Synaptická plasticita je schopnost měnit sílu synapse (velikost změny transmembránového potenciálu cílové buňky v reakci na dopad určité síly na presynaptický neuron) [1] . Je považována za hlavní mechanismus, kterým se realizuje fenomén paměti a učení . Tento mechanismus je charakteristický pro všechny organismy, které mají nervový systém a jsou schopny se alespoň na krátkou dobu něčemu naučit. Po uvolnění neurotransmiteru do synaptické štěrbiny aktivuje receptory postsynaptické buňky, což vede k excitaci (depolarizaci) nebo inhibici (hyperpolarizaci) cílové buňky (v závislosti na povaze receptorů a neurotransmiteru) [2] .
Podle délky působení se rozlišuje krátkodobá a dlouhodobá plasticita, podle povahy - deprese a potenciace ; existují tedy čtyři hlavní typy synaptické plasticity.
Významné množství různých forem krátkodobé (od milisekund po několik minut) synaptické plasticity bylo nalezeno pro téměř všechny synapse organismů různé úrovně složitosti - od bezobratlých po člověka . Tento druh plasticity je považován za důležitý pro krátkodobou adaptaci na smyslové informace, změny chování a krátkodobou paměť. Krátkodobá plasticita je iniciována krátkými výbuchy aktivity, které způsobují dočasnou akumulaci vápenatých iontů v presynaptických zakončeních. V důsledku této akumulace dochází ke změně pravděpodobnosti uvolnění neurotransmiteru v důsledku přímé modulace biochemických procesů, které řídí exocytózu [1] .
Zpracování párových pulsů je nejdůležitějším úkolem krátkodobé plasticity. Pokud buňka přijme dva pulsy oddělené krátkým intervalem, může být odezva na druhý puls buď silnější (zesílení) nebo slabší (deprese) než odezva na první. Oslabení párových pulzů je obvykle pozorováno v krátkých časových intervalech mezi nimi (méně než 20 ms ); nejpravděpodobnějším důvodem tohoto oslabení může být deaktivace napěťově závislých sodíkových a vápníkových kanálů nebo dočasné snížení počtu vezikul v presynaptickém zakončení [3] . Při delších intervalech mezi stimuly (20-500 ms ) je v mnoha případech odpověď na druhý signál silnější než na první.
Projev zesílení nebo zeslabení párových impulsů závisí na historii synapse. Tyto formy plasticity jsou vysoce závislé na změně pravděpodobnosti uvolnění neurotransmiteru v reakci na první signál. Pokud je tato pravděpodobnost vysoká, má druhý signál tendenci slábnout; pokud je aktivace synapse jedním signálem nepravděpodobná, je rozumné předpokládat, že další signál tuto pravděpodobnost zvýší. Manipulace, které mění pravděpodobnost odezvy synapse na signál, mohou změnit velikost účinku nebo dokonce změnit jeho povahu, například ze zesílení na útlum [4] .
K dlouhodobějším formám plasticity dochází po sérii stimulací produkovaných s vysokou frekvencí (konvulzivní nebo tetanická stimulace). Amplifikace (augmentace, facilitace) a postkonvulzivní potenciace (posttetanická potenciace, PTP) popisují zvýšení uvolňování neurotransmiteru trvající od několika sekund (amplifikace) do několika minut (PTP). Zároveň se také zvyšuje pravděpodobnost uvolnění neurotransmiteru díky akumulaci vápníku v presynaptickém zakončení při sérii podnětů, které lze kombinovat s modifikací presynaptických proteinů [3] .
V některých případech vede křečová stimulace k depresi synaptického spojení, která může trvat několik sekund až minut. Typicky se tento účinek vyskytuje na synapsích s vysokou pravděpodobností, kdy křečová stimulace vede k rychlému vyčerpání zásobních vezikul nebo jiným projevům inhibičního aparátu [3] .
Poprvé byla myšlenka spojení mezi získáváním zkušeností a změnou synaptické síly vyslovena na přelomu 19. a 20. století. Nositel Nobelovy ceny Santiago Ramón y Cajal . Experimentální studie dlouhodobé synaptické plasticity je založena na Hebbově postulátu formulovaném v roce 1949 : „Pokud je axon buňky A umístěn dostatečně blízko k buňce B, aby ji vzrušil, a neustále se účastní její aktivace, pak takové metabolické změny nebo v růstu jedné nebo obou buněk probíhají procesy, které zvyšují účinnost A jako jedné z buněk aktivujících B“ [5] . V moderní formulaci Hebbova postulátu se rozumí, že změna účinnosti přenosu signálu v synapsi je řízena korelací síly nutné pro aktivaci pre- a postsynaptického neuronu [6] .
První experimentální výsledky potvrzující Hebbův postulát byly získány na počátku 70. let 20. století [7] : opakovaná aktivace excitačních synapsí v králičím hipokampu způsobila nárůst síly synapse trvající několik hodin nebo dokonce dní. Tento jev se nazývá „ dlouhodobá potenciace “ (long-term potenciation, LTP). Později byly objeveny další jevy spojené se synaptickou plasticitou - dlouhodobé oslabení (dlouhodobá deprese, LTD), homeostatická plasticita, metaplasticita . Homeostatická plasticita je například změna síly všech synapsí konkrétní buňky v reakci na dlouhodobé změny aktivity, zejména zvýšení síly synapsí v reakci na snížení aktivity signálu. Tento druh plasticity je spojen s mnohem delší dobou než LTP a LTD a může být důležitý při vývoji neuronálních drah. Termín "metaplasticita" se týká účinků spojených se změnou schopnosti synapse vykazovat plasticitu [1] . Na rozdíl od krátkodobé plasticity je dlouhodobá plasticita spojena s genovou expresí a syntézou nových proteinů. Nejvíce studovanými formami dlouhodobé plasticity jsou stále LTP a LTD v hipokampální oblasti CA1, které jsou řízeny N-methyl-D-aspartátovými (NMDA) receptory. Teprve v posledních letech byly získány důkazy ve prospěch existence dlouhodobé potenciace synaptického přenosu zprostředkovaného GABA A (LTP GABA ), ke kterému dochází prostřednictvím heterosynaptického mechanismu, ale tento proces vyžaduje také aktivaci NMDA receptorů v glutamátu. synapse [8] .
Model spike-timing-dependent plasticity (STDP) je typ synaptické plasticity, který reguluje sílu spojení v závislosti na relativním čase mezi aktivací neuronu a vstupními akčními potenciály (vstupní hroty). Podle tohoto modelu plasticity, pokud vstupní špička následuje v průměru bezprostředně před aktivací neuronu, pak je toto spojení posíleno, a pokud následuje v průměru bezprostředně po aktivaci neuronu, pak je toto spojení oslabeno. Zvyšuje se tak vliv vstupů, které mohou způsobit aktivaci neuronu, a oslabuje se vliv vstupů, jejichž signály nemohly a nemohou být příčinou aktivace. Tento typ plasticity je v dobré shodě s Hebbovým principem pro trénování umělých neuronových sítí , podle kterého by mělo být posíleno spojení mezi uzly, které jsou aktivovány ve stejnou dobu. Jelikož se signály v biologickém systému nešíří okamžitě, ale se zpožděním, aby aktivace jednoho neuronu způsobila aktivaci druhého, musí být první aktivován o něco dříve.