Συναπτική Πλαστικότητα ΙΙ:
Αναγνώριση του Διακόπτη Πλαστικότητας και του Μηχανισμού Συναπτικού Εντοπισμού
ΜΙΧΜΙΖΟΣ Δ., ΚΩΣΤΑ Β., ΚΑΡΛΟΒΑΣΙΤΟΥ-ΚΟΝΙΑΡΗ Α., ΑΣΠΡΟΔΙΝΗ Ε., ΜΠΑΛΟΓΙΑΝΝΗΣ Σ.
Α' Νευρολογική Κλινική, ΑΠΘ, ΑΧΕΠΑ

Περίληψη
Τα τελευταία 30 χρόνια έχουν αποδειχτεί διάφορες μορφές συναπτικής πλαστικότητας, με πλέον σημαντικές τη μακρόχρονη ενδυνάμωση (LTP) και τη μακρόχρονη αποδυνάμωση (LTD) και τα χαρακτηριστικά και οι απαιτούμενες συνθήκες πρόκλησής τους είναι πολύ ενδεικτικά του ότι αυτή η πλαστικότητα αποτελεί το υπόστρωμα της μνημονικής εγχάραξης. Τα μοριακά, βιοχημικά και δομικά μοντέλα συναπτικής πλαστικότητας που έχουν προταθεί στο παρελθόν προσπαθούν να αποδώσουν τον πρωταρχικό ρόλο του διακόπτη πλαστικότητας σε κάποιο μόριο διπλού χαρακτήρα, όπως η εξαρτημένη από το ασβέστιο καλμοδουλινική κινάση ΙΙ (CaM-ΚΙΙ). Παρ' όλο που η ενεργοποιήσή της είναι προϋπόθεση για την πρόκληση LTP, και αυτό συμβαίνει μόνο σε περιβάλλον αυξημένης συγκέντρωσης ιόντων Ca++, όλα τα προηγούμενα μοντέλα αδυνατούν να προσφέρουν τη σύνδεση μεταξύ μοριακών, βιοχημικών ή δομικών μετατροπών και της ελαττωμένης ηλεκτροφυσιολογικής απόκρισης που έχει παρατηρηθεί στην περίπτωση της συναπτικής αποδυνάμωσης αλλά και απαντήσεις στα ερωτήματα που επιμένουν.

Το προτεινόμενο ενοποιημένο μοντέλο θεωρεί ως διακόπτη συναπτικής πλαστικότητας τη διάρκεια και τον εντοπισμό της αύξησης των μικροσυγκεντρώσεων ιόντων Ca++ σε διάφορες περιοχές του μετασυναπτικού άκρου, μία αύξηση που έχει βρεθεί να εξαρτάται τόσο από την εισροή ιόντων Ca++ όσο και από την απελευθέρωσή τους από τις δεξαμενές του λείου ενδοπλασματικού δικτύου. Το μοντέλο επίσης προτείνει ως μηχανισμό συναπτικού εντοπισμού την παρατεταμένη εισροή ιόντων Ca++, αυτή τη φορά στο δενδριτικό στέλεχος, στη βάση των ακάνθων με σύναψη υπό ενδυνάμωση μέσω των τασεοελεγχόμενων διαύλων ιόντων Ca++ (VDCC). H αύξηση αυτή θα φέρει τα πρωτεϊνικά προϊόντα που απαιτούνται για τη σταθεροποίηση των δομικών μετατροπών της ενδυνάμωσης στις συγκεκριμένες συνάψεις.

Λέξεις κλειδιά: Μνήμη, ιππόκαμπος, συναπτική πλαστικότητα, μακρόχρονη αποδυνάμωση (LTD), μακρόχρονη αποδυνάμωση (LTP), διακόπτης πλαστικότητας.

Εισαγωγή

Κατά τη δεκαετία του 1960 εμφανίστηκαν μελέτες που ανέφεραν ότι επαναληπτικά ερεθίσματα υψηλής συχνότητας σε νευρικές οδούς που κατέληγαν σε συγκεκριμένες περιοχές του φλοιού του εγκεφάλου πειραματόζωων προκαλούσαν παρατεταμένη αύξηση της ηλεκτρικής διέγερσης αυτών των περιοχών (Andersen & Anderson, 1968; Kling & Szekely, 1968). Το φαινόμενο αυτό, που αποδόθηκε στην αύξηση της νευροδιαβίβασης μεταξύ των προ- και των μετασυναπτικών συνδέσεων, αποτέλεσε το επίκεντρο της συζήτησης για το αν θα μπορούσε να αποτελεί κάποια έστω μορφή νευροφυσιολογικής μνήμης και ονομάστηκε Ενδυνάμωση (potentiation).

Το 1973 οι Bliss και Lømo ανέφεραν ότι κατάφεραν να προκαλέσουν διέγερση της διατιτραίνουσας οδού στον ιππόκαμπο αναισθητοποιημένων κουνελιών και να καταγράψουν εκφορτίσεις στην Οδοντωτή έλικα. Όταν τα χορηγούμενα ερεθίσματα ήταν υψηλόσυχνα (100 Hz) και διάρκειας 10-100 δευτερολέπτων, τότε, 10 δευτερόλεπτα μετά το τέλος του ερεθίσματος, καταγραφόταν μία παρατεταμένη αύξηση της νευρωνικής απόκρισης, σε σύγκριση με τη απόκριση που κατέγραφαν πριν το υψηλόσυχνο ερέθισμα, αύξηση που διαρκούσε ως και 10 ώρες. Το φαινόμενο αυτό το ονόμασαν Μακρόχρονη Ενδυνάμωση (Long-Term Potentiation ή LTP) (Bliss & Lømo, 1973). Στη συνέχεια βρέθηκε ότι η LTP μπορεί να διαρκέσει πολύ περισσότερο (σε μη αναισθητοποιημένα ζώα που έφεραν διαρκώς εμφυτευμένα ηλεκτρόδια η LTP διαρκούσε ως και 16 εβδομάδες), και ότι είναι δυνατόν να προκαλέσει μακροχρόνιες αλλαγές στην ηλεκτρική δραστηριότητα των ιπποκαμπικών νευρώνων (Olton et al, 1978).

Η LTP δεν εντυπωσίασε μόνο τους Bliss και Lømo. Πρόκειται για φαινόμενο μεγάλου εύρους, εύκολα αναπαραγόμενο σε συγκεκριμένες περιοχές του εγκεφάλου, αλλά όχι περιοριζόμενο μόνο σε αυτές, και εύκολο να διερευνηθεί από φυσιολογική, βιοχημική και μορφολογική πλευρά. Επιπλέον, η χρήση του θηλαστικού ιππόκαμπου, του οποίου η κυτταροαρχιτεκτονική και νευρωνική συνδεσμολογία ήταν γνωστά και η κατανομή των νευρωνικών σωμάτων και δενδριτών είναι σε σαφείς στιβάδες, επέτρεψε την γρήγορη και σχετικά εύκολη αναπαραγωγή του πειραματικού σχήματος από διάφορα εργαστήρια, πολλαπλασιάζοντας τα διαθέσιμα προς ερμηνεία δεδομένα. Το ερώτημα όμως που απασχολούσε όλους τους ερευνητές ήταν αν μπορούσε η LTP να θεωρηθεί ένα είδος νευρωνικής μνήμης, δηλαδή αν αποτελούσε, μέρος έστω, ενός μηχανισμού απομνημόνευσης. Χρειάστηκαν πολλές πειραματικές μελέτες και σχεδόν είκοσι χρόνια για να καταλήξουμε σε μία απάντηση.

Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας 1980 είχαν βρεθεί και άλλα σημαντικά χαρακτηριστικά της LTP. Καταρχήν μπορούσε να προκληθεί στην περιοχή CA1 του ιππόκαμπου όχι μόνο ομοσυναπτικά, μέσω χορήγησης υψηλόσυχνου ερεθίσματος στην διατιτραίνουσα οδό, αλλά και ετεροσυναπτικά (συνειρμικά), μέσω δύο ανίσχυρων ερεθισμάτων που από μόνα τους αδυνατούν να προκαλέσουν LTP (Chang & Greenough, 1984; Wingtrom et al, 1985). Επιπλέον, LTP μπορεί να προκληθεί από ερέθισμα (tetanus) πολύ μικρής διάρκειας, λιγότερο από δευτερόλεπτο, σε συχνότητες σαφώς μέσα στο εύρος της φυσιολογικής ηλεκτρικής δραστηριότητας των νευρώνων (Collingridge et al, 1983), γεγονός που είναι πολύ ενδεικτικό ότι, ως πειραματικό παράδειγμα, δεν έρχεται σε αντίθεση με ότι πραγματικά συμβαίνει στον εγκέφαλο των θηλαστικών. Τέλος, βρέθηκε πως η LTP μπορεί να διαρκέσει μεγάλο χρονικό διάστημα, καθώς όταν προκλήθηκε σε μη αναισθητοποιημένα ζώα η διάρκειά της δεν έφθινε ούτε μετά και από αρκετές εβδομάδες (Nicoll et al, 1988), απαραίτητη προϋπόθεση για να μπορεί να αποτελέσει το μοντέλο μελέτης της μακροπρόθεσμης μνήμης.

Τα πειραματικά δεδομένα έδειχναν λοιπόν ότι το μοντέλο της LTP μπορεί να περιγράψει πολλά από τα χαρακτηριστικά της μνημονικής αποθήκευσης, συμπεριλαμβανομένης και της συνειρμικής συνενεργοποίησης, που απαιτούνται για να σταθεροποιηθούν τα μνημονικά ίχνη σε εγχαράξεις. Για τους παραπάνω λόγους, μέχρι το τέλος της δεκαετίας του 1980, η LTP έφτασε πια να θεωρείται το πειραματικό μοντέλο της μνήμης. 'Ενας από τους επιπλέον παράγοντες που συνετέλεσε σε αυτό ήταν η συμβατότητά της με νευροψυχολογικές μελέτες οι οποίες μπορούσαν να συνδέσουν τον ιππόκαμπο με τις διαδικασίες μάθησης σε ζώα.

'Ενα από τα πλέον ενδιαφέροντα πειραματικά σχήματα μάθησης και μνήμης επινοήθηκε από τον Morris του πανεπιστημίου St. Andrews της Σκοτίας (Morris et al, 1982). Ο υδάτινος λαβύρινθος του Morris είναι εύκολο να αναπαραχθεί και υπερτερεί έναντι του κλασσικού ακτινωτού καθώς ο ερευνητής μπορεί να ρυθμίζει τα ερεθίσματα και τα σημεία αναφοράς που χρησιμοποιεί το πειραματόζωο (π.χ. στην κλασσική του μορφή δεν ήταν δυνατόν να αποκλειστεί η χρήση και οσφρητικών σημείων αναφοράς). Για το λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκε ευρέως από εργαστήρια σε όλο τον κόσμο σε συνδυασμό με ηλεκτρική πρόκληση και/ή καταγραφή LTP, γεγονός που δημιούργησε μεγάλο όγκο συγκρίσιμων πειραματικών δεδομένων που συνέδεσαν την LTP με τις διαδικασίες της μάθησης και μνήμης.

Πριν από τον Morris, ο Olton και οι συνεργάτες του (Olton et al, 1978) πειραματίστηκαν με επίμυες, που έφεραν ηλεκτρόδια μονιμοποιημένης εμφύτευσης στον ιππόκαμπο, σε δοκιμασίες μάθησης σε ακτινωτό λαβύρινθο. Παθητική καταγραφή κατά τη διάρκεια της εκπαίδευσης αποκάλυψε έναν ρυθμό υψηλόσυχνων εκφορτίσεων στην ιπποκαμπική περιοχή (της τάξης των 4-10 Hz) που όταν προκληθεί πειραματικά ανά 200 msec προκαλεί LTP που διαρκεί για εβδομάδες. Ο ρυθμός αυτός ονομάστηκε "ρυθμός θ-ριπής" (theta burst pattern) και θεωρήθηκε πως σχετίζεται με τις διεργασίες μάθησης και μνήμης.

Η παραπάνω διαδικασία αναστέλλεται αν χορηγηθούν ανταγωνιστές των υποδοχέων NMDA, όπως η ουσία 2-αμινο-φωσφονοπεντατονάτη (ΑΡ5), συνεπώς αναγκαία συνθήκη για την Πρόκληση της LTP αποτελεί ή ενεργοποίηση αυτών των υποδοχέων. Παρόμοια είναι τα αποτελέσματα αν διακοπεί η προσαγωγή του ρυθμού-θ στον ιππόκαμπο. O ρυθμός-θ όμως φέρεται στον ιππόκαμπο μέσω διαφραγματο-ιπποκαμπικών οδών που είναι κυρίως χολινεργικές. 'Ηταν λοιπόν αναμενόμενο η χορήγηση αντιχολινεργικών ουσιών, όπως η σκοπολαμίνη, να διαταράσσει τη διαδικασία μάθησης σε ανθρώπους και ζώα. Πειράματα αυτού του είδους, όπου τη χορήγηση υψηλόσυχνου ερεθίσματος συνόδευε η τεχνητή αναστολή της λειτουργίας κάποιου κυτταρικού μηχανισμού, αποκάλυψαν τις αναγκαίες συνθήκες που απαιτούνται για την εμφάνιση της LTP. Το φαινόμενο της LTP μπορεί να χωριστεί σε τρία στάδια: την Πρόκληση (induction), τη Σταθεροποίηση (consolidation) και την 'Εκφραση (expression) (Bliss & Collingridge, 1993; Rose, 1994). 'Εχοντας περιγράψει λεπτομερώς τα νευροφυσιολογικά χαρακτηριστικά της LTP η έρευνα στράφηκε προς τους κυτταρικούς μηχανισμούς της. Ως φαινόμενο καθαρά προκλητό το ενδιαφέρον σημείο ήταν να γίνουν γνωστοί οι κυτταρικοί μηχανισμοί που ενεργοποιούνται στα τρία στάδια της LTP καθώς και το τι συμβαίνει όταν οι μηχανισμοί αυτοί αναστέλλονται. Επίσης, εφόσον έχει βρεθεί πως η LTP απαντάται και σε άλλες περιοχές του εγκεφάλου, θα έπρεπε να διερευνηθεί αν οι μηχανισμοί στις περιοχές αυτές είναι ίδιοι, όμοιοι ή διαφορετικοί.

'Εχει βρεθεί πως, τουλάχιστον για την CA1 περιοχή του ιππόκαμπου, η Πρόκληση προϋποθέτει ορισμένες αναγκαίες συνθήκες προκειμένου να εμφανιστεί (α) την ταυτόχρονη ενεργοποίηση πολλών συνάψεων του ίδιου μετασυναπτικού νευρώνα (Bliss & Collingridge, 1993), (β) την ηλεκτρική απόφραξη και ενεργοποίηση των υποδοχέων NMDA (Collingridge et al, 1983; Regehr & Tank, 1990), (γ) την επακόλουθη εισροή ιόντων Ca++ (Malenka et al, 1988; Melchers et al, 1988; Dudek & Bear, 1992; Mayford et al, 1995), (δ) την απελευθέρωση επιπλέον ιόντων Ca++ από τις δεξαμενές του ενδοπλασματικού δικτύου (Malenka, 1991; Lynch et al, 1983; Lisman, 1989), (ε) την ενεργοποίηση πρωτεϊνικών κινασών, ιδιαίτερα της Εξαρτημένης από το ασβέστιο Καλμοδουλινικής κινάσης ΙΙ (Ca++-dependant Calmodulin kinase ΙΙ ή Ca++ ή CaM-ΚΙΙ), από την υψηλή συγκέντρωση Ca++ (Malenka et al, 1989; Lisman,1994), (στ) την ενεργοποίηση και την αύξηση της αποτελεσματικότητας και άλλων υποδοχέων, τόσο ιοντοτροπικών (όπως οι υποδοχείς ΑΜΡΑ) (Staubli et al, 1996; Schwartz & Alford, 1998), όσο και μεταβοτροπικών (όπως οι υποδοχείς του Γλουταμικού οξέως, mGlu) (Kandel et al, 1995), (ζ) την αύξηση της ευαισθησίας και αποκρισιμότητας των υποδοχέων ΑΜΡΑ (Hollmann et al, 1991; Liao et al, 1992 & 1995), (η) το σχηματισμό (στο μετασυναπτικό άκρο), την απελευθέρωση (στη συναπτική σχισμή) και την πρόσληψη (από υποδοχείς του προσυναπτικού άκρου) ανάδρομων αγγελιοφόρων (retrograde messengers) (Bredt & Snyder, 1992; Zhuo et al, 1993; Zorumski & Izume, 1993; Davis & Murphey, 1994; Ο' Dell et al, 1994; Lowenstein & Snyder, 1994; Kato et al, 1994; Doyle et al, 1996), και (θ) την αύξηση της ποσότητας του νευροδιαβιβαστή (γλουταμίνης) που απελευθερώνεται προσυναπτικά (Bliss & Collingridge, 1993).

Το φαινόμενο της LTP θα εισέλθει στη φάση της Σταθεροποίησης, ώστε να διαρκέσει για ώρες ως και εβδομάδες, εφόσον: (α) απελευθερωθούν συναπτοπυρηνικοί αγγελιοφόροι, όπως το cAMP, από τις ενδυναμωμένες συνάψεις (ΒΙitzer,1995), (β) προκληθεί η ενεργοποίηση και μεταγραφή συγκεκριμένων γονιδίων σε mRNA (Bowman & Stobel, 1969; Bliss & Collingridge, 1993; Nguen et al, 1994), (γ) ολοκληρωθεί η πρωτεϊνοσύνθεση (Flexner et al, 1963, 1965 & 1967; Hyden & Lange, 1968; Montarolo et al, 1986; Albertini et al, 1994; Nguen et al, 1994; Frey et al, 1996; Nayak et al, 1998), και (δ) συνεχιστεί η αύξηση της ενδοκυττάριας συγκέντρωσης ασβεστίου, και με την συνεχιζόμενη είσοδό του μέσω των τασεοελεγχόμενων διαύλων ασβεστίου (voltage-dependent Calcium channels ή VDCC) (Teyler et al, 1994; Katsuki et al, 1997). Σε περίπτωση που κάποια από τις παραπάνω συνθήκες δεν εκπληρωθεί ή ανασταλεί πειραματικά τότε το φαινόμενο της LTP δεν σταθεροποιείται και παρατηρείται μόνο Βραχυπρόθεσμη Ενδυνάμωση (Short-Term Potentiation ή STP) η οποία διαρκεί κάποια λεπτά ή το πολύ κάποιες ώρες (Malenka et al, 1989; Artola et al, 1990; Kimura et al, 1990; Dudek et Bear, 1992; Mulkey & Malenka, 1992; Kirkwood & Bear, 1994; Mayford et al, 1995; Kirkwood et al, 1996).

Τέλος, το στάδιο της 'Εκφρασης περιλαμβάνει νευροφυσιολογικά μετρήσιμη αυξημένη νευρωνική απόκριση μετά από πρόκληση ερεθίσματος προσαγωγής αναλόγου χαρακτήρα.

Το 1979 οι Levy και Stewart, δουλεύοντας σε τομές της CA1 περιοχής του ιππόκαμπου αρουραίου, παρατήρησαν πως αν, αντί για το υψηλόσυχνο προσυναπτικό ερέθισμα που προκαλεί LTP, οι νευρώνες της περιοχής δεχτούν ερέθισμα χαμηλής συχνότητας της τάξης 1-5Hz επί 15 λεπτά, τότε οι μετέπειτα αποκρίσεις τους ήταν σημαντικά μικρότερες συγκριτικά με πριν το ερέθισμα. Αυτό το φαινόμενο ονομάστηκε Μακρόχρονη Αποδυνάμωση (Long-Term Depotentiation ή LTD) και αμέσως δημιούργησε έντονο ενδιαφέρον καθώς προσέφερε ισχυρή στήριξη στους υποστηρικτές της συναπτικής μνημονικής εγχάραξης. 'Ηταν προφανές πως για να λειτουργεί ένα σύστημα αποθήκευσης πληροφοριών στις νευρωνικές συνάψεις θα έπρεπε αυτές τόσο να ενδυναμώνουν σε κάποιες περιοχές όσο και να αποδυναμώνουν σε αντίστοιχες άλλες.

Το φαινόμενο της LTD μπορεί να χωριστεί σε δύο στάδια: την Πρόκληση (induction) και την 'Εκφραση (expression) (Bolsakov & Siegelbaum, 1994). 'Εχοντας περιγράψει λεπτομερώς τα νευροφυσιολογικά χαρακτηριστικά της LTD η έρευνα στράφηκε προς τους κυτταρικούς μηχανισμούς της. Ως φαινόμενο καθαρά προκλητό, το ενδιαφέρον σημείο ήταν να γίνουν γνωστοί οι κυτταρικοί μηχανισμοί που ενεργοποιούνται κατά την Πρόκληση και την 'Εκφραση της LTP, καθώς και το τι συμβαίνει όταν οι μηχανισμοί αυτοί αναστέλλονται. Με αυτή την προσέγγιση ήταν δυνατό να αποσαφηνισθούν οι αναγκαίες συνθήκες για την εμφάνιση LTD καθώς και οι ιδιότητές της.

Η LTD βρέθηκε να απαιτεί πολλές κοινές συνθήκες και να μοιράζεται αρκετά κοινά χαρακτηριστικά με την LTP, σε βαθμό που είναι αναπόφευκτη η ιδέα πως θα πρέπει να μοιράζονται, εν μέρει τουλάχιστον, τον ίδιο μηχανισμό.

'Ετσι έχει αποδειχτεί πως η Πρόκληση της LTD απαιτεί: (α) την ταυτόχρονη ενεργοποίηση πολλών συνάψεων του ίδιου μετασυναπτικού νευρώνα (Staubli & Scafidi, 1997; Yang et al, 1994; Staubli & Zi, 1996; Holland & Wagner, 1998), (β) την ηλεκτρική απόφραξη και ενεργοποίηση των υποδοχέων NMDA (Abraham & Goddard, 1983; Dudek & Bear, 1992), και (γ) την επακόλουθη εισροή ιόντων Ca++ (Christie et al, 1996; Cummings et al, 1996; Reyes-Harde & Stanton, 1996).

Προκειμένου η LTD να εισέλθει στη φάση της Σταθεροποίησης έχει βρεθεί ότι είναι απαραίτητο: (α) να ενεργοποιηθούν μεταβοτροπικοί υποδοχείς (όπως οι υποδοχείς mGlu του Γλουταμικού οξέως) (Bashir et al, 1993; Nicoll et al, 1998), (β) να ενεργοποιηθούν πρωτεϊνικές φωσφατάσες (Mulkey et al, 1993 & 1994; Thiels et al, 1998; Zhuo et al, 1999), (γ) να ενεργοποιηθεί η φωσφολιπάση C και να παραχθεί τριφωσφορική ινοσιτόλη (ΙΡ3) (Reyes-Harde & Stanton, 1998), και (δ) να απελευθερωθεί μονοξείδιο του αζώτου στη συναπτική σχισμή το οποίο θα προκαλέσει την ενεργοποίηση της Εξαρτημένης από το ασβέστιο Καλμοδουλινικής κινάσης ΙΙ (Ca++-dependant Calmodulin kinase ΙΙ ή CaM-ΚΙΙ) στην απόληξη προσυναπτικού νευρώνα μέσω της τοπικής αύξησης της ενδοκυττάριας συγκέντρωσης Ca++ (Gage et al, 1997).

Μέχρι σήμερα δεν είχε προταθεί κάποιος σαφής μηχανισμός για την φάση της 'Εκφρασης της LTD. Σε αντίθεση με την έκφραση της LTP, τα διάφορα μοντέλα συναπτικής πλαστικότητας που έχουν κατά καιρούς προταθεί αποφεύγουν να αναφερθούν στο μηχανισμό έκφρασης της LTD καθώς αδυνατούν να αποδώσουν σε αυτή σαφή λειτουργικό ρόλο. Αυτό το κενό ήρθε να καλύψει το προτεινόμενο ενοποιημένο μοντέλο (Michmizos et al, 2003a).

Σε περίπτωση που κάποια από τις παραπάνω συνθήκες δεν εκπληρωθεί ή ανασταλεί πειραματικά τότε το φαινόμενο της LTD δεν εκφράζεται παρά μόνο για σύντομο χρόνο, δηλαδή παρατηρείται μόνο Βραχυπρόθεσμη Αποδυνάμωση (Short-Term Depression ή STD) η οποία διαρκεί κάποια λεπτά ή το πολύ κάποιες ώρες (Mulkey & Malenka, 1992; Goda & Stevens, 1996; Nicoll & Malenka, 1997).

Το γεγονός που ξάφνιασε την επιστημονική κοινότητα στις αρχές της δεκαετίας του 1990 δεν ήταν το ότι οι νευρώνες είναι ικανοί τόσο για ενδυνάμωση όσο και για αποδυνάμωση των συναπτικών τους συνδέσεων (Dudek & Bear,b1992; Kirkwood & Bear, 1994; Mayford et al, 1995). Τέτοια συναπτική πλαστικότητα ήταν αναμενόμενη από την εποχή του Donald Hebb (1949). Το εκπληκτικό ήταν η ανακάλυψη πως αυτή η πλαστικότητα μπορεί να συμβεί στις συγκεκριμένες, ίδιες συνάψεις, ανάλογα με το ιστορικό της δραστηριότητάς τους, κάτι που σήμαινε πως η μνημονική εγχάραξη ίσως να αποτελεί υπονευρωνική και όχι νευρωνική λειτουργία (Huang et al, 1992; Artola & Singer, 1993; Malenka & Nicoll, 1993; Liao et al, 1992; Kirkwood & Bear, 1994; Mayford et al, 1995; Heyen et al, 1996; Huerta & Lisman, 1996).

Η ικανότητα της ίδιας σύναψης να εναλλάσσει το είδος της απόκρισής της σε ένα προσπίπτον ερέθισμα αποτελεί πολύ ισχυρό επιχείρημα υπέρ του μνημονικού μοντέλου μέσω LTP και LTD - ιδιαίτερα για την περιοχή CA1 του ιππόκαμπου, όπου έχει βρεθεί πως η τροποποίηση της συναπτικής αποκρισιμότητας είναι συνειρμικό φαινόμενο, αφού η πρόκλησή τους απαιτεί την συνενεργοποίηση πολλών συνάψεων του ίδιου νευρώνα. Η αναζήτηση του συνολικού μηχανισμού πλαστικότητας αποτελεί για χρόνια το αντικείμενο έντονης έρευνας.

Το 1992 οι Xiao και Lynch έδειξαν πως είναι δυνατό να αναστραφεί το φαινόμενο της LTP με χαμηλόσυχνο ερέθισμα. Λίγο αργότερα οι Ο' Dell και Kandel (1994) έδειξαν πως είναι δυνατόν να εξαλειφθεί το φαινόμενο σταθεροποιημένης LTP με τη χορήγηση χαμηλόσυχνου ερεθίσματος και μάλιστα πως αυτό απαιτεί την ενεργοποίηση φωσφατασών -με μηχανισμό που περιλαμβάνει την ηλεκτρική απόφραξη και ενεργοποίηση των υποδοχέων NMDA- όπως δηλαδή και η πρόκληση της LTP.

Για να προκληθεί και να σταθεροποιηθεί LTP ή LTD θα πρέπει βέβαια να πληρούνται οι αντίστοιχες συνθήκες οι οποίες προαναφέρθηκαν για το καθένα. Οι ειδικές συνθήκες όμως που απαιτούνται προκειμένου να αναστραφεί η συναπτική απόκριση αποτέλεσαν το αντικείμενο έντονης έρευνας για πάνω από δέκα χρόνια. Σημείο αναφοράς των περισσοτέρων ερευνών αποτέλεσε η υπόθεση του κυλιόμενου κατωφλίου.

Υπόθεση του Κυλιόμενου Κατωφλίου: Σύμφωνα με τους Kirkwood και τους συνεργάτες του (1996) το σημείο στο οποίο μία σύναψη περνά από την ενδυνάμωση στην αποδυνάμωση, δηλαδή το "κατώφλι εναλλαγής" της (modification threshold, θm), δεν είναι σταθερό αλλά μεταβάλλεται. Υποστήριξαν μάλιστα ότι το σημείο στο οποίο θα μετατοπιστεί αυτό το κατώφλι εναλλαγής δεν εξαρτάται από άλλες παραμέτρους, όπως η ηλικία του νευρώνα ή της σύναψης, παρά μόνο από το ιστορικό της δραστηριότητας της συγκεκριμένης σύναψης. Σχεδόν όλες οι συνάψεις της CA1 περιοχής του ιππόκαμπου είναι δυνατόν να αναστρέψουν την πλαστικότητά τους - αλλά μετά από διαφορετικής διάρκειας και έντασης προσυναπτικό ερέθισμα. H διαφορά στη διάρκεια και την ένταση εξαρτάται από την ιστορία της σύναψης. Έτσι, για παράδειγμα, μία έντονα ενδυναμωμένη σύναψη είναι δυνατόν να αποδυναμωθεί αν δεχτεί χαμηλόσυχνο προσυναπτικό ερέθισμα αλλά θα απαιτεί ομοσυναπτικό ερέθισμα μεγαλύτερης διάρκειας προκειμένου να αντιστρέψει την αποκρισιμότητά της. Αντίθετα, μία σύναψη η οποία στο παρελθόν έχει επανειλημμένα αποδυναμωθεί, έστω και βραχύχρονα, αρκεί ένα σύντομο χαμηλόσυχνο ερέθισμα, ακόμα και ετεροσυναπτικό, προκειμένου να δώσει LTD που θα παραμείνει σταθερό για ημέρες (Muller et al, 1995; Stanton, 1996).

Το θεωρητικό σημείο συναπτικής εναλλαγής ονομάστηκε "κατώφλι εναλλαγής" ή θm και βρέθηκε ότι εξαρτάται από: (α) την ταυτόχρονη ενεργοποίηση πολλών συνάψεων του ίδιου μετασυναπτικού νευρώνα (Artola & Singer, 1993; Xiao et al, 1995), (β) την ηλεκτρική απόφραξη και ενεργοποίηση υποδοχέων NMDA (Malenka & Nicoll, 1993; Hedberg & Stanton, 1996; Bernard et al, 1998; Salter, 1998) αλλά διαφορετικών υποπληθυσμών τους στην περίπτωση ενδυνάμωσης ή αποδυνάμωσης (Lu et al, 1996; Hrabetova & Sactor, 1997), (γ) την ενεργοποίηση και άλλων ιοντοτροπικών υποδοχέων, όπως οι υποδοχείς ΑΜΡΑ (Asztely & Gustafsson, 1996; Staubli & Chun, 1996; Bernard et al, 1997), (δ) την είσοδο Ca++ στο μετασυναπτικό άκρο (Bashir & Collingridge, 1994; Gold & Bear, 1994), (ε) την ενεργοποίηση των μεταβοτροπικών υποδοχέων του γλουταμικού οξέως, mGIuR1 (Conquet et al, 1994; Forsythe & Barnes-Davies, 1997; Nicoll et al, 1998; Anwyl, 1999; Bortolotto et al, 1999), (στ) την ενεργοποίηση πρωτεϊνικών φωσφατασών και κινασών (Stanton, 1995; Coussens & Teyler, 1996b; Qi et al, 1996; Tokuda & Hatase, 1998), και (ζ) τη γονιδιακή έκφραση συγκεκριμένων γονιδίων και την μεταφορά των πρωτεϊνικών προϊόντων στις συνάψεις (Worley et al, 1993; Lu et al, 1999). Μάλιστα, η πρωτεϊνοσύνθεση λειτουργεί αποτρεπτικά για την αποδυνάμωση ήδη ενδυναμωμένων συνάψεων, δηλαδή μετατοπίζει το θm έντονα προς την πλευρά της ενδυνάμωσης σταθεροποιώντας την (Woo & Nguyen, 2003).

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι, αν και το μεγαλύτερο μέρος των αναγκαίων συνθηκών εντοπίζονται μετασυναπτικά, η συναπτική πλαστικότητα στην CA1 περιοχή του ιππόκαμπου έχει και προσυναπτικά χαρακτηριστικά (Ramakers et al, 1997) καθώς από τη μια μεριά είναι απαραίτητη η προ- και μετα-συναπτική συνέργεια ώστε να διατηρηθεί η απαραίτητη λειτουργική σύζευξη κατά τη διάρκεια της σταθεροποίησης, ενώ από την άλλη οι δομικές μετατροπές του μετασυναπτικού πέρατος θα πρέπει να συνοδεύονται από αντίστοιχες του προσυναπτικού ώστε να αποκτήσουν μονιμοποιημένη έκφραση. Τόσο μετασυναπτικά όσο και προσυναπτικά πρωταρχικό ρόλο φαίνεται να διαδραματίζουν οι μεταβολές στη συγκέντρωση των ιόντων ασβεστίου.

Ρόλος των Ca++: Οι μεταβολές της συγκέντρωσης των ιόντων ασβεστίου (Ca++) στους νευρώνες του ιππόκαμπου, και μάλιστα σε συνάρτηση με την οδό και το μέρος του νευρώνα που αυτές πραγματοποιούνται, ασκούν διαφορική επιρροή σε διαδικασίες που είναι κεντρικής σημασίας στη νευρωνική ανάπτυξη και πλαστικότητα, συμπεριλαμβανομένου τη ρύθμιση της συναπτικής αποτελεσματικότητας, την εξαρτώμενη από τη δραστηριότητα κυτταρική επιβίωση και τον κυτταρικό θάνατο (Ghosh & Greenberg, 1995). Στην συναπτική πλαστικότητα, η αύξηση της συγκέντρωσης των Ca++ έχει αποδειχτεί εντελώς απαραίτητη και φαίνεται ότι οι μεταβολές της διαδραματίζουν έναν μεγάλο αριθμό ρόλων, συμμετέχοντας τόσο σε μετασυναπτικούς όσο και σε προσυναπτικούς μηχανισμούς μετατροπής της συναπτικής αποτελεσματικότητας (Neveu & Zucker, 1996).

Μετασυναπτικά η αύξηση της συγκέντρωσης των Ca++, εκτός από το να αποτελεί απαραίτητη και αρκετή συνθήκη για την πρόκληση LTP (Malenka et al, 1988), φαίνεται να πυροδοτεί όλα σχεδόν τα φαινόμενα που τη συνοδεύουν: τις κυτταροσκελετικές και δομικές αλλαγές, την αποστολή συναπτοπυρηνικών αγγελιοφόρων, που προκαλούν την έκφραση συγκεκριμένων γονιδίων, αλλά, όπως θα προταθεί, και τον εντοπισμό των συνάψεων υπό ενδυνάμωση από τα πρωτεϊνικά προϊόντα κατά την μεταφορά τους κατά μήκος του δενδριτικού στελέχους.

Η άμεση εισροή των Ca++ μετά από ένα χημικό (νευροδιαβιβαστικό) ερέθισμα κορυφώνεται 200 μsec μετά από το υψηλόσυχνο ερέθισμα ενώ διαρκεί περίπου 800 μsec κατά την πρόκληση LTD και περίπου 2.5 sec κατά την πρόκληση LTP (Gamble & Koch, 1987; Malenka et al, 1992; Llinas et al, 1995; Otani & Connor, 1996). Η μετασυναπτική όμως συγκέντρωση των Ca++ δεν καθορίζεται μόνο από την εισροή τους (πρωταρχική μεταβολή) (Connor & Muller, 1991; Nakajima et al, 1993) αλλά και από την απελευθέρωση ή απορρόφησή τους σε κυστίδια του ενδοπλασματικού δικτύου (δευτερογενής μεταβολή) (Μπαλογιάννης, 1995; Pozzo-Miller et al, 1997; Emptage et al, 1999) καθώς και από την είσοδό τους μέσω των τασεοελεγχόμενων διαύλων ασβεστίου (voltage-dependent Calcium channels ή VDCC) (Kullman et al, 1992; Miyakawa et al, 1992; Markram & Sakmann, 1994; Kavalali & Plummer, 1996; Teyler, προσωπική επικοινωνία, 1999). Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι μεταβολές της συγκέντρωσης Ca++ στο χώρο των ακάνθων δεν σημαίνει απαραίτητα αντίστοιχη μεταβολή τους στο δενδριτικό στέλεχος (dendritic shaft) - και το αντίστροφο (Connor et al, 1988; Regehr et al, 1989). Αυτό οφείλεται στο ότι η διάμετρος των ακάνθων αυξομειώνεται, επιτρέποντας ή εμποδίζοντας την διέλευση Ca++ από και προς το δενδριτικό στέλεχος (Gamble & Koch, 1987; Chittajellu et al, 1998) ενώ η ενεργοποίηση των τασεοελεγχόμενων διαύλων ασβεστίου (VDCC), που εντοπίζονται στη βάση των ακάνθων, αυξάνει τη συγκέντρωση Ca++ κυρίως στο δενδριτικό στέλεχος (Guthrie et al, 1991; Petrozzino et al, 1995).

Τέλος, ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχει το γεγονός του εντοπισμού διαύλων ιόντων ασβεστίου τύπου L, οργανωμένων μάλιστα σε λειτουργικές δέσμες, στη βάση των δενδριτών, λίγο μετά την έκφυσή τους από το νευρωνικό σώμα (Westenbroek et al, 1990). Σε αυτούς έχει αποδοθεί ο ρόλος της εισροής Ca++ στο σώμα του πυραμιδικού νευρώνα που είτε πυροδοτεί τις απαραίτητες ενδοκυτταρικές διαδικασίες προκειμένου να σταθεροποιηθεί η μεταβολή της συναπτικής πλαστικότητας (π.χ. μεταγραφή και μετάφραση γονιδίων για τη σύνθεση νέων υποδοχέων) είτε, όπως θα προταθεί, λειτουργούν ως σηματοδότες προκειμένου τα πρωτεϊνικά προϊόντα να κατευθυνθούν προς τους σωστούς δενδρίτες, δηλαδή σε αυτούς που περιέχουν συνάψεις υπό ενδυνάμωση. Παρ' όλα αυτά, η κεντρικότητα του ρόλου των Ca++ δεν γίνεται αντιληπτή καθώς οι έρευνες επικεντρώνονται σε συγκεκριμένα πρωτεϊνικά μόρια.

Το 1983 οι Kraft & Anderson προτείνουν ότι η μετατόπιση και ενεργοποίηση της πρωτεϊνικής κινάσης C μεταξύ κυτταρικής μεμβράνης και κυτταροπλάσματος λειτουργεί ως πυροδότηση διάφορων κυτταρικών διεργασιών, ανεξάρτητων με τα φαινόμενα συναπτικής μετατροπής. Τέσσερα χρόνια αργότερα οι Akers & Routtenberg (1987) εφαρμόζουν τις ιδέες των Kraft & Anderson σε φαινόμενα συναπτικής πλαστικότητας και προτείνουν ως μοριακό πυροδότη την ενεργοποιημένη πρωτεϊνική κινάση C (PKC). Το μοντέλο τους όμως δεν είναι σε θέση να εξηγήσει τα φαινόμενα που συνοδεύουν τη συναπτική ενδυνάμωση και δεν βρίσκει απήχηση. Το 1992, αμέσως σχεδόν μετά την ανακάλυψη της αμφίδρομης συναπτικής πλαστικότητας, οι Bear & Malenka προτείνουν πως η σχέση της με την LTP πρέπει να ξεκινά από την ενεργοποίηση διαφόρων φωσφοπρωτεϊνών (1994). Διάφορες ερευνήθηκαν μέχρι να εντοπιστούν τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της CaM-ΚΙΙ.

Υπόθεση της Διαφορικής Κατεύθυνσης: Το 1994 ο Lisman προτείνει την υπόθεση της Διαφορικής Κατεύθυνσης (Differential Directionality hypothesis) σύμφωνα με την οποία η κατεύθυνση που θα ακολουθήσει η πλαστικότητα μιας σύναψης εξαρτάται από την κατάσταση φωσφορυλίωσης της εξαρτημένης από το ασβέστιο καλμοδουλινικής κινάσης ΙΙ (CaM-ΚΙΙ). Η CaM-ΚΙΙ έχει την ιδιότητα, παρουσία υψηλής συγκέντρωσης Ca++, να αυτοφωσφορυλιώνεται και να ενεργοποιείται ενώ σε χαμηλή συγκέντρωση Ca++ η φωσφορική ομάδα που την ενεργοποιεί αφαιρείται από πρωτεϊνική φωσφατάση. Ο Lisman κάνει την πρόβλεψη πως η διαφοροποίηση μεταξύ LTP και LTD συνίσταται στη διαφορετική κατάσταση φωσφορυλίωσης της CaM-ΚΙΙ η οποία, με τη σειρά της, εξαρτάται από την διαφορετική συγκέντρωση Ca++. Το μοντέλο της Διαφορικής Κατεύθυνσης αρχικά βρήκε πολλούς υποστηρικτές (Stevens et al, 1994; Bear, 1995; Chapman et al, 1995; Mayford et al, 1995) καθώς προσφέρει ένα σαφή μοριακό διακόπτη πλαστικότητας. Το 1999 μάλιστα έγινε δυνατή η διαφορική πρόκληση LTP και LTD ανάλογα με τη διάρκεια και το ρυθμό των μεταβολών της συγκέντρωσης του Ca++ στο χώρο της άκανθας, εύρημα που συμφωνεί με την βασική ιδέα της υπόθεσης της διαφορικής κατεύθυνσης (Yang et al, 1999). Η αδυναμία της όμως συνίσταται στο ότι επικεντρώνεται σε διαφορές μοριακών μηχανισμών και αδυνατεί να δώσει μία σαφή εξήγηση στην αυξομείωση της ηλεκτροφυσιολογικής συναπτικής απόκρισης σε διάφορες περιοχές του ιππόκαμπου και του εγκεφάλου γενικότερα.

Προσυναπτικά η αύξηση της συγκέντρωσης του Ca++ έχει και λειτουργικά και δομικά αποτελέσματα. Κυρίως εξ' αιτίας της μεμβρανικής εκπόλωσης, αλλά και λόγω της δράσης των ανάδρομων αγγελιοφόρων που απελευθερώνονται μετασυναπτικά, κατά την LTP παρατείνεται η εισροή του Ca++ στο προσυναπτικό άκρο. Αυτό αρχικά έχει ως αποτέλεσμα την παράταση της απελευθέρωσης νευροδιαβιβαστή στη συναπτική σχισμή, καθώς η αυξημένη ενδοκυττάρια συγκέντρωση Ca++ επιτείνει την απελευθέρωση κυστιδίων που περιέχουν νευροδιαβιβαστή από τον κυτταροσκελετό, τη σύντηξή τους με το προσυναπτικό πέρας και την απελευθέρωση του νευροδιαβιβαστή στη συναπτική σχισμή (Sarazin, 1987; Davis & Murphey, 1994; Bekkers & Stevens, 1990; Zhuo et al, 1993). Όλες αυτές οι ιδέες συγκεράστηκαν σε μία υπόθεση των Nicoll και Malenka το 1993.

Υπόθεση του Εναπομείναντος Ασβεστίου: Σύμφωνα με αυτή τα υψηλόσυχνα ερεθίσματα προκαλούν, το καθένα, την εισροή Ca++ στην προσυναπτική νευρωνική απόληξη που έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση επιπλέον νευροδιαβιβαστή. H ηλεκτροφυσιολογικά μετρήσιμη ενδυνάμωση λοιπόν οφείλεται, εν μέρει τουλάχιστον, στο αθροιστικό αποτέλεσμα των ιόντων ασβεστίου που απομένουν στο προσυναπτικό πέρας μετά το τέλος κάθε ερεθισμού και που έχουν ως αποτέλεσμα την ακόμα μεγαλύτερη, σε ποσότητα και χρόνο, απελευθέρωση νευροδιαβιβαστή (Malenka & Nicoll, 1993).

Καθώς όμως η συναπτική πλαστικότητα συνοδεύεται και από δομικές μετατροπές της μετασυναπτικής μεμβράνης, έπεται πως, εκτός από τη μεταβολή της ποσότητας του νευροδιαβιβαστή που απελευθερώνεται, ανάλογες μετατροπές θα πρέπει να συμβούν και στο προσυναπτικό πέρας ώστε να επιτευχθεί λειτουργική ζεύξη των δομικών αλλαγών (Bekkers & Stevens, 1990).

Δομικές και κυτταροσκελετικές μετατροπές: Με τον όρο Μετασυναπτική Πύκνωση (Post Synaptic Density ή PSD) περιγράφεται το πυκνό ηλεκτρονικά τμήμα της μετασυναπτικής μεμβράνης που αντιστοιχεί στη συναπτική σχισμή και συμμετέχει στην νευροδιαβιβαστική συνέχεια του ηλεκτρικού σήματος με την ενεργοποίηση των ιοντικών διαύλων που φέρει (Matus & Taff-Jones, 1978; Gulley & Reese, 1981). 'Ενας από τους μηχανισμούς που έχουν προταθεί προκειμένου να δοθεί μία εξήγηση στην ενδυνάμωση της συναπτικής απόκρισης που παρατηρείται κατά την LTP ήταν ο σχηματισμός νέων συνάψεων (Lynch et al, 1988; Lynch & Baudry, 1991). Αργότερα, και κυρίως μετά από τις εντυπωσιακές παρατηρήσεις των Desmond και Geinisman και των συνεργατών τους, επικράτησε η ιδέα της συναπτικής τροποποίησης μέσω δομικών και κυτταροσκελετικών αλλαγών και ιδιαίτερα στην περιοχή της PSD (Siekevitz, 1985; Desmond & Levy, 1990; Geinisman et al, 1991; Montoro et al, 1993). Βρέθηκε λοιπόν πως μετά την σταθεροποίηση της LTP και επί αρκετές ημέρες o αριθμός των αξωνοδενδριτικών συνάψεων είναι πολύ σημαντικά αυξημένος, όπως επίσης αυξημένος βρέθηκε ο αριθμός των PSD με πολλαπλές, τελείως διαμερισματοποιημένες (perforated) περιοχές διαβίβασης (Geinisman et al, 1991 & 1996; Suzuki, 1996).

Οι παρατηρήσεις αυτές οδήγησαν στη διαμόρφωση μιας πολύ τεκμηριωμένης υπόθεσης συναπτικής ενδυνάμωσης. Σύμφωνα με την υπόθεση της Διάτρησης της PSD, η αύξηση της συγκέντρωσης ιόντων Ca++ στο μετασυναπτικό άκρο, που παρατηρείται μετά από την πρόκληση συναπτικής ενδυνάμωσης, θα προκαλέσει τον πολυμερισμό και επιμήκυνση των ινιδίων της ακτίνης (Siekevitz, 1985; Pavlik & Moshov, 1991; Fifkova & Morales, 1992; Young et al, 1994). Λόγω του τρόπου της αρχικής τοποθέτησης των ινιδίων αυτή η επιμήκυνση γίνεται προς συγκεκριμένη κατεύθυνση και όχι σφαιρικά (Marklam & Fifkova, 1986) με αποτέλεσμα να ωθήσει το πρωτεϊνικό δίκτυο της PSD με τέτοιο τρόπο ώστε αυτό να "διατρηθεί" και να χωριστεί σε δύο (τουλάχιστον) νέες, επιμέρους εν δυνάμει-PSD (Desmond & Levy, 1990; Geinisman et al, 1991 & 1996; Kuhlam et al, 1996; Suzuki, 1996). Ταυτόχρονα με τον πολυμερισμό των ινιδίων της ακτίνης η δομή της PSD μεταβάλλεται με την εξαρτώμενη από τη συγκέντρωση Ca++ φωσφορυλίωση δομικών μορίων της PSD (Sahyoun et al, 1986; Coussens & Teyler, 1996). Με αυτό τον τρόπο η συνολική επιφάνεια του μετασυναπτικού τμήματος της σύναψης αυξάνεται και είναι αυτή η αύξηση, μαζί με την αντίστοιχη που απαιτείται από τον προσυναπτικό νευρώνα, που επιτρέπει την συναπτική ενδυνάμωση (Geinismann et al, 1993; Hoffman, 1998).

Ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο φαίνεται να διαδραματίζουν και τα μόρια κυτταρικής πρόσδεσης, όπως το NCAM (neural cell adhesion molecule) (Muller et al, 1996; Nakanishi et al, 1997) και τα μέλη της οικογένειας των κατχερινών (Tang et al, 1998) των οποίων η αναστολή της έκφρασης ή της λειτουργίας αποτρέπει τη σταθεροποίηση συναπτικής ενδυνάμωσης. Η αναγκαιότητα της δράσης αυτών των μορίων είναι προφανής αν ληφθούν υπόψη οι απαραίτητες δομικές μετατροπές που θα πρέπει να ολοκληρωθούν προκειμένου να μεταβληθεί μακρόχρονα η συναπτική αποτελεσματικότητα.

Εκτός όμως από τις δομικές μετατροπές που συμβαίνουν στις PSD, κατά την LTP έχουν παρατηρηθεί και δομικές αλλαγές στις υπό ενδυνάμωση άκανθες. Συγκεκριμένα, η βάση αυτών των ακάνθων φαίνεται να αυξάνεται σε διάμετρο με αποτέλεσμα τόσο να επιτρέπει την en mass διαρροή ιόντων Ca++ στο δενδριτικό στέλεχος όσο και να πολλαπλασιάζει την ηλεκτρική αντίσταση και να μειώνει έτσι τη διάχυση της μεμβρανικής εκπόλωσης (Gamble & Koch, 1987; Teyler et al, 1994). Σε αυτές τις δομικές αλλαγές έχει αποδοθεί ο ρόλος της ηλεκτρικής ενδυνάμωσης (Koch & Zador, 1993).

Συναπτοπυρηνικοί Αγγελιοφόροι: Η αναδόμηση των συνάψεων που απαιτείται για τη σταθεροποίηση της LTP έχει την ανάγκη πρωτεϊνικών προϊόντων που είτε συντίθενται de novo (στο κυτταρόπλασμα ή στο δενδριτικό στέλεχος) είτε χρησιμοποιούνται από τις έτοιμες δεξαμενές τους στο νευρωνικό σώμα και στον δενδριτικό κορμό - που όμως θα πρέπει να αναπληρωθούν (Geinisman et al, 1996). 'Οπως είναι γνωστό, αν δεν ολοκληρωθεί με επιτυχία η πρωτεϊνοσύνθεση δεν είναι δυνατό να σταθεροποιηθεί η LTP (Flexner et al, 1963, 1965 & 1967; Hyden & Lange, 1968; Montarolo et al, 1986; Albertini et al, 1994; Nguen et al, 1994; Frey et al, 1996; Nayak et al, 1998).

Ως συναπτοπυρηνικοί αγγελιοφόροι (synaptonucleic messengers ή SNM) ονομάζονται μόρια τα οποία σχηματίζονται και απελευθερώνονται στην συναπτική περιοχή και μεταφέρονται στον κυτταρικό πυρήνα όπου πυροδοτούν γονιδιακή μεταγραφή και επακόλουθη πρωτεϊνική σύνθεση (Nguyen, 2002). Τα προϊόντα αυτής της πρωτεϊνοσύνθεσης έχει προταθεί πως μπορεί να αποτελούν ιοντικούς διαύλους, υποδοχείς, δομικά στοιχεία και κυτταροσκελετικά μόρια που σταθεροποιούν τις μετατροπές που απαιτεί η συναπτική πλαστικότητα (Satoh & Kaneko, 1994; Suzuki, 1996; Chotiner et al, 2003) αλλά και αυξητικοί παράγοντες που προωθούν την ανάπτυξη εκείνων των δενδριτικών κλάδων που περιέχουν μεγάλο αριθμό ενδυναμωμένων συνάψεων (Gray & Johnston, 1987; Kang & Schuman, 1995a&b; Levine et al, 1995; Fiigurov et al, 1996; Kang et al, 1997; Νawa et al, 1997).

Συναπτοπυρηνικοί αγγελιοφόροι μπορεί να είναι μόρια που μοιάζουν με τους παράγοντες NF-kappa B και Ι-kappa Β αλλά ο σημαντικότερος SNM που έχει βρεθεί να απελευθερώνεται από τις υπό ενδυνάμωση συνάψεις των νευρώνων της CA1 περιοχής του ιππόκαμπου είναι η κυκλική μονοφωσφορική αδενοσίνη (cAMP) (Satoh & Kaneko, 1994; Suzuki, 1996). Ο σχηματισμός της cAMP στο μετασυναπτικό νευρωνικό πέρας έχει βρεθεί να αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για την πρόκληση και σταθεροποίηση της LTP αλλά η αύξηση στη συγκέντρωσή της δεν αποτελεί επαρκή συνθήκη για την πρόκληση LTP (Blitzer et al, 1995; Scharf et al, 2002; Woo et al, 2003). Η cAMP σχηματίζεται με τη δράση της αδενυλικής κυκλάσης, η οποία με τη σειρά της ενεργοποιείται από την CaM-ΚΙΙ. Αυτή όμως η καταρρακτική σχέση έχει χαρακτήρα αμφίδρομης ισορροπίας καθώς η cAMP ενεργοποιεί την ΡΚΑ η οποία θα διατηρήσει, εμμέσως, ενεργή την CaM-ΚΙΙ.

Η cAMP στη συνέχεια διαχέεται στο νευρώνα και φτάνει ως τον πυρήνα όπου, αφού διαπεράσει παθητικά την πυρηνική μεμβράνη, συνδέεται σε πρωτεΐνες πρόσδεσης που αποκρίνονται στην cAMP (cAMP-responsive element binding proteins ή CREΒΡ). Οι πρωτεΐνες αυτές βρίσκονται προσδεμένες σε ειδικές ακολουθίες εκκίνησης της μεταγραφής (υποκινητές) του DNA που αντιστοιχούν σε γονίδια άμεσης έκφρασης (immediate-early genes ή IEGs) παρεμποδίζοντας έτσι την έκφρασή τους. Η σύνδεση της cAMP με τις CRE-ΒΡ τροποποιεί τη στερεοδιάταξη των τελευταίων και έτσι τις αποσπά από τους υποκινητές επιτρέποντας τη μεταγραφή και μετάφραση των IEGs. Γονίδια που έχουν χαρακτηριστικά IEG έχουν βρεθεί να είναι το zif-268 όπως και γονίδια των οικογενειών c-fos και c-jun (Mackler et al, 1992; Bozon et al, 2003).

Κάποια από τα mRNA που προκύπτουν από τη μεταγραφή των IEG's μεταφράζονται σε πρωτεΐνες στο κυτταρόπλασμα και επιστρέφουν στον πυρήνα όπου θα δράσουν ως μεταγραφικοί παράγοντες επιτρέποντας την πρόσδεση mRNA πολυμεράσης στους υποκινητές γονιδίων των οποίων η έκφραση είναι αναγκαία για τη σταθεροποίηση των φαινομένων συναπτικής πλαστικότητας, ιδιαίτερα της LTP, όπως ιοντικοί δίαυλοι και υποδοχείς νευροδιαβιβαστών (Bliss & Collingridge, 1993; Satoh & Kaneko, 1994; Kandel et al, 1995; Nayak et al, 1998; Hinoi et al, 2002). Κάποια άλλα από τα mRNA μεταφέρονται ως έχουν στις δενδριτικές άκανθες για να μεταφραστούν εκεί, κυρίως σε πρωτεΐνες που σχετίζονται με τον κυτταροσκελετό και ρυθμίζονται από τη δραστηριότητα (activity-regulated cytoskeleton-associated proteins ή ArC) (Steward & Worley, 2002). Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι τα IEG γονίδια μεταγράφονται σε πρωταρχικό RNA το οποίο, κατά την πυρηνική του ωρίμανση σε mRNA από τα ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σωμάτια, υφίσταται διαφορική συρραφή (differential splicing), δηλαδή μετά την αφαίρεση των εσωνίων τα εναπομείναντα εξώνια είναι δυνατό να συρραφτούν σε διαφορετική διάταξη. Ως αποτέλεσμα, είναι δυνατό, από το ίδιο γονίδιο, να σχηματιστούν διαφορετικές ισομορφές ενός υποδοχέα π.χ. σε νευρώνες της ίδιας ή διαφορετικής περιοχής (Eastwood et al, 1994) επιτρέποντας έτσι την καλύτερη ρύθμιση της συναπτικής πλαστικότητας .

Πρωτεϊνοσύνθεση όμως δεν συμβαίνει μόνο στο νευρωνικό σώμα αλλά και στο δενδριτικό στέλεχος και συγκεκριμένα στα πολυριβοσώματα που βρίσκονται κοντά στις βάσεις των ακάνθων (Steward & Falk, 1986; Chicurel et al, 1993). Μάλιστα μετά από την πρόκληση ενδυνάμωσης έχει βρεθεί ότι αυξάνεται σημαντικά τόσο ο αριθμός των δενδριτκών πολυριβοσωμάτων (Ostroff et al, 2002) όσο και η μετάφραση των mRNA που βρίσκονται σε δενδριτικό στέλεχος (Roberts et al, 1998) και ιδιαίτερα mRNA που θα επιτρέψει το σχηματισμό υποδοχέων, όπως οι υποδοχείς NMDA (Bensol, 1997). Συνεπώς, αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση της σταθεροποίησης της LTP η σύνθεση νέων μορίων mRNA και η μεταφορά τους στις δενδριτικές άκανθες (Steward, 2002). Ιδιαίτερο ενδιαφέρον όμως έχει η μεταπολυπεπτιδική επεξεργασία των πρωτεϊνών που συντίθενται στη βάση των ακάνθων. 'Εχει βρεθεί πως τέτοια επεξεργασία, όπως η γλυκοσυλίωση, πραγματοποιείται σε κύστες του ενδοπλασματικού δικτύου που λειτουργούν σαν μία μικρή συσκευή Golgi (Torre & Steward, 1996) και μάλιστα με την ολοκλήρωση της επεξεργασίας τους, οι πρωτεΐνες εγκλείονται σε κύστες μεταφοράς, οι οποίες θα αποτελέσουν τη δεξαμενή υποδοχέων (receptor pool vesicles) της άκανθας (Rubio & Wenthold, 1999). 'Οπου και να σχηματίζονται όμως τα πρωτεϊνικά προϊόντα είναι απαραίτητο να μεταφερθούν ακριβώς στις υπό ενδυνάμωση συνάψεις, εντοπίζοντας τις αντίστοιχες δενδριτικές άκανθες από τις περίπου 10,000 που βρίσκονται κατά μέσο όρο σε ένα νευρώνα (Sossin, 1996). Ο μηχανισμός αυτού του εντοπισμού αποτέλεσε το πεδίο έντονης έρευνας και μέχρι σήμερα παρέμεινε ασαφής.

Δεντρική Μεταφορά & Εντοπισμός: Ένα από τα πιο σημαντικά σημεία της συναπτικής πλαστικότητας, και ιδιαίτερα της LTP, είναι ο μηχανισμός με τον οποίο τα απαραίτητα προϊόντα της πρωτεϊνοσύνθεσης ή το υπόστρωμά της (όπως mRNA και ριβοσώματα) μεταφέρονται μέσα στο δενδριτικό στέλεχος και φτάνουν στις συνάψεις. Η μεταφορά αυτή γίνεται συνήθως με ρυθμό περίπου 0.5 mm/ημέρα αλλά κατά τη συναπτική πλαστικότητα είναι πολύ ταχύτερη (Davis et al, 1987). Το ερώτημα φυσικά που δημιουργείται είναι με ποιο τρόπο αναγνωρίζονται και τα μόρια αυτά αποδίδονται ακριβώς στις συγκεκριμένες συνάψεις των οποίων η ενδυνάμωση πρέπει να σταθεροποιηθεί. Η ανάγκη να ερμηνευτεί αυτό το φαινόμενο δημιούργησε το ζήτημα του συναπτικού εντοπισμού (synaptic tagging ή targeting) (Ehlers et al, 1996; Frey & Morris, 1997) το οποίο μέχρι σήμερα δεν έχει αποσαφηνιστεί. Μία σειρά όμως από πειραματικά ευρήματα φαίνεται να ρίχνουν κάποιο φως.

'Ενα από τα αρχικά τέτοια ευρήματα ήταν πως ένα ομοσυναπτικό υψηλόσυχνo ερέθισμα προκαλεί LTP σε συγκεκριμένο πληθυσμό δενδριτικών συνάψεων και όχι σε όλες τις συνάψεις ενός νευρώνα (White et al, 1988). Αργότερα έγινε μια πολύ ενδιαφέρουσα ανακάλυψη: οι μεταβολές της συναπτικής πλαστικότητας είναι δυνατό να διαχυθούν και σε παράπλευρες ακανθικές συνάψεις (Coussens & Teyler, 1996; Murthy, 1997). Η αυστηρή συναπτική εξειδίκευση της ενδυνάμωσης, που τόσο εύκολα διατηρείται κατά τη φάση της πρόκλησης, δεν διατηρείται στη φάση της σταθεροποίησης για μικρές αποστάσεις (Engert & Bonhoefter, 1997). Επίσης ήταν γνωστό ότι σε νευρώνες της CA1 ιπποκαμπικής περιοχής είναι δυνατό να προκληθεί σταθερή LTD σε συνάψεις παράπλευρες με μία άλλη, ενδυναμωμένη ή αποδυναμωμένη (Hartell, 1996; Scanziami et al, 1996). Υπάρχουν επίσης ενδείξεις που υποστηρίζουν την δυνατότητα πρόκλησης LTP σε συνάψεις χαμηλών κλάδων χωρίς καν την ενεργοποίηση υποδοχέων NMDA (Cavus & Teyler, 1998) ενώ ιδιαίτερο ενδιαφέρον προκαλεί και η παρατήρηση πως αν προκληθεί LTP σε συνάψεις του δενδριτικού στελέχους, και όχι σε ακανθικών περιοχών, η ενδυνάμωση δεν φαίνεται να έχει συναπτική εξειδίκευση αλλά νευρωνική (Cowan et al, 1998).

Μία από τις θεωρίες που προτάθηκαν για να ερμηνευτεί το φαινόμενο της "διάχυσης της πλαστικότητας" (plasticity spillover) θέλει τους συναπτοπυρηνικούς αγγελιοφόρους που σχηματίζονται κατά την πρόκληση της LTP να διατηρούν μία υψηλή συγκέντρωση στη δενδριτική περιοχή κοντά στην άκανθα με αποτέλεσμα να διαχέονται και σε διπλανές άκανθες (Harris, 1995). Μία τέτοια διατήρηση όμως δεν είναι εύκολη σε χώρο έντονης αξονοπλασματικής ροής χωρίς μεμβρανικούς σχηματισμούς. Επιπλέον, η πορεία των συναπτοπυρηνικών αγγελιοφόρων, λόγω μεγέθους, ήταν εύκολο να καταγραφεί και δεν έχει εντοπιστεί διατήρηση υψηλής συγκέντρωσής τους στην περιακανθική δενδριτική περιοχή. Τέλος, είναι ασαφές με ποιο τρόπο θα μπορούσαν οι συναπτοπυρηνικοί αγγελιοφόροι να σχηματιστούν χωρίς την προηγούμενη ενεργοποίηση των υποδοχέων NMDA και να επιτρέπουν μάλιστα τον ακριβή εντοπισμό ακανθικών αλλά όχι δενδριτικών συνάψεων.

Μία δεύτερη θεωρία, που βρήκε αρκετούς υποστηρικτές, ήταν εκείνη της εξωκυττάριας διάχυσης του νευροδιαβιβαστή σε παράπλευρες συνάψεις (Kullman et al, 1996; Kullman & Asztely, 1998). Σύμφωνα με αυτή, ο εκλυόμενος νευροδιαβιβαστής, όπως το γλουταμικό οξύ, διαχέεται και σε παράπλευρες συνάψεις όπου, ανάλογα με τη μικροσυγκέντρωση που φτάνει, είναι δυνατό να προκαλέσει ενδυνάμωση ή αποδυνάμωση. Τα πειραματικά όμως ευρήματα βρέθηκαν να εξαρτώνται από τη θερμοκρασία καταγραφής, κάτι το φυσιολογικό καθώς η ταχύτητα και το εύρος της διάχυσης εξαρτώνται από την ενεργειακή κατάσταση ενός κολλοειδούς όπως είναι το μεσοκυττάριο εγκεφαλονωτιαίο υγρό. Τα ευρήματα αυτά επιβεβαιώνουν τη θεωρία μόνο για θερμοκρασίες 47.5 °C και πάνω, γεγονός που δεν αποκλείει βέβαια να συμβαίνει διάχυση του νευροδιαβιβαστή και σε χαμηλότερες θερμοκρασίες αλλά για πολύ μικρότερες αποστάσεις, αλλά ελαχιστοποιεί την πιθανότητα να αποτελεί κεντρικής σημασίας τμήμα του πραγματικού μηχανισμού συναπτικής πλαστικότητας των θηλαστικών.

Παρόλη λοιπόν την αναγκαιότητα του συναπτικού εντοπισμού κατά τη μεταφορά των πρωτεϊνικών προϊόντων της πλαστικότητας (Frey & Morris, 1997,1998a&b) και την ανακάλυψη της εμπλοκής της λειτουργίας των υποδοχέων NMDA σε αυτόν (Shi et al, 1999) το ερώτημα του πως ακριβώς συμβαίνει αυτός παραμένει αναπάντητο με τις μέχρι σήμερα έρευνες.

Το προτεινόμενο ενοποιημένο μοντέλο επιχειρεί να αποδώσει σαφή μηχανισμό που να επιτρέπει τόσο την "σήμανση" των υπό ενδυνάμωση συνάψεων όσο και να προσφέρει μία εξήγηση για την παρατηρημένη διάχυση της ενδυνάμωσης μέσω μίας διαδικασίας άμεσα σχετιζόμενης με τα φαινόμενα της συναπτικής πλαστικότητας.

Αναπάντητα ερωτήματα

Οι μηχανισμοί ενός τόσο πολυπαραγοντικού φαινομένου όπως η συναπτική πλαστικότητα που πιθανώς να αποτελεί το υπόστρωμα της μνημονικής λειτουργίας σίγουρα δεν θα μπορούσαν να δημιουργούν λίγα ζητήματα. Τα μέχρι σήμερα όμως πειραματικά δεδομένα έχουν εστιάσει τα αναπάντητα ερωτήματα σε τέσσερις κυρίως ομάδες.

Αιτία της αποδυνάμωσης: Η μειωμένη νευρωνική απόκριση σε σύγκριση με την απόκριση ελέγχου στην περίπτωση της LTD δεν είναι δυνατό να ερμηνευτεί με τους μηχανισμούς κανενός μοντέλου. Σε αναλογία με την πρόκληση και σταθεροποίηση της LTP, στην περίπτωση της αποδυνάμωσης θα έπρεπε να μειώνεται ο αριθμός των δενδριτικών διακλαδώσεων, σύμφωνα με τα ανατομικά μοντέλα, ή να συρρικνώνονται οι δενδριτικές άκανθες, σύμφωνα με τα δομικά μοντέλα, παρατηρήσεις που, παρά τις προσπάθειες, δεν έχουν επιβεβαιωθεί. Τα μοριακά μοντέλα αδυνατούν ακόμα περισσότερο στην αιτιολόγηση της αποδυνάμωσης αφού είναι σε θέση να προσφέρουν το υπόστρωμα των μηχανισμών αλλά όχι και την φυσιολογική κατάληξή τους.

Μοριακός διακόπτης: Η θεωρία του κυλιόμενου κατωφλίου εισήγαγε και την ιδέα του μοριακού διακόπτη (molecular switch) ο οποίος έχει το ρόλο να διαφοροποιεί την κατεύθυνση του μηχανισμού πλαστικότητας μεταξύ συναπτικής ενδυνάμωσης και αποδυνάμωσης. Τον πρώτο λόγο για τον εντοπισμό ενός τέτοιου μορίου είχαν τα μοριακά μοντέλα αλλά, αφ' ενός τα μοντέλα αυτά δεν είναι σε θέση να περιγράψουν δομικές μετατροπές ενώ, αφ' ετέρου καθώς δεν έχει απαντηθεί το πρώτο ερώτημα είναι αδύνατον να αποδοθεί σε ένα μόριο, όπως για παράδειγμα στην CaM-ΚΙΙ, ρυθμιστικός ρόλος σε έναν ατελή μηχανισμό πλαστικότητας.

Συναπτικός εντοπισμός: Ο εντοπισμός ακριβώς των υπό ενδυνάμωση συνάψεων (synaptic tagging) από τα προϊόντα, όπως mRNA, πολυριβοσώματα και πρωτεΐνες, που είναι απαραίτητα για να σταθεροποιηθεί η LTP αποτελεί ένα ανοιχτό ερώτημα. Τα μοριακά μοντέλα προτείνουν διάφορα μόρια, και κυρίως την CaM-ΚΙΙ ή συναπτοπυρηνικούς αγγελιοφόρους όπως η cAMP, ως "σηματοδότες" του συναπτικού εντοπισμού αλλά ο μηχανισμοί τους αδυνατούν να ερμηνεύσουν δύο άλλα σχετιζόμενα φαινόμενα: (α) τη διάχυση της πλαστικότητας (plasticity spillover) σε γειτονικές συνάψεις με αυτές που βρίσκονται υπό ενδυνάμωση (Harris, 1995) και, κυρίως, (β) την πρόκληση LTP σε συνάψεις κοντά στο κυτταρικό σώμα ιπποκαμπικών νευρώνων της CA1 περιοχής χωρίς την ενεργοποίηση υποδοχέων NMDA (Cavus & Teyler, 1998). Ακόμα και αν επιβεβαιωθεί στο μέλλον η διάχυση μορίων που θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως σηματοδότες σε γειτονικές συνάψεις η ερμηνεία του δευτέρου φαινομένου που συνοδεύει το συναπτικό εντοπισμό είναι αδύνατη με τα μοριακά μοντέλα.

Μνημονική αποθήκευση: Το ζήτημα της μνημονικής αποθήκευσης μετά το τέλος της ολοκλήρωσης της εγχάραξης παραμένει επίμονα αναπάντητο. Κανένα μοριακό μοντέλο δεν είναι σε θέση να προτείνει μηχανισμό που θα γίνει αποδεκτός καθώς η διατήρηση της μνήμης ισχύει για δεκαετίες, όταν o χρόνος ανακύκλωσης των πρωτεϊνών δεν ξεπερνά τις λίγες εβδομάδες. Επιπλέον, ακόμη και αν υπήρχε κάποιος μηχανισμός ανανέωσης, η σύνθεση νέων πρωτεϊνών ως αποθήκες μνήμης έχει υπολογιστεί πως θα απαιτούσε υπερβολική αύξηση του βάρους του εγκεφάλου με την ηλικιακή ωρίμανση ενός οργανισμού ενώ δεν θα επαρκούσε και ο αριθμός των γονιδίων του ανθρώπου για να εκφράσει την ποικιλία των διαφορετικών πρωτεϊνών που θα απαιτούνταν. H απάντηση λοιπόν θα πρέπει να έχει δομικό χαρακτήρα, αν και μέχρι σήμερα δεν έχει προταθεί κάποιο ολοκληρωμένο μοντέλο.

Η ανεπάρκεια λοιπόν των μέχρι σήμερα μοντέλων συναπτικής πλαστικότητας να ερμηνεύσουν το φαινόμενο στην ολότητά του, τουλάχιστον για την CA1 περιοχή του ιππόκαμπου, και να δώσουν απάντηση στα ερωτήματα που επιμένουν ήταν αυτό που δημιούργησε την ανάγκη διαμόρφωσης και πρότασης ενός συνδυαστικού μοντέλου συναπτικής πλαστικότητας το οποίο όχι μόνο συγκεράζει τα μέχρι σήμερα πειραματικά δεδομένα και παρατηρήσεις αλλά προσφέρει και απάντηση στα περισσότερα ζητήματα που έχουν μείνει αναπάντητα.

Υλικά και μέθοδοι

Η παρούσα μελέτη είναι μία μετά-ανάλυση των πειραματικών και ερευνητικών δεδομένων των τελευταίων 30 χρόνων. Αποτελεί τη δεύτερη σε μία σειρά τριών μελετών και πραγματεύεται θεωρητική προσέγγιση του αντικειμένου. Καθώς το πειραματικό τμήμα έχει παρουσιαστεί στην πρώτη κατά σειρά μελέτη (Μιχμίζος et al, 2004a) θα ήταν πλεονασμός να παρατεθούν και πάλι τα υλικά και οι μέθοδοι.

Συζήτηση

Η μελέτη της συναπτικής πλαστικότητας ως το κυτταρικό υπόστρωμα της μνήμης, μιας αναδυόμενης ιδιότητας του εγκεφάλου, δεν είναι εύκολο να δώσει σαφείς απαντήσεις αν επικεντρωθεί στα επιμέρους χαρακτηριστικά της, κυρίως γιατί εμφανίζεται με πολλές μορφές, τόσο στις διάφορες περιοχές του εγκεφάλου όσο και ανάμεσα στα διαφορετικά πεδία του ίδιου του ιππόκαμπου. 'Εχουν περάσει 30 χρόνια από την ανακάλυψη της πρώτης μορφής της, ως LTP από τους Bliss και Lømo το 1973, και από τότε έχει συσσωρευτεί ένας τεράστιος όγκος πειραματικών δεδομένων, κάποια συμπληρωματικά ενώ κάποια άλλα αντικρουόμενα. Υπήρχε λοιπόν ανάγκη για τη διαμόρφωση ενός ενοποιημένου μοντέλου συναπτικής πλαστικότητας, το οποίο όχι μόνο θα συμπεριλάμβανε τις ομοιότητες αλλά και θα ήταν σε θέση να ερμηνεύσει τις διαφορές.

Διακόπτης Συναπτικής Πλαστικότητας: Σύμφωνα με το προτεινόμενο μοντέλο, κεντρικής σημασίας είναι οι αυξομειώσεις των συγκεντρώσεων των ιόντων Ca++ σε διάφορες μικροπεριοχές του νευρωνικού κυττάρου (Michmizos et al, 2004a & c). Σε αυτές μπορεί να αναζητηθεί τόσο η ερμηνεία πολλών φαινομένων όσο και ο πολύ σημαντικός εντοπισμός του μοριακού διακόπτη που θα καθορίσει το αν μια σύναψη θα ενδυναμωθεί ή θα αποδυναμωθεί και το αν αυτή η μεταβολή της συναπτικής απόκρισης θα είναι μακρόχρονη ή βραχύχρονη.

Η προσαγωγή ερεθίσματος υψηλόσυχνης ριπής (HFS) in vitro, αλλά και η μαζική συναπτική συνενεργοποίηση πολλών συνάψεων του ίδιου δενδριτικού κλάδου ενός νευρώνα in vivo, ανυψώνει αρκετά το δυναμικό της μεμβράνης (Vm) των δενδριτικών ακάνθων με αποτέλεσμα την απομάκρυνση των ιόντων Mg++ από το δίαυλο των υποδοχέων NMDA, την ενεργοποίησή τους και την εισροή ιόντων Ca++. Στην εισροή ιόντων Ca++ στην περισυναπτική περιοχή μέσω των υποδοχέων NMDA προστίθενται και τα ιόντα Ca++ που απελευθερώνονται από τις δεξαμενές του λείου ενδοπλασματικού δικτύου μέσω της δράσης της Φωσφορικής Ινοσιτόλης-3 (ΙΡ3), η οποία αποτελεί προϊόν της διάσπασης φωσφολιπιδίων κάτω από την επίδραση της Φωσφολιπάσης, που είχε ενεργοποιηθεί με τη σειρά της από G-πρωτεΐνες. Αυτή η αυξημένη μικροσυγκέντρωση ιόντων Ca++ ενεργοποιεί την CaM-ΚΙΙ η οποία, αφενός, πυροδοτεί το σχηματισμό και την απελευθέρωση ανάδρομων αγγελιοφόρων, όπως το μονοξείδιο του Αζώτου και το Αραχιδονικό οξύ, αφετέρου, αυξάνει την αποτελεσματικότητα των υποδοχέων ΑΜΡΑ ως διαύλων ιόντων Ca++, οι οποίοι έτσι παρατείνουν την αυξημένη εισροή ιόντων Ca++ στη συγκεκριμένη περιοχή. Τα παραπάνω γεγονότα λειτουργούν συνεργικά, καθώς ένας από τους ρόλους των ανάδρομων αγγελιοφόρων είναι η αύξηση της ποσότητας και παράτασης του χρόνου απελευθέρωσης του νευροδιαβιβαστή από το προσυναπτικό άκρο.

Αν το προσυναπτικό ερέθισμα ήταν αρκετά μεγάλης συχνότητας και διάρκειας ή προέκυψε από ταυτόχρονη πολλαπλή συνενεργοποίηση πολλών συνάψεων του ίδιου δενδριτικού κλάδου, η μεταβολή του δυναμικού της μεμβράνης (Vm) θα επεκταθεί ως τη βάση της άκανθας και η εισροή των ιόντων Ca++ θα παραταθεί με την ενεργοποίηση των VDCC που έχουν εντοπιστεί εκεί. Στο δενδριτικό στέλεχος υπάρχουν πολυριβοσώματα και mRNA για τη σύνθεση υποδοχέων, ιοντικών διαύλων και μεμβρανικών πρωτεϊνών. Η διαρροή ιόντων Ca++ σε αυτό επιτάσσει τη μετάφραση των mRNA και την απορρόφηση των πρωτεϊνικών προϊόντων στην άκανθα υπό ενδυνάμωση. Τα προϊόντα αυτά θα καταστήσουν λειτουργικά ενεργή την αυξημένης επιφάνειας σύναψη, κάτι που συνεπάγεται συναπτική ενδυνάμωση καθώς αυξάνεται η επιφάνεια διαυλικής αποκρισιμότητας και έτσι ένα προσυναπτικό ερέθισμα της ίδιας συχνότητας και έντασης δημιουργεί ευκολότερα μεγαλύτερη απόκριση. Τα μόρια αυτά εισέρχονται στη μεμβράνη με τη σύντηξη των κυστιδίων μεταφοράς της δεξαμενής υποδοχέων. Τα πρωτεϊνικά προϊόντα του δενδριτικού στελέχους θα πρέπει όμως να αναπληρωθούν, καθώς οι μεμβρανικές πρωτεΐνες βρίσκονται συνεχώς σε πορεία ανακύκλωσης, με την μεταγραφή και μετάφραση σε πρωτεΐνες συγκεκριμένων γονιδίων. Οι δομικές μετατροπές των δενδριτών επίσης έχουν ανάγκη την έκφραση γονιδίων. Τα γονίδια αυτά αφυπνίζονται με την αποστολή συναπτοπυρηνικών αγγελιοφόρων, όπως η cAMP, η σύνθεση και απελευθέρωση των οποίων εξαρτάται από τις τοπικές μικροσυγκεντρώσεις ιόντων Ca++. Προτείνεται η αυξημένη μικροσυγκέντρωση ιόντων Ca++ στο δενδριτικό στέλεχος, ακριβώς στη βάση της άκανθας με την υπό ενδυνάμωση σύναψη, να λειτουργεί και ως σηματοδότης για τον συναπτικό εντοπισμό της κατά την δενδριτική μεταφορά των προϊόντων τα οποία θα σταθεροποιήσουν τις δομικές μετατροπές και θα επιφέρουν μακρόχρονη συναπτική ενδυνάμωση (LTP) (Michmizos et al, 2004a).

Σε περίπτωση που η μικροσυγκέντρωση των ιόντων Ca++ δεν παραμείνει αυξημένη στο δενδριτικό στέλεχος ή για κάποιο λόγο δεν ολοκληρωθεί η σύνθεση και η μεταφορά των πρωτεϊνών στις υπό ενδυνάμωση συνάψεις, οι δομικές μετατροπές γρήγορα φθίνουν και καταγράφονται πειραματικά ως βραχύχρονη μόνο ενδυνάμωση (STP) (Michmizos et aΙ, 2004c).

Στην περίπτωση προσαγωγής ερεθίσματος χαμηλόσυχνης ριπής (LFS) in vitro, αλλά και της μερικής συναπτικής συνενεργοποίησης κάποιων μόνο συνάψεων του ίδιου δενδριτικού κλάδου ενός νευρώνα in vivo, η αύξηση της μικροσυγκέντρωσης των ιόντων Ca++ στην περισυναπτική περιοχή, λόγω της τοπικής απόφραξης των υποδοχέων NMDA, είναι αρκετή για να ξεκινήσει ο πολυμερισμός των ινιδίων ακτίνης. Ο πολυμερισμός αυτός αυξάνει τη μεμβράνη της συναπτικής επιφάνειας αλλά δεν καθίσταται λειτουργικά ενεργός, καθώς δεν συνοδεύεται από απορρόφηση νέων υποδοχέων και ιοντικών διαύλων από το δενδριτικό στέλεχος, κάτι που απαιτεί παρατεταμένη εισροή ιόντων Ca++ και διάχυσή τους στη βάση της άκανθας. Με αυτό το τρόπο, η άκανθα χάνει το λειτουργικό της σχήμα και μετέπειτα προσυναπτικά ερεθίσματα θα τύχουν αποδυναμωμένης συναπτικής απόκρισης καθώς η αύξηση της επιφάνειας χωρίς αντίστοιχη αύξηση της αγωγιμότητας συνεπάγεται αύξηση της ηλεκτρικής αντίστασης της μεμβράνης (Rm) (Michmizos & Baloyannis, 1999; Michmizos et al, 2004a & c).

Η έκταση των δομικών μετατροπών θα καθορίσει τη διάρκεια της αποδυναμωμένης συναπτικής απόκρισης και ανάλογα θα έχει ως αποτέλεσμα μόνο βραχύχρονη (STD) ή μακρόχρονη (LTD) αποδυνάμωση, στην περίπτωση που συμβεί περίσφιξη της βάσης της άκανθας αυξάνοντας ακόμα περισσότερο την Rm.

Συναπτικός εντοπισμός: Η ανάγκη παράτασης της εισροής ιόντων Ca++ στη βάση της άκανθας προκειμένου να αποδοθούν σε αυτή άμεσα τα έτοιμα πρωτεϊνικά προϊόντα (και να προκύψει ενδυνάμωση και όχι αποδυνάμωση της σύναψής της) έχει ως αποτέλεσμα την ενεργοποίηση των VDCC που έχουν εντοπιστεί στη βάση των ακάνθων. Η δράση αυτών των διαύλων εξαρτάται από το δυναμικό της μεμβράνης (Vm) και η ενεργοποίησή τους παρατείνει την εισροή ιόντων Ca++ ακόμα περισσότερο. Προτείνεται ότι αυτή η αυξημένη συγκέντρωση ιόντων Ca++ λειτουργεί ως σηματοδότης των υπό ενδυνάμωση συνάψεων, ώστε στο εγγύς μέλλον να αποδοθούν σε αυτές τα προϊόντα της πρωτεϊνοσύνθεσης που μεταφέρονται μέσω του δενδριτικού στελέχους. 'Οπως όμως έχει αναφερθεί, ο συναπτικός εντοπισμός δεν είναι απόλυτα ακριβής διαδικασία, καθώς έχει παρατηρηθεί "διαρροή" ενδυνάμωσης σε παράπλευρες συνάψεις. Είναι προφανές λοιπόν ότι η χρήση Ca++ για τη σηματοδότηση των συνάψεων υπό ενδυνάμωση δεν αποτρέπει τη διάχυση των ιόντων και στις βάσεις διπλανών συνάψεων, οι οποίες άλλωστε μάλλον θα είχαν δεχτεί και εναλλαγή του μεμβρανικού τους δυναμικού.

Η έννοια όμως του συναπτικού εντοπισμού δεν αναφέρεται μόνο σε συγκεκριμένες συνάψεις αλλά και στους πρωτογενείς δενδριτικούς κλάδους που τις περιέχουν. Είναι γνωστό ότι στη βάση των δενδριτικών κλάδων υπάρχουν δίαυλοι ιόντων Ca++ οι οποίοι προφανώς ενεργοποιούνται και σηματοδοτούν σε ποιον δενδριτικό κλάδο υπάρχουν συνάψεις υπό ενδυνάμωση και χρειάζονται πρωτεϊνική υποστήριξη και αναπλήρωση (Michmizos & Baloyannis, 1999).

Είναι βέβαια πολύ δύσκολο να αποδειχτεί άμεσα o ρόλος της εισροής ιόντων Ca++ ως ο πυροδότης της κατεύθυνσης της συναπτικής πλαστικότητας, καθώς μέχρι σήμερα ήταν αδύνατο να αποφευχθεί να ενεργοποιηθούν έμμεσα και οι VDCC ή να μετρηθεί η διαφορά τόσο κοντινών μικροσυγκεντρώσεων (Perkel et al, 1993; Teyler et al, 1994; Teyler, προσωπική επικοινωνία). Παρ' όλα αυτά υπάρχει αισιοδοξία ότι στο άμεσο μέλλον θα υπάρξει συσσώρευση πειραματικών δεδομένων που τόσο θα επιβεβαιώνουν το προτεινόμενο ενοποιημένο μοντέλο όσο και θα το χρειάζονται για να ενσωματωθούν σε έναν ενιαίο μηχανισμό που θα περιγράφει όλα τα είδη συναπτικής πλαστικότητας.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Abraham WC & Goddard GV. Asymetric relationships between homosynaptic long-term potentiation and heterosynaptic long-term depression. Nature 1983, 305: 717-719.

Akers RF & Routtenberg A. Calcium-promoted translocation of protein kinase C to synaptic membranes: relation to the phosphorylation of an endogenous substrate (protein F1) involved in synaptic plasticity. Journal of Neuroscience 1987, 7: 3976-3983.

Albertini M, Clement MG. In pigs, inhaled nitric oxide (NO) counterbalances PAF-induced pulmonary hypertension. Prostaglandins, Leukocells and Essential Fatty Acids 1994, 51: 357-362.

Andersen P & Anderson SA. Physiological Basis of the alpha-rhythm. Appleton-Century-Crofts, 1968. New York, N.Y.

Anwyl R. Metabotropic glutamate receptors: electrophysiological properties and role in plasticity. Brain Research and Brain Research Review 1999, 29: 83-120.

Artola A, Brocher S, Singer W. Different voltage-dependent thresholds for inducing long-term depression and long-term potentiation in slices of rat visual cortex. Nature 1990,347:69-72.

Artola A & Singer W. Long-term depression of excitatory trans mission and its relationship to long-term potentiation. Trends in Neuroscience 1993, 16: 480-487.

Asztely F & Gustafsson B. lonotropic glutamate receptors. Their possible role in the expression of hippocampal synap tic plasticity. Molecular Neurobiology 1996, 12: 1-11.

Bashir ZL & Collingridge GL. An investigation of depotentialion of long-term potentiation in the CA1 region of the hippocampus. Experimental Brain Research 1994, 100: 437-443

Bashir ZI, Jane DE, Sunter DC, Watkins JC, Collingridge GL. Metabotropic glutamate receptors contribute to the induction of long-term depression in the CA1 region of the hippocampus. Journal of European Pharmacology 1993, 239: 265-266.

Bear MF. Mechanism for a sliding synaptic modification threshold. Neuron 1995, 15: 1-4.

Bear MF & Malenka RC. Synaptic Plasticity: LTP and LTD. Current Opinions in Neurobiology 1994, 4: 389-399.

Bekkers JM & Stevens CF. Presynaptic mechanism for long-term potentiation in the hippocampus. Nature 1990, 346: 724-728.

Bensol DL. Dendritic compartmentation of NMDA receptor mRNA in cultured hippocampal neurons. Neuroreport 1997, 8: 823-828.

Bernard CL, Hirsch JC, Khazipov R, Ben-Ari Y, Gozlan H. Redox modulation of synaptic responses and plasticity in rat CA1 hippocampal neurons. Experimental Brain Research 1997, 113: 343-352.

Bernard CL, Pickering J, Wheal HV. Reversal of excitatory postsynaptic potential/spike potentiation in the CA1 area of the rat hippocampus. Neuroscience 1998, 86: 431-436.

Bliss TV & Collingridge GL. A synaptic model of long-term potentiation in the hippocampus. Nature 1993, 361: 31-39.

Bliss TV & Lømo T. Long-lasting potentiation of synaptic transmission in the dentate area of the anaesthetized rabbit following stimulation of the perforant path. Journal of Physiology 1973, 232(2): 331-351.

Blitzer RD, Wong T, Nouranifar R, lyengar R, Landau EM. Postsynaptic camp pathway gates early LTP in hippocampal CA1 region. Neuron 1995, 15: 1403-4014.

Bolsakov VY & Siegelbaum SA. Postsynaptic induction and presynaptic expression of hippocampal long-term depression. Science 1994, 264: 1148-1152.

Bortolotto ZA, Fitzjohn SM, Collingridge GL. Roles of metabotropic receptors in LTP and LTD in the hippocampus. Current Opinions in Neurobiology 1999, 9: 299-304.

Bowman RE. & Strobel DA. Brain RNA metabolism in the rat during learning. Journal of Comparative and Physiological Psychology 1969, 67: 448-456.

Bozon B, Kelly A, Josselyn SA, Silva AJ, Davis S, Laroche S. MAPK, CREB and zif268 are all required for the consolidation of recognition memory. Philosophical Transactions of the Royal Society of London on Biological Sciences 2003, 358: 805-814.

Bredt DS & Snyder SH. Nitric Oxide, a novel neuronal messenger. Neuron 1992, 8: 3-11.

Cavus I & Teyler TJ. NMDA receptor-independent LTP in basal versus apical dendrites of CA1 pyramidal cells in rat hippocampal slice. Hippocampus 1998, 8: 373-379.

Chang Y & Greenough NT. Transient and enduring morphological correlates of synaptic activity and efficacy changes in the rat hippocampus. Brain Research 1984, 309: 35-46.

Chapman PF, Frenguelli BG, Smith A, Chen CM, Silva AJ. The alpha-Ca++/Calmodulin kinase II: a bi-directional modulator of postsynaptic plasticity. Neuron 1995, 14: 591-597.

Chicurel ME, Terrian DM, Potter H. mRNA at the synapse: analysis of a synaptosomal preparation enriched in hippocampal dendritic spines. Journal of Neuroscience 1993, 13: 4054-4063.

Chittajallu R, Alford S, Collingridge GL. Ca++ and synaptic plasticity. Cell Calcium 1998, 24: 377-385.

Chotiner JK, Khorasani H, Nairn AC, O'Dell TJ, Watson JB. Adenylyl cyclase-dependent form of chemical long-term potentiation triggers translational regulation at the elongation step. Neuroscience 2003, 116: 743-752.

Christie BR, Magee JC, Johnston D. Dendritic calcium channels and hippocampal long-term depression. Hippocampus 1996, 6: 17-23.

Collingridge GL, Kehl SJ, McLennan H. Excitatory amino acids in synaptic transmission in the Schaffer collateral-commissural pathway of the rat hippocampus. Journal of Physiology 1983, 334:33-46.

Connor JA & Muller W. Primary and secondary Ca++ concentration changes resulting from transmitter stimulation in dendrites of neurons from the mammalian hippocampus. Annals of the New York Academy of Sciences 1991, 635: 100-113.

Connor JA, Wadman WJ, Hockberger PE, Wong RK. Sustained dendritic gradients of Ca++ induced by excitatory amino acids in CA1 hippocampal neurons. Science 1988, 240: 649-653.

Conquet F, Bashir ZI, Davies CH, Daniel H, Ferraguti F, Bordi F, Franz-Bacon K, Raggiani A, Mataresse V, Conde F. Motor deficit and impairment of synaptic plasticity in mice lacking mGIuR1 gene. Nature 1994, 372: 237-243.

Coussens CM & Teyler TJ. Protein kinase and phosphatase activity regulate the form of synaptic plasticity expressed. Synapse 1996, 24: 97-103.

Cowan AI, Stricker C, Reece LJ, Redman SJ. Long-term plasticity at excitatory synapses on aspinous interneurons in area CA1 lacks synaptic specificity. Journal of Neurophysiology 1998 , 79: 13-20.

Cummings JA, Mulkey RM, Nicoll RA, Malenka RC. Ca++ signaling requirements for long-term depression in the hip pocampus. Neuron 1996, 16: 825-833.

Davis L, Banker GA, Steward O. Selective dendritic transport of RNA in hippocampal neurons in culture. Nature 1987, 330: 477-479.

Davis GW & Murphey RK. Long-term regulation of short-term transmitter release properties: retrograde signaling and synaptic development. Trends in Neuroscience 1994, 17:9-13.

Desmond NL & Levy WB. Morphological correlates of long-term potentiation imply the modification of existing synapses, not synaptogenesis, in the hippocampal dentate gyrus. Synapse 1990, 5: 139-143

Doyle C, Holscher C, Rowan MJ, Anwyl R. 1996. The selective neuronal NO synthase inhibitor 7-nitro-indazole blocks both long-term potentiation and depotentiation of field EPSP's in rat hippocampal CA1 in vivo. Journal of Neuroscience 1990, 16: 418-424.

Dudek SM. & Bear MF. Homosynaptic long-term depression in the area CA1 of the hippocampus and effects of N-methyl-D-aspartate receptor blocade. Proceeding of the National Academy of Sciences of the USA 1992, 89: 4363-4367.

Eastwood SL, Burnet PW, Beckwith J, Kerwin RW, Harrison PJ. AMPA glutamate receptors and their flip and flop mRNAs in human hippocampus. Neuroreport 1994. , 5: 1325-1328.

Ehlers MD, Mammen AL, Lau LF, Huganir RL. Synaptic targeting of glutamate receptors. Current Opinions in Cell Biology 1996, 8: 484-489.

Emptage N, Bliss TV, Fine A. Single synaptic events evoke NMDA receptor-mediated release of calcium from internal stores in hippocampal dendritic spines. Neuron 1999, 22:115-122.

Engert F & Bonhoeffer T. Synapse specificity of long-term potentiation breaks down at short distances. Nature 1997, 388: 279-284.

Fifkova E & Morales M. Actin matrix of dendritic spines, synaptic plasticity and long-term potentiation. Internal Reviews in Cytology 1992, 139: 267-307.

Fiigurov A, Pozzo-Miller LD, Olafsson P, Wang T, Lu B. Regulation of synaptic responses to high-frequency stimulalion and LTP by neurotrophins in the hippocampus. Nature 1996, 381: 706-709.

Flexner JB, Flexner LB, Roberts RB. Memory in mice analyzed with antibiotics. Science 1965, 155: 1377-1383.

Flexner JB, Flexner LB, Stellar E. Memory in mice is affected by intracerebral pyromysin. Science 1963, 141: 57-59.

Flexner JB, Flexner LB. Restoration of expression of memory lost after treatment with pyromycin. Proceeding of the National Academy of Sciences of the USA 1967, 57: 1651-1654.

Forsyth ID & Barnes-Davies M. Synaptic transmission: well-placed modulators. Current Biology 1997, 7: 362-365.

Frey U, Frey S, Schollmeier F, Krug M. Influence of actinomycin D, an RNA synthesis inhibitor, on long-term potentiatlion in rat hippocampal neurons in vivo and in vitro. Journal of Physiology (London) 1996, 490: 703-711.

Frey U & Morris RG. Synaptic tagging and long-term potentiation. Nature 1997, 385: 533-536.

Frey U & Morris RG. Synaptic tagging: implications for late maintenance of hippocampal long-term potentiation. Trends in Neuroscience 1998a, 21: 181-188.

Frey U & Morris RG. Weak before strong: dissociating synaptic tagging and plasticity-factor accounts of late-LTP. Neuro-pharmacology 1998b, 37: 545-552.

Gamble E & Koch C. The dynamics of free calcium in dendritic spines in response to repetitive synaptic input. Science 1987, 236: 1311-1315.

Gage AT, Reyes M, Stanton PK. Nitric-oxide-guanyl-cyclase -dependent and -independent components of multiple forms of long-term synaptic depression. Hippocampus 1997, 7: 286-295.

Ghosh A & Greenberg ME. Calcium signaling in neurons: molecular mechanisms and cellular consequences. Science 1995, 268: 239-247.

Geinisman Y, deTolledo-Morrell L, Morell F. Induction of long-term potentiation is associated with an increase in the number of axospinous synapses with segmented post-synaptic densities. Brain Research 1991, 566; 77-88.

Geinisman Y, deTolledo-Morrell L, Morell F, Heller RE, Rossi M, Parshall RF. Structural synaptic correlate of long-term potentiation: formation of axospinous synapses with multiple, completely partitioned transition zones. Hippocampus 1993, 3: 435-445.

Geinisman Y, deTolledo-Morrell L, Morell F, Persina IS, Beatty MA. Synapse restructuring associated with the maintenance phase of hippocampal long-term potentiation. Journal of Comparative Neurology 1996, 368: 413-423.

Goda Y & Stevens CF. Long-term depression properties in a simple system. Neuron 1996, 16: 103-111.

Gold JI & Bear MF. A model of dendritic spine Ca++ concentration exploring possible bases for a sliding modification threshold. Proceeding of the National Academy of Sciences of the USA 1994, 91: 3941-3945.

Gray R & Johnston D. Noradrenaline and beta-adrenoreceptor agonists increase activity of voltage-dependent calcium channels in hippocampal neurons. Nature 1987, 327: 620-622.

Gulley RL & Reese TS. Cytoskeletal organization at the post synaptic complex. Journal of Cell Biology, 91: 298-302.

Guthrie PB, Segal M, Kater SB. Independent regulation of calcium revealed by imaging dendritic spines. Nature 1991, 354: 76-80.

Harris KM. How multiple-synapse boutons could preserve input specificity during an interneuronal spread of LTP. Trends in Neuroscience 1995, 18: 365-369.

Hartell NA. Strong activation of parallel fibers produces localized calcium transients and a form of LTD that spreads to distant synapses. Neuron 1996, 16: 601-610.

Hebb D. The Organization of Behavior. Wiley, 1949. New York, N.Y.

Heddberg TG & Stanton PK. Long-term plasticity in cingulated cortex requires both NMDA and metabotropic glutamate receptor activation. European Journal of Pharmacology 1996, 310: 19-27.

Heyen AJ, Abraham WC, Bear MF. Bi-directional modification of CA1 synapses in the adult hippocampus in vivo. Nature 1996, 381: 163-166.

Hinoi E, Balcar VJ, Kuramoto N, Nakamichi N, Yoneda Y. Nuclear transcription factors in the hippocampus. Proceedings of the National Academy Of Sciences of the USA 2002, 68: 145-165.

Hoffman KB. The relationship between adhesion molecules and neuronal plasticity. Cell and Molecular Neurobiology 1998., 18: 461-475.

Hollmann M, Hartley M, Heinemann S. Ca++ permeability of KA-AMPA - gated glutamate receptor channels depends on sub-unit composition. Science 1991, 252: 851-853.

Hrabetova S & Sactor TC. Long-term potentiation and long-term depression are induced through pharmacologically distinct NMDA receptors. Neuroscience Letters 1997, 226:107-110.

Huang YY, Colino A, Selig DK, Malenka RC. The influence of prior synaptic activity on the induction of long-term potentiation. Science 1992, 255: 730-733.

Hyden H & Lange PW. Protein synthesis in the hippocampal pyramidal cells of rats during a behavior test. Science 1968, 159: 1370-1373.

Huerta PT & Lisman JE. Low-frequency stimulation at the troughs of theta-oscillation induces long-term depression of previously potentiated CA1 synapses. Journal of Neurophysiology 1996, 75: 877-884.

Kandel ER, Schwartz JH, Jessel TM. Essentials of Neuroscience and Behavior. Appleton & Lange, 1995. New York, N.Y.

Kang H, Welcher AA, Shelton D, Schuman EM. Neurotrophins and time: different roles for TrkB in hippocampal long-term potentiation. Neuron 1997, 19: 653-664.

Kang H & Schuman EM. Long-lasting neurotrophin-induced enhancement of synaptic transmission in the adult hippocampus. Science 1995a, 5204: 1658-1662.

Kang H & Schuman EM. Neurotrophin-induced modulation of synaptic transmission in the adult hippocampus. Journal of Physiology (Paris) 1995b, 89: 11-22.

Kato K, Clark GD, Bazaan NG, Zorumski CF. Platelet-activating factor as a potential retrograde messenger in CA1 hippocampal long-term potentiation. Nature 1994,367:175-179.

Katsuki H, Izumi Y, Zorumski CF. Removal of extracellular calcium after conditioning stimulation disrupts long-term potentiation in the CA1 region of rat hippocampal slices. Neuroscience 1997, 76: 1113-1119.

Kavalali ET & Plummer MR. Multiple voltage-dependent mechanisms potentiate calcium channel activity in hippocampal neurons. Journal of Neuroscience 1996, 16: 1072-1082.

Kimura F, Tsumoto T, Nishigori A, Yoshimura Y. Long-term depression but not potentiation is induced in Ca++-chelated visual cortex neurons. Neuroreport 1990, 1: 65-68.

Kirkwood A & Bear MF. Homosynaptic long-term depression in the visual cortex. Journal of Neuroscience 1994, 14: 3404-3412.

Kirkwood A, Rioult MC, Bear MF. Experience dependent modification of synaptic plasticity in visual cortex. Nature 1996, 381: 526-528.

Kling U & Szekely G. Simulation of rhythmic nervous activities: I. Function of networks with cyclic inhibitions. Kybernetic 1968, 5: 89-103.

Kraft AS, Anderson WB. Phorbol esters increase the amount of Ca2+, phospholipid-dependent protein kinase associated with plasma membrane. Nature 1983, 301: 621-623.

Kuhlman PA, Hughes CA, Bemnnet V, Fowler VM. A new function for adducing. Calcium/calmodulin-regulated capping of the barbed ends of actin filaments. Journal of Biological Chemistry 1996, 271: 7986-7991.

Kullman DM & Asztely F. Extrasynaptic glutamate spillover in the hippocampus: evidence and implications. Trends in Neuroscience 1998, 21: 8-14.

Kullman DM, Erdemli G, Asztely F. LTP of AMPA and NMDA receptor-mediated signals: evidence for presynaptic expression and extrasynaptic glutamate spillover. Neuron 1996, 17: 461-474.

Kullman DM, Perkel DJ, Manabe T, Nicoll RA. Ca++ entry via postsynaptic voltage-sensitive Ca++ channels can transiently potentiate excitatory synaptic transmission in the hippocampus. Neuron 1992, 9: 1175-1185.

Levine ES, Dreyfus CF, Black IB, Plummer MR. Brain-derived neurotrophic factor rapidly enhances synaptic transmission in hippocampal neurons via postsynaptic tyrosine kinase receptors. Proceedings of the National Academy Of Sciences of the USA 1995, 92: 8074-8077.

Levy WB & Steward O. Synapses as associative memory elements in the hippocampal formation. Brain Research 1979, 175: 233-245.

Liao D, Hessler NA, Malinow R. Activation of postsynaptically silent synapses during pairing-induced LTP in CA1 region of hippocampal slice. Nature 1995, 375: 400-404.

Liao D, Jones A, Malinow R. Direct measurement of quantal changes underlying long-term potentiation in CA1 hippocampus. Neuron 1992, 9:1089-1097.

Lisman JE. A mechanism for the Hebb and the anti-Hebb processes underlying learning and memory. Proceedings of the National Academy Of Sciences of the USA 1989, 86:9574-9578.

Lisman JE. The CaM kinase II hypothesis for the storage of synaptic memory. Trends in Neuroscience 1994, 17:406-412.

Llinas R, Sugimori M, Silver RB. Time resolved calcium microdomains and synaptic transmission. Journal of Physiology (Paris) 1995, 89: 77-81.

Lowenstein CJ, Snyder SH. Purification, cloning, and expression of nitric-oxide synthase. Methods in Enzymology 1994, 233:264-269.

Lu YF, Kojima N, Tomizawa K, Mopriwaki A, Matsushita M, Obata K, Matsui H. Enhanced synaptic transmission and reduced threshold for LTP induction in fyn-transgenic mice. European Journal of Neuroscience 1999, 11: 75-82.

Lu YF, Tomizawa K, Moriwaki A, Hayashi Y, Tokuda M, Itano T, Hatase O, Matsui H. Calcineurin inhibitors, FK506 and cyclosporin A, suppress the NMDA receptor-mediated potentials and LTP, but not depotentiation in the rat hippocampus. Brain Research 1996, 729: 142-146.

Lynch G, Larson J, Kelso S, Barrionuevo G, Schottler F. Intracellular injections of EGTA block induction of hippocampal long-term potentiation. Nature 1983, 305: 719-721.

Lynch G, Muller D, Seubert P, Larson J. Long-term potentiation: persistent problems and recent results. Brain Research Bulleting 1988, 21: 363-372.

Lynch G & Baudry M. Reevaluating the constraints on hypotheses regarding LTP expression. Hippocampus 1991,1:9-14.

Mackler SA, Brooks BP, Eberwine JH. Stimulus-induced co-ordinate changes in mRNA abundance in single postsynaptic hippocampal CA1 neurons. Neuron 1993, 9: 539-548.

Malenka RC. The role of postsynaptic calcium in the induction of long-term potentiation. Molecular Neurobiology 1991, 5: 289-295.

Malenka RC, Kauer JA, Perkel DJ, Nicoll RA. The impact of postsynaptic calcium on synaptic transmission -its role in long-term potentiation. Trends in Neuroscience 1989,12:444-450.

Malenka RC, Kauer JA, Zucker RS, Nicoll RA. Postsynaptic calcium is sufficient for potentiation of hippocampal synaptic transmission. Science 1988, 242: 81-84.

Malenka RC, Lancaster B, Zucker RS. Temporal limits on the rise in postsynaptic calcium required for the induction of long-term potentiation. Neuron 1992, 9: 121-128.

Malenka RC. & Nicoll RA. NMDA-receptor-dependent synaptic plasticity: multiple forms and mechanisms. Trends in Neuroscience 1993, 16: 521-527.

Markham JA & Fifkova E. Actin filament organization within dendrites and dendritic spines during development. Brain Research 1986, 392: 263-269.

Matus AI & Taff-Jones DH. Morphology and molecular composition of isolated postsynaptic functional structures. Proceedings of the Royal Society of Biology and Biological Sciences of London 1978, 203: 135-151.

Mayford M, Wang J, Kandel ER, O'Dell TJ. CaM-KII regulates the frequency-response function of hippocampal synapses for the production of both LTD and LTP. Cell, 1995, 81:891-904.

Melchers BP, Pennartz CM, Wadman WJ, Lopes da Silva FH. Quantitative correlation between tetanus-induced decreases in extracellular calcium and LTP. Brain Research 1988, 454: 1-10.

Michmizos D & Balogiannis S. Long-term plasticity: a novel electrostructural model to account for the induction of synaptic depression. Abstracts of The Hellenic Society of Neuroscience 1999, 14: 24.

Michmizos D, Costa V, Karlovasitou-Koniari A, Asprodini E, Balogiannis S. On synaptic plasticity I: Evidence for the electrostructural basis of Long-term depotentiation (LTD). Εγκέφαλος, 2004, τόμος 41, τεύχος 2, σελίδες 79-95.

Michmizos D, Costa V, Karlovasitou-Koniari A, Asprodini E, Balogiannis S. On synaptic plasticity III: Towards a unified model. (υπό δημοσίευση), 2004c.

Miyakawa H, Ross WN, Jaffe D, Callaway JC, Lasser-Ross N, Lisman JE, Johnston D. Synaptically activated increases in Ca++ concentration in hippocampal CA1 pyramidal cells are primarily due to voltage-gated Ca++ channels. Neuron, 9: 1163-1173.

Montarolo PG, Goelet P, Castellucci VF, Morgan J, Kandel ER, Schacher S. A critical period for macromolecular synthesis in long-term heterosynaptic facilitation in Aplysia. Science 1986, 234: 1249-1254.

Montoro RJ, Diaz-Nido J, Avila J, Lopez-Barneo J. N-methyl-D-aspartate stimulates the dephosphorylation of the microtubule-associated protein 2 and potentiates excitatory synaptic pathways in the rat hippocampus. Neuroscience 1993, 54: 859-871.

Morris RG, Garrud P, Rawlins JNP, O'Keefe J. Place navigation impaired in rats with hippocampal lesions. Nature (London) 1982, 297: 681-683.

Μπαλογιάννης Σ.Ι. Ο ρόλος του ασβεστίου εις τη ζωήν και το θάνατο του Νευρικού Κυττάρου. Εκδόσεις Πουρνάρα, 1995. Θεσσαλονίκη.

Muller D, Heff S, Figurov A. Heterosynaptic interactions between LTP and LTD in CA1 hippocampal slices. Neuron 14: 599-605.

Muller D, Wana C, Skibo G, Toni N, Cremer H, Calaora V, Rougon G, Kiss JZ. PSA-NCAM is required for activity-induced synaptic plasticity. Neuron 1996, 17: 413-422.

Mulkey RM. & Malenka RC. Mechanisms underlying induction of homosynaptic long-term depression in area CA1 of the hippocampus. Neuron 1992, 9: 967-975.

Mulkey RM, Herron CE, Malenka RC. An essential role for protein phosphatases in hippocampal long-term depression. Science 1993, 261: 1051-1055.

Mulkey RM, Endo S, Shenolikar S, Malenka RC. Involvement of a calcineurin/inhibitor cascade in hippocampal long-term depression. Nature 1994, 369: 486-488.

Murthy VN. Synaptic plasticity: step-wise strengthening. Current Biology 1998, 8R: 650-653.

Nakajima K, Harada K, Ebina Y, Yoshimura T, Ito H, Ban T, Shingai R. Relationship between resting cytosolic Ca++ and responses induced by N-methyl-D-aspartate in hippocampal neurons. Brain Research 1993, 603: 321-323.

Nakanishi H, Obaishi H, Satoh A, Wada M, Mandai K, Nishioka H, Matsuura Y, Mizogushi A, Takai Y. Neurabin: a novel neu ral tissue-specific actin filament-binding protein involved in neurite formation. Journal of Cell Biology 1997, 139: 951-961.

Nawa H, Saito M, Nagano T. Neurotrophic factors in brain synaptic plasticity. Critical Reviews in Neurobiology 1997, 11: 91-100.

Nayak A, Zastrow DJ, Lickteig R, Zahniser NR, Browning MD. Maintenance of late-phase LTP is accompanied by PKA-dependent increase in AMPA receptor synthesis. Nature 1998, 394: 680-683.

Neveu D & Zucker RS. Postsynaptic levels of [Ca++]i needed to trigger LTD and LTP. Neuron 1996, i6: 619-629. Nguen PV, Abel T, Kandel ER. Requirements of a critical period of transcription for induction of a late phase of LTP. Science 1994, 265: 1104-1107.

Nguyen PV. Protein synthesis during LTP: linking synaptic activity to translation. Trends in Neuroscience 2002, 25: 180-183.

Nicoll RA, Kauer JA, Malenka RC. The current excitement in long-term potentiation. Neuron 1988, 1: 97-103.

Nicoll RA & Malenka RC. Neurobiology. Long-distance long-term depression. Nature 1997, 388; 427-428.

Nicoll RA, Oliet SHR, Malenka RC. NMDA receptor-dependent and Metabotropic Glutamate receptor-dependent forms of long-term depression coexist in CA1 hippocampal pyramidal cells. Neurobiology of Learning and Memory 1998, 70: 62-72.

O'Dell TJ, Huang PL, Dawson TM, Dinerman JL, Snyder SH, Kandel ER, Fishman M.C. Endothelial NOS and the block ade of LTP by NOS-inhibitors in mice lacking neuronal NOS. Science 1994, 265: 542-546.

Ostroff LE, Fiala JC, Allwardt B, Harris KM. Polyribosomes redistribute from dendritic shafts into spines with enlarged synapses during LTP in developing rat hippocampal slices. Neuron 2002, 35: 535-545.

Otani S & Connor JA. Rapid dendritic Ca++ influx is associated with induction of homosynaptic long-term depression in adult rat hippocampus. European Journal of Pharmacology 1996, 18(R): 5-6.

Pavlik LL & Moshov DA. Actin in synaptic cytoskeleton during long-term potentiation in hippocampal slices. Acta Histochemical (Supplement) 1991, 41: 257-264.

Perkel DJ, Petrozzino JJ, Nicoll RA, Connor JA. The role of Ca++ entry via synaptically activated NMDA receptors in the induction of long-term potentiation. Neuron 1993,11:817-823.

Petrozzino JJ, Pozzo-Miller LD, Connor JA. Micromolar Ca++ transients in dendritic spines of hippocampal pyramidal neurons in brain slice. Neuron 1995, 14: 1223-1231.

Pozzo-Miller LD, Pivovarova NB, Leapman RD, Buchanan TS, Andrews SB. Activity-dependent calcium sequestration in dendrites of hippocampal neurons in brain slices. Journal of Neuroscience 1997, 17: 8729-8738.

Qi M, Zhuo M, Skalhegg BS, Brandon EP, Kandel ER, McKinght GS, Idzerba RL. Impaired hippocampal plasticity in mice lacking the C-betal catalytic subunit of camp-dependent protein kinase. Proceedings of the National Academy Of Sciences of the USA 1996, 93: 1571-1576.

Ramakers GM, Pasinalli P, Hens JJ, Gispen WH, deGraan PN. Protein kinase C in synapse plasticity: changes in the in situ phosphorylation state of identified pre- and postsynaptic substrates. Progress in Neuropsychopharmacology and Biological Psychiatry 1997, 21: 455-486.

Regehr WG, Connor JA, Tank DW. Optical imaging of calcium accumulation in hippocampal pyramidal cells during synaptic activation. Nature, 341: 533-536.

Regehr WG & Tank DW. 1990. Postsynaptic NMDA receptor-mediated calcium accumulation in hippocampal CA1 pyramidal cell dendrites. Nature, 345: 807-810.

Reyes-Harde M & Stanton PK. 1996. Induction of hippocampal long-term depression requires release of Ca++ from separate presynaptic and postsynaptic intracellular stores. Journal of Neuroscience, 16: 5951-5960.

Reyes-Harde M, Stanton PK. 1998. Postsynaptic phospholipase C activity is required for the induction of homosynaptic long-term depression in rat hippocampus. Neuroscience Letters, 252: 155-158.

Roberts LA, Large CH, Higgins MJ, Stone TW, O' Shaughnessy CT, Morris BJ. Increased expression of dendritic mRNA following the induction of long-term potentiation. Brain Research and Molecular Brain Research 1998, 56:38-44.

Rose S. La Memoire: des molecules a I' esprit. Edition de Seuil, 1994. Paris.

Rubio ME & Wenthold RJ. Different distribution of intracellular receptors in dendrites. Journal of Neuroscience 1999, 19: 5549-5562.

Sahyoun N, LeVine H, McDonald OB, Cuatrecasas P. Specific postsynaptic density proteins bind tubulin and calmodulin-dependent protein kinase type II. Journal of Biological Chemistry 1986, 261: 123339-123344.

Salter MW. Src, N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors and synaptic plasticity. Biochemical Pharmacology 1998, 56:789-798.

Sarazin C. Underlying mechanisms of facilitation and depression of transmitter release. The role of calcium in synaptic transmission. Neurological Research 1987, 9: 249-258.

Satoh M & Kaneko S. Involvement of postsynaptic G-proteins in hippocampal long-term potentiation. Reviews in Neuroscience 1994, 5: 1-9.

Scanziami M, Malenka RC, Nicoll RA. Role of intercellular interactions in heterosynaptic long-term depression. Nature 1996, 380: 446-450.

Scharf MT, Woo NH, Lattal KM, Young JZ, Nguyen PV, Abel T. Protein synthesis is required for the enhancement of long-term potentiation and long-term memory by spaced training. Journal of Neurophysiology 2002, 87: 2770-2777.

Schwartz NE & Alford S. Modulation of pre- and post-synaptic calcium dynamics by ionotropic glutamate receptors at a plastic synapse. Journal of Neurophysiology 1998, 79: 2191-2203.

Shi SH, Hayashi Y, Petralia RS, Zaman SH, Wenthold RJ, Svoboda K, Malonow R. Rapid spine delivery and redistribution of AMPA receptors after synaptic NMDA receptor activation. Science 1999, 284: 1811-1816.

Sossin WS. Mechanisms for the generation of synapse specificity in long-term memory: the implications of a requirement for transcription. Trends in Neuroscience 1996, 19: 215-218.

Stanton PK. Transient protein kinase C activation primes long-term depression and suppresses long-term potentiation of synaptic transmission in hippocampus. Proceedings of the National Academy Of Sciences of the USA 1995, 92: 1724-1728.

Stanton PK LTD, LTP and the sliding threshold for long-term synaptic plasticity. Hippocampus 1996, 6: 35-42.

Staubli VG & Chun D. Factors regulating the reversibility of long-term potentiation. Journal of neuroscience 1996, 16: 853-860.

Staubli VG, Izrael Z, Xu F. Remembrance of odors past: enhancement by central facilitation of AMPA receptors. Behavioral Neuroscience 1996, 110: 1067-1073.

Staubli VG & Scafidi J. Studies on long-term depression in area CA1 of the anesthetized and freely moving rat. Neuroscience 1997, 17: 4820-4828.

Staubli VG & Zi ZX. The induction of homo- vs. heterosynaptic LTD in area CA1 of hippocampal slices from adult rats. Brain Research 1996, 714: 169-176.

Stevens CF, Tonegawa S, Wang Y. The role of calcium-calmodulin kinase II in three forms of synaptic plasticity. Current Biology 1994, 4: 687-693.

Steward O. mRNA at synapses, synaptic plasticity, and memory consolidation. Neuron 2002, 36:338-340.

Steward O & Falk PM. Protein-synthetic machinery at post synaptic sites during synaptogenesis: a quantitative study of the association between polyribosomes and developing synapses. Journal of Neuroscience 1986, 6: 412-423.

Steward O & Worley P. Local synthesis of proteins at synaptic sites on dendrites: role in synaptic plasticity and memory consolidation? Neurobiology of Learning & Memory 2002, 78:508-527.

Suzuki T. [Postsynaptic density proteins related to the expression and modulation of synaptic plasticity]. Nihon Shinkei Seinshin Yakurigatu Zasshi 1996, 16: 53-58.

Tang L, Hung CP, Schuman EM. A role for the cadherin family of cell adhesion in hippocampal long-term potentiation. Neuron 1998, 1165-1175.

Teyler TJ, Cavus I, Coussens C, Di Scenna P, Grover L, Lee YP, Little Z. Multideterminant role of calcium in hippocampal synaptic plasticity. Hippocampus 1994, 4: 623-634.

Thiels E, Norman E.D, Barrionuevo G, Klann E. Transient and persistent increases in protein phosphatase activity during long-term depression in the adult hippocampus in vivo. Neuroscience 1998, 86: 1023-1029.

Tocuda M & Hatase O. Regulation of neuronal plasticity in the central nervous system by phosphorylation and dephosphorylation. Molecular Neurobiology 1998, 17: 137-156.

Torre ER & Steward O. Protein synthesis within dendrites: glycosilation of newly synthesized proteins in dendrites of hippocampal neurons in culture. Journal of Neuroscience 1996, 16: 5967-5978.

Westenbroek RE, Ahlijanian MK, Catterall WA. Clustering of L-type Ca++ channels at the base of major dendrites in hippocampal pyramidal neurons. Nature 1990, 347:281-284.

White G, Levy WB, Stewart O. Evidence that associative inter-actions between synapses during the induction of long-term potentiation occur within local dendritic domains. Proceedings of the National Academy Of Sciences of the USA 1988, 85: 2368-2372.

Wingstrom & Gustafson. On LTP in the hippocampus: a pro posed mechanism for its dependence on coincided pre- and postsynaptic activity. Acta Physiologica Scandinavica 1985, 123:519-522.

Woo NH, Duffy SN, Abel T, Nguyen PV. Temporal spacing of synaptic stimulation critically modulates the dependence of LTP on cyclic AMP-dependent protein kinase. Hippocampus 2003, 13: 293-300.

Woo NH, Nguyen PV. Protein synthesis is required for synaptic immunity to depotentiation. Journal of Neuroscience 2002, 23: 1125-1132.

Worley PF, Bhat RV, Baraban JM, Erickson CA, McNaughton BL, Barnes C.A. Thresholds for synaptic activation of transcription factors in hippocampus: correlation with long-term enhancement. Journal of Neuroscience 1993, 13; 4776-4786.

Yang SN, Tang YG, Zucker RS. Selective induction of LTP and LTD by postsynaptic [Ca++]i elevation. Journal of Neurophysiology 1999, 81: 781-787.

Young CL, Feierstein A, Southwick FS. Calcium regulation of actin filament and monomer binding by macrophage capping protein. Journal of Biological Chemistry 1994, 269: 13997-14002.

Xiao MY, Karpefors M, Niu YP, Wingstrom H. The complementary nature of long-term depression and potentiation revealed by dual component excitatory postsynaptic potentials in hippocampal slices from young rats. Neuroscience 1995, 68: 625-635.

Yang XD, Connor JA, Faber DS. Weak excitation and simultaneous inhibition induce long-term depression in hippocampal CA1 neurons. Journal of Neurophysiology 1994, 71:15861590.

Zhuo M, Small SA, Kandel ER, Hawkins RD. Nitric oxide and carbon monoxide produce activity-dependent long-term synaptic enhancement in hippocampus. Science 1993, 260:1946-1950.

Zhuo M, Zhang W, Son H, Mansuy I, Sobel RA, Seidman J, Kandel ER. A selective role of calcineurin alpha in synaptic depotentiation in hippocampus. Proceedings of the National Academy Of Sciences of the USA 1999, 96: 4650-4655.

Zorumski CF, Izumi Y. Nitric oxide and hippocampal synaptic plasticity. Biochemical Pharmacology 1993, 46: 777-785.