Föreläsning 3: Synaptisk kommunikation, integration och plasticitet (del 2)

 

Genomgång av Lab1: Membranpotentialmätning

Vi gick igenom en inlämnad rapprort och kunde konstatera att membranpotentialen är en linjär funktion av koncentrationsförhållandets logaritm. Det verkar alltså som att ”Nernst ekvation stämmer”. Det framräknade förhållandet mellan jonernas rörligheter stämde väl överens med tabelldata i de två rapporter som jag hittills har kollat. Situationen i laborationen påminner om en biologisk cell med diffunderande joner men skiljer sig genom att det konstgjorda membranet saknar jonspecifika kanaler. Dessutom finns ingen aktiv transport vilket leder till att koncentrationerna så småningom jämnas ut. Rörligheten beror på jonens storlek inkl. vattenhölje (Stokes-radie), men storleken avspeglar inte nödvändigtvis vikten (se vidare ”Slide show”).

 

Vi diskuterade det semilogaritmiska papperet och observerade att om ett tal ändras med en konstant faktor så ökar talets logaritm med ett konstant värde. Som illustration av Nernsts ekvation kan vi tänka oss ett antal seriekopplade compartments åtskilda av flera mellanliggande membran. Koncentrationsförhållandena multipliceras då med varandra medan spänningarna adderas, vilket stämmer med Nernsts ekvation. Vi diskuterade (utifrån en intuitiv modell baserad på upprepad kompression) att kompressionsarbete (eller koncentrationsarbete) per mol av ett ämne beror på kompressionsfaktorn och nämnde att arbetet kan beräknas genom integration av pdV (p = tryck, dV = volymsändring). Eftersom p är omvänt proportionellt mot volymen V (enligt allmänna gaslagen) leder integrationen till en logaritmfunktion, vilket förklarar utseendet av Nernsts ekvation.

 

Introduktion till Lab2: Biofysikalisk nervcellsmodell (vi gick igenom första delen av denna lab-intro efter avsnittet om migrän)

Vi hade redan tidigare (föreläsning F1) etablerat en cellmodell med K, Na och Cl-joner, där olika drivkrafter (diffusionskrafter och elektriska krafter) representerades med hjälp av pilar. Pilarna kunde summeras till nettodrivkrafter, sk. elektrokemiska potentialer. Vi introducerade nu den elkretsmodell som vi inte hann med under F1. Modellen utnyttjar elektriska kretselement såsom resistans/konduktans, batteri och kondensator (kondensator = laddningssamlare, vars förmåga att samla laddningar kallas kapacitans; resistans = elektriskt motstånd, som gör att strömmen går trögt fram i en ledare; konduktans = elektrisk ledningsförmåga, definierad som 1 / resistansen). Spänningen över de tre konduktanselementen överensstämmer med de tidigare beräknade nettodrivkrafterna.

 

Följande del av Lab2-intro får vänta till senare, men texten ges här: I kombination med "resistans på längden" kan vår modell användas för att modellera hela celler som i Lab 2. Det förutsätter att jonkanalernas spänningsberoende ("resistans på tvären") kan beskrivas av lämpliga matematiska funktioner (typ "Hodgkin-Huxley"). Cellen antas vara uppbyggd av cylindrar, som i sin tur delas upp i tunna skivor. För varje skiva kan vi tillämpa den elektriska kretsmodellen. I regel försummar man den extracellulära resistansen på längden, men denna approximation kan ibland ifrågasättas. Om vi t.ex. har en hög extracellulär-resistans på grund av liten extracellulär volym kommer nervcellerna att kunna påverka varandra och detta gör simuleringsproblemet svårare. I verkligheten har det visats att celler kan växelverka genom sk efaptiska kopplingar (nämndes inte på föreläsningen). När cellen fyrar så sänks extracellulärpotentialen några millivolt, vilket innebär en depolarisering av grann-cellen, som då kanske också bringas att fyra en aktionspotential. Detta kan vara en (bidragande) förklaring till de synkrona fyrningsmönster som ses vid epilepsi.

 

Migrän och spreading depression

Som ytterligare illustration av basala membranfunktioner tittade vi på några bilder om ”migrän-aura”, en varningssignal som en del personer upplever före själva huvudvärksattacken. Det förekommer också enbart aura utan efterföljande huvudvärk. I en del fall är migränauran kopplad till perceptionsförändringar: storlek, form mm ändras och ibland förekommer rena hallucinationer. Författaren Lewis Carroll, som skrev boken Alice i underlandet år 1865, led av detta syndrom, som också kallas för Alice In Wonderland Syndrom (AIWS) och man tänker sig att författarens sjukdom var en inspirationskälla till berättelsen. Man tror att den neurologiska bakgrunden är s.k. ”Cortical Spreading Depression”, ett fenomen som upptäcktes av Aristides Leão på 1940-talet. CSD är en utsläckning av aktivitet i hjärnbarken och  anses bero på ett massivt utflöde av K-joner i samband med överaktivering av hjärnvävnaden. Den ökade extracellulära K-koncentrationen leder till depolarisering av angränsande nervceller (enligt Nernsts ekvation) och på detta sätt sprider sig CSD. Hastigheten är någon/några millimeter per minut så detta är något helt annat än vanlig utbredning av aktionspotentialer. Leão inducerade i regel CSD genom elektrisk stimulering men applikation av KCl-lösning ger samma resultat. Som en bidragande mekanism kan man tänka sig att glutamat ansamlas i extracellulärrummet, både genom frisättning och försämrat upptag. Upptaget sker normalt genom en co-transportör som utnyttjar Na- och K-koncentrations-gradienter och när dessa inte upprätthålls kan glutamat läcka ut ur cellerna (utöver det glutamat som frisätts synaptiskt genom depolariseringen).

 

Uppenbarligen förklarar inte ovanstående resonemang på något sätt detaljerna i migränauran. Det kan tilläggas att förlusten av värdefulla jonkoncentrationer gör att mycket metabolisk energi behövs att återställa systemet till det normala. Därför vidgas blodkärl för att tillföra syre/näring och detta ger upphov till smärtan (sannolikt handlar det om smärtreceptorer i blodkärl som sitter i hjärnhinnorna).

 

Plasticitet i hjärnan

Temat för den andra timman var ”synaptisk plasticitet” och vi talade först allmänt om plasticitet i hjärnan (plasticitet = ändring/modulering, som kvarstår i tiden). Hjärnans olika celler eller deras ingående komponenter kan påverkas (neuronal, glial och synaptisk plasticitet) och vi kan också tala om plasticitet på systemnivå (ett exempel bland många är förstoringen av sensorimotorisk cortex i samband med intensiv användning). Plasticitet har betydelse för hjärnans utveckling och för minnets funktion. I det följande skall vi fokusera på synaptisk plasticitet, speciellt sådan som regleras av neuronal aktivitet.

 

Synaptisk plasticitet

Begreppet används för att beskriva att synapser skapas eller elimineras, alternativt att förändringar sker i redan existerande synapser. Aktivitetsberoende synaptisk plasticitet anses vara viktig för minnesfunktionen – men är inte den enda förklaringen till minnet. Som framgår av slide-presentationen skiljer vi mellan olika plasticitetsformer beroende på:

 

- Vilken slags synaps som är inblandad

- Typ av ändring, dvs förstärkning (potentiering) eller försvagning (depression)

- Induktion, beroende av pre-, post- eller pre-post-aktivitet (= Hebbs regel)

- Varaktighet, som kan variera från delar av sekunder till år

- Mekanism (t.ex. induktion via Ca-inflöde genom NMDA-receptorer)

 

Exempel på aktivitetsberoende synaptisk plasticitet

De främsta exemplen på synaptisk plasticitet är LTP och LTD i hippocampus och hjärnbarken samt cerebellum-LTD. Läroboken behandlar bara den senare formen av LTD. Kanske finns det också LTP i cerebellum. Dessa plasticitetsformer kan samtliga beskrivas som ”associativa”, dvs induktionen styrs av samtidighet mellan flera villkor. Blötdjuret Aplysia (sjöhare/sjösnigel) har former av plasticitet, som är icke-associativa, t.ex. habituering och sensitisering. Induktionen av LTP/LTD styrs genom Hebbs regel och det som bestämmer om det skall bli potentiering eller depression är mängden kalcium som flödar in genom NMDA-kanalerna (mycket Ca under kort tid => LTP; litet Ca under lång tid => LTD). En alternativ induktionsregel är spike-timing-dependent plasticity (se nedan; påminn mig också om att diskutera detta närmare på nästa föreläsning!).

 

Långtidspotentiering (LTP)

LTP har flera egenskaper, som är idealiska för en cellulär minnesmekanism:

A. Uttrycket/expressionen

- Lång varaktighet (från timmar upp till år, beroende på typ av experiment)

B. Induktionen

- Input-specificitet (bara aktiverade synapser får LTP)

- Kooperativitet (tillräckligt många synapser måste vara aktiva)

- Associativitet (starka synapser hjälper svaga synapser att få LTP)

- Hebbs villkor (cells that fire together wire together), som ensamt kan förklara de ovan nämnda induktionsegenskaperna (tänk igenom detta!). Man tror att det är viktigt att aktionspotentialerna i cellkroppen leds ”baklänges” ut i dendritträdet, s.k. back-propagating action potentials (BPAP), men fortfarande är detta kontroversiellt. Spike-timing-dependent plasticity (STDP) kan ses som en variant av Hebbs regel; tanken är att pre-före-post ger LTP medan post-före-pre ger LTD. Alla är inte överens om STDP-principen.

 

AMPA- och NMDA-receptorer och hur samtidighet detekteras

Vi gick igenom hur AMPA-receptorer (AMPA-kanaler) och NMDA-receptorer (NMDA-kanaler) aktiveras, betydelsen av NMDA-kanalens magnesiumblockad, samt skillnaderna i jonpermeabilitet mellan kanalerna. NMDA-kanalen fungerar som en koincidensdetektor och när ”Hebbvillkoret” uppfylls öppnar den och släpper in kalciumjoner postsynaptiskt. Den ökade kalciumkoncentrationen triggar de processer som leder till en långvarigt ökad synaptisk effektivitet (via Ca-beroende enzymer). Med hjälp av dendritutskotten isoleras synapserna kemiskt från varandra så att LTP inte ”spiller över”. Genom sin dubbla gating-mekanism (glutamatberoende öppning + spänningsberoende magnesiumblockad) fungerar alltså NMDA-receptorn som en ”associationsmolekyl”.

 

Hur förändras synapsen vid LTP?

Den stabila förändringen kan vara presynaptisk (retrograd transmittor behövs) och/eller postsynaptisk, men vad som egentligen sker när synapsen förändras är fortfarande inte helt utrett. En tänkbar postsynaptisk mekanism är att AMPA-receptorerna blir ”flera” eller ”bättre” (t.ex. ökad öppetsannolikhet). En annan möjlighet är att synapsen växer, på både pre- och post-sidan. Detta skulle kanske kunna öka transmittorfrisättningen samt ge plats för fler postsynaptiska receptorer. Det har också diskuterats att antalet synapser kan öka, t.ex. genom att synapserna splittras upp dubbelsynapser (kanske en aning långsökt).

 

Det här är så långt som vi hann gå igenom. Resterande text (inom [ ]) är från ett tidigare år – läs gärna. Skillnaden mellan inlärning i hippocampus/neocortex resp. cerebellum är viktig och kommer att tas upp nästa gång.

 

[Jämförelse mellan plasticitet i hippocampus/neocortex resp. cerebellum

Medan det postsynaptiska villkoret för LTP beror på cellens ”eget beslut” (unsupervised learning) alstras cerebellum-LTD som ett resultat av samtidig parallelltrådsaktivering och klättertrådsaktivering. Varje Purkinjecell får inflöde från många (hundratusentals) paralleltrådar men från bara en klättertråd, som fungerar som en slags ”lärare” (supervised learning), kanske med ”instruerande” eller med ”felrättande” pedagogik. Det är inte helt lätt att förstå hur cellens eget beslut (i fallet unsupervised learning), som kanske delvis beror på slumpfaktorer, kan skapa ordning i systemet, men så är det. Vi skall senare tala mer om självorganisering.

 

Aplysiahabituering och sensitisering

Habituering och sensitisering är två typer av icke-associativt minne, som har studerats i mollusken Aplysia. En vattenstråle (eller annan stimulering) på en av gälarna utlöser en ”gälindragningsreflex” som minskar vid upprepning (habituering). Fenomenet kan också iakttas på synapsnivå som en successiv minskning av EPSPer beroende på minskad transmittorfrisättning. En elchock till svansen återställer tillfälligt gälindragningsreflexens amplitud (sensitisering). Även detta fenomen kan iakttas på synapsnivå. Transmittorfrisättningen ökar i detta fall genom att en axoaxonal synaps från svansen påverkar den presynaptiska terminalen. I bägge fallen tror man att moduleringen beror på att aktionspotentialens bredd (varaktighet) kan varieras genom påverkan på de kaliumkanaler som ansvarar för repolariseringen. Härigenom ändras (ökar eller minskar) den mängd kalcium, som strömmar in i presynapsen under aktionspotentialen. I tillägg finns en mer långvarig typ av sensitisering, som man tror beror på bildning av nya synapser. I boken står det att den desensitiserande stimuleringen skall komma tillsammans med teststimuleringen men detta behövs faktiskt inte (det hade i så fall handlat om associativt minne av typ ”betingad reflex”). En del Aplysiaforskare hävdar att det finns en liten betingningskomponent men den tycks vara mycket liten, sannolikt p.g.a. att detta primitiva djur inte har något så vasst som Hebb-synapser att ta till]