La facilitación neuronal , también conocida como facilitación de pulsos emparejados ( PPF ), es un fenómeno en neurociencia en el que los potenciales postsinápticos (PSP) ( EPP , EPSP o IPSP ) evocados por un impulso aumentan cuando ese impulso sigue de cerca a un impulso anterior. La PPF es, por tanto, una forma de plasticidad sináptica a corto plazo . Los mecanismos subyacentes a la facilitación neuronal son exclusivamente presinápticos; en términos generales, la PPF surge debido al aumento del Ca presináptico.2+
concentración que conduce a una mayor liberación de vesículas sinápticas que contienen neurotransmisores . [1] La facilitación neuronal puede estar involucrada en varias tareas neuronales, incluido el aprendizaje simple, el procesamiento de información [2] y la localización de fuentes de sonido. [3]
California2+
desempeña un papel importante en la transmisión de señales en las sinapsis químicas . Ca dependiente del voltaje2+
Los canales se encuentran dentro de la terminal presináptica. Cuando un potencial de acción invade la membrana presináptica, estos canales se abren y Ca2+
Entra. Una mayor concentración de Ca2+
permite que las vesículas sinápticas se fusionen con la membrana presináptica y liberen su contenido ( neurotransmisores ) en la hendidura sináptica para finalmente contactar con los receptores en la membrana postsináptica. La cantidad de neurotransmisor liberado está correlacionada con la cantidad de Ca2+
Por lo tanto, la facilitación a corto plazo (STF) resulta de una acumulación de Ca2+
dentro de la terminal presináptica cuando los potenciales de acción se propagan juntos en el tiempo. [4]
La facilitación de la corriente postsináptica excitatoria (EPSC) se puede cuantificar como una relación de las intensidades de las EPSC subsiguientes. Cada EPSC se activa por las concentraciones de calcio presináptico y se puede calcular de forma aproximada mediante:
EPSC = k([ Ca2+
] presináptico ) 4 = k([ Ca2+
] resto + [ Ca2+
] afluencia + [ Ca2+
] residual ) 4
Donde k es una constante.
Facilitación = EPSC 2 / EPSC 1 = (1 + [ Ca2+
] residual / [ Ca2+
] afluencia ) 4 - 1
Los primeros experimentos de Del Castillo y Katz en 1954 y de Dudel y Kuffler en 1968 demostraron que la facilitación era posible en la unión neuromuscular incluso si no se produce la liberación del transmisor, lo que indica que la facilitación es un fenómeno exclusivamente presináptico. [5] [6]
Katz y Miledi propusieron el Ca residual2+
Hipótesis. Atribuyeron el aumento de la liberación de neurotransmisores al calcio residual o acumulado.2+
("calcio activo") dentro de la membrana del axón que permanece adherido a la superficie interna de la membrana. [7] Katz y Miledi manipularon el Ca2+
concentración dentro de la membrana presináptica para determinar si hay o no Ca residual2+
permanecer dentro de la terminal después del primer impulso provocó un aumento en la liberación de neurotransmisores después del segundo estímulo.
Durante el primer impulso nervioso, Ca2+
La concentración fue significativamente inferior o cercana a la del segundo impulso. Cuando Ca2+
A medida que la concentración se acercaba a la del segundo impulso, se aumentó la facilitación. En este primer experimento, los estímulos se presentaron en intervalos de 100 ms entre el primer y el segundo estímulo. Se alcanzó un período refractario absoluto cuando los intervalos estaban separados por unos 10 ms.
Para examinar la facilitación durante intervalos más cortos, Katz y Miledi aplicaron directamente breves estímulos despolarizantes a las terminaciones nerviosas. Al aumentar el estímulo despolarizante de 1 a 2 ms, la liberación de neurotransmisores aumentó considerablemente debido a la acumulación de Ca activo.2+
. Por lo tanto, el grado de facilitación depende de la cantidad de Ca activo.2+
, que está determinada por la reducción de Ca2+
conductancia a lo largo del tiempo, así como la cantidad de Ca extraída de las terminales axónicas después del primer estímulo. La facilitación es mayor cuando los impulsos están más próximos entre sí porque Ca2+
La conductancia no volvería a la línea base antes del segundo estímulo. Por lo tanto, tanto Ca2+
conductancia y Ca acumulado2+
sería mayor para el segundo impulso cuando se presenta poco después del primero.
Se ha demostrado que en la sinapsis del cáliz de Held , la facilitación a corto plazo (STF) es resultado de la unión del calcio residual.2+
al Ca neuronal2+
sensor 1 (NCS1). Por el contrario, se ha demostrado que el STF disminuye cuando Ca2+
Se añaden quelantes a la sinapsis (lo que provoca quelación ) que reduce el calcio residual.2+
. Por lo tanto, " Ca activo2+
" juega un papel importante en la facilitación neuronal. [8]
Se ha demostrado que en la sinapsis entre las células de Purkinje , la facilitación a corto plazo está mediada completamente por la facilitación del Ca2+
corrientes a través de los canales de calcio dependientes del voltaje . [9]
La mejora sináptica a corto plazo suele diferenciarse en categorías de facilitación , aumento y potenciación (también denominada potenciación postetánica o PTP ). [1] [10] Estos tres procesos suelen diferenciarse por sus escalas de tiempo: la facilitación suele durar decenas de milisegundos, mientras que el aumento actúa en una escala de tiempo del orden de segundos y la potenciación tiene un transcurso temporal de decenas de segundos a minutos. Los tres efectos aumentan la probabilidad de liberación de neurotransmisores de la membrana presináptica, pero el mecanismo subyacente es diferente para cada uno. La facilitación de pulsos emparejados es causada por la presencia de Ca residual2+
, el aumento probablemente surge debido a una mayor acción de la proteína presináptica munc-13, y la potenciación postetánica está mediada por la activación presináptica de las proteínas quinasas. [4] El tipo de mejora sináptica observada en una célula determinada también está relacionada con la dinámica variante de Ca2+
eliminación, que a su vez depende del tipo de estímulos; un potencial de acción único conduce a la facilitación, mientras que un tétano corto generalmente causa aumento y un tétano más largo conduce a la potenciación. [1]
La depresión a corto plazo (STD) opera en la dirección opuesta a la facilitación, disminuyendo la amplitud de las PSP. La STD se produce debido a una disminución en el conjunto de vesículas fácilmente liberables (RRP) como resultado de la estimulación frecuente. La inactivación del Ca presináptico2+
Los canales después de potenciales de acción repetidos también contribuyen a la ETS. [8] La depresión y la facilitación interactúan para crear cambios plásticos a corto plazo dentro de las neuronas, y esta interacción se llama teoría de plasticidad de doble proceso . Los modelos básicos presentan estos efectos como aditivos, y la suma crea el cambio plástico neto (facilitación - depresión = cambio neto). Sin embargo, se ha demostrado que la depresión ocurre antes en la vía estímulo-respuesta que la facilitación y, por lo tanto, influye en la expresión de la facilitación. [11] Muchas sinapsis exhiben propiedades tanto de facilitación como de depresión. En general, sin embargo, las sinapsis con baja probabilidad inicial de liberación de vesículas tienen más probabilidades de exhibir facilitación, y las sinapsis con alta probabilidad de liberación inicial de vesículas tienen más probabilidades de exhibir depresión. [3]
Debido a que la probabilidad de liberación de vesículas depende de la actividad, las sinapsis pueden actuar como filtros dinámicos para la transmisión de información. [3] Las sinapsis con una baja probabilidad inicial de liberación de vesículas actúan como filtros de paso alto : debido a que la probabilidad de liberación es baja, se necesita una señal de mayor frecuencia para desencadenar la liberación, y la sinapsis responde selectivamente a señales de alta frecuencia. Del mismo modo, las sinapsis con altas probabilidades iniciales de liberación sirven como filtros de paso bajo , respondiendo a señales de menor frecuencia. Las sinapsis con una probabilidad intermedia de liberación actúan como filtros de paso de banda que responden selectivamente a un rango específico de frecuencias. Estas características de filtrado pueden verse afectadas por una variedad de factores, incluidos tanto PPD como PPF, así como neuromoduladores químicos . En particular, debido a que las sinapsis con bajas probabilidades de liberación tienen más probabilidades de experimentar facilitación que depresión, los filtros de paso alto a menudo se convierten en filtros de paso de banda. De la misma manera, debido a que las sinapsis con altas probabilidades iniciales de liberación tienen más probabilidades de sufrir depresión que de facilitación, es común que los filtros de paso bajo también se conviertan en filtros de paso de banda. Los neuromoduladores, por su parte, pueden afectar estas plasticidades de corto plazo. En las sinapsis con probabilidades intermedias de liberación, las propiedades de la sinapsis individual determinarán cómo cambia la sinapsis en respuesta a los estímulos. Estos cambios en la filtración afectan la transmisión y codificación de la información en respuesta a estímulos repetidos. [3]
En los seres humanos, la localización del sonido se logra principalmente utilizando información sobre cómo varía la intensidad y el tiempo de un sonido entre cada oído. Los cálculos neuronales que involucran estas diferencias de intensidad interaural (IID) y diferencias de tiempo interaural (ITD) se llevan a cabo típicamente en diferentes vías en el cerebro. [12] La plasticidad de corto plazo probablemente ayuda a diferenciar entre estas dos vías: la facilitación de corto plazo domina en las vías de intensidad, mientras que la depresión de corto plazo domina en las vías temporales. Estos diferentes tipos de plasticidad de corto plazo permiten diferentes tipos de filtración de información, contribuyendo así a la división de los dos tipos de información en flujos de procesamiento distintos.
Las capacidades de filtrado de la plasticidad a corto plazo también pueden ayudar a codificar información relacionada con la modulación de amplitud (AM). [12] La depresión a corto plazo puede ajustar dinámicamente la ganancia en las entradas de alta frecuencia y, por lo tanto, puede permitir un rango de alta frecuencia expandido para AM. Una combinación de facilitación y depresión también puede ayudar en la codificación de AM al generar un filtrado de velocidad.