La plasticidad sináptica es la capacidad de cambiar la fuerza de la sinapsis (la cantidad de cambio en el potencial transmembrana de la célula diana en respuesta al impacto de una determinada fuerza en la neurona presináptica) [1] . Se considera el principal mecanismo por el cual se realiza el fenómeno de la memoria y el aprendizaje . Este mecanismo es característico de todos los organismos que tienen un sistema nervioso y son capaces de aprender algo al menos por un corto tiempo. Una vez que el neurotransmisor se libera en la hendidura sináptica, activa los receptores de la célula postsináptica, lo que conduce a la excitación (despolarización) o inhibición (hiperpolarización) de la célula diana (dependiendo de la naturaleza de los receptores y del neurotransmisor) [2] .
Según la duración de la acción, se distinguen plasticidad a corto y largo plazo, según la naturaleza - depresión y potenciación ; por lo tanto, hay cuatro tipos principales de plasticidad sináptica.
Se ha encontrado un número significativo de formas diferentes de plasticidad sináptica a corto plazo (desde milisegundos hasta varios minutos) para casi todas las sinapsis de organismos de varios niveles de complejidad, desde invertebrados hasta humanos . Este tipo de plasticidad se considera importante para la adaptación a corto plazo a la información sensorial, los cambios de comportamiento y la memoria a corto plazo. La plasticidad a corto plazo se inicia con breves estallidos de actividad que provocan una acumulación temporal de iones de calcio en las terminales presinápticas. Como resultado de esta acumulación, hay un cambio en la probabilidad de liberación de neurotransmisores debido a la modulación directa de los procesos bioquímicos que controlan la exocitosis [1] .
El procesamiento de pulsos emparejados es la tarea más importante de la plasticidad a corto plazo. Si una célula recibe dos pulsos separados por un breve intervalo, la respuesta al segundo pulso puede ser más fuerte (potenciación) o más débil (depresión) que la respuesta al primero. El debilitamiento de los pulsos apareados se suele observar a intervalos de tiempo cortos entre ellos (menos de 20 ms ); la razón más probable de este debilitamiento puede ser la desactivación de los canales de sodio y calcio dependientes de voltaje o una disminución temporal en el número de vesículas en la terminal presináptica [3] . A intervalos más largos entre estímulos (20-500 ms ), en muchos casos la respuesta a la segunda señal es más fuerte que a la primera.
La manifestación de amplificación o debilitamiento de los impulsos emparejados depende de la historia de la sinapsis. Estas formas de plasticidad dependen en gran medida del cambio en la probabilidad de liberación de neurotransmisores en respuesta a la primera señal. Si esta probabilidad es alta, la segunda señal tiende a debilitarse; si la activación de la sinapsis por una señal es poco probable, es razonable suponer que la siguiente señal aumentará esta probabilidad. Las manipulaciones que cambian la probabilidad de que una sinapsis responda a una señal pueden cambiar la magnitud del efecto o incluso cambiar su naturaleza, por ejemplo, de amplificación a atenuación [4] .
Las formas de plasticidad de mayor duración se producen después de una serie de estímulos producidos a alta frecuencia (estimulación convulsiva o tetánica). La amplificación (aumento, facilitación) y la potenciación posconvulsiva (potenciación postetánica, PTP) describen un aumento en la liberación de neurotransmisores que dura desde unos pocos segundos (amplificación) hasta varios minutos (PTP). Al mismo tiempo, la probabilidad de liberación de neurotransmisores también aumenta debido a la acumulación de calcio en la terminal presináptica durante una serie de estímulos, lo que puede combinarse con la modificación de proteínas presinápticas [3] .
En algunos casos, la estimulación convulsiva conduce a la depresión de la conexión sináptica, que puede durar desde unos pocos segundos hasta minutos. Por lo general, este efecto ocurre en sinapsis de alta probabilidad cuando la estimulación convulsiva conduce a un rápido agotamiento de la reserva de vesículas u otras manifestaciones de la maquinaria inhibitoria [3] .
Por primera vez, la idea de una conexión entre ganar experiencia y cambiar la fuerza sináptica se expresó a finales del siglo XIX y XX. Premio Nobel Santiago Ramón y Cajal . Un estudio experimental de la plasticidad sináptica a largo plazo se basa en el postulado de Hebb , formulado en 1949 : “Si el axón de la célula A está lo suficientemente cerca de la célula B para excitarla y participa constantemente en su activación, entonces tales cambios metabólicos o en el crecimiento de una o ambas células ocurren procesos que aumentan la eficiencia de A como una de las células que activan B” [5] . En la formulación moderna del postulado de Hebb, se entiende que el cambio en la eficiencia de la transmisión de señales en la sinapsis está controlado por la correlación de la fuerza necesaria para la activación de la neurona presináptica y postsináptica [6] .
Los primeros resultados experimentales que confirmaron el postulado de Hebb se obtuvieron a principios de la década de 1970 [7] : la activación repetida de sinapsis excitatorias en el hipocampo de conejo provocó un aumento en la fuerza de la sinapsis que duró varias horas o incluso días. Este fenómeno se denomina " potenciación a largo plazo " (long-term potentiation, LTP). Más tarde, se descubrieron otros fenómenos asociados con la plasticidad sináptica: debilitamiento a largo plazo (depresión a largo plazo, LTD), plasticidad homeostática, metaplasticidad . La plasticidad homeostática, por ejemplo, es un cambio en la fuerza de todas las sinapsis de una célula en particular en respuesta a cambios a largo plazo en la actividad, en particular, un aumento en la fuerza de las sinapsis en respuesta a una disminución en la actividad de la señal. Este tipo de plasticidad se asocia con tiempos mucho más largos que LTP y LTD y puede ser importante en el desarrollo de vías neuronales. El término "metaplasticidad" se refiere a los efectos asociados con el cambio de la capacidad de una sinapsis para exhibir plasticidad [1] . A diferencia de la plasticidad a corto plazo, la plasticidad a largo plazo está asociada con la expresión génica y la síntesis de nuevas proteínas. Las formas de plasticidad a largo plazo más estudiadas siguen siendo LTP y LTD en la región del hipocampo CA1, que están controladas por receptores de N-metil-D-aspartato (NMDA). Solo en los últimos años se ha obtenido evidencia a favor de la existencia de una potenciación a largo plazo de la transmisión sináptica mediada por GABA A (LTP GABA ), que se produce a través de un mecanismo heterosináptico, pero este proceso también requiere la activación de los receptores NMDA en el glutamato . sinapsis [8] .
El modelo de plasticidad dependiente del tiempo de pico (STDP) es un tipo de plasticidad sináptica que regula la fuerza de las conexiones dependiendo del tiempo relativo entre la activación de la neurona y los potenciales de acción de entrada (picos de entrada). De acuerdo con este modelo de plasticidad, si el pico de entrada sigue, en promedio, inmediatamente antes de la activación de la neurona, entonces esta conexión se fortalece, y si sigue, en promedio, inmediatamente después de la activación de la neurona, entonces esta conexión se debilita. Por lo tanto, se potencia la influencia de las entradas que pueden provocar la activación de las neuronas, y se debilita la influencia de las entradas cuyas señales no podrían ni pueden ser la causa de la activación. Este tipo de plasticidad está en buena concordancia con el principio de Hebb para entrenar redes neuronales artificiales , según el cual se debe fortalecer la conexión entre nodos que se activan al mismo tiempo. Dado que las señales en un sistema biológico no se propagan instantáneamente, sino con retraso, para que la activación de una neurona provoque la activación de otra, la primera debe activarse un poco antes.