突触可塑性

人脑中有 1000 亿个神经元，它们需要彼此有效地沟通。这是通过称为突触的交汇点来实现的，突触本质上是两个神经元之间释放神经递质的间隙。

突触介导大脑最重要和最迷人的特征之一：它的改变能力。大脑中的信息流是通过新突触的形成、多余或旧突触的消除以及现有突触强度的变化来调节的。总的来说，这产生了一种称为突触可塑性的现象。

在本文中，我们将探讨突触可塑性的核心原理和类型。我们将仔细研究长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）及其分子机制。最后，我们将研究突触的活动在疾病过程中如何被破坏。

突触可塑性

两个神经元之间的通信水平的变化类似于语音音量的变化，突触的“强度”是可变的，并且可能在短期或长期内改变。

突触强度的这种变化是突触可塑性 的形式之一，它主要取决于两个神经元之间的活动水平（活动依赖过程）。

HnWilliamson，CC BY-SA 3.0，来自维基共享资源

图 1 – 展示突触可塑性的图表

突触可塑性的持续时间

突触可塑性可以根据突触强度变化的持续时间分为：

• 短期突触可塑性——持续几毫秒到几分钟的变化，然后迅速恢复正常。

这种类型的突触可塑性被认为在行为状态的短暂变化或短期记忆形式中发挥着重要作用。它主要是由突触前活动的短暂爆发触发的。短期可塑性的例子包括配对脉冲抑制和配对脉冲促进。

• 长期突触可塑性—— 描述了发生几分钟、几天甚至几年的强度改变过程。

这种可塑性的主要例子包括长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）。

长期突触可塑性

LTP 和 LTD 是研究最广泛的活动依赖性持久突触可塑性类型。它们是由突触活动的差异模式诱导的。因此，某些突触活动模式会导致突触强度长期持续增加（ LTP），而其他突触活动模式会导致突触强度长期下降（称为LTD）。

长时程增强 (LTP)

LTP 最终允许突触前神经元在受到刺激时引起更大的突触后反应。它已在整个大脑中被检测到，包括大脑皮层、杏仁核和小脑。但它首先是在海马体中被描述的。 LTP 是由短暂的高频刺激引起的，也称为 破伤风。

改编自：英语维基百科的 Synaptidude，CC BY-SA 3.0，来自维基共享资源

图 2 – 长时程增强 (LTP)。短暂的高频刺激序列（破伤风）会引起突触传递强度的增加。该图清楚地显示了应用破伤风后，与基线活动水平相比，突触反应（以兴奋性突触后电位（EPSP）记录）如何增强。

长时程增强机制

LTP 的诱导需要谷氨酸 NMDA 受体(NMDAR)的激活。在静息膜电位下，NMDAR 被镁离子阻断，并且仅在突触后去极化（由谷氨酸 AMPA 受体 ( AMPAR ) 介导）时才可渗透钠、钾和钙离子。突触后钙浓度的增加启动了 LTP 所需的分子过程。

NMDAR 激活在 LTP 中的关键作用反映了突触可塑性的活动依赖性。 NMDAR 只能在突触前释放谷氨酸和 AMPAR 介导的突触后去极化同时被激活。这只能在高水平的突触活动下才能实现。

由于 NMDAR 的激活需要两个过程：突触前谷氨酸释放和突触后去极化同时发生，因此它们通常被称为“巧合检测器”。

LTP 有两个主要阶段：

• 早期阶段——钙的流入会激活钙调蛋白依赖性激酶 II (CaMKII)， 从而磷酸化 AMPAR。这些受体的磷酸化增加了它们对钠离子和钾离子的渗透性，从而增加了突触后神经元的兴奋性。此外，额外的 AMPAR 从细胞质池插入突触后膜。
• 晚期 – CaMKII 活性增加，刺激负责基因表达调节的其他激酶的激活，例如细胞外信号调节激酶(ERK)。随后基因转录和翻译的变化导致新 AMPAR 的合成增加，然后可以将其插入突触后膜。这些基因组变化持续数小时至数天。

这两个阶段最终确保突触前神经元在受到刺激时能够引起更大的突触后反应。

长期抑郁症（LTD）

与LTP类似，LTD也是首次在海马体中被描述。然而，它是由长时间（10-15 分钟）低频刺激启动的。这种特殊的刺激模式会导致突触强度下降（表现为兴奋性突触后电位 (EPSP) 大小的减少），这种情况可能会持续几个小时。

重要的是，LTD 可以消除 LTP 导致的EPSP大小的增加，反之亦然。因此，LTP 和 LTD 可以可逆地影响突触活动模式引导的突触强度。

长期抑郁的机制

从分子角度来说，LTD 也是由于钙通过 NMDAR 流入而启动的。然而，与驱动 LTP 的钙浓度大幅且快速的增加相反，LTP 是由钙浓度小而缓慢的增加促进的。