervová synaptická spojení, funguje synaptické škálování v souzvuku s ostatními homeostatickými plasticity mechanismy k normalizaci všech nervových synaptických spojení.
Buněčné složky podílející se na synaptickém škálování
Interakce buněčných složek zapojených do synaptického škálování
Synaptické škálování je mechanismus postsynaptické homeostatické plasticity, který probíhá se změnami množství AMPA receptorů na postsynaptickém terminálu (špička dendritu patřícího k postsynaptickému neuronu, která se setkává se špičkou axonu patřícího k pre-synaptickému neuronu) neuronu. Tento proces uzavřené smyčky dává neuronu schopnost mít globální negativní zpětnou vazbu ovládající synaptickou sílu všech jeho synaptických spojení změnou pravděpodobnosti kontaktu glutamátu (nejběžnějšího excitačního neurotransmiteru) s postsynaptickými AMPA receptory. Proto schopnost neuronů modulovat množství postsynaptických AMPA receptorů dává neuronu schopnost dosáhnout nastavené rychlosti spalování akčního potenciálu.
Pravděpodobnost kontaktu glutamátu s postsynaptickým AMPA receptorem je úměrná koncentraci jak transmembránového glutamátu, tak postsynaptických AMPA receptorů. Při interakci glutamátu a postsynaptických AMPA receptorů dochází u postsynaptické buňky k dočasnému depolarizujícímu proudu, známému jako EPSP. Prostorová a časová akumulace EPSP na postsynaptickém neuronu zvyšuje pravděpodobnost, že neuron aktivuje akční potenciál. Proto koncentrace mimobuněčného glutamátu (a dalších kationtů) a množství postsynaptických AMPA receptorů přímo korelují s rychlostí aktivace akčního potenciálu neuronů. Některé teorie naznačují, že každý neuron používá k detekci vlastní rychlosti aktivace akčního potenciálu buněčné senzory závislé na vápníku. Tyto senzory také formulují vstup pro specifické buňkové systémy regulace homeostatické plasticity. Při synaptickém škálování neurony používají tuto informaci k určení měřítkového faktoru. Každý neuron následně používá měřítkový faktor k celosvětovému škálování (buď k regulaci nahoru nebo dolů) množství trans-membránových AMPA receptorů na všech postsynaptických místech.
Některé výzkumy naznačují, že existují dvě mechanisticky odlišné formy homeostatické plasticity zahrnující obchod nebo překlad AMPA receptorů v post-synapsi synaptických spojení:
Mechanismy synaptického škálování
Lokální oblast Překlad AMPA receptorů
Nejstarší fáze modulace množství AMPA receptorů (v rámci čtyřhodinového časového období) jsou závislé na lokální plošné (v blízkosti synapse) syntéze AMPA receptorů, kde mRNA překládají pro lokální transkripci AMPA receptorů. Tento mechanismus se používá ke zvýšení počtu postsynaptických AMPA receptorů v krátkém časovém období.
studoval mechanismy škálování lokálních AMPA receptorů pomocí zobrazování postsynaptických trans-membránových podjednotek GluR2 za použití farmaceutických manipulací po dobu 4 hodin. Fluorescenční mikroskopie byla použita k vizuální kontrole GluR2 proteinů na synaptických místech neuronů. Studie ukázala, že k lokální translaci AMPA receptorů dochází při postsynaptické palbě a NMDA receptory jsou blokovány současně prostřednictvím farmaceutických manipulací za použití APV a TTX k blokování postsynaptické palby. Dr. Turrigiano předpokládal, že blokování postsynaptické palby vyvolá zvýšenou regulaci AMPA receptorů. Změny ve stávající fluorescenci GluR-2 proteinu byly pozorovány již za hodinu po TTX lázni. Množství synaptických míst zůstávalo konstantní – což ukazuje, že tato krátkodobá syntéza AMPA receptorů probíhá pouze na existujících synaptických spojeních.
Byly provedeny intracelulární elektrofyziologické záznamy, aby se ověřilo, zda zvýšení množství postsynaptických AMPA receptorů odpovídá zvýšené regulaci síly synaptického spojení. Intracelulární záznamy ukazují robustní zvýšení mEPSC amplitudy (přibližně o 130% nad kontrolními hodnotami) po 4-5 hodinách léčby TTX. Delší léčba TTX přinesla znatelnější zvýšení mEPSC amplitudy. Předpokládá se, že tato forma obchodu s AMPA receptory je řízena lokální transkripcí mRNA.
Tato forma synaptického škálování probíhá v časovém období dnů a má výraznější vliv na celkovou rychlost vypalování neuronů než lokální obchodování s AMPA receptory. Různé vnitrobuněčné transportní mechanismy pomáhají AMPA receptorům migrovat z celého neuronu do postsynaptické štěrbiny.
Dlouhodobý souběžný konfokální mikroskopický a elektrofyziologický výzkum prováděný na nervových sítích kortikálních potkanů in-vitro (věk > 3 týdny in-vitro) rostoucích na Multi Electrode Arrays zkoumal korelaci mezi úrovní síťové aktivity a změnami ve velikosti jednotlivých synapsí. Konkrétně byla použita dlouhodobá fluorescenční mikroskopie ke sledování změn v množství (fluorescenci) molekul PSD-95 na jednotlivých synapsích v časovém měřítku několika dnů. Vzhledem k tomu, že molekuly PSD-95 ukotvují postsynaptické AMPA a NMDA receptory, slouží jako spolehlivé kvantitativní markery postsynaptických transmembránových glutamátových receptorů. Tento výzkum sestával ze dvou souborů experimentů. V prvním souboru byly synapticko-morfologie a spontánní nervová aktivita sledovány po dobu přibližně 90 hodin (tj. nebyly použity žádné vnější podněty nebo farmaceutické manipulace k narušení neuronálních sítí). Během tohoto období bylo pozorováno, že velikost jednotlivých synapsí značně kolísá; přesto distribuce synaptických velikostí i průměrné hodnoty synaptické velikosti zůstávaly pozoruhodně konstantní. Bylo zjištěno, že probíhající aktivita působila na omezení synaptických velikostí zvýšením tendence velkých synapsí ke zmenšování a zvýšením tendence malých synapsí k růstu. Aktivita tedy působila na udržení distribuce synaptických velikostí (na úrovni populace) v určitých mezích. Ve druhém souboru experimentů byla provedena stejná analýza po přidání TTX k zablokování veškeré spontánní aktivity. To vedlo k rozšíření synaptických velikostních distribucí a ke zvýšení průměrných synaptických velikostních hodnot. Když byly jednotlivé synapse sledovány v průběhu času, bylo zjištěno, že jejich velikost stále významně kolísá, nicméně nyní nebyly nalezeny žádné vztahy mezi rozsahem nebo směrem velikostních změn a počáteční synaptickou velikostí. Zejména nebyly nalezeny žádné důkazy, že by se změny velikosti synapsí škálovaly s počáteční synaptickou velikostí. To naznačovalo, že homeostatický růst obsahu AMPA receptorů spojený s potlačením aktivity je populačním jevem, který vyplývá ze ztráty omezení závislých na aktivitě, nikoli ze škálování obsahu AMPA receptorů u jednotlivých synapsí.
Temporal Developmental Properties of Synaptic Scaling
Jiná studie doktora Turrigiana zkoumala homeostatickou aktivitu v různých vývojových obdobích u in-vitro vizuálních kortikálních kultur a in-vivo hipokampálních neuronů. Studie prokázala navození dvoudenní postsynaptické blokády aktivity (prostřednictvím farmaceutické aplikace TTX) u mladších kultur (≤2 týdny in-vitro) zvýšenou mEPSC amplitudu a neměnila mEPSC frekvenci.
Starší kultury (>18 dní in-vitro), které přijímají stejné experimentální podmínky, zvyšují mEPSC frekvenci a udržují stejnou mEPSC amplitudu. Zvýšení mEPSC frekvence znamená, že neurony zaznamenávají zvýšení pravděpodobnosti kontaktu neurotransmiteru pre-synaptického glutamátu s postsynaptickým AMPA receptorem. Tento empirický důkaz také naznačuje, že mladší kultury (<2 týdny in-vitro) modulují sílu synaptického spojení pouze prostřednictvím postsynaptických homeostatických mechanismů plasticity (synaptické škálování); starší kultury (>18 dní in-vitro) používají kombinaci obou mechanismů pre-synaptické a postsynaptické homeostatické plasticity zahrnující postsynaptickou akumulaci receptoru a pravděpodobnost uvolnění vezikuly z pre-synaptického terminálu.
Další šetření se zaměřilo na dlouhodobou remodelaci molekul PSD-95 v průběhu času s vlivem různých farmaceutických manipulací. Snímková data (snímky pořízené v 30 minutových až hodinových intervalech po dobu 10-20 hodin) odhalila, že jednotlivé molekuly PSD-95 byly stabilní po dobu až deseti hodin. Jak tvorba nových klastrů PSD-95, tak eliminace stávajících klastrů PSD-95 probíhaly v časovém měřítku hodin.
Vztah k homeostatické plasticitě, hebbiánské plasticitě a stabilitě sítě
Hebbovská plasticita a homeostatická plasticita mají vzájemný vztah. Neurony používají hebbovské plasticitní mechanismy k úpravě svých synaptických spojení v nervovém okruhu na základě korelovaného vstupu, který přijímají od jiných neuronů. Dlouhodobé potenciační (LTP) mechanismy jsou řízeny souběžně souvisejícími pre-synaptickými a post-synaptickými neuronovými výboji; s pomocí homeostatické plasticity LTP a LTD vytvářejí a udržují přesné synaptické váhy v neuronové síti. Přetrvávající korelovaná nervová aktivita – bez homeostatické zpětnovazební smyčky – způsobuje, že LTP mechanismy neustále regulují sílu synaptického spojení. Nespecifikované posílení synaptických vah způsobuje, že se nervová aktivita stává nestabilní do té míry, že nevýznamné stimulační poruchy mohou vyvolat chaotické, synchronní celosíťové výboje známé jako výboje. To způsobuje, že neuronová síť není schopna výpočetní techniky. Vzhledem k tomu, že homeostatická plasticita normalizuje synaptické síly všech neuronů v síti, celková aktivita nervové sítě se stabilizuje.