Facilitación neuronal

Ca ²⁺desempeña un papel importante en la transmisión de señales en las sinapsis químicas . Ca ²⁺ dependiente de voltajeLos canales se encuentran dentro del terminal presináptico. Cuando un potencial de acción invade la membrana presináptica, estos canales se abren y el Ca ²⁺entra. Una mayor concentración de Ca ²⁺Esto permite que las vesículas sinápticas se fusionen con la membrana presináptica y liberen su contenido ( neurotransmisores ) en la hendidura sináptica para finalmente contactar con los receptores en la membrana postsináptica. La cantidad de neurotransmisor liberado se correlaciona con la cantidad de Ca ^2+.entrada. Por lo tanto, la facilitación a corto plazo (STF) resulta de una acumulación de Ca ²⁺dentro del terminal presináptico cuando los potenciales de acción se propagan muy cerca unos de otros en el tiempo. ^{[ 4 ]}

La facilitación de la corriente postsináptica excitatoria (EPSC) puede cuantificarse como una relación entre las intensidades de las EPSC subsiguientes. Cada EPSC se desencadena por concentraciones de calcio presinápticas y puede aproximarse mediante:

EPSC = k([ Ca ²⁺] _{presináptico} ) ⁴ = k([ Ca ²⁺] _descanso + [ Ca ²⁺] _influjo + [ Ca ²⁺] _residual ) ⁴

Donde k es una constante.

Facilitación = EPSC ₂ / EPSC ₁ = (1 + [ Ca ²⁺] _residual / [ Ca ²⁺] _afluencia ) ⁴ - 1

Los primeros experimentos realizados por Del Castillo y Katz en 1954 y por Dudel y Kuffler en 1968 demostraron que la facilitación era posible en la unión neuromuscular incluso si no se producía la liberación de neurotransmisores, lo que indica que la facilitación es un fenómeno exclusivamente presináptico. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Katz y Miledi propusieron el Ca ²⁺ residualhipótesis. Atribuyeron el aumento en la liberación de neurotransmisores al Ca ^{2+ residual o acumulado.}("calcio activo") dentro de la membrana del axón que permanece adherido a la superficie interna de la membrana. ^{[ 7 ]} Katz y Miledi manipularon el Ca ²⁺concentración dentro de la membrana presináptica para determinar si hay o no Ca ^{2+ residual}La permanencia dentro de la terminal tras el primer impulso provocó un aumento en la liberación de neurotransmisores tras el segundo estímulo.

Durante el primer impulso nervioso, Ca ²⁺La concentración era significativamente inferior o cercana a la del segundo impulso. Cuando Ca ²⁺Cuando la concentración se aproximaba a la del segundo impulso, la facilitación aumentaba. En este primer experimento, los estímulos se presentaron con intervalos de 100  ms entre el primero y el segundo. Se alcanzó un período refractario  absoluto cuando los intervalos eran de aproximadamente 10 ms.

Para examinar la facilitación durante intervalos más cortos, Katz y Miledi aplicaron directamente breves estímulos despolarizantes a las terminaciones nerviosas. Al aumentar el estímulo despolarizante de 1 a 2  ms, la liberación de neurotransmisores aumentó considerablemente debido a la acumulación de Ca2 ^{+ activo.}Por lo tanto, el grado de facilitación depende de la cantidad de Ca ^{2+ activo.}, que está determinado por la reducción de Ca ²⁺conductancia a lo largo del tiempo, así como la cantidad eliminada de los terminales axónicos después del primer estímulo. La facilitación es mayor cuando los impulsos están más juntos debido al Ca ²⁺La conductancia no volvería a su nivel basal antes del segundo estímulo. Por lo tanto, ambos Ca ²⁺conductancia y acumulación de Ca ²⁺ sería mayor para el segundo impulso cuando se presenta poco después del primero.

En la sinapsis del cáliz de Held , se ha demostrado que la facilitación a corto plazo (STF) resulta de la unión del Ca ^{2+ residual.}al Ca ²⁺ neuronal sensor 1 (NCS1). Por el contrario, se ha demostrado que el STF disminuye cuando Ca ²⁺Se añaden quelantes a la sinapsis (provocando quelación ) que reducen el Ca ^{2+ residual.}Por lo tanto, " Ca ^{2+ activo"}" desempeña un papel significativo en la facilitación neuronal. ^{[ 8 ]}

En la sinapsis entre las células de Purkinje , se ha demostrado que la facilitación a corto plazo está totalmente mediada por la facilitación de Ca ^2+.corrientes a través de los canales de calcio dependientes de voltaje . ^{[ 9 ]}

La mejora sináptica a corto plazo se suele diferenciar en categorías de facilitación , aumento y potenciación (también denominada potenciación post-tetánica o PTP ). ^{[ 1 ] [ 10 ]} Estos tres procesos se diferencian a menudo por sus escalas de tiempo: la facilitación suele durar decenas de milisegundos, mientras que el aumento actúa en una escala de tiempo del orden de segundos y la potenciación tiene una duración de decenas de segundos a minutos. Los tres efectos aumentan la probabilidad de liberación de neurotransmisores desde la membrana presináptica, pero el mecanismo subyacente es diferente para cada uno. La facilitación por pulsos pareados es causada por la presencia de Ca ^{2+ residual.}, el aumento probablemente se deba a una mayor acción de la proteína presináptica munc-13, y la potenciación post-tetánica está mediada por la activación presináptica de quinasas de proteínas. ^{[ 4 ]} El tipo de mejora sináptica observado en una célula determinada también está relacionado con la dinámica variable del Ca ²⁺eliminación, que a su vez depende del tipo de estímulos; un único potencial de acción conduce a la facilitación, mientras que un tétanos corto generalmente causa aumento y un tétanos más largo conduce a la potenciación. ^{[ 1 ]}

La depresión a corto plazo (DCP) opera en la dirección opuesta a la facilitación, disminuyendo la amplitud de los PSP. La DCP se produce debido a una disminución en el grupo de vesículas fácilmente liberables (RRP) como resultado de la estimulación frecuente. La inactivación del Ca ^{2+ presináptico}Los canales después de potenciales de acción repetidos también contribuyen a la STD. ^{[ 8 ]} La depresión y la facilitación interactúan para crear cambios plásticos a corto plazo dentro de las neuronas, y esta interacción se llama teoría de doble proceso de la plasticidad . Los modelos básicos presentan estos efectos como aditivos, con la suma creando el cambio plástico neto (facilitación - depresión = cambio neto). Sin embargo, se ha demostrado que la depresión ocurre antes en la vía estímulo-respuesta que la facilitación, y por lo tanto juega en la expresión de la facilitación. ^{[ 11 ]} Muchas sinapsis exhiben propiedades tanto de facilitación como de depresión. En general, sin embargo, las sinapsis con baja probabilidad inicial de liberación de vesículas tienen más probabilidades de exhibir facilitación, y las sinapsis con alta probabilidad de liberación inicial de vesículas tienen más probabilidades de exhibir depresión. ^{[ 3 ]}

Debido a que la probabilidad de liberación de vesículas depende de la actividad, las sinapsis pueden actuar como filtros dinámicos para la transmisión de información. ^{[ 3 ]} Las sinapsis con una baja probabilidad inicial de liberación de vesículas actúan como filtros de paso alto : debido a que la probabilidad de liberación es baja, se necesita una señal de mayor frecuencia para desencadenar la liberación, y la sinapsis, por lo tanto, responde selectivamente a señales de alta frecuencia. De manera similar, las sinapsis con altas probabilidades iniciales de liberación sirven como filtros de paso bajo , respondiendo a señales de menor frecuencia. Las sinapsis con una probabilidad intermedia de liberación actúan como filtros de paso de banda que responden selectivamente a un rango específico de frecuencias. Estas características de filtrado pueden verse afectadas por una variedad de factores, incluyendo tanto PPD como PPF, así como neuromoduladores químicos . En particular, debido a que las sinapsis con bajas probabilidades de liberación tienen más probabilidades de experimentar facilitación que depresión, los filtros de paso alto a menudo se convierten en filtros de paso de banda. Asimismo, dado que las sinapsis con altas probabilidades de liberación inicial son más propensas a sufrir depresión que facilitación, es común que los filtros de paso bajo se conviertan también en filtros de paso de banda. Los neuromoduladores, por su parte, pueden afectar estas plasticidades a corto plazo. En las sinapsis con probabilidades de liberación intermedias, las propiedades de la sinapsis individual determinarán cómo cambia la sinapsis en respuesta a los estímulos. Estos cambios en la filtración afectan la transmisión y codificación de la información en respuesta a estímulos repetidos. ^{[ 3 ]}

En los seres humanos, la localización del sonido se logra principalmente mediante información sobre cómo varían la intensidad y la duración de un sonido entre cada oído. Los cálculos neuronales que involucran estas diferencias de intensidad interaural (DII) y diferencias de tiempo interaural (DTI) se llevan a cabo típicamente en diferentes vías del cerebro. ^{[ 12 ]} Es probable que la plasticidad a corto plazo ayude a diferenciar entre estas dos vías: la facilitación a corto plazo predomina en las vías de intensidad, mientras que la depresión a corto plazo predomina en las vías temporales. Estos diferentes tipos de plasticidad a corto plazo permiten diferentes tipos de filtrado de información, contribuyendo así a la división de los dos tipos de información en flujos de procesamiento distintos.

Las capacidades de filtrado de la plasticidad a corto plazo también pueden ayudar a codificar información relacionada con la modulación de amplitud (AM). ^{[ 12 ]} La depresión a corto plazo puede ajustar dinámicamente la ganancia en entradas de alta frecuencia y, por lo tanto, permitir un rango de alta frecuencia ampliado para la AM. Una combinación de facilitación y depresión también puede ayudar en la codificación de la AM al conducir al filtrado de la tasa.