摘要
短期抑郁症是一种广泛存在于无脊椎动物和脊椎动物的外周和中枢神经系统的使用依赖性可塑性。突触强度短暂下降背后的机制被认为主要是突触前“耗尽”易释放的神经递质库的结果,通常在几秒钟的时间常数内恢复。我们研究了从攀爬纤维到Purkinje细胞突触的抑郁恢复的机制和动力学,之前已经描述过突触前抑郁。攀爬纤维非常适合于抑郁症恢复的研究,因为它们几乎没有显示出促进作用(即使在低释放概率的条件下),这可能会掩盖释放后数百毫秒内抑郁症的快速恢复。我们发现抑郁症的恢复分为三个动力学阶段。快速和中间成分可以用指数近似,24°C下的时间常数为100毫秒和3秒。复苏阶段也慢得多,但只有在长时间的刺激训练中才会突出。快速成分通过增加细胞外钙而增强,通过降低突触前钙而消除,这表明,在短期内,抑郁的恢复是由残余钙驱动的。在常规和泊松刺激训练期间,突触前残余钙的积累大大加快了抑郁的恢复,在可能耗尽可用传递池的条件下保持了突触效能。这代表了突触前可塑性的一种新形式,即高水平的活动调节恢复速度和抑郁程度。
许多突触在持续数秒至数分钟的重复使用中表现出效能下降(德尔·卡斯蒂略和卡茨,1954年;贝茨,1970年;Kusano和Landau,1975年;Thomson等人,1993年;Varela等人,1997年)。这种突触抑制是近60年前描述的(Eccles等人,1941年;冯,1941年)但这一现象的潜在意义现在才被认识到。有人建议,突触抑制可以让神经元检测突触输入群体中的同步速率变化(Abbott等人,1997年)可以作为突触增益控制的一种形式(Markram和Tsodyks,1996年;O'Donovan和Rinzel,1997年;Varela等人,1997年)。当我们意识到突触性抑郁症的潜在效用时,仍然需要了解抑郁症的潜在机制,以及抑郁症的程度和恢复动力学如何以依赖于用途的方式进行调节。
第一个也是最简单的突触前模型之一坚持认为,在胞吐后,释放位点需要有限的恢复时间,而抑郁反映了活性依赖性的可用释放位点“耗尽”(武内,1958年;Elmqvist和Quastel,1965年;贝茨,1970年)。尽管这个模型解释了各种突触的抑郁特征,但它大大高估了重复训练中的抑郁量。这一观察结果引发了一种假设,即在刺激训练期间,抑郁症的恢复可能更快(贵霜和兰道,1975年;拜恩,1982年)。然而,由于存在显著的易化作用,很难验证这一假设,因此对突触抑制的动力学仍知之甚少。另一个并发症是,多种其他突触前和突触后因素可能导致短期突触抑制,包括突触前钙通道失活(金里奇和伯恩,1985年;Patil等人,1998年)动作电位启动失败或传导失败(哈特和史密斯,1976年;Smith和Hatt,1976年),通过自身抑制代谢受体的负反馈(Deisz和Prince,1989年;Davies等人,1993年;von Gersdorff等人,1997年)和受体脱敏(特鲁塞尔和菲施巴赫,1989年;Trussell等人,1993年).
下橄榄神经元和浦肯野细胞之间的突触非常适合研究配对脉冲抑郁症(PPD)和阐明抑郁症康复的因素。下橄榄神经元的轴突末端被称为攀爬纤维,因为它们似乎沿着浦肯野细胞树突攀爬,在那里形成广泛的突触接触(拉蒙·卡哈尔(Ramon y Cajal),1911年)。它们可以以全或单的方式激活,触发一系列动作电位,随后发生长期的后超极化(Eccles等人,1964年)。活性电导的消除揭示了突触反应的显著PPD,正如首次描述的那样体内Eccles及其同事(Eccles等人,1966a)。最近,人们在脑切片中研究了这种突触(Konnerth等人,1990年;Perkel等人,1990年;Takahashi等人,1995年;桥本和卡诺,1998年)研究表明,对谷氨酸、GABA或腺苷敏感的突触前代谢性受体和突触后受体脱敏都不会导致PPD(桥本和卡诺,1998年)。此外,降低释放概率的操作也会降低PPD,这表明对于攀爬纤维来说,PPD主要是突触前机制的结果(桥本和卡诺,1998年)就像其他突触一样(大冢等人,1962年;贝茨,1970年;冯·格斯多夫和马修斯,1997年;von Gersdorff等人,1997年).
在这里,我们研究了Purkinje细胞突触攀爬纤维的抑制。PPD的大小与释放概率相关,正如简单耗竭模型所预期的那样(伦德伯格和奎里什,1953年;Dobrunz和Stevens,1997年)。此外,抑郁症的恢复有三个不同的动力学组成部分,我们称之为快速、中期和缓慢阶段。我们发现,在短暂的刺激训练中,恢复的快速和中间部分是抑郁症的主要原因,而长时间的刺激则显示出明显的缓慢部分。在本研究中,我们将重点放在中间阶段和快速阶段,它们很好地由时间常数分别为3秒和100毫秒的指数逼近。最后,我们表明,快速恢复是由残余钙驱动的。当突触前钙达到高水平并大大加速抑郁症的恢复时,这种钙依赖性恢复在决定重复激活期间的突触强度方面发挥着重要作用。
结果
成对脉冲抑制和释放概率
进行实验以确定PPD的依赖性,定义为(EPSC1−EPSC2)/EPSC公司1突触前钙内流和释放概率(图。2)。控制条件下,2m米外钙(Cae(电子))和1米米外部镁(Mge(电子))间隔30毫秒的脉冲有~50%的抑制。当Cae(电子)降到0.5米米和镁e(电子)提升至2.5 m米,EPSC峰值和PPD均显著降低(图。2A类)。尽管EPSC减少了大约三倍,但没有发现潜在的促进作用(见材料和方法)。在中间Cae(电子)(1米米钙e(电子)和2米米镁e(电子)),峰值EPSC和PPD适度下降(图。2B类),而钙含量较高e(电子)(4米米钙e(电子)和0米米镁e(电子))轻微升高PPD的幅度,对EPSCs峰值几乎没有影响(图。2C类).
图2。 释放概率和PPD对外部Ca的依赖性。A类,左上,以2 Ca的30 ms刺激间隔记录的一对EPSC的峰值EPSC时间进程e(电子)EPSC公司1表示为开放的圆圈和EPSC2表示为实心圆圈低钙外溶液(0.5 m米钙;2.5米米Mg)在粗水平线.左下角,为每个数据点绘制成对脉冲抑制图。右上,平均值为10踪迹之前拍摄的(细线)和期间(粗线条)低钙暴露e(电子).右下角,踪迹重新填充归一化为第一个EPSC的峰值。B类,1 Ca的应用e(电子).C类,4Ca的应用e(电子).
钙之间的关系e(电子)EPSC峰值表明,Purkinje细胞突触的爬升纤维具有较高的基线释放概率。尽管提高了Cae(电子)0.5至1米米突触强度大大增强,Ca进一步增加e(电子)对突触强度影响不大。这种行为是接近饱和的突触的特征,与非饱和突触形成鲜明对比,非饱和突触使Ca加倍e(电子)可以将突触强度提高10倍(Zucker,1989年).
有趣的是,从耗尽模型的角度考虑这些发现,对于该模型,脉冲间隔非常短的PPD大小近似于释放概率(见材料和方法)。根据我们对PPD的定义,如果第二次刺激发生时没有足够的恢复时间,那么PPD≈第页o(o)
,其中第页o(o)
定义为站点在准备发布的情况下发布其发射机的概率(有关更详细的讨论,请参阅讨论和结果的后续章节)。根据耗竭模型,假设在30毫秒时几乎没有恢复,释放概率估计为0.04、0.3、0.5和0.7(0.5、1、2和4米)米钙e(电子)分别是。因此,图中的数据2定性上与该模型一致,即当第页o(o)
钙含量低时减少e(电子)(伦德伯格和奎里什,1953年;蒂斯,1965年).
成对脉冲抑制恢复动力学
除了抑郁程度外,另一个重要因素是产后抑郁的时间进程。我们对第页o(o)
如果在30毫秒内发生了一些恢复,可能会低估真实的释放概率。为了检查抑郁症的恢复情况,我们计算了不同钙浓度下不同脉冲间隔的PPD时间进程e(电子)(图。三)。在所有测试条件下,抑郁症的恢复有一个持续数秒的阶段(称为中间恢复阶段)。在2 m内,明显存在另一个快速恢复阶段米钙e(电子)(图。三B类)在4米处更明显米钙e(电子)(图。三C类)。这种类型的多次实验的平均值显示了回收动力学的类似趋势。在低释放概率和少量突触前钙内流(1m米钙e(电子)),PPD很好地近似于一个时间常数τ=3.6秒、振幅a=36%的单指数(图。4A类,顶部)。2米内米钙e(电子),抑郁症的恢复近似于双指数:快速成分A类快速的=21%和τ快速的=100 msec和振幅的中间分量A类埋=40%和τ埋=3.2秒(图。4A类,中间的)。4米内米钙e(电子),PPD衰减也由两个指数的和描述,其中A类快速的= 44%, τ快速的=87毫秒,A类埋=38%,τ埋=2.5秒(图。4A类,底部)。所有三条PPD曲线的叠加说明了中间恢复阶段的相似性(图。4B类)以及快速恢复阶段振幅的系统性增加(图。4B类,插入)。由于攀爬纤维激活不可靠,我们没有独立的方法来证实动作电位在第二次刺激后成功到达突触前终末,因此没有探索到脉冲间隔<10毫秒时的抑郁。在所有情况下,10秒后仍有轻微抑郁(<5%)。这种残余抑郁可能反映了一个缓慢的恢复阶段,在长时间的刺激训练中变得突出。
图3。 成对脉冲抑制的恢复动力学。显示从1 Ca抑郁中恢复的典型实验e(电子)(A类),2钙e(电子)(B类)和4钙e(电子)(C类).插图都是单身踪迹对于控制刺激后10、15、20、30、40和50毫秒的配对脉冲间隔。%PPD=100(EPSC1−EPSC2)/EPSC公司1,其中EPSC1和EPSC2分别是控制和抑制EPSC的振幅。
图4。 回收动力学对外部钙的依赖性。A类,1Ca内抑郁的平均恢复e(电子)(顶部;n个=9),2钙e(电子)(中间的;n个=11)和4 Cae(电子)(底部;n个= 12). 误差条表示SEM。In 1 Cae(电子),数据符合%PPD=A类e(电子)−t/τ,带有A类=36%,τ=3.6秒。在2和4 Ca中e(电子),数据符合%PPD=A类快速的e(电子)−t/τ快速的+A类埋e(电子)−吨/τ埋.In 2 Cae(电子),A类快速的= 21%,A类埋= 40%, τ快速的=99毫秒,以及τ埋=3.2秒,4 Cae(电子),A类快速的= 44%,A类埋= 38%, τ快速的=87毫秒,以及τ埋=2.5秒。B类,三种外部钙条件下的叠加PPD曲线。插入,1 Ca抑郁症快速恢复的早期时间点e(电子)(实心圆圈),2钙e(电子)(开放的圆圈)和4钙e(电子)(实心钻石).
在24°C时发现的抑郁症的主要特征也在34°C时出现,尽管恢复速度显著加快。34°C,2 Cae(电子),A类快速的=15%和τ快速的=44 msec,且存在振幅的中间分量A类埋=36%和τ内部=1.2秒(n个= 5; 数据未显示)。类似地,体内成年猫在该突触的PPD测量结果显示,抑郁症的恢复包括两个部分A类快速的~20%和τ快速的~20毫秒A类埋约30%和τ埋约0.5秒(Eccles等人,1966a,b条).
突触后对快速恢复阶段的贡献
PPD快速恢复期的一个可能解释是,它反映了突触后受体脱敏的恢复。与这一假设相一致的是,AMPA受体需要几十毫秒才能从脱敏状态中恢复过来,而在神经递质释放增强的情况下,脱敏可能更为明显(Trussell等人,1993年)。为了测试攀缘纤维对PPD脱敏对Purkinje细胞突触的贡献,我们测定了苯并二噻嗪利尿剂CTZ对PPD的影响。CTZ降低AMPA受体的脱敏率(Yamada和Rothman,1992年)还有一些其他的影响(Diamond and Jahr,1995年)。如果PPD的快速恢复成分可归因于脱敏的恢复,那么CTZ应大大降低或消除PPD,并且在短脉冲间隔内应降低PPD的幅度。
CTZ(20–60μ米)无论是否使用CNQX,EPSC衰减时间持续延长(图。5A类)。然而,CTZ对短脉冲间隔内PPD的大小几乎没有影响(图。5B类)。图5,C类和D类,显示了使用40μ米控制条件下的CTZ(2 m米钙e(电子))和高钙e(电子)(4米米)。在所有实验中(n个=7),与对照条件下相比,CTZ没有减弱快速恢复成分(2 Ca中39%的快速成分e(电子); 4 Ca中50%的快速成分e(电子)); 事实上,在2钙和4钙的CTZ治疗后,快速成分更加明显e(电子)这些结果表明,突触后受体脱敏对间隔>10毫秒的配对脉冲抑制的快速恢复期没有显著作用。此外,PPD的变化表明CTZ具有突触前作用,以增强递质释放。其他突触也有类似的突触前效应的报道(Diamond and Jahr,1995年).
图5。 环噻嗪对抑郁症快速恢复期的影响。A类,顶部,突触电流记录在案(左边)和存在(正确的)1μ米CNQX之前(粗线条)和期间(细线)暴露于40μ米CTZ公司。CTZ将衰减时间从4毫秒降至9毫秒(左边)和从6到11毫秒(正确的).底部,踪迹标准化以进行比较。材料和方法中讨论了CTZ对EPSC振幅的影响。踪迹是10次试验的平均值。B类,左侧,40μ的影响米EPSC振幅的CTZ1(实心圆圈)、EPSC2(开放的圆圈)和%PPD(底部; Δt吨=15毫秒)。赖特,平均10踪迹在控制中(细线)和40μ米CTZ公司(粗线条).下部记录道,缩放到第一个EPSC峰值的相同记录道。C类,控制条件下PPD的平均时间进程(开放的圆圈)和2 Cae(电子)和40μ米CTZ公司(实心圆圈; 四个实验)。CTZ恢复曲线符合双指数A类快速的= 38%,A类埋= 39%, τ快速的=25毫秒,以及τ埋=2.4秒。D类,4 Ca中PPD的平均时间过程e(电子)没有(开放的圆圈)和40μ米CTZ公司(实心圆圈; 四个实验)。CTZ恢复曲线符合振幅的双指数衰减A类快速的= 50%,A类埋= 52%, τ快速的=23毫秒,和τ埋=1.7秒。
突触前钙动力学对快速恢复的依赖性
随着Ca的增加,快速恢复期的增强e(电子)提出了其潜在机制的两种主要可能性。(1) 抑郁症的恢复取决于细胞内钙水平和钙的增加e(电子)导致更大的刺激诱发的钙瞬变,加速恢复,(2)抑郁症的恢复与释放的概率(较高第页o(o)
导致更明显的快速恢复成分)。我们通过使用EGTA-AM将EGTA引入突触前终末来区分这些可能性。因为EGTA以缓慢的动力学结合钙,所以可以将中等浓度的螯合剂引入突触前终末,而不会显著影响大、短、,以及决定释放概率的局部钙瞬变(Adler等人,1991年)。如前所述,EGTA可以更有效地降低刺激后几十到数百毫秒内的钙水平(残余钙),而EGTA缓慢的钙结合动力学使其能够加速钙的衰减(Atluri和Regehr,1996年)。例如,暴露于100μ米EGTA-AM作用10分钟,可将单一刺激诱发的平行纤维突触前钙瞬变的半衰期从40毫秒缩短至2毫秒。
图6A类显示了100μ浴前和浴后测定的PPD时间过程的示例米EGTA-AM在4米的存在下米钙e(电子)10毫秒时抑郁的程度没有改变,但抑郁的恢复速度减慢。在最初几次配对脉冲刺激期间,EGTA效应的缺乏与其缓慢的开启速率相一致,这阻止了EGTA影响残余钙衰减的早期阶段。通过在浴缸应用EGTA-AM期间以500毫秒的脉冲间隔监测PPD,我们观察到抑郁程度几乎增加了两倍,同时EPSC振幅略有下降(图。6B类)。500毫秒时的PPD增加了1.9±0.2倍(平均值±SEM;n个= 7). 在4 Ca中测量的PPD曲线e(电子)图中对EGTA-AM加载和不加载进行了比较6C类EGTA PPD曲线拟合为两个指数的和A类快速的= 17%, τ快速的=17毫秒,A类埋=65%,τ埋=2.9秒。与4Ca相比e(电子)PPD曲线(A类快速的= 44%, τ快速的=87毫秒,A类埋=38%,τ埋=2.5秒),快速恢复阶段的振幅大大降低,速度加快。图6D类在半对数图上显示了相同的曲线,以强调中间恢复阶段的类似时间过程。我们得出结论,EGTA对PPD的这种作用起源于突触前,因为EGTA-AM不会改变突触后细胞中的EGTA水平,而这是由记录吸管的内容物决定的。此外,EGTA-AM释放概率的微小降低不太可能解释PPD时间进程的变化;EGTA-AM使EPSC振幅仅降低11%(n个=5),并将短脉冲间隔下4 Ca的PPD幅度从81%降至78%e(电子)因此,这些实验证明,抑郁症的快速恢复依赖于突触前残余钙,与初始释放概率无关。
图6。 细胞内EGTA对抑郁症快速恢复期的影响。A类,PPD在4 Ca中的回收动力学e(电子)之前(实心圆圈)以及之后(开放的圆圈)暴露于100μ米EGTA-AM公司。插图,之前短暂脉冲间隔的突触电流(顶部)以及之后(底部)用EGTA-AM加载。B类,左侧,100μ的影响米控制EPSC上的EGTA-AM(实心圆圈)、抑郁的EPSC(开放的圆圈)和%PPD(底部).右上,平均值为10踪迹之前(细线)以及之后(粗线条)暴露于EGTA-AM。脉冲间隔为500毫秒。右下角,相同踪迹缩放到第一EPSC的峰值。C类,4 Ca中PPD的平均时间过程e(电子)之前(闭合的圆)以及之后(开放的圆圈; 12个实验;平均值±SEM)加载EGTA-AM。插入,早期脉冲间隔。用EGTA-AM加载后的PPD恢复曲线随振幅呈双指数衰减A类快速的= 17%,A类埋=65%,τ快速的=17毫秒,和τ埋=2.9秒。D类,中数据的半对数图C类.
列车期间依赖使用的恢复动力学
在各种外部钙条件下,使用简短的刺激序列,进一步探讨了抑郁恢复的动力学和钙依赖模型的预测。图7,A类和B类,显示了在一个短暂的20 Hz序列中,在一个或四个脉冲后,随着Ca的降低,抑郁的累积e(电子)从4米到1米米我们发现EPSC2/EPSC公司1受到比EPSC更大程度的影响5/EPSC公司1当外部钙受到干扰时。当根据高钙和低钙刺激脉冲数绘制抑郁图时,这种差异可以更清楚地看到e(电子)(图。7C类)。这两条曲线在列车的早期就发生了明显的偏差,而随着气压接近稳态值,它们开始收敛。因此,正如其他突触所描述的那样,瞬时抑制对初始释放概率比稳态抑制更敏感(Markram和Tsodyks,1996年;Abbott等人,1997年;O'Donovan和Rinzel,1997年;Tsodyks和Markram,1997年).
图7。 刺激训练过程中突触前抑郁的动力学。A类,顶部,当从4 Ca变为1 Ca时,以20 Hz频率发出的五个刺激序列中第一个脉冲的峰值EPSCe(电子).底部,相对于第一个脉冲,第二个脉冲的抑制(开放的圆圈)和相对于第一个脉冲的第五个脉冲(实心圆圈)溶液交换期间。B类,顶部4 Ca的EPSC列车e(电子)(细线)和1 Cae(电子)(粗线条).底部,相同踪迹标准化为第一个EPSC。踪迹平均每个试验5-10次。C类,绘制了4 Ca的抑郁幅度与刺激脉冲数e(电子)(开放的圆圈)和1钙e(电子)(闭合的圆).虚线是恢复模型的预测(见结果)。
在钙内流增加和高刺激频率的条件下,钙依赖性恢复成分突出,如图所示8通过比较短时间内10Hz序列中EPSC振幅的衰减,我们观察到EGTA-AM存在时出现更明显的抑郁,这与残余钙参与抑郁恢复的假设一致。抑郁与刺激脉冲数之间的关系(图。8B类,D类)与影响释放概率的操作相比,EGTA影响稳态抑制(见上文)。在某些情况下,我们观察到在刺激序列中出现了部分恢复(图。8A类)但这种效应的大小在不同的突触之间存在很大差异。
图8。 刺激训练期间突触前钙动力学紊乱对抑郁的影响。A类,在4 Ca中以20 Hz的频率进行EPSC训练e(电子)(细线)和EGTA-AM(粗线条).踪迹是五次试验的平均值,并归一化为第一次EPSC的峰值。这个箭头表示4 Ca中的抑郁e(电子).B类,4 Ca中20 Hz序列的抑郁幅度与刺激脉冲数e(电子)(开放的圆圈)和4钙e(电子)和EGTA(实心圆圈).虚线是恢复模型的预测(见结果)。C类,与相同A类10 Hz的列车。注意比例尺的变化。D类,与相同B类10 Hz的列车。
钙驱动突触前抑郁恢复的简单模型
基于图中描述的实验2-8,我们提出了一个简单的模型来解释攀爬纤维突触的抑郁。根据这个模型,突触连接包括N个o(o)
独立的发布站点,每个站点都有概率P(P)第页
当动作电位到达突触前末端时释放神经递质。促进作用不包括在内,因为在低浓度条件下,没有观察到成对脉冲增强发射器释放P(P)第页
(这将通过减少抑郁和加强促进来揭开促进的面纱)。通过分离,可以澄清该位点的可用性和发生胞吐的可能性之间的区别P(P)第页
分为两部分;(1)第页o(o)
定义为站点释放其发射机的概率,前提是其已准备好释放,以及(2)第页n个
是释放部位可以进行囊泡融合的概率(祖克,1973年;Korn and Faber,1987年)。因此,P(P)第页
=第页o(o)
·第页n个
和量子含量米=N个o(o) · P(P)第页=N个o(o)
·第页n个
·第页o(o)
。如果我们让可用发布站点的数量N个=N个o(o)
·第页n个
,然后米=N个·第页o(o)
平均突触强度由EPSC给出1=N个·第页o(o)
·q个,其中q个是平均量子响应的大小。如果经历胞吐作用的位点需要非零的恢复时间,那么在第一次刺激后立即有N个·(1 −第页o(o)
)能够释放神经递质的部位。在第一个刺激之后再给予第二个刺激,将引起EPSC大小的反应2=N个·(1−第页o(o)
)·第页o(o)
·q个,提供了第页o(o)
每个站点都没有改变,并且假设第页n个
=0N个·第页o(o)
发生胞吐的部位。该模型的这一部分与许多其他被提议用于解释萧条程度的耗竭方案相同(莉莉和诺思,1952年;武内,1958年;Elmqvist和Quastel,1965年;贝茨,1970年)。我们将释放概率分为上面定义的两个组件,以澄清我们模型中抑郁症的起源。因为两者都是第页o(o)
和第页n个
在本质上是随机的,基于量子内容的试验-试验变化的实验程序,如量子和非平稳噪声分析,将提供以下估计P(P)第页
但不会区分第页n个
和第页o(o)
(库诺,1964年;祖克,1973年;Bennett和Florin,1974年;Bennett等人,1976年;Bennett和Fisher,1977年;Korn等人,1982年;Korn and Faber,1987年)。通过将消耗视为第页n个
,抑郁可能被解释为可用释放位点数量的减少(N个=N个o(o)
·第页n个
)或作为释放概率的降低(P(P)第页
=第页o(o)
·第页n个
).
许多抑郁症恢复模型使用一级过程,如方案一所示,该过程预测指数(恒速)恢复,即PPD(Δt吨) =第页o(o)
e(电子)−Δt吨/τ:
时间常数τ=(k个o(o)
)−1通常给出几秒钟的值,反映了发布站点恢复到发布就绪状态的时间进程(莉莉和诺思,1952年;贝茨,1970年;Magleby,1987年)。方案一未能解释我们观察到的攀爬纤维凹陷的特性,例如多指数恢复和对残余钙的依赖性。
通过假设突触前残余钙与释放装置上的一个部位结合,导致恢复速度加快,我们能够解释抑郁症恢复的特性。我们建议根据方案二从抑郁中恢复。平均而言,N·po(o)
释放部位被激活(且暂时不可降解),因此必须从可用池中移除。耐火地点(R(右))然后通过钙结合的中间状态恢复(T型)如下所示:
(关于方案II的数学处理,请参见材料和方法)。如果该部位处于释放准备状态,钙的流入很可能会导致神经递质的释放第页o(o)
并使释放部位进入不可能释放的耐火状态(即。,第页n个
= 0). 然后,该部位慢慢恢复到释放-成熟状态,并且通过升高残余钙来提高恢复速度。图9A类显示了一个动作电位后抑郁症的预期恢复。快速衰减(τ衰退=100 msec)突触前残余钙引起快速恢复。钙恢复到静息水平后,恢复继续缓慢(τ恢复=3秒)。图9B类显示了在四种不同实验条件下叠加在PPD数据上的模型预测。在扩展的时间尺度上(插入)可以看出,该模型还成功地解释了当通过降低钙来减少残余钙瞬变时快速成分的损失e(电子)当EGTA缩短残余钙衰减时。在所示的四种实验条件下,第页o(o)
通过外推PPD曲线进行计算,如图所示4至Δt吨= 0. 使用的值为第页o(o)
=0.42、0.63、0.81和0.78英寸Cae(电子),2钙e(电子),4钙e(电子)和EGTA。参数K(K)N个
,k个最大值和τc(c)选择适合于2 Ca中的恢复e(电子)然后在其他条件下保持不变。然而,τc(c)在EGTA存在下缩短。4或1 Ca中的相对钙内流e(电子)进行了调整,以达到最佳贴合度。
图9。 突触前抑郁钙依赖性恢复模型。A类,突触前残余钙的模拟(顶部),可用发布站点的分数(中间的)和凹陷部位的分数(底部)在动作电位之后。B类,总结PPD数据符合钙依赖恢复模型;1钙e(电子)(实心钻石),2钙e(电子)(开放的圆圈),4钙e(电子)(实心圆圈)和4钙e(电子)和EGTA(开放式钻石).插入,扩展的时间尺度上的相同数据。数据点为平均值±SEM。拟合的模型参数为k个o(o)
=0.314秒-1;k个最大值=8秒-1;K(K)N个
=1.05;τc(c)=120毫秒(EGTA中为20毫秒);和第页o(o)
=0.38、0.63、0.81和0.78英寸Cae(电子),2钙e(电子),4钙e(电子)和EGTA。钙内流增加了2.5倍,从2 Ca增加到4 Cae(电子)从2 Ca降至1 Ca,减少了3.3倍e(电子).C类,相同的PPD数据在扩展的时间尺度上用于比较快速衰减成分。
在动作电位序列中研究了方案II的预测,以进一步探讨残余钙对稳态抑制和恢复的贡献。从4 Ca变为1 Ca的效果e(电子)方案二(图。7C类,虚线),EGTA-AM加速突触前残余钙衰变的作用也是如此(图。8B类,D类,虚线)。该模型还捕获了在大范围的刺激频率下短暂刺激期间频率依赖性抑郁的许多特征,如图所示10随着钙释放和钙内流的概率增加e(电子)稳态压低随频率增加而急剧增加。方案二使用在类似实验条件下从PPD曲线得出的参数解释了大多数凹陷。然而,在4Ca的高频下e(电子),EPSC振幅继续低于预测值,表明在这些条件下,其他一些过程可能会导致抑郁症。
图10。 不同外界钙离子条件下刺激训练期间抑郁的实验总结。A类,1 Ca中的相对抑郁e(电子)在以不同频率对序列中的第二到第七个脉冲进行刺激时。数据为平均值±SEM;1赫兹(实心圆圈;n个=6),5赫兹(开放式圆圈;n个=6),10赫兹(实心钻石;n个=12),20赫兹(开放式钻石;n个=11)和50 Hz(实心三角形;n个= 7).B类,2Ca中的相对抑郁e(电子).C类,4Ca中的相对抑郁e(电子).
更真实的扣球训练中的抑郁行为
然后,我们考虑了突触前抑郁如何影响现实活动模式的突触强度。下橄榄神经元通常以1–4 Hz的频率放电体内(Armstrong和Rawson,1979年)在这种情况下,攀爬纤维不太可能受到显著抑制。然而,许多其他类型的神经元以0.1到100赫兹的频率不规则地放电(Kuffler等人,1957年;Perkel等人,1967年;Softky和Koch,1993年)。我们使用攀爬纤维突触作为模型来研究突触前抑制的动力学以及我们的模型在其他类型突触可能经历的激活条件下的性能。虽然这些实验是在24°C下进行的,但并没有定量地反映将要经历的抑郁动力学体内它们对于模型以及突触强度对释放和恢复动力学的初始概率的定性依赖性具有指导意义。攀爬纤维受到泊松峰列的刺激,平均频率为1至20 Hz。图11图示了三种不同实验条件下泊松序列中的攀爬纤维凹陷。在低外部钙的情况下,在10 Hz时观察到很少的稳态抑制(图。11A类)。如PPD和常规刺激训练实验所预期的那样,增加外部钙增强突触抑制(图。11B类)。当钙增加到4米米,5 Hz时EPSC振幅的脉冲对脉冲波动显著(图。11C类)。这种显著的可变性是由于释放概率和回收动力学之间的相互作用造成的。作为第页o(o)
随着钙离子浓度的增加,高频抑制作用增强。相反,高钙可以加速抑郁的恢复,所以低钙抑郁相对较少。数据如图所示11这些都是单个攀援纤维的例子,我们观察到不同纤维的某些参数存在很大差异。例如,第页o(o)
在2 Ca中介于0.45和0.8之间e(电子)(平均值为0.63),而其他参数如K(K)N个
和τc(c)变化幅度较小。突触与突触之间的差异在幼年大鼠中并不奇怪,因为此时攀爬纤维突触会被消除(O'Leary等人,1971年;Crepel等人,1976年)突触前参数的变化可能反映了这些变化。
图11。 在各种外部钙条件下泊松序列刺激期间的抑郁示例。A类,攀爬纤维刺激1 Cae(电子)使用平均频率为10 Hz的随机尖峰序列。开放式圆圈是回收模型的预测(方案二,见材料和方法)。显示了模拟和数据之间的相对误差在上面。模型参数为k个o(o)
=0.31秒-1,k个最大值=7.5秒-1,K(K)N个
=0.9,τ=100毫秒,第页o(o)
= 0.16,k个缓慢的=0.1,α=0.08。相对于2 Ca,钙内流减少了3.7倍e(电子).B类,与相同A类以2 Ca为单位e(电子)。模型参数为k个o(o)
=0.31秒-1,k个最大值=7.5秒-1,K(K)N个
=0.8,τ=100毫秒,第页o(o)
= 0.5,k个缓慢的=0.1,α=0.06。C类,与相同A类以4 Ca计e(电子)。模型参数为k个o(o)
=0.31秒-1,k个最大值=8.5秒-1,K(K)N个
=0.75,τ=115毫秒,第页o(o)
= 0.65,k个缓慢的=0.1,α=0.03。相对于2 Ca,钙流入量增加了60%e(电子)所有数据均为单次试验。
尽管方案II可以在所有测试条件下成功描述泊松序列中的前几个EPSC,但需要一个较慢的恢复组件来准确模拟数十到数百个刺激的抑郁。在长时间刺激攀援纤维的过程中,我们观察到抑郁逐渐增加,并在<2分钟内恢复。这种长期抑郁在其他攀援纤维制剂中已有描述(劳森和蒂洛克斯科尔恰,1981年)。对于泊松激励序列的模拟(图。11),有必要纳入抑郁症这一较慢的组成部分。该方案最简单的修改是添加了一条动力学较慢的单独回收路径:
我们没有探索慢通路的恢复动力学(S公司)在这项研究中,每2分钟重复一次的列车没有出现故障迹象。回收率k个缓慢的因此被认为在10–60秒的范围内。耐火材料释放位置进入状态的概率S公司定义为α。对该参数进行了调整,以在模拟和泊松序列数据之间实现最佳拟合。典型值为~0.05,与观察结果一致,即在~20次刺激后普遍存在缓慢抑郁。方案II的数值模拟用于模拟对泊松刺激的响应,如图所示11使用一阶Euler积分例程,时间步长为200μsec。泊松刺激的模拟捕捉到了从毫秒到秒的时间范围内突触效能的大多数短期变化。有趣的是,额外慢成分的大小与外部钙呈负相关;低钙强化了缓慢成分,类似于其对中间回收成分的影响。
图12A类显示了10 Hz泊松刺激序列的前10个脉冲期间钙依赖恢复模型的行为。这个实心圆圈如果不发生钙依赖性恢复,但所有其他参数相同,则表示预测的EPSC震级。在两个或三个刺激中可以看到模型和数据之间的重大偏差,这表明钙依赖在刺激期间维持突触强度至关重要。在图中12B类我们绘制了一系列刺激期间爬升纤维EPSC的稳态衰减与刺激频率的关系;很明显,相对于钙非依赖性恢复模型,抑郁症恢复的加速显著增加了突触强度。爬升光纤EPSC在七个脉冲后的衰减(见图。10)在同一图表上绘制刺激频率图以进行比较(开放的圆圈)。即使对于方案II的高度简化解决方案,与恒速恢复模型(方案I)相比,钙依赖恢复也能更好地预测稳态行为。
图12。 突触前抑郁伴或不伴钙依赖的行为。A类,2Ca中的简短泊松刺激序列e(电子).闭合的圆圈是钙非依赖回收模型(方案一)的预测,以及开放的圆圈是钙依赖回收模型(方案二)的预测。B类,根据钙依赖性恢复模型,在不同频率的刺激序列中突触强度的稳态衰减(实线)和钙非依赖回收模型(虚线)。数据点对应于EPSC7/EPSC公司0从图中10B类。模型参数为k个o(o)
=0.31秒-1,k个最大值=8.5秒-1,K(K)N个
=1,τ=100毫秒,以及第页o(o)
= 0.6. 对于需要方案III的长时间刺激,预计会出现额外的抑郁。
讨论
我们发现,向浦肯野细胞突触攀爬的纤维显示出强烈的使用依赖性突触前抑制,并在三个特征时间尺度上恢复。我们的主要发现是,快速恢复的部分非常快(几十到数百毫秒),并且是由突触前残余钙驱动的。这种快速成分可以加速抑郁的恢复,特别是在高频活动期间,从而在可能导致突触失效的情况下保持突触的效能。这种钙依赖性的抑郁恢复可能存在于多种类型的突触中,这可能是乌贼巨大突触、神经肌肉接头和其他突触在刺激训练期间传递异常特征的原因。
与其他突触的比较
尽管几十年来人们对突触抑制进行了广泛的研究,但我们在这里报道的从抑郁中恢复的钙依赖性成分尚未被广泛观察到。然而,这并不意味着快速恢复是攀爬纤维突触的独特特征。在诸如鱿鱼巨突触和神经肌肉接头等突触中,很难单独研究抑郁症,因为它们显示了其他依赖于使用的过程,包括促进、增强和强直后增强(马格利比,1987年)。刺激后,促进作用可增强数百毫秒的传播,掩盖任何快速恢复阶段。此外,促进作用是钙依赖性的(Zucker,1989年)因此,操纵突触前钙动力学(即通过引入EGTA,如图。6,9)会影响抑郁的促进和康复。此外,由于单一刺激后的抑郁在鱿鱼巨突触和神经肌肉接头处并不突出,因此经常使用长串刺激来研究抑郁,其中钙非依赖性机制可能占主导地位(Charlton等人,1982年;Swandulla等人,1991年)。因此,毫不奇怪,没有直接证据表明在这些突触处,钙依赖性成分可以快速从抑郁中恢复。
然而,在这些突触上的一些观察结果暗示存在钙依赖性抑郁症恢复。在短暂刺激训练期间,抑郁症恢复的恒速消耗模型(方案一)一直高估了抑郁症(武内,1958年;贝茨,1970年)促使人们认为,在高活动期,抑郁症的恢复速度加快了(贵霜和兰道,1975年)。类似的发现也出现在参与海兔属鳃取出(拜恩,1982年;金里奇和伯恩,1985年)以及蟋蟀颈部感觉系统(希尔和金,1998年)。我们在这里报道的抑郁恢复的钙依赖性可以解释鱿鱼巨突触、神经肌肉接头和感觉突触的抑郁特性海兔属和板球比赛,进行短暂的刺激训练。因此,从抑郁症中快速恢复钙依赖性似乎是许多突触的共同特征。
突触前抑郁的恢复模型
我们发现突触前抑郁具有钙依赖性恢复的简单模型(参见材料和方法;图。9)可以解释在各种实验条件下攀爬纤维突触可塑性。我们选择将突触前抑郁建模为释放位点能够胞吐的概率的短暂降低(第页n个
)因为这个方案允许用很少的自由参数对我们的数据进行简约描述。有效释放位点的数量和释放的平均概率是明确表示的(方案二),因此影响这些突触前参数的实验操作在模型中有明确的预测。通过分离释放位点发生胞吐的概率(第页o(o)
)从网站准备发布的概率(第页n个
),可以通过仅更改发布站点可用性来充分解释恢复动态。值得注意的是,根据该方案,根据这些参数的精确定义,可将凹陷视为可用释放位置数量变化或释放概率变化的结果(见结果)。
与其他方法相比,这里提出的模型有几个局限性。例如,它不是通过调整任意自由参数来适应长列EPSC。最近提出了其他方案来实现这一目标,使用数学上有效的促进和抑制表示,而没有明确提及释放的概率或功能释放位点的数量(Varela等人,1997年)。此外,我们还做了一些简化假设。为了数学上的简单性,我们选择了残余钙的单指数衰减,类似于在平行纤维上观察到的瞬态(Regehr和Atluri,1995年)。此外,我们没有考虑一些潜在的重要生物物理问题,例如突触前终末内的钙扩散、与钙结合蛋白的相互作用、从抑郁中恢复的钙协同性,或其他释放-终末不应状态。我们没有将这些因素纳入我们的模型,因为在这个突触中它们还不被理解。
尽管存在这些局限性,但我们认为这里采用的建模方法具有几个吸引人的特点。首先,由于自由参数相对较少,该模型可以解释多种实验条件下抑郁症的恢复,同时预测50倍频率范围内的短期刺激训练期间的抑郁症。第二,恢复基于关于释放装置过渡的合理物理方案。第三,该模型可以解析求解列车期间PPD恢复和抑郁累积。这些简单的分析解为探索参数空间和研究抑郁症对突触前变量的各种变化的敏感性提供了一种有效的方法。
仅从易化和抑制角度描述突触可塑性的模型的另一个特性是,它们可以将易化和从抑制中快速恢复合并为一个增强项。这可能是一个有用的简化,因为这两个过程发生在相似的时间尺度上,并对突触传递产生平行影响。然而,这里提出的模型将释放概率与囊泡可用性分开,从而允许在短时间尺度上发生两个物理上不同的过程,这两个过程都会增强突触强度。需要进一步的实验来剖析这两个过程,并确定它们是否赋予突触可塑性不同的属性。
突触传递的含义
恢复对突触前钙浓度的依赖性为突触传递提供了某些新的动力学特性。在非常低的频率下,残余钙可以忽略不计,抑郁的恢复进展缓慢。随着突触前激活率的增加,残余钙含量增加,恢复率也相应增加,从而抵消释放位点耗竭引起的抑郁。这种机制提供了一种频率依赖性的“增强”,类似于促进作用,但发生在较低频率。图12A类通过将钙依赖恢复模型和简单的恒速消耗模型的输出与攀爬纤维突触的实际行为进行叠加,证明了这种频率依赖性增强。两种模型之间的差异只需几次刺激就可以明显看出。图12B类将稳态压降量化为方案I和方案II的频率函数。使用依赖性抑郁的两个方面是显而易见的。首先,抑郁低通滤波器以恢复率设定的特征频率过滤稳态突触强度。其次,钙依赖性恢复使特征频率朝着最大恢复率增加,从而在低频至中频(0.1–10 Hz)下维持突触功效。有趣的是,在这个频率范围内,攀爬光纤以平均速率发射体内(伊藤,1984年)这表明钙依赖性恢复可能对维持强大的突触联系很重要。如果这种钙依赖性恢复存在于以更高速率(10-100 Hz)激发的突触中,它将使稳态突触强度增强>10倍。