LA PLASTICITÀ SINAPTICA
Fenomeni di plasticità sinaptica a breve termine
nella giunzione neuromuscolare
Ruolo delle variazioni della probabilità
di rilascio del quanto nella plasticità sinaptica a
breve termine
High Ca2+, low Mg2+
Normal Ca2+/Mg2+ ratio
Valutazione delle variazioni della probabilità
di rilascio del quanto nella plasticità sinaptica:
il protocollo di paired-pulse stimulation
Neuroni piramidali di CA1, stimolazione nello stratum radiatum.
Da Manabe et al., 1993
Potenziamento sinaptico attività-dipendente:
diverse forme
• Facilitazione (decine di ms); aumentazione (< 1 s)
• Potenziamento post-tetanico (post-tetanic potentiation, PTP)
(< 1-2 min)
• Potenziamento a breve termine (short-term potentiation, STP)
(< 60 min)
• Potenziamento a lungo termine (long-term potentiation, LTP)
(ore-giorni)
PTP, STP e LTP: fenomenologia
PTP, STP e LTP a confronto
PTP
•
•
•
Indotto da stimolazioni tetaniche “deboli” (per frequenza e durata)
Durata 1-2 min
Meccanismo presinaptico
STP
•
•
Indotto da stimolazioni tetaniche “intermedie”
Durata: decine di min - 1 h
LTP
•
•
Indotto da stimolazioni tetaniche “forti” ( 100 Hz, 1 s)
Durata: ore (in vitro), giorni (in vivo)
Un modello di plasticità sinaptica:
le sinapsi dei circuiti ippocampali
PLASTICITÀ SINAPTICA:
l’LTP associativo
Il potenziamento a lungo termine (LTP)
nelle sinapsi ippocampali pp-DG e CA3-CA1
Sinapsi perforant path-DG
Tetano: 250 Hz, 200 ms
Proprietà dell’LTP nelle sinapsi pp-DG e CA3-CA1:
cooperatività, specificità, associatività (I)
Stimoli di debole intensità
Stimoli di forte intensità
Campo CA1 dell’ippocampo
Proprietà dell’LTP nelle sinapsi pp-DG e CA3-CA1:
cooperatività, specificità, associatività (II)
Fasi e meccanismi dell’LTP: definizioni
• Induzione
Fase in cui vengono attivati e operano i meccanismi che sfociano
nell’aumento dell’efficacia sinaptica
• Espressione
Modalità attraverso cui l’aumento dell’efficacia sinaptica si realizza
in conseguenza dei meccanismi di induzione
• Consolidamento
Insieme degli eventi tardivi grazie ai quali l’aumento dell’efficacia
sinaptica diviene “a lungo termine” (passaggio STP LTP?)
Dati sui meccanismi cellulari di induzione dell’LTP
(pp-DG e CA3-CA1) (I)
1. Abolita dal blocco dei recettori glutammatergici di tipo NMDA
STP e LTP associativo: NMDA-dipendenza
Dati sui meccanismi cellulari di induzione dell’LTP
(pp-DG e CA3-CA1) (I)
1. Abolita dal blocco dei recettori glutammatergici di tipo NMDA
2. Abolita dal chelaggio del Ca2+ intracellulare
3. Riprodotta dagli aumenti della [Ca2+]i ottenuti con flash
photolysis di Ca2+ caged
Un modello di induzione dell’LTP:
il ruolo dei recettori NMDA
Dati sui meccanismi cellulari di induzione dell’LTP
(pp-DG e CA3-CA1) (II)
1. Abolita dal blocco dei recettori glutammatergici di tipo NMDA
2. Abolita dal chelaggio del Ca2+ intracellulare
3. Riprodotta dagli aumenti della [Ca2+]i ottenuti con flash
photolysis di Ca2+ caged
4. Ruolo dei recettori metabotropi
5. Ruolo del rilascio di Ca2+ dagli store intracellulari
Dati sulle vie di trasduzione del segnale nell’LTP
NMDA-dipendente: meccanismi Ca2+-mediati
1. Bloccata dall’inibizione della CaMK II e assente in topi knock-out
per la CaMK II
2. Bloccata dall’inibizione della PKC anche dopo l’applicazione del
tetano
3. Bloccata dall’inibizione della PLA2
4. Bloccata o ridotta dall’inibizione delle NOS
Meccanismi attivi
nell’induzione
dell’LTP NMDAdipendente
L’espressione dell’LTP NMDA-dipendente:
meccanismo pre- o postsinaptico? (I)
Elementi a favore di un meccanismo postsinaptico:
1.
risposta all’AMPA esogeno dopo sviluppo di LTP
2.
Dati dall’analisi quantale: del quantum size
3.
dell’ampiezza dei miniature EPSP e EPSC
L’espressione dell’LTP NMDA-dipendente:
aumento del quantum size
[Da Kullmann & Nicoll, 1992
L’espressione dell’LTP NMDA-dipendente:
meccanismo pre- o postsinaptico? (II)
Elementi a sfavore di un meccanismo presinaptico:
•
Analisi della paired-pulse facilitation/depression
Assenza di switch fra paired-pulse facilitation e
paired-pulse depression nell’LTP associativo
Neuroni piramidali di CA1, stimolazione nello stratum radiatum.
Da Manabe et al., 1993
L’espressione dell’LTP NMDA-dipendente:
meccanismo pre- o postsinaptico? (III)
Elementi a favore di un meccanismo presinaptico:
1.
rilascio di glutammato marcato dopo sviluppo di LTP
2.
Dati dall’analisi quantale:
-
frequenza delle failure
-
quantal content
-
Analisi delle variazioni del CV delle risposte postsinaptiche
Diminuzione della frequenza delle failure:
un indice di un meccanismo presinaptico
Diminuzione del CV delle risposte sinaptiche in
corso di LTP associativo
Neuroni piramidali di CA1, stimolazione nello stratum radiatum.
Da Manabe et al., 1993
Possibili meccanismi postsinaptici
dell’espressione dell’LTP associativo
1.
Fosforilazione dei recettori AMPA:
• l’aumento della risposta all’AMPA esogeno è prevenuto
da bloccanti delle protein-chinasi
• presenza nei recettori AMPA clonati di consensus
sequences per varie protein-chinasi
• l’attivazione di NMDA-R può causare fosforilazione di
AMPA-R in modo CaMK II-dipendente
2.
Modifiche nell’espressione di diverse isoforme dei recettori
AMPA
3.
Attivazione di “sinapsi silenti”
Dimostrazione dell’esistenza di sinapsi
postsinapticamente silenti
[Da Isaac et al., 1995]
Sinapsi postsinapticamente silenti e loro
reclutamento nell’LTP NMDA-dipendente
[Da Isaac et al., 1995]
Ipotetici meccanismi presinaptici
dell’espressione dell’LTP associativo
Aumento della probabilità di rilascio all’arrivo del singolo PA per:
• aumento dell’ampiezza del transiente di Ca2+
• aumento della sensibilità agli incrementi della [Ca2+]i
In ogni caso è necessario postulare un messaggero
retrogrado.
L’LTP NMDA-dipendente: un ruolo di
messaggero retrogrado per il monossido di azoto?
Elementi a favore di un ruolo per il
monossido di azoto
1. Blocco dell’induzione dell’LTP in presenza di blocco delle NOS
2. Blocco dell’induzione dell’LTP in presenza di emoglobina
(scavenger dell’NO)
3. L’NO induce della frequenza dei miniature EPSP
Il consolidamento
dell’LTP richiede
trascrizione genica e
sintesi di nuove proteine
Aumento del numero dei
siti di rilascio: un indice
di modificazioni a lungo
termine
Consolidamento
dell’LTP e trascrizione
genica: il sistema
cAMP-CREB-CRE
