Mechanismypaměti

Cosedozvímednes?

•Behaviorálníkonceptpaměti

•Fyziologiesynaptickéhospojení

•Mechanismyjednoduchéhoučeníumodelovéhoorganismu(Aplysie)

•Synaptickáplasticita

•Dlouhodobápotenciace– LTP

•VztahLTPapaměti

Koncepcepamětijakoschopnostimodifikovatsvéchovánínazákladě

zkušenosti

Weconsiderlearningtobeanadaptivechangeinbehaviorcausedbyexperience

Memoryreferstotheinternalstorageandrecallofpreviouslylearnedbehaviors.(Forgettingisthelossofstorageorrecall.)

Modifikacechovánímásvůjzákladvplastickýchzměnáchvčinnostinervovýchspojů(synapticképlasticitě),kteréjsoupodklademzměnvchování.

Synapse

Synaptickáspojení

Chemickásynapse‐ příkladnervosvalovéspojení– docházízdekvýlevuneuropřenašeče

Elektrickásynapse– gapjunction – elektrickýsignálpřecházízjednébuňkynadruhou‐konexinové můstky,vCNSnaneuronech,glii,hojněubezobratlých

Synaptickáplasticita– dobředoloženánachemickýchsynapsích.

Elektrickásynapse– gapjunctionštěrbinovitéspojení

Elektrickásynapse– štěrbinovitéspojení

Příménízkoodporovéelektricképropojenídvoubuněk– H2O,ionty,malémolekuly

‐ ztohovyplývá– absencesynaptickéhozpoždění,typickéhoprochemickousynapsi.

Méněmechanismůproplasticitu– Avšakexistujíusměrňujícígapjunctions,prokteréjevodivostvjednomsměrupodstatněvyššínežvdruhém

Chemickásynapse

Obecněvzatosejednáospojeníjednénervovébuňkysjinou,popř.sjinouefektorovoubuňkou(svalovou,žlázovou)

Lidskýmozekobsahujeřádově1014 synapsí(100‐500triliónů)

Ch.S.Sherrington – autortermínusynapse(řecké„syn“‐spoluahaptein“– obejmout,stisknout).

Typickýneurontvořířádovětisícesynapsí.– Axodendritické,axo‐axonální,axosomatické,atd.

Synaptickézpoždění(cca1ms)– dobapotřebnákevtokuvápníkudozakončeníakfůzi synaptickýchvezikulů smembránou

Chemickásynapse

Chemickásynapse

Akčnípotenciálnapresynaptickémneuronu‐>depolarizacenervovéhozakončení,vstupCadozakončení

Neuropřenašeč skladovánvsynaptickýchváčcích(vesicles)

Výlevneuropřenašeče – fůze membrányvezikulu smembránouterminály(SNARE,SNAPproteinyatd.)

Kvantovýobsah(uvolněnýpočetkvant), Kvantovávelikost(početmolekulvkvantu) Difúzeneuropřenašeče skrzeštěrbinu,vazbana

postsynaptickéreceptory. Odpověd

Nervosvalovéspojeníjakomodelováchemickásynapse

Nervosvalovéspojení,ploténka(motorendplate,neuromuscular junction)– klasickýpreparátstudovanýtéměřodpolovinyminuléhostoletí.

Motorickýaxontvořísynapsinakosternímsvalovémvlákně.

Přenašečemjeacetylcholin,kontrasnmiter ATP,poststynapticky vázánnaacetylcholinovéreceptorynikotinovéhotypu(nAChR)

Tentopřenosjepostsynapticky inhibovánpomocíkurare

VýlevAchblokovánnapř.botulotoxinem(enzymatickýjed),interferujesmechanismemvýlevu

nAchR – ionotropní receptor– tvoříkationtovýkanál

Nervosvalovéspojení

Výlevacetylcholinu– 1váčekodpovídájednomukvantu–obsahujecca30000molekulAch

Evokovanýploténkovýpotenciál>výlev mnohakvant

Spontánníminiaturníploténkovýpotenciál(miniatureendplate potential ‐ MEPP)– občasnýspontání výlevjednohokvanta– vyvolánasvalupodprahovoupřechodnoudepolarizaci

Achuvolňovántakénekvantově,(non‐quantal release)–objeviteléKatz aMiledi asoučasněVyskočilaIllés.JednáseokontinuálnísekreciAch,patrněpřesacetylcholinovývezikulárnítransportér.

Synapse

ChemickésynapsevCNS

Nachemickésynapsinajdemeřaducílovýchstrukturnakterýchlzezesilovatsílupřenosu(synaptickáplasticita)

Např.zesíleníodpovědireceptorůjejichfosforylací,insercínovýchreceptorůdomembrány,desenzitizace receptoru,popř.zvětšenímkvantovéhoobsahupresynapticky – retrográdnímsignálem

Synaptickéspojení

Excitační–ainhibičnísynapse

Postsynaptickýpotenciál

Sumacečasováaprostorová

A population field potential (“EPSP”) evoked in the dentate gyrus

Stimulus artefact

Population spike

EPSP

Synaptickáplasticita

Jepravděpodobněmechanismem,jakýmjsouuchováványinformacevpaměti.

Mohlabybýtpodklademnejenučeníapaměti,aleidlouhodobějšíchvzorcůchování.

Plasticitamávýznampatrněivdrogovézávislostianapř.idlouhodobéaneuropatickébolesti

Jepřístupnáexperimentálnímuzkoumání,dáseměřitnapř.elektrofyziologicky

Synaptickáplasticita

Synaptickáplasticita jedefinovánajakoschopnostsynapsezměnitsvojisynaptickousílu(synaptic strength)vzávislostinavlastníaktivitě

Synaptickásíla– jemírazměnypostsynaptickéhopotenciáluevokovanéhoaktivacípresynaptickéhozakončeníanáslednýmvýlevemneuropřenašeče.

– Defacto,účinnost,efektivitasynaptickéhopřenosu

Změnadráždivostipostsynaptickémembránydanáopakovanouaktivacípresynaptickéhoapostsynaptickéhoneuronu– (tatodefiniceseblížípojetíHebba).

Synaptickáplasticita

SantiagoRamónyCajal(1852‐1934)bylvroce1894prvním,kdonavrhlpředstavu,žeučenínenízprostředkovánopřírůstkempočtuneuronů,alekezměněsilspojenímezitěmitoneurony.

Aždodruhépoloviny20.stoletínemělivědcinástroje,jaktytozměnyměřit

Hebbůvzákon

Cellsthat fire toghether,wire together“

– Hebbův zákon

(Hebb,D.O.(1949)TheOrganizationofBehavior,JohnWiley&Sons,Inc.,N.Y)

„WhenanaxonofcellAisnearenoughtoexciteacellBandrepeatedlyorpersistentlytakespartinfiringit,somegrowthprocessormetabolicchangetakesplaceinoneorbothcellssuchthatA'sefficiency,asoneofthecellsfiringB,isincreased.“

Hebbovská synaptickáplasticitabylastudovánačastounižšíchživočichů,např.Aplysie (E.Kandel)‐ Velkéneurony,definovanáspojení,apod..

Marrův modelformacearchikortikálních stop(1971)

"Simple memory: a theory for archicortex." Phil. Trans. Royal Soc. London, 262:23-81 (1971)

DavidCourtnayMarr (1945‐1980) – britskýneurobiologapsycholog,zabývalsepředevšímviděním.

Vr.1971navrhnulautoasociativnímodelarchikortikální(hipokampální)reprezentacepaměti,kdyaktivovanéneuronyvytvářelyvzájemnáspojenínazákladězvýšenísynaptickéúčinnostianásledněpovytvořenísítěstačilaaktivacečástibuněkkobnovenífunkcecelésítě.

Modelzaložennamodifikacisynaptickýchspojenípomocízkušenosti,umožňovalvybavenípaměťovéstopyinazákladěčástečnéinformace.

Modelsestalvýchodiskempromnohohypotézofunkcihipokampu,znichžněkterébylypotvrzeny.

Mechanismysynapticképlasticity

Mechanismů,kterévedouksynapticképlasticitě,jemnoho.

např.

• fosforylacereceptorů,

• zvýšeníintracelulárníhoCa2+,

• vkládáníreceptorůdosyn.štěrbiny,

• syntézanovýchbílkovin,

• zvýšenípočtusynaptickýchknoflíků,

• rašeníkolaterálníchvláken(sprouting)

• zvýšenívýlevuzpresynaptickéterminályprostřednictvímretrográdníhosignálu

Studiumsyn.plasticityujednoduchýchorganismů‐ Aplysiacalifornica

• Několiktisícsnadnoidentifikovatelných,poměrněvelkýchneuronů.

• Zpravidlasestudujeodpověd žaber(gill)napodrážděnísifonu(siphon),kterýmzvířenasáváafiltrujemořskouvodu.Někdyvědcistudujíizatahovánísifonu

• Sifonjeinervovánsenzorickýmneuronem(LEmechanosenzorem),kterýjesynaptickyspojenspostsynaptickýmmotorickýmneuronem(L7)inervujícím žábry

Mechanismyjednoduchéhoučeníumořskéhozeje(Aplysia)

Eric Kandel – Nobelova cena za lékařství a fyziologii (r. 2000)

HabituacezatahovacíhoreflexužaberuAplysie

Přiopakovanémdrážděnídošlojakkesníženíbehaviorálníchodpovědí,takkesníženíamplitudypostsynaptickéhopotenciálu.

Klasické(pavlovovské)podmiňovánízatahovacíhoreflexusifonuuAplysie

SynaptickézměnyvdůsledkuučeníuAplysie

Kandelzjistil,ževdůsledkudlouhodobéhabituace(opakovanoutaktilnístimulací)nebosenzitizace(opakovanýmšokovánímdoocásku)docházíuzejekezměněpočtusynaptickýchspojení– vdůsledkutohoikezměněúčinnostisynaptickéhopřenosu

=jedenzpříkladůSYNAPTICKÉPLASTICITY

Avšakzvýšenípočtusynapsíjepouzejedenzmechanismů...

OperantnípodmiňováníuAplysie

Hawkins,R.D.,Clark,G.A.,&Kandel,E.R.(2006).OperantConditioningofGillWithdrawalinAplysia.TheJournalofNeuroscience,26,2443‐2448.

PokudAplysie povolilažábrypourčitouhranici,byla„potrestána“mírnýmšokemdoocásku.

Zvířatasenaučilaoperantnězatahovatžábry,abysevyhnulapotrestání.

Vzhledemktomu,ženeuronyinervující struktury,kterésetohotochováníúčastní,jsoujižidentifikovány,mohlobytootevřítcestukestudiumechanismůtohototypuučení.

– MichelM,GreenCL,Eskin A,LyonsLC. PKG‐mediatedMAPKsignalingisnecessaryforlong‐termoperantmemoryinAplysia. LearnMem.2011Jan18;18(2):108‐17.

Nynípřejdemeodbezobratlýchksavcům,předevšímlaboratornímhlodavcům

Synaptickáplasticita jepozorovatelnásamozřejměiuvyššíchobratlovců,adlouhosepředpokládalo,žebymohlabýtpodklademuchovávánípaměťovýchstop.

Dlouhodobápotenciaceadlouhodobádeprese– LTPaLTD– horcíkandidátinaneurálnísubstrátučeníapaměti

EPSP

EPSP(intracelulárně– uvětšíchvláken,popř.pomocítechnikyterčíkovéhozámku

fEPSP(field‐EPSP)– extracelulárně,připadávúvahuustrukturspravidelnýmuspořádánímneuronůdovrstevčilamin– např.hipokampus

LTPaLTD

Dlouhodobézvýšení,resp.sníženíodpovědí,neboliamplitudyEPSPpropředchozítetanickéstimulaci

Mádvěfáze:časnou(E‐LTP)apozdní(L‐LTP)

Časnáfázejenezávislánaproteosyntéze,pozdnínanízávisí

Vrámciplasticityexistujevícemožnostízasílení synaptickéúčinnosti

Inzerce nových receptorů do postsynaptické membrány– větší odpovědí na stejné množství neuropřenašeče

Zvýšení výlevu prostřednictvím retrográdního signálu –nejasné, uvažuje se o NO, popř. extracelulárních adhezních molekulách

Rašení nových synaptických knoflíků

Ztenčení krčku dendritického trnu – změna elektrických vlastností – vyšší excitabilita

Dlouhodobápotenciace‐ LTPDlouhodobé zvýšení synaptických odpovědí post synaptického neuronu (=amplitudy EPSP) po tetanickém dráždění presynaptické terminály

Velmi často se měří v hipokampu a přilehlých strukturách.

A population field potential (“EPSP”) evoked in the dentate gyrus by stimulating the perforant path.

Stimulus artefact

Population spike

EPSP

Dlouhodobápotenciace(LTP)

Bliss and Lømo (1973) J. Physiol. 232: 331-356- LTP poprvé popsána v gyrus dentatus králíka

Tim Bliss Terje Lømo

Dlouhodobézvýšenísynaptickýchodpovědípostsynaptickéhoneuronu(=amplitudyEPSP)potetanickémdrážděnípresynaptickéterminály.Někdysevykládájakozesíleníkomunikacemezipresynaptickýmapostsynaptickýmneuronem,nazákladěaktivaceoboutěchtoneuronů.

LTP

Dlouhodobápotenciace(LTP)vs.dlouhodobádeprese(LTD)

Dlouhodobádeprese‐ LTD

Opakdlouhodobépotenciace,jdeodlouhodobésníženíúčinnostisynaptickéhopřenosunásledkemrepetitivní stimulacepresynaptickýchvstupů

JetovlastněprotějšekLTP,zfyziologickéhohlediskasezdábýtintuitivněnezbytný(„whatgoes up,must godown“)

Vyskytujesenapř.vhipokampu(nízkofrekvenčnístimulace)nebovPurkyňovýchbuňkáchmozečku(silnástimulace)

Dlouhodobádeprese‐ LTD

LTD je podmíněna zpravidla aktivací NMDA receptorů (ne vždy),ale o nižší hodnotě, a zvýšením intracelulárního vápníku, avšak na nižší hladinu, než jaká je pozorována u LTP.

Někdy se LTD mohou účastnit také metabotropní glutamátové receptory (mGluR), popř snad i kanabinoidní receptory (také spřažené s G-proteinem)

Indukce LTD zahrnuje aktivaci fosfatáz (defosforylujcíí enzymy), které následně sníží citlivost glutamátových receptorů a tím redukují postsynaptickou odpověď na neuropřenašeč.

Může zahrnovat také internalizaci AMPA receptorů z postsynaptické membrány do intracelulárních kompartmentů.

Dlouhodobádeprese‐ LTD

Na synapsích Schafferových kolaterál (spojení hipokampálních oblastí CA3 a CA1) lze vyvolat LTP i LTD tetanickým dráždění, klíčovým faktorem pro to, který fenomén bude indukován, je frakvence dráždění (viz obrázek).

Nízkofrekvenční stimulace vede ke vzniku LTD.

LTD je odlišná od tzv. synaptické depotenciace, což je de facto návrat LTP na klidovou hladinu.

V mozečku se LTD účastní motorického učení.

LTPvykazujespecificitu

Běhemdrážděníurčitéhovstupudocházíkpotenciacipouzeutohotostimulovanéhovstupu,aneusousedníchvstupů (pakliženejsoutytovstupyfunkčněspřaženy,popř.stimuloványsoučasně– vizasociativitaakooperativita)

LTPvykazujeasociativitu

Associativita představujefenomén,kdyrelativněslabástimulacenajednomvstupunenídostatečnáabyvyvolalaLTP,současnésilnástimulacenajiném,funkčněasociovanémvstupuvyvoláLTPnaobouvstupech.

Častojepozorovánanapř.nasynapsíchSchafferových kolaterálzhipokampálníoblastiCA3doCA1

LTPvykazujekooperativitu

LTP může být indukována buď silným tetanickým drážděním jednoho vstupu, nebo kooperativně slabším drážděním více vstupů současně. Pokud je stimulován slabě jen jeden vstup, nedosáhne depolarizace hodnoty potřebné k indukci LTP. Pokud je však takovouto slabší stimulací drážděno více konvergujících vstupů, může dojít k sumaci těchto efektů a následné tvorbě dlouhodobé potenciace.

Někteří autoři zastávají názor, že rozdíl mezi kooperativitou a asociativitou je pouze sémantický

ČasnáapozdnífázeLTP(earlyLTP,lateLTP)

Časnáfáze– nezávislánaproteosyntéze– Induction phase

– Maintainance phase

Pozdnífáze– závisínasyntézenovýchbílkovinaremodelacisynapse.– Induction

– Maintainance

ČasnáapozdnífázeLTP‐mechanismy

•Iniciacečasnéfáze– zvýšenáaktivaceAMPAreceptorů– depolarizace– odblokováníNMDAreceptorů– vtokCa2+‐ Ca‐calmodulin kinázaII– PKC– MAPkináza (MAPK)

•Udržováníčasné‐ CMKIIaPKCztrácízávislostnaCa– perzistentníaktivita>fosforylace AMPAreceptorů,inzercerezervníchAMPAreceptorů (bezprotesyntézy)

•Indukcepozdní– MAPK(ERK)vykazujeprezistentní aktivitu

•Udržovánípozdní– ERKfosforyluje řadycytosolických ajadernýchmolekul,kterénakonecvedouksyntézespecifickýchproteinů,kteréudržujílate‐LTP,předevšímPKMζ

J Neurochem. 2001 Jan;76(1):1-10. The neuronal MAP kinase cascade: a biochemical signal integration system subserving synaptic plasticity and memory. Sweatt JD.

UdržovacífázepozdníLTP– hotspotsoučasnéneurochemiepaměti

BěhemudržovacífázedocházípřeskinázyatranskripčnífaktoryksyntézePKMζ (zeta),cožjepodtypPKC,kterájeposvésyntézekonstitutivněaktivníaregulujetrafficking asyntézuAMPAreceptorů,reorganizacisynaptickýchproteinůaremodelaci synapse.

Patrněijinékinázy,alenedávnástudieukázala,žesyntézaPKMζ udržujespecifickypozdníLTP.

Zvýšeuvedenéhovyplývá,ževindukciaudržováníčasnéLTPavindukcipozdníLTPhrajerolímnohoregulačníchkináz,alenaPKMζ sepatrněsignálsbíhá

Retrográdnísignalizace

Nicméně,běhempozdníLTPdocházítakékekomunikacispresynaptickýmzakončením,neboťbyloprokázáno,žesezvyšujezásobasynaptickýchváčkůvtermináleadocházíkdalšímzměnámnapresynaptickýchproteinech,mělabytedyexistovatretrográdnísignalizace(uvažujeseoNO,neboproteinechextracelulárnímatrix– vizbiologiebuňky)

Zkušenost Změna synaptické účinnnosti(přirozená plasticita)

Paměť

Tetanizace Změna účinnosti synaptického přenosu

(LTP)

Zvýšení evokované odpovědi (EPSP)

Teoretická koncepce studia vztahu “LTP-paměť”

Typy studií zabývajících se vztahem LTP - paměť:

• Vliv učení na synaptickou sílu a LTP• Vliv tetanizace (saturace LTP) na učení• Vliv manipulace (např.blokády) synaptické plasticity na učení paměť

UčenípřímoindukujeLTP WhitlockJR,Heynen AJ,ShulerMG,BearMF. Learninginduceslong‐termpotentiationin

thehippocampus. Science.2006; 313(5790):1093‐7

UčenípřímoindukujeLTPII

Whitlockaspol.ukázali,žetréninkpotkanůvúlozepasivníhovyhýbání(otésipovímevkapitoleupaměťovýchúlohách)způsobujeuněkterýchneuronůindukciLTP.

UmnohazměřenýchneuronůvšakLTPindukovánanení,atobylopatrnědůvodem,pročsenaobjevčekalotakdlouho.

Jetorovněžpodpůrnýmdůkazempro„distributedmemory encoding“– vizobecnýmodul

InhibicePKMζ vedekvymazáníjižustavenépaměťovéstopy

PastalkovaE,SerranoP,PinkhasovaD,WallaceE,FentonAA,SacktorTC. StorageofspatialinformationbythemaintenancemechanismofLTP. Science.2006;313(5790):1141‐4

SpecifickýblokátorPKMζ bylaplikovándohipokampuazablokovaljakpozdníLTP,takvybavenínaučenéinformaceavšakneovlivnínovéučení,tzn.žePKMζ nehrajepatrněrolivindukcičasnéLTP

Prokázánobylo,žesyntézaPKMζ jenezbytnouproudržovacífázipozdníLTP

ZIP,inhibitorproteinkinázyMζ,mažepaměťovoustopu,alenebránínovémuučení.

Problematickéotázky

JeLTPindukovánatakéjinýmitypyučenínežpasivnímvyhýbáním?

MažeinhibicePKMζ pomocípeptiduZIPtakéjinédruhypamětinežplaceavoidance,cožjekognitivníúlohavysocezávislánahipokampu?

Jetotovymazánípamětipatrnéivjinýchstrukturáchvmozkunežjehipokampus?

– Některéurčitě,např.chuťovouaverzivkortexu,viz:ShemaR,SacktorTC,Dudai Y. Rapiderasureoflong‐termmemoryassociationsinthecortexbyaninhibitorofPKMzeta. Science; 317(5840):951‐3

– Byloprokázáno,žeuřadytypůpamětitentomechanismusfunguje

Serrano P,Friedman EL,Kenney J,Taubenfeld SM,Zimmerman JM,Hanna J,Alberini C,Kelley AE,Maren S,RudyJW,Yin JC,Sacktor TC,Fenton AA.PKMzeta maintains spatial,instrumental,andclassicallyconditioned long‐termmemories.PLoS Biol.2008Dec23;6(12):2698‐706.

NejnovějšínegativnídůkazoPKMzetaaLTP

LetosvyšlaprácepopisujícítransgennípotkanyskonstitutivníapodmíněnoudelecíPKMζ aunichnebylopozorovánížádnézhoršenípamětianiLTP.

NaopakaplikaceZIPtěmtopotkanůmvedlakvymazáníLTP,zdásežeZIPtedyblokujedoposudneznáméprocesy,kroměaktivitynaPKMζ

Volk LJ,Bachman JL,JohnsonR,Yu Y,Huganir RL.PKM‐ζis notrequired for hippocampalsynaptic plasticity,learning andmemory.Nature.2013;493(7432):420‐3

KlíčovákompenzacepomocíPKCι/λ

„The storycontinues“

Shrnutí

Napaměťjemožnéaužitečnénahlížetjakonazměnyvchovánívyvolanépředchozízkušenostísubjektu

Takovétozměnyvchovánídanézkušenostíjemožnépozorovatiuevolučně„primitivních“organismů

TytozměnychováníjsouzpůsobenyzměnamivčinnostiCNS,předevšímzměnouvsílesynapsívmozku

Dlouhodobápotenciace(LTP)jakopříkladsynapticképlasticitybymohlaneuronálnímpodklademalespoňněkterýchtypůpaměti,jejízablokovánítutopaměťvyruší,alePKMzeta nemusíbýtonou„memorymolecule“

Stélezůstávámnohonevyjasněnýchotázek