同シナプス可塑性

同シナプス可塑性はシナプス可塑性の一種です。^[1]同シナプス可塑性は入力特異的であり、シナプス強度の変化はシナプス前標的によって特異的に刺激されたシナプス後標的でのみ発生します。^[2]したがって、シナプス前細胞からの信号の広がりは局所的です。

別のタイプのシナプス可塑性である異シナプス可塑性は、入力に特有ではなく、多くのメカニズムにおいて同シナプス可塑性と異なります。

ホモシナプス可塑性によるシナプスの強化は、入力に特有であるだけでなく、シナプス前ニューロンとシナプス後ニューロンが時間的に近いタイミングで発火することに依存するため、連想的です。この連想性により、シナプス後ニューロンも発火する可能性が高まります。^{[3]これらのメカニズムは、学習と}短期記憶の基礎となると理論化されています。^[3]

ドナルド・ヘブは、シナプス接続の強化はシナプス前終末とシナプス後樹状突起間の協調活動によって起こると理論づけた。ヘブによれば、これら 2 つの細胞は、そのシグナル伝達が空間および/または時間的に同時に起こるため、つまり同時活動として強化される。この仮説は「一緒に発火する細胞は一緒に配線される」と要約されることが多く、つまり同時発火するニューロンを持つシナプスが強化され、これらのニューロン上の他のシナプスは変化しないことを意味する。^[3]ヘブの仮説は、シナプス可塑性が長期情報記憶の基盤となる概念的枠組みを提供している。^[1]

可塑性の変化は、多くの場合、結合強度の変化を受けているシナプスのシナプス後膜へのAMPA受容体（AMPAR）の挿入または内部化を介して発生します。^[1] Ca ²⁺は、細胞内で一連の生物学的変化を誘導することによってこのAMPA受容体密度の変化を引き起こすシグナルイオンの1つです。長期増強（LTP）を誘導するために、Ca ^2+はCAMKIIとPKCを活性化し、AMPARのリン酸化と挿入を引き起こします。一方、長期抑制（LTD）は、Ca ²⁺がタンパク質ホスファターゼを活性化することで発生し、AMPARの脱リン酸化と内部化を引き起こします。^[1]

シナプス強度の入力特異的な変化を生み出すには、Ca ²⁺シグナルを特定の樹状突起棘に限定する必要があります。樹状突起棘への Ca ²⁺の制限は、いくつかのメカニズムによって媒介されます。細胞外 Ca ^{2+ は、NMDA 受容体 (NMDAR) と電位依存性 Ca 2+}チャネル (VGCC)を介して棘棘に進入できます。NMDAR と VGCC は両方とも樹状突起棘に集中しており、棘棘特異的 Ca ²⁺流入を媒介します。小胞体とミトコンドリア内の Ca ²⁺の細胞内貯蔵も棘棘限定シグナル伝達に寄与する可能性がありますが、いくつかの研究ではこれに関する証拠が見つかりませんでした。^{[4] Ca 2+}のクリアランスは、Ca ²⁺に結合して他の棘棘への流出を防ぐ緩衝タンパク質によって制御されます。樹状突起棘のネックを横切る Ca ²⁺の拡散が制限されることも、特定の樹状突起への Ca 2+ の隔離に役立ちます。^[4]

入力特異的長期増強のもう 1 つのメカニズムは時間的なものです。NMDAR は、マグネシウムのブロックを解除するための脱分極と、チャネルを開いて Ca ^{2+ の}流入を可能にするためのグルタミン酸の活性化の両方を必要とします。したがって、LTP は、グルタミン酸を放出してシナプス後細胞の脱分極を引き起こすアクティブなシナプス入力によって NMDA チャネルが開かれる部位に局在し、近くの非アクティブなシナプスには影響しません。^[1]

LTP を安定させ、より長い期間持続させるために、この変化をサポートする新しいタンパク質が、増強シナプスでの刺激に反応して合成されます。ここで課題となるのは、特定の新しく合成されたタンパク質を、必要な入力固有のシナプスに正しく届ける方法です。この問題の解決策として、シナプスタグ付けと局所タンパク質合成の 2 つが挙げられます。

シナプスタグはシナプス可塑性が生じた場所をマークし、シナプスの強度と長期的な可塑性変化の可能性に関する情報を提供します。^[5]タグは一時的なもので、シナプス後細胞へのCa ²⁺の流入によって活性化される多数のタンパク質が関与します。 ^[5]さらに、シナプス変化の種類と程度に応じて、タグ付けに異なるタンパク質が使用されます。たとえば、可塑性変化が長期抑制につながる場合は、カルシニューリンが使用されます。逆に、可塑性が長期増強につながる場合は、CaMKIIが使用されます。^[5]シナプス可塑性が入力特異的であるためには、シナプス後ターゲットにこれらのシナプスタグが不可欠であり、シナプス増強が局所化されるようにします。^[5]これらのタグは後にタンパク質合成を開始し、活性化されたニューロンでシナプス可塑性の変化を引き起こします。^[1]

樹状突起でのタンパク質合成は、ホモシナプス可塑性に必要である。シナプス後細胞におけるAMPA受容体およびNMDA受容体の脱分極とその結果の活性化は、これらの受容体のエンドサイトーシスを引き起こす。シナプスの表面受容体の数を維持するには、局所的なタンパク質合成が必要である。これらの新しいタンパク質は、ホモシナプス可塑性によって誘発される構造変化を安定化させるのに役立つ。^[6]樹状突起には、これらのタンパク質を製造できるリボソームが存在するという証拠がある。さらに、樹状突起にはRNAの顆粒が存在するという証拠もあり、これは新しく作られたタンパク質の存在を示している。LTPは、シナプス後標的ニューロンの細胞体から切断された樹状突起から誘発される可能性がある。逆に、エンドマイシンなどのタンパク質合成阻害剤によってこれらの樹状突起でのLTPを阻害することができ、これはさらに局所的なタンパク質合成の場所を示している。この証拠は、L-LTPを安定化および維持するには、局所的なタンパク質合成が必要であることを示している。^[1]