시냅스 가소성

3. 생화학적 기전

신경과학에서 시냅스 가소성은 시냅스가 활동의 증가 또는 감소에 반응하여 시간이 지남에 따라 강화 또는 약화되는 능력을 말한다.^[32] 기억은 뇌에서 광범위하게 상호 연결된 신경 회로로 표현되는 것으로 가정되기 때문에, 시냅스 가소성은 학습과 기억의 중요한 신경 화학적 기초 중 하나이다.

시냅스 가소성의 분자적 기전에는 NMDA 수용체와 AMPA 수용체가 관여한다. 장기 강화(LTP, long-term potentiation)는 시냅스 후 Ca²⁺ 농도 증가와 단백질 키나아제 활성화와 관련이 있다. 반면, 장기 억제(LTD)는 낮은 Ca²⁺ 농도와 단백질 인산분해효소 활성화와 관련이 있다.^[4]

2차 전달자 연쇄 반응은 유전자 전사를 조절하고 CaMKII 및 PKAII와 같은 주요 단백질 수준을 변화시킨다. 활성화된 단백질은 주어진 자극에 대해 국소적인 효과를 생성하도록 특정 위치에 한정되거나 구획화된다. NMDA 수용체로부터의 칼슘 유입은 CaMKII 활성화에 필요하다.^[7] 이 기전은 단백질 인산화에 의해 유발될 수 있지만 더 오래 지속되어 장기 기억 저장 기전을 제공한다. LTP의 지속 시간은 이러한 2차 전달자의 분해에 의해 조절될 수 있다.^[6]

두 뉴런 사이의 시냅스 연결 강도에 대한 장기적인 변화(장기적인 증강)는 시냅스 접촉의 생성 및 파괴를 포함할 수 있다. 액티빈 A와 같은 유전자는 초기 단계 LTP 동안 상향 조절된다. 액티빈 분자는 MAP-키나아제 경로를 통해 수상돌기 가시에서 액틴 역학을 조절한다. 수상돌기 가시의 F-액틴 세포 골격 구조를 변경함으로써 가시 목이 길어져 전기적 절연이 증가한다.^[8] 최종 결과는 LTP의 장기적인 유지이다.^[9]

시냅스 후 막의 이온 채널 수는 시냅스의 강도에 영향을 미친다.^[10] 연구에 따르면 시냅스 후 막의 수용체 밀도가 변화하여 자극에 대한 뉴런의 흥분성에 영향을 미친다.

시냅스 강도가 자극에 의해서만 강화되거나 약화되는 경우 양성 피드백 루프가 발생하여 일부 세포는 발화하지 않고 일부 세포는 너무 많이 발화하게 된다. 그러나 음성 피드백을 제공하기 위해 시냅스 스케일링 및 메타가소성이라는 두 가지 조절 형태의 가소성도 존재한다.^[13] 시냅스 스케일링은 뉴런이 발화율을 안정화할 수 있는 주요 기전이다.^[16] 메타가소성은 가소성이 발생하는 임계값을 변경하여 LTP 및 LTD의 포화 상태를 방지한다.^[17] 시냅스 스케일링은 뉴런이 다양한 입력에 선택적으로 반응할 수 있는 주요 기전이다.^[18] LTP/LTD의 영향을 받고 스케일링 및 메타가소성에 의해 수정된 신경 회로는 헤비안 이론 방식으로 반향 신경 회로의 발달 및 조절로 이어지며, 이는 기억으로 나타난다.^[19]

시냅스 가소성을 생성하기 위한 생화학적 상호 작용에는 위치의 중요성이 있다. 예를 들어 AMPA 수용체의 엑소사이토시스는 t-SNARE STX4에 의해 공간적으로 조절된다.^[20] 특이성은 또한 나노 영역 칼슘과 관련된 CAMKII 신호 전달의 중요한 측면이다.^[7] 수상돌기 가시와 축 사이의 PKA의 공간적 기울기 역시 시냅스 가소성의 강도와 조절에 중요하다.^[6]

3. 1. NMDA 수용체와 AMPA 수용체의 역할

3. 2. 2차 전달자

3. 3. 기타 기전

4. 이론적 기전

신경과학에서 시냅스 가소성의 장기 증강(LTP)과 장기 억제(LTD)를 모두 설명하는 양방향 모델은 계산 신경과학, 신경망, 생물물리학 분야의 다양한 학습 메커니즘에 필수적인 것으로 입증되었다. 이러한 가소성의 분자적 특성에 대한 세 가지 주요 가설이 잘 연구되었으며, 어떤 것도 배타적인 메커니즘일 필요는 없다.

# 글루탐산 방출 확률의 변화.

# 시냅스 후 AMPA 수용체의 삽입 또는 제거.

# 인산화 및 탈인산화는 AMPA 수용체 전도도의 변화를 유도한다.

이 중, 마지막 두 가설은 최근 수학적으로 동일한 칼슘 의존적 역학을 갖는 것으로 연구되었으며, 이는 수용체의 총수가 보존되는 선형 모델에서 다음과 같은 가소성의 칼슘 기반 모델에 대한 강력한 이론적 증거를 제공한다.^[32]

:$\backslash frac\{d\; W\_i(t)\}\{d\; t\}=\backslash frac\{1\}\{\backslash tau([Ca^\{2+\}]\_i)\}\backslash left(\backslash Omega([Ca^\{2+\}]\_i)-W\_i\backslash right),$

여기서

• $W\_i$는 $i$번째 입력 축삭의 시냅스 가중치이고,
• $[Ca^\{2+\}]$는 칼슘의 농도이며,
• $\backslash tau$는 신경전달물질 수용체의 삽입 및 제거 속도에 의존하는 시간 상수이며, 이는 $[Ca^\{2+\}]$에 의존하고,
• $\backslash Omega=\backslash beta\; A\_m^\{\backslash rm\; fp\}$는 또한 고정된 지점에서 뉴런의 막에 있는 수용체의 수에 선형적으로 의존하는 칼슘 농도의 함수이다.

5. 단기 가소성

단기 시냅스 가소성은 수십 밀리초에서 수 분의 시간 척도로 작용하며, 시냅스를 강화하거나 약화시킬 수 있다. 시냅스 억제(시냅스 피로)는 일반적으로 쉽게 방출 가능한 소포의 고갈 때문에 발생한다. 억제는 시냅스 후 과정과 시냅스 전 수용체의 피드백 활성화로 인해 발생할 수도 있다.^[23] 이종 시냅스 억제는 별아교 세포에서 아데노신 삼인산(ATP)의 방출과 관련이 있는 것으로 생각된다.^[24]

5. 1. 종류

6. 장기 가소성

신경과학에서 장기 억제(LTD)와 장기 강화(LTP)는 흥분성 시냅스에서 발생하는, 수 분 이상 지속되는 장기 가소성의 두 가지 형태이다.^[2] NMDA 의존성 LTD와 LTP는 광범위하게 연구되었으며, 글루탐산과 글리신 또는 D-세린이 NMDA 수용체 활성화를 위해 결합해야 하는 것으로 밝혀졌다.^[24]

6. 1. 장기 억제 (LTD)

6. 2. 장기 강화 (LTP)

7. 시냅스 강도

시냅스 가소성의 변형은 기능적 가소성이라고 한다. 시냅스 강도의 변화에는 특정 유형의 신경교 세포에 대한 별개의 메커니즘이 관여하며, 가장 많이 연구된 유형은 별세포이다.^[24]

8. 가소성의 계산적 이용

모든 종류의 시냅스 가소성은 서로 다른 계산적 사용법을 가지고 있다.^[31] 단기 촉진은 작동 기억 및 판독을 위한 입력 매핑 역할을 하는 것으로 나타났으며, 단기 억제는 자동 상관 관계를 제거하는 데 사용된다. 장기 기억 증강은 공간 기억 저장에 사용되는 반면, 장기 기억 억제는 공간 특징 인코딩, 시냅스의 선택적 약화 및 오래된 기억 흔적 제거에 각각 사용된다. 순방향 스파이크-타이밍 의존 가소성은 장거리 시간 상관 관계, 시간 코딩 및 시공간 코딩에 사용된다. 반전된 스파이크-타이밍 의존 가소성은 감각 필터링 역할을 한다.

참조

_[1] 논문 Post-tetanic potentiation 1958-01
_[2] 논문 Synaptic stability and plasticity in a floating world 2010-10
_[3] 논문 Long-term plasticity at GABAergic and glycinergic synapses: mechanisms and functional significance 2002-11
_[4] 서적 Neuroscience: Exploring the Brain Lippincott, Williams & Wilkins 2007
_[5] 논문 Postsynaptic protein phosphorylation and LTP 2000-02
_[6] 논문 Subcellular dynamics of type II PKA in neurons 2009-05
_[7] 논문 Activation of CaMKII in single dendritic spines during long-term potentiation 2009-03
_[8] 논문 The spine neck filters membrane potentials 2006-11
_[9] 논문 Activin increases the number of synaptic contacts and the length of dendritic spine necks by modulating spinal actin dynamics 2007-11
_[10] 논문 Brain plasticity and ion channels 2003
_[11] 논문 Rapid spine delivery and redistribution of AMPA receptors after synaptic NMDA receptor activation 1999-06
_[12] 논문 Regulation of AMPA receptors during synaptic plasticity 2002-11
_[13] 논문 Homeostatic plasticity and NMDA receptor trafficking http://www.psychiatr[...] 2007-06-08
_[14] 서적 Neuroscience: Exploring the Brain https://archive.org/[...] Lippincott Williams & Wilkins 2007
_[15] 논문 Balance and stability of synaptic structures during synaptic plasticity 2014-04
_[16] 논문 Critical periods for experience-dependent synaptic scaling in visual cortex 2002-08
_[17] 논문 Metaplasticity: a new vista across the field of synaptic plasticity 1997-07
_[18] 논문 Synaptic plasticity: taming the beast 2000-11
_[19] 논문 Donald O. Hebb's synapse and learning rule: a history and commentary 2005-01
_[20] 논문 Syntaxin-4 defines a domain for activity-dependent exocytosis in dendritic spines 2010-04
_[21] 논문 Converging evidence for a simplified biophysical model of synaptic plasticity http://physics.brown[...] 2002-12
_[22] 논문 Augmentation is a potentiation of the exocytotic process 1999-01
_[23] 논문 Short-term synaptic plasticity 2002-03
_[24] 논문 Glia: the many ways to modulate synaptic plasticity 2010-11
_[25] 논문 Mechanism for a sliding synaptic modification threshold 1995-07
_[26] 논문 Synaptic plasticity: a unifying model to address some persisting questions 2011-06
_[27] 논문 Activity-dependent long-term depression of electrical synapses 2011-10
_[28] 논문 Physiology of Cerebellar Reserve: Redundancy and Plasticity of a Modular Machine 2021-04
_[29] 논문 Long-term depression of excitatory synaptic transmission and its relationship to long-term potentiation 1993-11
_[30] 논문 A spike-timing-dependent plasticity rule for dendritic spines 2020-08
_[31] 논문 Atomic scale nanoelectronics for quantum neuromorphic devices: comparing different materials 2016
_[32] 저널 인용 Post-tetanic Potentiation https://archive.org/[...]