Facilitación neuronal - Neural facilitation

La facilitación neuronal , también conocida como facilitación de pulso emparejado ( PPF ), es un fenómeno en neurociencia en el que los potenciales postsinápticos (PSP) ( EPP , EPSP o IPSP ) evocados por un impulso aumentan cuando ese impulso sigue de cerca a un impulso previo. El PPF es, por tanto, una forma de plasticidad sináptica a corto plazo . Los mecanismos subyacentes a la facilitación neuronal son exclusivamente presinápticos; En términos generales, la PPF surge debido a un aumento de Ca presináptico2+
concentración que conduce a una mayor liberación de vesículas sinápticas que contienen neurotransmisores . La facilitación neuronal puede estar involucrada en varias tareas neuronales, incluido el aprendizaje simple, el procesamiento de información y la localización de fuentes de sonido.

Mecanismos

Descripción general

California2+
juega un papel importante en la transmisión de señales en las sinapsis químicas . Ca controlado por voltaje2+
Los canales se encuentran dentro de la terminal presináptica. Cuando un potencial de acción invade la membrana presináptica, estos canales se abren y Ca2+
entra. Una mayor concentración de Ca2+
permite que las vesículas sinápticas se fusionen con la membrana presináptica y liberen su contenido ( neurotransmisores ) en la hendidura sináptica para finalmente contactar con los receptores en la membrana postsináptica. La cantidad de neurotransmisor liberado se correlaciona con la cantidad de Ca2+
afluencia. Por lo tanto, la facilitación a corto plazo (STF) resulta de una acumulación de Ca2+
dentro de la terminal presináptica cuando los potenciales de acción se propagan juntos en el tiempo.

La facilitación de la corriente postsináptica excitadora (EPSC) se puede cuantificar como una proporción de las intensidades posteriores de EPSC. Cada EPSC se desencadena por concentraciones de calcio presinápticas y puede aproximarse mediante:

EPSC = k ([ Ca2+
] presináptico ) 4 = k ([ Ca2+
] descanso + [ Ca2+
] afluencia + [ Ca2+
] residual ) 4

Donde k es una constante.

Facilitación = EPSC 2 / EPSC 1 = (1 + [ Ca2+
] residual / [ Ca2+
] afluencia ) 4 - 1

Evidencia experimental

Los primeros experimentos de Del Castillo & Katz en 1954 y Dudel & Kuffler en 1968 mostraron que la facilitación era posible en la unión neuromuscular incluso si no se produce la liberación del transmisor, lo que indica que la facilitación es un fenómeno exclusivamente presináptico.

Katz y Miledi propusieron el Ca residual2+
hipótesis. Atribuyeron el aumento en la liberación de neurotransmisores al Ca residual o acumulado2+
("calcio activo") dentro de la membrana del axón que permanece adherida a la superficie interna de la membrana. Katz y Miledi manipularon el Ca2+
concentración dentro de la membrana presináptica para determinar si el Ca residual2+
 permanecer dentro de la terminal después del primer impulso provocó un aumento en la liberación de neurotransmisores después del segundo estímulo.

Durante el primer impulso nervioso, Ca2+
la concentración estaba significativamente por debajo o cerca de la del segundo impulso. Cuando Ca2+
la concentración se acercaba a la del segundo impulso, se incrementó la facilitación. En este primer experimento, los estímulos se presentaron en intervalos de 100 ms entre el primer y el segundo estímulo. Se alcanzó un período refractario absoluto cuando los intervalos estaban separados por unos 10 ms.

Para examinar la facilitación durante intervalos más cortos, Katz y Miledi aplicaron directamente estímulos despolarizantes breves a las terminaciones nerviosas. Al aumentar el estímulo despolarizante de 1-2 ms, la liberación de neurotransmisores aumentó considerablemente debido a la acumulación de Ca activo.2+
. Por tanto, el grado de facilitación depende de la cantidad de Ca activo2+
, que está determinada por la reducción de Ca2+
conductancia a lo largo del tiempo, así como la cantidad de eliminación de los terminales de axón después del primer estímulo. La facilitación es mayor cuando los impulsos están más cerca porque Ca2+
la conductancia no volvería a la línea de base antes del segundo estímulo. Por tanto, tanto Ca2+
conductancia y Ca acumulado2+
 sería mayor para el segundo impulso cuando se presenta poco después del primero.

En la sinapsis del Cáliz de Held , se ha demostrado que la facilitación a corto plazo (STF) es el resultado de la unión del Ca residual2+
al Ca neuronal2+
 sensor 1 (NCS1). Por el contrario, se ha demostrado que STF disminuye cuando Ca2+
se agregan quelantes a la sinapsis (causando quelación ) que reducen el Ca residual2+
. Por lo tanto, "activo Ca2+
"juega un papel importante en la facilitación neuronal.

En la sinapsis entre las células de Purkinje , se ha demostrado que la facilitación a corto plazo está totalmente mediada por la facilitación de Ca2+
corrientes a través de los canales de calcio dependientes del voltaje .

Relación con otras formas de plasticidad sináptica a corto plazo

Aumento y potenciación

La mejora sináptica a corto plazo a menudo se diferencia en categorías de facilitación , aumento y potenciación (también conocida como potenciación post-tetánica o PTP ). Estos tres procesos a menudo se diferencian por sus escalas de tiempo: la facilitación generalmente dura decenas de milisegundos, mientras que el aumento actúa en una escala de tiempo del orden de segundos y la potenciación tiene un curso de tiempo de decenas de segundos a minutos. Los tres efectos aumentan la probabilidad de liberación de neurotransmisores de la membrana presináptica, pero el mecanismo subyacente es diferente para cada uno. La facilitación del pulso emparejado es causada por la presencia de Ca residual2+
, el aumento probablemente surge debido al aumento de la acción de la proteína presináptica munc-13, y la potenciación post-tetánica está mediada por la activación presináptica de las proteínas quinasas. El tipo de mejora sináptica que se observa en una célula determinada también está relacionado con la dinámica variante de Ca2+
eliminación, que a su vez depende del tipo de estímulo; un único potencial de acción conduce a la facilitación, mientras que un tétanos corto generalmente causa aumento y un tétanos más prolongado conduce a la potenciación.

Depresión a corto plazo (ETS)

La depresión a corto plazo (ETS) opera en la dirección opuesta a la facilitación, disminuyendo la amplitud de las PSP. La ETS se produce debido a una disminución en el grupo de vesículas de fácil liberación (PRR) como resultado de la estimulación frecuente. La inactivación del Ca presináptico2+
canales después de potenciales de acción repetidos también contribuye a las ETS. La depresión y la facilitación interactúan para crear cambios plásticos a corto plazo dentro de las neuronas, y esta interacción se denomina teoría de la plasticidad del proceso dual . Los modelos básicos presentan estos efectos como aditivos, y la suma crea el cambio plástico neto (facilitación - depresión = cambio neto). Sin embargo, se ha demostrado que la depresión ocurre antes en la vía estímulo-respuesta que la facilitación y, por lo tanto, juega en la expresión de la facilitación. Muchas sinapsis exhiben propiedades tanto de facilitación como de depresión. En general, sin embargo, las sinapsis con baja probabilidad inicial de liberación de vesículas tienen más probabilidades de mostrar facilitación, y las sinapsis con alta probabilidad de liberación inicial de vesículas tienen más probabilidades de presentar depresión.

Relación con la transmisión de información

Filtrado sináptico

Debido a que la probabilidad de liberación de vesículas depende de la actividad, las sinapsis pueden actuar como filtros dinámicos para la transmisión de información. Las sinapsis con una probabilidad inicial baja de liberación de vesículas actúan como filtros de paso alto : debido a que la probabilidad de liberación es baja, se necesita una señal de frecuencia más alta para desencadenar la liberación y, por lo tanto, la sinapsis responde selectivamente a las señales de alta frecuencia. Asimismo, las sinapsis con altas probabilidades de liberación inicial sirven como filtros de paso bajo , respondiendo a señales de baja frecuencia. Las sinapsis con una probabilidad intermedia de liberación actúan como filtros de paso de banda que responden selectivamente a un rango específico de frecuencias. Estas características de filtrado pueden verse afectadas por una variedad de factores, incluidos PPD y PPF, así como neuromoduladores químicos . En particular, debido a que es más probable que las sinapsis con bajas probabilidades de liberación experimenten facilitación que depresión, los filtros de paso alto a menudo se convierten en filtros de paso de banda. Asimismo, debido a que las sinapsis con altas probabilidades de liberación inicial tienen más probabilidades de sufrir depresión que facilitación, es común que los filtros de paso bajo se conviertan también en filtros de paso de banda. Mientras tanto, los neuromoduladores pueden afectar estas plasticidades a corto plazo. En las sinapsis con probabilidades de liberación intermedias, las propiedades de la sinapsis individual determinarán cómo cambia la sinapsis en respuesta a los estímulos. Estos cambios en la filtración afectan la transmisión y codificación de información en respuesta a estímulos repetidos.

Localización de fuentes de sonido

En los seres humanos, la localización del sonido se logra principalmente utilizando información sobre cómo la intensidad y la sincronización de un sonido varían entre cada oído. Los cálculos neuronales que involucran estas diferencias de intensidad interaurual (IID) y diferencias de tiempo interaural (ITD) se llevan a cabo típicamente en diferentes vías en el cerebro. La plasticidad a corto plazo probablemente ayude a diferenciar entre estas dos vías: la facilitación a corto plazo domina en las vías de intensidad, mientras que la depresión a corto plazo domina en las vías temporales. Estos diferentes tipos de plasticidad a corto plazo permiten diferentes tipos de filtración de información, contribuyendo así a la división de los dos tipos de información en distintos flujos de procesamiento.

Las capacidades de filtrado de la plasticidad a corto plazo también pueden ayudar con la codificación de información relacionada con la modulación de amplitud (AM). La depresión a corto plazo puede ajustar dinámicamente la ganancia en las entradas de alta frecuencia y, por lo tanto, puede permitir un rango ampliado de alta frecuencia para AM. Una mezcla de facilitación y depresión también puede ayudar en la codificación AM al conducir a un filtrado de tasas.

Ver también

Referencias

Otras lecturas