Facilitação Neural - Neural facilitation

A facilitação neural , também conhecida como facilitação de pulso pareado ( PPF ), é um fenômeno na neurociência em que os potenciais pós-sinápticos (PSPs) ( EPPs , EPSPs ou IPSPs ) evocados por um impulso são aumentados quando esse impulso segue de perto um impulso anterior. PPF é, portanto, uma forma de plasticidade sináptica de curto prazo . Os mecanismos subjacentes à facilitação neural são exclusivamente pré-sinápticos; em termos gerais, o PPF surge devido ao aumento do Ca pré-sináptico2+
concentração levando a uma maior liberação de vesículas sinápticas contendo neurotransmissores . A facilitação neural pode estar envolvida em várias tarefas neuronais, incluindo aprendizado simples, processamento de informações e localização de fontes sonoras.

Mecanismos

Visão geral

Ca2+
desempenha um papel significativo na transmissão de sinais em sinapses químicas . Voltage-gated Ca2+
os canais estão localizados no terminal pré-sináptico. Quando um potencial de ação invade a membrana pré-sináptica, esses canais se abrem e o Ca2+
entra. Uma concentração mais alta de Ca2+
permite que as vesículas sinápticas se fundam à membrana pré-sináptica e liberem seu conteúdo ( neurotransmissores ) na fenda sináptica para, por fim, contatar os receptores na membrana pós-sináptica. A quantidade de neurotransmissor liberado está correlacionada com a quantidade de Ca2+
influxo. Portanto, a facilitação de curto prazo (STF) resulta de um acúmulo de Ca2+
dentro do terminal pré - sináptico, quando os potenciais de ação se propagam juntos no tempo.

A facilitação da corrente pós-sináptica excitatória (EPSC) pode ser quantificada como uma proporção das intensidades de EPSC subsequentes. Cada EPSC é acionado por concentrações de cálcio pré-sinápticas e pode ser aproximado por:

EPSC = k ([ Ca2+
] pré-sináptica ) 4 = k ([ Ca2+
] descanso + [ Ca2+
] influxo + [ Ca2+
] residual ) 4

Onde k é uma constante.

Facilitação = EPSC 2 / EPSC 1 = (1 + [ Ca2+
] residual / [ Ca2+
] influxo ) 4 - 1

Evidência experimental

Os primeiros experimentos de Del Castillo & Katz em 1954 e Dudel & Kuffler em 1968 mostraram que a facilitação era possível na junção neuromuscular mesmo se a liberação do transmissor não ocorresse, indicando que a facilitação é um fenômeno exclusivamente pré-sináptico.

Katz e Miledi propuseram o Ca residual2+
hipótese. Eles atribuíram o aumento na liberação de neurotransmissores ao Ca residual ou acumulado2+
("cálcio ativo") dentro da membrana do axônio que permanece ligada à superfície interna da membrana. Katz e Miledi manipularam o Ca2+
concentração dentro da membrana pré-sináptica para determinar se Ca residual ou não2+
 permanecer dentro do terminal após o primeiro impulso causou um aumento na liberação do neurotransmissor após o segundo estímulo.

Durante o primeiro impulso nervoso, Ca2+
a concentração estava significativamente abaixo ou próxima daquela do segundo impulso. Quando Ca2+
a concentração estava se aproximando daquela do segundo impulso, a facilitação foi aumentada. Neste primeiro experimento, os estímulos foram apresentados em intervalos de 100 ms entre o primeiro e o segundo estímulo. Um período refratário absoluto foi alcançado quando os intervalos estavam separados por cerca de 10 ms.

Para examinar a facilitação durante intervalos mais curtos, Katz e Miledi aplicaram diretamente breves estímulos despolarizantes às terminações nervosas. Ao aumentar o estímulo despolarizante de 1-2 ms, a liberação de neurotransmissores aumentou muito devido ao acúmulo de Ca ativo2+
. Portanto, o grau de facilitação depende da quantidade de Ca ativo2+
, que é determinado pela redução do Ca2+
condutância ao longo do tempo, bem como a quantidade de removida dos terminais dos axônios após o primeiro estímulo. A facilitação é maior quando os impulsos estão mais próximos porque Ca2+
a condutância não voltaria à linha de base antes do segundo estímulo. Portanto, ambos Ca2+
condutância e Ca acumulado2+
 seria maior para o segundo impulso quando apresentado logo após o primeiro.

Na sinapse Calyx of Held , foi demonstrado que a facilitação de curto prazo (STF) resulta da ligação de Ca residual2+
ao neuronal Ca2+
 sensor 1 (NCS1). Por outro lado, foi demonstrado que o STF diminui quando o Ca2+
quelantes são adicionados à sinapse (causando quelação ) que reduzem o Ca residual2+
. Portanto, " Ca ativo2+
"desempenha um papel significativo na facilitação neural.

Na sinapse entre as células de Purkinje , a facilitação de curto prazo mostrou ser inteiramente mediada pela facilitação do Ca2+
correntes através dos canais de cálcio dependentes de voltagem .

Relação com outras formas de plasticidade sináptica de curto prazo

Aumento e potenciação

O realce sináptico de curto prazo é freqüentemente diferenciado em categorias de facilitação , aumento e potenciação (também conhecido como potenciação pós-tetânica ou PTP ). Esses três processos são frequentemente diferenciados por suas escalas de tempo: a facilitação geralmente dura dezenas de milissegundos, enquanto o aumento atua em uma escala de tempo da ordem de segundos e a potenciação tem um curso de tempo de dezenas de segundos a minutos. Todos os três efeitos aumentam a probabilidade de liberação do neurotransmissor da membrana pré-sináptica, mas o mecanismo subjacente é diferente para cada um. A facilitação de pulso pareado é causada pela presença de Ca residual2+
, o aumento provavelmente surge devido ao aumento da ação da proteína pré-sináptica munc-13, e a potenciação pós-tetânica é mediada pela ativação pré-sináptica de proteínas quinases. O tipo de aumento sináptico visto em uma determinada célula também está relacionado à dinâmica variante do Ca2+
remoção, que por sua vez depende do tipo de estímulo; um único potencial de ação leva à facilitação, enquanto um tétano curto geralmente causa aumento e um tétano mais longo leva à potencialização.

Depressão de curto prazo (DST)

A depressão de curto prazo (DST) opera na direção oposta à facilitação, diminuindo a amplitude das PSPs. DST ocorre devido a uma diminuição no pool de vesículas prontamente liberáveis ​​(RRP) como resultado de estimulação frequente. A inativação do Ca pré-sináptico2+
canais após potenciais de ação repetidos também contribuem para DST. Depressão e facilitação interagem para criar mudanças plásticas de curto prazo dentro dos neurônios, e essa interação é chamada de teoria de processo dual da plasticidade . Os modelos básicos apresentam esses efeitos como aditivos, com a soma criando a mudança plástica líquida (facilitação - depressão = mudança líquida). No entanto, foi demonstrado que a depressão ocorre mais cedo na via do estímulo-resposta do que a facilitação e, portanto, atua na expressão da facilitação. Muitas sinapses exibem propriedades de facilitação e depressão. Em geral, no entanto, as sinapses com baixa probabilidade inicial de liberação de vesícula são mais propensas a exibir facilitação, e sinapses com alta probabilidade de liberação de vesícula inicial são mais propensas a exibir depressão.

Relação com a transmissão de informações

Filtragem sináptica

Como a probabilidade de liberação da vesícula depende da atividade, as sinapses podem atuar como filtros dinâmicos para a transmissão de informações. As sinapses com uma probabilidade inicial baixa de liberação da vesícula agem como filtros passa-altas : como a probabilidade de liberação é baixa, um sinal de frequência mais alta é necessário para acionar a liberação, e a sinapse, portanto, responde seletivamente aos sinais de alta frequência. Da mesma forma, as sinapses com altas probabilidades de liberação inicial servem como filtros passa-baixa , respondendo a sinais de baixa frequência. As sinapses com uma probabilidade intermediária de liberação agem como filtros de passagem de banda que respondem seletivamente a uma faixa específica de frequências. Essas características de filtragem podem ser afetadas por uma variedade de fatores, incluindo PPD e PPF, bem como neuromoduladores químicos . Em particular, como as sinapses com probabilidades de baixa liberação são mais prováveis ​​de sofrer facilitação do que depressão, os filtros passa-alta são freqüentemente convertidos em filtros passa-banda. Da mesma forma, como as sinapses com altas probabilidades de liberação inicial são mais propensas a sofrer depressão do que facilitação, é comum que os filtros passa-baixa se tornem filtros passa-banda também. Os neuromoduladores, por sua vez, podem afetar essas plasticidades de curto prazo. Em sinapses com probabilidades de liberação intermediária, as propriedades da sinapse individual irão determinar como a sinapse muda em resposta aos estímulos. Essas mudanças na filtragem afetam a transmissão e a codificação da informação em resposta a estímulos repetidos.

Localização de fonte de som

Em humanos, a localização do som é realizada principalmente usando informações sobre como a intensidade e o tempo de um som variam entre cada ouvido. Cálculos neuronais envolvendo essas diferenças de intensidade interaurual (IIDs) e diferenças de tempo interaurais (ITDs) são normalmente realizados em diferentes vias no cérebro. A plasticidade de curto prazo provavelmente auxilia na diferenciação entre essas duas vias: a facilitação de curto prazo domina nas vias de intensidade, enquanto a depressão de curto prazo domina as vias temporais. Esses diferentes tipos de plasticidade de curto prazo permitem diferentes tipos de filtragem de informações, contribuindo assim para a divisão dos dois tipos de informações em fluxos de processamento distintos.

As capacidades de filtragem de plasticidade de curto prazo também podem auxiliar na codificação de informações relacionadas à modulação de amplitude (AM). A depressão de curto prazo pode ajustar dinamicamente o ganho nas entradas de alta frequência e, portanto, permitir uma faixa de alta frequência expandida para AM. Uma mistura de facilitação e depressão também pode auxiliar na codificação AM, levando à filtragem de taxa.

Veja também

Referências

Leitura adicional