La plasticidad dependiente del tiempo de pico ( STDP ) es un proceso biológico que ajusta la fuerza de las conexiones entre las neuronas del cerebro. El proceso ajusta la intensidad de la conexión en función de la sincronización relativa de los potenciales de acción (o picos) de salida y entrada de una neurona en particular . El proceso STDP explica en parte el desarrollo del sistema nervioso dependiente de la actividad, especialmente en lo que respecta a la potenciación y la depresión a largo plazo .
Bajo el proceso STDP, si un pico de entrada a una neurona tiende, en promedio, a ocurrir inmediatamente antes del pico de salida de esa neurona, entonces esa entrada en particular se vuelve algo más fuerte. Si un pico de entrada tiende, en promedio, a ocurrir inmediatamente después de un pico de producción, entonces ese insumo en particular se debilita un poco, de ahí la "plasticidad dependiente del momento del pico". Por lo tanto, las entradas que podrían ser la causa de la excitación de la neurona postsináptica tienen aún más probabilidades de contribuir en el futuro, mientras que las entradas que no son la causa del pico postsináptico tienen menos probabilidades de contribuir en el futuro. El proceso continúa hasta que permanece un subconjunto del conjunto inicial de conexiones, mientras que la influencia de todas las demás se reduce a 0. Dado que una neurona produce un pico de salida cuando muchas de sus entradas ocurren dentro de un breve período, el subconjunto de entradas que quedan son aquellos que tendieron a estar correlacionados en el tiempo. Además, dado que las entradas que ocurren antes de la salida se fortalecen, las entradas que proporcionan la indicación más temprana de correlación eventualmente se convertirán en la entrada final a la neurona.
En 1973, MM Taylor [1] sugirió que si se fortalecieran las sinapsis en las que se producía un pico presináptico justo antes de un pico postsináptico con mayor frecuencia que a la inversa (aprendizaje hebbiano), mientras que en el momento opuesto o en ausencia de un pico presináptico estrechamente sincronizado Si las sinapsis se debilitaran (aprendizaje antihebbiano), el resultado sería una recodificación informativamente eficiente de los patrones de entrada. Esta propuesta aparentemente pasó desapercibida en la comunidad neurocientífica, y la experimentación posterior se concibió independientemente de estas primeras sugerencias.
Los primeros experimentos sobre plasticidad asociativa fueron llevados a cabo por WB Levy y O. Steward en 1983 [2] y examinaron el efecto de la sincronización relativa de los potenciales de acción pre y postsinápticos a nivel de milisegundos sobre la plasticidad. Bruce McNaughton también contribuyó mucho en esta área. En estudios sobre sinapsis neuromusculares realizados por Y. Dan y Mu-ming Poo en 1992, [3] y sobre el hipocampo por D. Debanne, B. Gähwiler y S. Thompson en 1994, [4] demostraron que el emparejamiento asincrónico de La actividad postsináptica y sináptica indujo una depresión sináptica a largo plazo. Sin embargo, Henry Markram demostró más definitivamente el STDP en su período de posdoctorado hasta 1993 en el laboratorio de Bert Sakmann (resúmenes de SFN y Phys Soc en 1994-1995), que no se publicó hasta 1997. [5] C. Bell y sus colaboradores también encontraron una forma de STDP en el cerebelo. Henry Markram utilizó técnicas de sujeción de parche dual para activar repetidamente las neuronas presinápticas 10 milisegundos antes de activar las neuronas objetivo postsinápticas, y descubrió que la fuerza de la sinapsis aumentaba. Cuando se invirtió el orden de activación de modo que la neurona presináptica se activara 10 milisegundos después de su neurona objetivo postsináptica, la fuerza de la conexión presináptica disminuyó. Trabajos posteriores, realizados por Guoqiang Bi, Li Zhang y Huizhong Tao en el laboratorio de Mu-Ming Poo en 1998, [6] continuaron el mapeo de todo el curso temporal que relaciona la actividad pre y postsináptica y el cambio sináptico, para mostrar que en su Las sinapsis de preparación que se activan entre 5 y 20 ms antes de que se fortalezca un pico postsináptico, y las que se activan dentro de un período de tiempo similar después del pico se debilitan. Este fenómeno se ha observado en varias otras preparaciones, con alguna variación en la ventana de tiempo relevante para la plasticidad. Se han sugerido varias razones para la plasticidad dependiente del tiempo. Por ejemplo, STDP podría proporcionar un sustrato para el aprendizaje hebbiano durante el desarrollo, [7] [8] o, como sugirió Taylor [1] en 1973, las reglas de aprendizaje hebbianas y antihebbianas asociadas podrían crear una codificación informacionalmente eficiente en paquetes de conocimientos relacionados. neuronas. Los trabajos del laboratorio de Y. Dan avanzaron para estudiar STDP en sistemas in vivo . [9]
Los receptores NMDA postsinápticos (NMDAR) son muy sensibles al potencial de membrana (ver detección de coincidencias en neurobiología ). Debido a su alta permeabilidad al calcio, generan una señal química local que es mayor cuando el potencial de acción de retropropagación en la dendrita llega poco después de que la sinapsis estuviera activa ( pre-post pico ). Se sabe que los grandes transitorios de calcio postsinápticos desencadenan la potenciación sináptica ( potenciación a largo plazo ). El mecanismo de la depresión dependiente del momento del pico se comprende menos, pero a menudo implica la entrada de calcio postsináptico dependiente del voltaje/ activación de mGluR , o endocannabinoides retrógrados y NMDAR presinápticos. [10]
Según la regla de Hebb , las sinapsis aumentan su eficiencia si participan persistentemente en la activación de la neurona objetivo postsináptica. De manera similar, la eficiencia de las sinapsis disminuye cuando la activación de sus objetivos presinápticos es persistentemente independiente de la activación de sus objetivos postsinápticos. Estos principios se simplifican a menudo en las mnemónicas : quienes disparan juntos, conectan juntos ; y aquellos que disparan fuera de sincronización, pierden su enlace . Sin embargo, si dos neuronas se activan exactamente al mismo tiempo, entonces una no puede haber causado o participado en el disparo de la otra. En cambio, para participar en la activación de la neurona postsináptica, la neurona presináptica necesita activarse justo antes que la neurona postsináptica. Los experimentos que estimularon dos neuronas conectadas con diferentes asincronías entre estímulos confirmaron la importancia de la relación temporal implícita en el principio de Hebb: para que la sinapsis se potencie o deprima, la neurona presináptica tiene que dispararse justo antes o justo después de la neurona postsináptica , respectivamente. [11] Además, se ha hecho evidente que la activación neuronal presináptica necesita predecir consistentemente la activación postsináptica para que la plasticidad sináptica ocurra de manera sólida, [12] reflejando a nivel sináptico lo que se sabe sobre la importancia de la contingencia en el condicionamiento clásico , donde Los procedimientos de contingencia cero impiden la asociación entre dos estímulos.
Para que el STDP sea más eficiente, la señal presináptica y postsináptica debe estar separada por aproximadamente una docena de milisegundos. Sin embargo, el hipocampo generalmente puede vincular eventos que suceden en un par de minutos como recuerdos episódicos . Para resolver esta contradicción, se ha propuesto un mecanismo que se basa en las ondas theta y la precesión de fase : las representaciones de diferentes entidades de memoria (como un lugar, una cara, una persona, etc.) se repiten en cada ciclo theta en una fase theta determinada durante el ciclo theta. episodio para recordar. Las entidades esperadas, en curso y completadas tienen fases theta temprana, intermedia y tardía, respectivamente. En la región CA3 del hipocampo, la red recurrente convierte entidades con fases theta vecinas en entidades coincidentes, lo que permite que STDP las vincule. De esta manera se crean secuencias de memoria detectables experimentalmente reforzando la conexión entre representaciones posteriores (vecinas). [13]
Los principios de STDP se pueden utilizar en el entrenamiento de redes neuronales de picos artificiales . Usando este enfoque, el peso de una conexión entre dos neuronas aumenta si el momento en el que ocurre un pico presináptico ( ) es poco antes del momento de un pico postsináptico ( ), es decir. y . El tamaño del aumento de peso depende del valor de y disminuye exponencialmente a medida que aumenta el valor dado por la ecuación:
donde es el máximo cambio posible y es la constante de tiempo.
Si ocurre el escenario opuesto, es decir, se produce un pico postsináptico antes de un pico presináptico, entonces el peso se reduce de acuerdo con la ecuación:
Donde y cumplen la misma función de definir el máximo cambio posible y la constante de tiempo que antes, respectivamente.
Los parámetros que definen el perfil de desintegración ( ,, etc.) no necesariamente tienen que ser fijos en toda la red y diferentes sinapsis pueden tener diferentes formas asociadas.
La evidencia biológica sugiere que este enfoque STDP por pares no puede dar una descripción completa de una neurona biológica y se han desarrollado enfoques más avanzados que analizan tripletes simétricos de picos (pre-post-pre, post-pre-post) y se cree que son más plausible desde el punto de vista biológico. [14]
