Долговременная потенциация, или LTP, является одним из основных механизмов, участвующих в синаптической пластичности. Это происходит, когда связи между нейронами (синапсы) «укрепляются», что меняет способ их взаимодействия друг с другом при обработке информации. Такие изменения в связях мозга являются одними из основных способов, с помощью которых наш мозг усваивает и хранит новую информацию. Читайте дальше, чтобы узнать больше об этом процессе, почему он так важен для когнитивных функций и какие факторы образа жизни и здоровья могут ухудшить способность мозга выполнять эту важную функцию!
Долгосрочное потенцирование: базовый обзор
Человеческий мозг состоит из 100 миллиардов нейронов, каждый из которых соединяется с 10 000 других клеток мозга через небольшие «промежутки» или «соединения», называемые синапсами.
Наш мозг усваивает и хранит новую информацию, такую как навыки или воспоминания, регулируя, где и как различные отдельные нейроны соединяются и «разговаривают» друг с другом. Эта способность изменять и адаптировать то, как нейроны соединяются друг с другом — и, таким образом, изменять то, как они обрабатывают и хранят информацию, — называется синаптической пластичностью.
«Синаптическая пластичность» — это общий процесс, который может принимать различные формы. Например, это может относиться к «укреплению» или «ослаблению» отдельных нейронных связей в существующих синапсах. В качестве альтернативы это может также относиться к созданию совершенно новых связей между ранее не связанными клетками мозга (процесс, называемый синаптогенезом).
Долгосрочная потенциация — или просто «ДП» для краткости — является одним из наиболее важных процессов, связанных с синаптической пластичностью в существующих нервных синапсах. В частности, это означает, что существующая связь между двумя клетками мозга усиливается, что облегчает этим двум нейронам стимулирование друг друга, когда другой активируется. Это один из основных механизмов, участвующих в том, как мы храним долговременные воспоминания или изучаем новую информацию и навыки [1, 2].
LTP возникает при стимуляции двух разных нейронов — роль, которую часто (хотя и не всегда) выполняет нейротрансмиттер глутамат. Глутамат является основным «возбуждающим» нейротрансмиттером в головном мозге и в значительной степени способствует формированию воспоминаний и обучению [3].
Когда два нейрона неоднократно «загораются» вместе, они становятся сенсибилизированными и более чувствительными к стимуляции друг друга. Как будто нейроны «вспоминают», что они ранее стимулировались, и их становится легче активировать. Это повышение возбудимости может длиться от нескольких часов до нескольких дней. Поэтому говорят, что синапс сильнее, потому что он может легче проводить импульсы [1, 2].
LTP был первоначально обнаружен в гиппокампе, части мозга, которая, как полагают, активно участвует в обучении и памяти, пространственной навигации и эмоциях. Нейроны гиппокампа соединяются с нейронами миндалевидного тела, одной из основных областей мозга, ответственных за обработку эмоций. Возможно, поэтому определенные воспоминания заставляют вас чувствовать себя счастливыми или грустными [4, 5].
Однако LTP также наблюдается во многих других областях мозга, включая мозжечок, кору головного мозга, миндалевидное тело и гиппокамп [2].
Долгосрочное потенцирование требует обслуживания
LTP обычно происходит в три основных этапа [1]:
- Фаза «индукции»
- Фаза «выражения»
- Этап «обслуживания»
Первые два шага — «индукция» и «экспрессия» — являются начальными стадиями ДП. Они коррелируют с кратковременными воспоминаниями. Они случаются, когда вы узнаете что-то новое, например, во время лекции. Это начало долговременной потенциации.
Однако без третьего шага — «поддержки» — вы, вероятно, не сможете вспомнить эту информацию позже.
Когда вы «репетируете» новые воспоминания или информацию — например, сидя дома и изучая новую информацию — со временем эти новые нервные пути снова активируются, и воспоминания становятся более стабильными («консолидированными»). Это происходит из-за увеличения количества белков, которые фактически изменяют форму нейронов, чтобы приспособиться к информации. Это процесс поддержания, и он позволяет нам годами хранить информацию в одном нейронном пути [6].
Как работает LTP
Зависимая от NMDA-рецептора LTP является наиболее хорошо изученной формой долговременного потенцирования. Вот как это работает [7]:
LTP происходит в две основные фазы, которые можно рассматривать как процесс «обучения», а затем процесс «консолидации памяти».
Ранняя фаза LTP («обучение»):
- Глутамат связывается с рецепторами NMDA и возбуждает нейрон. Это вытесняет ионы магния (Mg 2+), которые блокируют канал. Удаление Mg 2+ позволяет кальцию проникать в клетку.
- Ионы кальция проникают в клетку и активируют протеинкиназу C (PKC) и кальмодулин/кальцийзависимую протеинкиназу II (CaMKII).
- Активность PKC и CaMKII увеличивает количество рецепторов на поверхности нейрона (клеточной мембране). Чем больше рецепторов присутствует на поверхности, тем легче этот нейрон может быть активирован другими соседними клетками, которые с ним связаны.
- Затем AMPA-рецепторы увеличиваются и активируются для улучшения проводимости. Это позволяет большему количеству положительных ионов (таких как кальций и натрий) проникать в клетку. По мере того, как клетка становится более положительно заряженной, тем легче она «активируется».
Поздняя фаза LTP («консолидация»):
- Вся активность ранней фазы долговременного потенцирования сохраняется; но теперь создается больше белков. К ним относятся больше рецепторов, опосредующих LTP, структурные белки и белки, которые способствуют выживанию и здоровью клеток.
- CaMKII и PKC активируют киназы, регулируемые внеклеточными сигналами (ERK).
- ERK увеличивают выработку белка, что еще больше изменяет клеточную структуру нейрона.
- Другой важный белок, белок, связывающий элемент ответа цАМФ (CREB), активирует множество генов, которые помогают поддерживать новую форму синапса.
- Все вышеперечисленное приводит к изменениям общей структуры и связи в синапсе.
Длительная депрессия (LTD)
В отличие от долговременной потенциации, эффективность передачи информации между нейронами может быть снижена в определенных синапсах в результате процесса, называемого долговременной депрессией, или сокращенно «LTD».
По сути, длительная депрессия является «противоположностью» длительной потенциации, поскольку она ослабляет силу соединения отдельных синапсов [8].
Однако, несмотря на то, что в некотором смысле это «противоположность» LTP, LTD также имеет многие из тех же характеристик, поскольку включает в себя долгосрочные структурные и функциональные изменения в синапсе в течение нескольких часов или дней [8].
В типичных условиях LTD является нормальной частью синаптической пластичности, которая помогает в хранении информации. Вы могли бы думать об этом как о нашем способе позволить некоторым воспоминаниям «распадаться», чтобы мы могли расставить приоритеты в хранении другой, более важной информации. Например, LTD является фундаментальной частью того, как мы осваиваем новые моторные навыки [8, 1].
Однако некоторые исследования показывают, что LTD может быть аномально повышен при некоторых неврологических состояниях, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, рассеянный склероз (РС) и даже диабет. Предполагается также, что LTD играет роль в развитии наркомании и некоторых других психических состояний [9, 10].
Точно так же мы наблюдаем повышенный уровень LTD в мозге в периоды острого стресса, что может объяснить, почему люди иногда не могут хорошо вспомнить информацию во время паники [9].
Факторы, которые могут ухудшить долговременную потенциацию
Поскольку LTP имеет основополагающее значение для очень многих различных мозговых процессов, его нарушения потенциально могут способствовать возникновению самых разных симптомов и состояний здоровья.
1) Злоупотребление наркотиками
Считается, что многие различные наркотики, включая опиаты, амфетамины и кокаин, вызывают длительные изменения в силе синапсов. Эти изменения могут играть ключевую роль в некоторых центральных «симптомах» злоупотребления наркотиками, таких как развитие «приятных воспоминаний» о предыдущем злоупотреблении наркотиками, которые могут заставить человека продолжать навязчиво искать наркотик в будущем. В более широком смысле, это поведение и привычки могут быть усилены и закреплены с течением времени (через LTP), что приведет к полномасштабной наркозависимости [11].
2) Нейродегенеративные заболевания
Болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона отмечены структурными изменениями в мозге и его нейронах, которые в конечном итоге нарушают LTP, что в конечном итоге может привести к значительным нарушениям способности человека сохранять воспоминания и нормально функционировать в повседневной жизни [12, 13].
3) Беспокойство и стресс
Согласно некоторым предварительным исследованиям, хронический стресс может привести к увеличению LTP, особенно в определенных областях мозга, таких как миндалевидное тело. Однако на самом деле это увеличение может быть вредным, потому что оно вызывает структурные изменения в нейронах, которые усиливают нашу восприимчивость и чувствительность к страху. Эти долгосрочные изменения могут способствовать стойким тревожным расстройствам [14, 15].
4) Депрессия
Согласно некоторым предварительным исследованиям, у пациентов с депрессией обнаруживаются признаки аномалий в процессе ДП, которые могут способствовать некоторым неблагоприятным структурным изменениям в головном мозге, часто наблюдаемым у пациентов с депрессией. Например, чрезмерная LTP может привести к созданию устойчивых негативных воспоминаний, которые могут способствовать формированию хронических паттернов плохого настроения [16].
5) Шизофрения
Больные шизофренией часто имеют когнитивный дефицит. Некоторые исследователи предположили, что это может быть частично вызвано нарушением LTP, особенно в определенных областях мозга, участвующих в познании, таких как гиппокамп [17].
6) Лишение сна
Сон чрезвычайно важен для способности мозга кодировать и хранить новую информацию, а также передавать ее в долговременную память для последующего использования.
Неудивительно, что, как сообщается, недосыпание более 6 часов в сутки вызывает нарушения на «поддерживающей» стадии LTP, тем самым затрудняя хранение информации с течением времени [18].
7) Аутизм
Некоторые ранние данные свидетельствуют о том, что у пациентов с аутизмом могут быть отклонения в способности мозга инициировать LTP, что может способствовать некоторым когнитивным или другим симптомам расстройств аутистического спектра [19].
8) Эпилепсия
Пациенты с эпилепсией и другими расстройствами, сопровождающимися повторяющимися припадками, часто сообщают о проблемах с памятью и обучением, которые, по мнению некоторых исследователей, могут быть результатом ошибочной долговременной потенциации, вызванной чрезмерной нейронной активностью во время припадков [20].
9) Диеты с высоким содержанием жиров
Употребление большого количества жира было связано со значительными нарушениями памяти и обучения. Некоторые исследователи считают, что это может быть вызвано наличием пальмитиновой кислоты, жирной кислоты, которая обычно потребляется в чрезмерных количествах людьми с диетой с высоким содержанием жиров [21].
