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A pesquisa explica o mecanismo molecular atrás da função da aprendizagem e de memória

Vista geral:

A potenciação a longo prazo (LTP) e a depressão a longo prazo (LTD) da força da sinapse excitatory hippocampal envolvida na formação da aprendizagem e da memória no cérebro foram explicadas separada, mas o mecanismo molecular que os explica detalhada não foi explicado. O Dr. Tomonari Sumi do professor adjunto, instituto de investigação para a ciência interdisciplinar, a universidade de Okayama, e o Dr. Kouji Harada do professor adjunto, departamento da informática e da engenharia, Universidade Tecnológica de Toyohashi focalizou na competição do exocytosis e no endocytosis do AMPA-tipo receptors do glutamato dependentes do número de íons do cálcio que fluem no postsynapse dos neurônios excitatory hippocampal, e demonstrou a compreensão detalhada do LTP e do LTD por uma simulação modelo matemática em grande escala.

Detalhes:

(NMDA)o N-metílico-D-ASPARTATO-tipo receptor do glutamato (NMDAR) - potenciação a longo prazo dependente (LTP) e depressão a longo prazo (LTD) nas sinapses nos neurônios excitatory hippocampal é considerado ser uma base molecular essencial formar os circuitos neurais envolvidos na aprendizagem e na memória. Nos mammalians, confirma-se que o factor principal da indução de LTP e de LTD conduz a um aumento e a uma diminuição no ácido de α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic (AMPA) - dactilografa o receptor (AMPAR) na membrana postsynaptic segundo o volume do íon do cálcio. Contudo, o mecanismo no número de variação do AMPAR não foi explicado. Além, há as seguintes disputas para o caminho principal para AMPAR que trafica à membrana postsynaptic.

Penn, e outros mostrado que a difusão lateral de longo alcance de AMPAR dirigido das áreas diferentes da membrana postsynaptic (por exemplo eixo da dendrite) à membrana postsynaptic é o caminho principal para AMPAR que trafica para o LTP, e o caminho lateral de longo alcance da difusão foram considerados ser o candidato mais provável como o caminho principal.

Por outro lado, Wang demonstrou e outros a importância do transporte activo de recicl os endosomes que contêm AMPAR pelo myosin molecular Vb do motor, e Wu observou e outros o exocytosis dos endosomes de recicl que contêm AMPAR durante a indução de LTP. Estes estudos personificaram os processos elementares de AMPAR que trafica através do caminho endosome de recicl. Actualmente, é ainda desconhecido que o caminho para o tráfico de AMPAR é principal, mas como estas disputas são envolvidas basicamente na indução de LTP, considerou-se desejável poder explicar o caminho que inclui a indução do LTD sem inconsistência.

O Dr. Sumi e o Dr. Harada modelaram os seguintes 4 processos que envolvem o transporte “activo” de recicl endosomes de AMPAR pelo myosin molecular Vb do motor como o caminho para AMPAR que trafica à membrana postsynaptic a fim explicar detalhada o LTP/LTD.

* Sinalização AKAP150 complexa controlando a fosforilação/desfosforilação das subunidades, GluA1 e GluA2, que constituem AMPAR

* Endocytosis de AMPAR ao citoplasma por uma proteína cálcio-obrigatória, PICK1

* Transporte activo estacionário de recicl os endosomes que contêm AMPAR para as membranas postsynaptic pelo myosin Vb

* Tomada de AMPAR ao redor das membranas postsynaptic pelo exocytosis de Syt1/7-dependent

Nós executamos uma simulação usando um modelo postsynaptic baseado nestes processos e sucedido em reproduzir o curso do tempo do número de AMPAR que corresponde à indução do LTD e do LTD observados na experiência. Nós igualmente mostramos a reprodutibilidade qualitativa dos resultados relatados como a indução danificada de LTP devido à interferência do transporte de Vb do Myosin, indução danificada do LTD devido à taxa diminuída de reacção da desfosforilação de PP2B-dependent de AMPAR, as induções danificadas de LTP e de LTD devido ao nível da expressão PICK1, e indução danificada de LTP no mutante cálcio-obrigatório do domínio Syt1, demonstrando a validez do modelo. As conclusões seleccionadas desta simulação são como segue.

a expressão de 1.The LTP (ou LTD) é causada por um fenômeno que o exocytosis provocado pela activação de Syt1/7 se transforme mais predominante (ou inferior) do que o endocytosis provocado pela activação PICK1, tendo por resultado um aumento (ou a diminuição) no número de AMPAR na membrana postsynaptic.

a diferença 2.The na activação cálcio-dependente entre os sensores do cálcio, PICK1 e Syt1, é resultada pela diferença nestes constantes cálcio-obrigatórias.

3.Myosin Vb leva os endosomes de recicl que contêm AMPAR para em torno da membrana postsynaptic pelo transporte conduzido ATP estacionário nao dependente da concentração do cálcio.

4. Em conseqüência, os endosomes de recicl estão prontos nas membranas de modo que possam imediatamente endereçar o exocytosis seguinte de Syt1-dependent, permitindo a indução rápida de LTP.

5.AMPARs tomados em torno da membrana postsynaptic devido ao exocytosis são readjudicados até imediatamente à membrana da sinapse pela difusão lateral.

Probabilidade futura:

O modelo de rede neural que imita a função mais alta do cérebro pode aprender mudanças do coeficiente do acoplamento da sinapse, e a regra de Hebbian é sabida enquanto uma regra de aprendizagem a mais básica. A regra de Hebbian e suas versões prolongadas/alteradas é usada actualmente como a aprendizagem das regras, que são sabidas para ser estreitamente relacionadas a LTP NMDAR-dependente. A realização deste estudo fornece uma base molecular para a regra de Hebbian ou as mudanças do emperramento da sinapse, que é esperado ser uma sugestão para compreender a função alta do cérebro do nível molecular.

Source:
Journal reference:

Sumi, T & Harada, K. (2020) Mechanism underlying hippocampal long-term potentiation and depression based on competition between endocytosis and exocytosis of AMPA receptors. Scientific Reports. doi.org/10.1038/s41598-020-71528-3.