LA PLASTICITÀ SINAPTICA

Fenomeni di plasticità sinaptica a breve termine nella giunzione neuromuscolare

Ruolo delle variazioni della probabilità di rilascio del quanto nella plasticità sinaptica a breve termine High Ca 2+, low Mg 2+ Normal Ca 2+ /Mg 2+ ratio

Valutazione delle variazioni della probabilità di rilascio del quanto nella plasticità sinaptica: il protocollo di paired-pulse stimulation Neuroni piramidali di CA1, stimolazione nello stratum radiatum. Da Manabe et al., 1993

Potenziamento sinaptico attività-dipendente: diverse forme Facilitazione (decine di ms); aumentazione (< 1 s) Potenziamento post-tetanico (post-tetanic potentiation, PTP) (< 1-2 min) Potenziamento a breve termine (short-term potentiation, STP) (< 60 min) Potenziamento a lungo termine (long-term potentiation, LTP) (ore-giorni)

PTP, STP e LTP: fenomenologia

PTP, STP e LTP a confronto PTP Indotto da stimolazioni tetaniche “deboli” (per frequenza e durata) Durata  1-2 min Meccanismo presinaptico STP Indotto da stimolazioni tetaniche “intermedie” Durata: decine di min - 1 h LTP Indotto da stimolazioni tetaniche “forti” (  100 Hz,  1 s) Durata: ore (in vitro), giorni (in vivo)

Un modello di plasticità sinaptica: le sinapsi dei circuiti ippocampali

PLASTICITÀ SINAPTICA: l’LTP associativo

Il potenziamento a lungo termine (LTP) nelle sinapsi ippocampali pp-DG e CA3-CA1 Sinapsi perforant path -DG Tetano: 250 Hz, 200 ms

Proprietà dell’LTP nelle sinapsi pp-DG e CA3-CA1: cooperatività, specificità, associatività (I) Campo CA1 dell’ippocampo Stimoli di debole intensità Stimoli di forte intensità

Proprietà dell’LTP nelle sinapsi pp-DG e CA3-CA1: cooperatività, specificità, associatività (II)

Fasi e meccanismi dell’LTP: definizioni Induzione Fase in cui vengono attivati e operano i meccanismi che sfociano nell’aumento dell’efficacia sinaptica Espressione Modalità attraverso cui l’aumento dell’efficacia sinaptica si realizza in conseguenza dei meccanismi di induzione Consolidamento Insieme degli eventi tardivi grazie ai quali l’aumento dell’efficacia sinaptica diviene “a lungo termine” (passaggio STP  LTP?)

Dati sui meccanismi cellulari di induzione dell’LTP (pp-DG e CA3-CA1) (I) 1.Abolita dal blocco dei recettori glutammatergici di tipo NMDA

STP e LTP associativo: NMDA-dipendenza

Dati sui meccanismi cellulari di induzione dell’LTP (pp-DG e CA3-CA1) (I) 1.Abolita dal blocco dei recettori glutammatergici di tipo NMDA 2.Abolita dal chelaggio del Ca 2+ intracellulare 3.Riprodotta dagli aumenti della [Ca 2+ ] i ottenuti con flash photolysis di Ca 2+ caged

Un modello di induzione dell’LTP: il ruolo dei recettori NMDA

Dati sui meccanismi cellulari di induzione dell’LTP (pp-DG e CA3-CA1) (II) 1.Abolita dal blocco dei recettori glutammatergici di tipo NMDA 2.Abolita dal chelaggio del Ca 2+ intracellulare 3.Riprodotta dagli aumenti della [Ca 2+ ] i ottenuti con flash photolysis di Ca 2+ caged 4.Ruolo dei recettori metabotropi 5.Ruolo del rilascio di Ca 2+ dagli store intracellulari

Dati sulle vie di trasduzione del segnale nell’LTP NMDA-dipendente: meccanismi Ca 2+ -mediati 1.Bloccata dall’inibizione della CaMK II e assente in topi knock-out per la CaMK II 2.Bloccata dall’inibizione della PKC anche dopo l’applicazione del tetano 3.Bloccata dall’inibizione della PLA 2 4.Bloccata o ridotta dall’inibizione delle NOS

Meccanismi attivi nell’induzione dell’LTP NMDA- dipendente

L’espressione dell’LTP NMDA-dipendente: meccanismo pre- o postsinaptico? (I) Elementi a favore di un meccanismo postsinaptico: 1.  risposta all’AMPA esogeno dopo sviluppo di LTP 2.Dati dall’analisi quantale:  del quantum size 3.  dell’ampiezza dei miniature EPSP e EPSC

L’espressione dell’LTP NMDA-dipendente: aumento del quantum size [Da Kullmann & Nicoll, 1992

L’espressione dell’LTP NMDA-dipendente: meccanismo pre- o postsinaptico? (II) Elementi a sfavore di un meccanismo presinaptico: Analisi della paired-pulse facilitation/depression

Assenza di switch fra paired-pulse facilitation e paired-pulse depression nell’LTP associativo Neuroni piramidali di CA1, stimolazione nello stratum radiatum. Da Manabe et al., 1993

L’espressione dell’LTP NMDA-dipendente: meccanismo pre- o postsinaptico? (III) Elementi a favore di un meccanismo presinaptico: 1.  rilascio di glutammato marcato dopo sviluppo di LTP 2.Dati dall’analisi quantale: -  frequenza delle failure -  quantal content - Analisi delle variazioni del CV delle risposte postsinaptiche

Diminuzione della frequenza delle failure: un indice di un meccanismo presinaptico

Diminuzione del CV delle risposte sinaptiche in corso di LTP associativo Neuroni piramidali di CA1, stimolazione nello stratum radiatum. Da Manabe et al., 1993

Possibili meccanismi postsinaptici dell’espressione dell’LTP associativo 1.Fosforilazione dei recettori AMPA: l’aumento della risposta all’AMPA esogeno è prevenuto da bloccanti delle protein-chinasi presenza nei recettori AMPA clonati di consensus sequences per varie protein-chinasi l’attivazione di NMDA-R può causare fosforilazione di AMPA-R in modo CaMK II-dipendente 2.Modifiche nell’espressione di diverse isoforme dei recettori AMPA 3.Attivazione di “sinapsi silenti”

Dimostrazione dell’esistenza di sinapsi postsinapticamente silenti [Da Isaac et al., 1995]

Sinapsi postsinapticamente silenti e loro reclutamento nell’LTP NMDA-dipendente [Da Isaac et al., 1995]

Ipotetici meccanismi presinaptici dell’espressione dell’LTP associativo Aumento della probabilità di rilascio all’arrivo del singolo PA per: aumento dell’ampiezza del transiente di Ca 2+ aumento della sensibilità agli incrementi della [Ca 2+ ] i In ogni caso è necessario postulare un messaggero retrogrado.

L’LTP NMDA-dipendente: un ruolo di messaggero retrogrado per il monossido di azoto?

Elementi a favore di un ruolo per il monossido di azoto 1.Blocco dell’induzione dell’LTP in presenza di blocco delle NOS 2.Blocco dell’induzione dell’LTP in presenza di emoglobina (scavenger dell’NO) 3.L’NO induce  della frequenza dei miniature EPSP

Il consolidamento dell’LTP richiede trascrizione genica e sintesi di nuove proteine

Aumento del numero dei siti di rilascio: un indice di modificazioni a lungo termine

Consolidamento dell’LTP e trascrizione genica: il sistema cAMP-CREB-CRE