Biologie-Kennis.nl

 

Veranderingen in de synaptische verbindingen die ten grondslag liggen aan leren en geheugen

Tijdens de embryonale ontwikkeling, stellen gereguleerde genexpressie en signaaltransductie de algemene structuur van het zenuwstelsel vast. Twee processen domineren de rest van de ontwikkeling van het zenuwstelsel. De eerste is een wedstrijd tussen neuronen om te overleven. Neuronen concurreren om de groei-ondersteunende factoren, die in beperkte hoeveelheden geproduceerd worden door weefsels die neuron groei geleiden. Cellen die niet bij de juiste locaties liggen om dergelijke factoren te ontvangen, ondergaan geprogrammeerde celdood. De concurrentie is zo hevig dat de helft van de neuronen gevormd in het embryo worden geëlimineerd. Het netto-effect is de preferentiële overleving van neuronen die goed zijn gelegen binnen het zenuwstelsel. Synaps eliminatie is het tweede grote proces dat de ontwikkeling van het zenuwstelsel in het embryo vormt. Een ontwikkelende neuron vormt talrijke synapsen, meer dan nodig zijn voor de goede functie. De activiteit van dat neuron stabiliseert dan enkele synapsen en destabiliseert anderen. Tegen het einde van de embryogenese hebben neuronen gemiddeld meer dan de helft van hun aanvankelijke synapsen verloren, met achterlating van de verbindingen die overleven in de volwassenheid. Samen zetten neuron en synaps eliminatie het netwerk van cellen en verbindingen op binnen het zenuwstelsel, vereist gedurende het hele leven.

Neurale plasticiteit

Hoewel de basisarchitectuur van het Centrale zenuwsysteem is gevestigd tijdens de embryonale ontwikkeling, kan het veranderen na de geboorte. Deze capaciteit om het zenuwstelsel te verbouwen, met name in reactie op haar eigen activiteit, heet neurale plasticiteit. Een groot deel van de hervorming van het zenuwstelsel treedt op bij synapsen. Wanneer de activiteit op een synaps correleert met die van andere synapsen kunnen zich wijzigingen voordoen dat een versterking is van die van een synaptische verbinding. Omgekeerd, wanneer de activiteit van een synaps niet correleerd met die van andere synapsen, wordt de synaptische verbinding soms zwakker. Als je bedenkt dat de signalen van het zenuwstelsel als het verkeer op een snelweg zijn, zijn zulke veranderingen dan vergelijkbaar met het toevoegen of verwijderen van een helling bij de ingang. Het netto-effect is het verhogen van de signalering van de specifieke paren van neuronen en de signalering bij andere neuronen verlagen. In onze verkeer analogie zou dit gelijkwaardig zijn aan verbreding of versmalling een helling bij de ingang. Remodelering en raffinage van het zenuwstelsel treden op in vele contexten. Bijvoorbeeld, zijn deze processen noodzakelijke stappen in de manier waarop we het vermogen ontwikkelen om onze omgeving te waarnemen. Ze zijn ook van cruciaal belang voor het zenuwstelsel haar beperkte vermogen om te herstellen van blessures of ziekten. Remodelering en verfijning liggen ook ten grondslag aan geheugen en leren.

Geheugen en het leren

Hoewel we er misschien niet bewust van zijn, zijn we voortdurend aan het controleren wat er is gebeurt tegen wat er een paar ogenblikken geleden gebeurde. We houden informatie vast voor een korte periode in korte-termijn geheugen locaties en laten hem dan los als het irrelevant wordt. Als we de kennis van een naam, telefoonnummer, of andere omstandigheid willen behouden, worden de mechanismen van de lange-termijn geheugen geactiveerd. Als we later een naam of nummer bellen, halen we het van het lange termijn geheugen en sturen het terug naar het korte-termijn geheugen. Wetenschappers hebben zich lang afgevraagd waar in de hersenen korte termijn en lange-termijn geheugen zich bevinden. We weten nu dat beide soorten geheugen van de opslag van informatie in de cerebrale cortex te vinden zijn. In korte-termijn geheugen, is deze informatie toegankelijk via een tijdelijke link of verenigingen gevormd in de hippocampus. Wanneer herinneringen worden gemaakt op lange termijn, zijn de links in de hippocampus vervangen door meer permanente verbindingen binnen de cerebrale cortex zelf. De hippocampus is dus essentieel voor het verwerven van het nieuwe lange-termijn geheugen, maar niet voor het handhaven ervan. Om deze reden, zijn mensen die lijden schade aan de hippocampus tot op zekere hoogte gevangen in het verleden:
Ze kunnen geen nieuwe blijvende herinneringen vormen, maar kunnen zich wel gebeurtenissen herinneren van vóór de blessure. Welk evolutionair voordeel zou kunnen worden aangeboden door het organiseren van korte-en lange-termijn geheugen op een andere manier? Huidige denken is dat de vertraging bij het vormen van verbindingen in de hersenschors op lange termijn herinneringen geleidelijk kunnen worden geïntegreerd in de bestaande opslag van kennis en ervaring, een basis voor meer betekenisvolle associaties. In overeenstemming met dit idee, wordt de overdracht van informatie van kortlopende tot lange-termijn geheugen versterkt door de associatie van nieuwe gegevens met gegevens die eerder geleerd en opgeslagen zijn in het lange-termijn geheugen. Bijvoorbeeld, is het makkelijker om iets te leren van een nieuw kaartspel als je al "kaartspel  verstand" hebt van het spelen van andere kaartspelen. Motorische vaardigheden, zoals wandelen, het knopen van je schoenen, of schrijven, zijn meestal aangeleerd door herhaling. U kunt deze vaardigheden uitvoeren zonder je bewust te herinneren wat de individuele stappen zijn die nodig zijn om deze taken correct te doen. Het aanleren van vaardigheden en procedures, zoals die vereist is om een fiets te rijden, lijken betrekking te hebben op cellulaire mechanismen zeer vergelijkbaar met degenen die verantwoordelijk zijn voor de groei van de hersenen en ontwikkeling. In dergelijke gevallen, maken neuronen eigenlijk nieuwe verbindingen. In tegenstelling, het onthouden van telefoonnummers, feiten, en plaatsen is veel anders.

Long-term potentiation

Onderzoekers hebben een aantal processen geidentificeerd die een synaptische verbinding kan veranderen, waardoor de doorstroming van de communicatie efficiënter of minder efficiënt wordt. We zullen hier focussen op het lange termijn potentiatie (LTP), een blijvende toename van de sterkte van synaptische transmissie. LTP, die het eerste werd gekenmerkt in weefsel plakjes van de hippocampus, heeft betrekking op een presynaptische neuron dat de excitatoire neurotransmitter glutamaat vrijgeeft. Voordat LTP optreed, moet met een korte hoogfrequente reeks actiepotentialen in deze presynaptische neuron komen. Bovendien moeten deze actiepotentialen binnenkomen op de synaptische terminal, dit op hetzelfde moment dat de postsynaptische cel een depolariserende stimulans krijgt. LTP bestaat uit twee soorten van glutamaat receptoren, die elk genoemd worden naar een molecuul-NMDA-of AMPA-dat kunstmatig die specifieke receptor activeert. De set van receptoren zijn aanwezig op de postsynaptische membranen en verandert in reactie op een actieve synaps en een depolariserende stimulus. Het resultaat is LTP-een stabiele toename van de omvang van de postsynaptische potentialen in de synaps. Omdat LTP dagen of weken kan duren in ontleed weefsel wordt gedacht aan een van de fundamentele processen waarbij herinneringen worden opgeslagen en het leren plaatsvindt.