College 5

Dit zijn flashcards over synaptische plasticiteit, belangrijke termen en concepten die verband houden met leren en geheugen in de hersenen.

synaptische plasticiteit

Het vermogen van synapsen om hun sterkte of efficiëntie van overdracht te veranderen, vaak in reactie op verhoogde of verlaagde activiteit.

hersenen vergelijken geheugen in gebieden

knaagdieren lijken neit veel op ons, maar als je meer inzoomt wel 

hippocampus = episodisch geheugen

amygdala = emotioneel geheugen

pavlov conditionering

rat schrok in kamer > bevriest na tijdje enkel door kamer 

angst geassocieerd met kamer 

werkt al na 1x

hoe stil zit direct gecorreleerd met hoe goed geheugen is 

hippocampus anatomie 

dentate gyrus » CA3 » CA1

verder inzoomen : neuron

cellichaam, allemaal dendrieten, met spines = synapsen

heel complex netwerk

monica hall voorspelling, maar donald hebb

synapsen zijn waar herinneringen opgeslagen worden

Hebb’s law for associative learning

neurons that fire together, wire together.

neurons that fire together, wire together. principe 

neuron met 2 dendrieten met allebei 1 synaps

sterke synaps = makkelijk doorgegeven

zwakke synaps = inefficient

angst neuron 

• schrok = sterk

• kooi = zwak

komen precies tegelijk actief!!

wordt synaps sterker  == kooi sterk

== geheugen, = volgende keer kooi meteen schrok

hoe kan een synaps sterker worden als beide kanten van een synaps tegelijkertijd actief zijn?

pre synaps = bouton

post synaps = spine

bouton : AC > voltage gated calcium channel open > Ca²⁺ binnen > glutamaat losgelaten

post synaps : glutamaat receptoren (uit 4 subunnits, kanaal vormen) > glutamaat bindt aan > kanaal open> positieve ionen gaan naar binnen

elektrisch signaal > chemisch signaal > elektrisch signaal = synaptische transmissie 

glutamaat receptor single subunit

n therminal gedeelte

ligand binding domain

transmembraan domain 

cytoplasmatisch deel 

extracellulair veldpotnentiaal meting

hippocampus slide, elektrode extracellulair, in veld van neuronen

andere elektrode om axonen te activeren

stimuleert axonen > simulatie art effect > volley = AC die langs de elektrode gaan > synaps geact, glutamaat losgelaten > openen kanalen > stroom post synaps binnen > verlaging van de potentialen buiten de cel = fEPSP

Long-Term Potentiation (LTP) ontdekking

Een langdurige versterking van synaptische transmissie die wordt veroorzaakt door herhaalde stimulatie.

ontdekt : tim bliss, per anderson, terje lomo

in levend konijn elektrode in tentate gyrus, wel verdoofd

x as is aantal uren 

fEPSP 

cirkels = twee verschillende pathways

in dichte steeds hoge freq stimulatie

pijljte > synapsen werden sterker, blijven ook sterker!

andere pathway niet sterker > synaps specifiek!

nu LTP meten 

plak uit hippocampus

condities veel beter controleren

meten specifiek CA1 input van CA3

fEPSP

pijltje :  100 hz stimulatie

voldoende synaps sterker te maken, en die blijven ook sterker

verschillende type glutamaat receptoren

verschillende type glutamaat receptoren

• AMPA

• NMDA

• reageren allebei op glutamaat, alleen andere werking »

de synaps bij ltp start 

pre laat glutmaat los » bindt aan AMPA » Na²⁺  de cel in == synpatische transmissie! 

maar NMDA niet open

de NMDA receptor 

• 4 subunits 

• 2x GluN1 2x GluN2

• GluN1 bindt glycine!, is bijna altijd aanwezig

• GluN2 bindt glutamaat

MAAR

• kanaa niet open » Mg²⁺ » geen signaal transmissie, niet bij betrokken

• hoe Mg²⁺ weg? » depolarisatie postsynaptische membraan!

• door dus andere synaps 

OPEN

• glutmaat + postsynaptische depol = open

• Fire together wire together!! 

• coincidence detector 

• Na²⁺+ Ca ²⁺  naar binnen 

structuur GluN1 + GluN2

NTD, LBD, TMD, CTD

effect van APV block op post respons

DMV APV blokkeert glutamaat > geen binding aan LBD

blokkeerd ST van NMDA receptor

ziet hier hoe het normaal gaat en met APV block

• -80Mv dicht bij rust, alleen AMDA + APV, voegt niks toe > signaal transmissie

• -40Mv mg²⁺ al beetje verwijderd,, respons langzamer, + APV > NMDA recep > alleen bijdraagt aan ST als depol is

• +20Mv lijkt op AC, flinke bijdrage ; maar veel tragere respons,

patch clamp 

Erwin Neher & Bert Sakmann Nobel Prize 1991

aan cel vast > cell seal on cell

buisje whole cell intracellulair! voltage bepaald in de cel

1983: APV blokeert LTP

Graham Collingridge

100Hz sterk genoeg voor LTP > APV » geen LTP!

zonder APV » wel LTP!

» LTP is afhankelijk van NMDA-receptor activatie

maar zorgt dat dan ook echt voor geen geheugen? Morris water maze normaal vs APV in hippocampus

normaal : 

• muis ziet plateau niet, zwemmen vind > na paar dagen weet waar platvorm is, blijft daar zwemmen ondanks dat platvorm weg is

ziet bij beide nog wel een leercurve na 6 dagen, maar die van D-APV wel minder laag 

D-APV in hippocampus

• blokkeert geheugen!!

• geheugen volledig weg

L-APV in hippocampus » inactieve vorm 

• blokkeert geheugen niet!!

100hz even uitgelegd

100 hz is heel efficient, niet ltp normaal > in model

die kleine depol duurt 20ms, elke 10ms kleine schrok > bereikt die zo drempelwaarde == heel efficient

LTP geïnduceerd door ‘pairing protocol’:

post-synaptische depolarisatie + glutamaat release

lijkt meer op echt??

dus LTP Ca2+ in cel en dan?

• Pre + post > NMDA  open > Ca2+ > LTP » meer AMPA receptoren

Ca2+ wat doet het?

calcium » protein-OH  > gefosforlyseerd kinase?? » eiwit-pooo > LTP

Calcium/Calmodulin dependent Kinase II (CaMKII) even checken!!

off wordt door Ca2+ die aan calmodulin bindt omgezet in CaMK2 »

wat doet CaMK2 dan?

• zit in cirkel structuur

• blijft zichzelf fosforlyseren! » LTP

CaMKII auto-fosforylatie is vereist voor LTP

• CaMK2 Thr286 » geen LTP want blijft zichzelf niet fosforlyseren > minder makkelijk ?

heeft CaMK2 Th muis dan geen geheugen? water morris raze

• geheugen compleet afwezig!

• dus LTP nodig voor geheugen

NMDA-receptor subunit compositie GluN2

N2B + N1 ×2

• immature hippocampal CA1 neuron

N1 + N2A + N2B + N1

• im mature hippocampal CA1 neuron

N1 N2A N2A N1

• mature hippocampal CA1 neuron

Leeftijd-afhankelijke gen expressie van NMDA receptor subunits in knaagdieren

Leeftijd-afhankelijke gen expressie van NMDA receptor subunits in mensen

NMDA-receptor subunit switch

• CaMKII bindt GluN2B c-tail!!

• LTP » beter in immature

• logisch ; als je oud bent wil je niet bestaande herinneringen overscheiden

maar hoe krijgen we nou meer AMPA receptoren?

• CaMKII fosforylatie van AMPA-receptoren vergemakkelijkt LTP, maar is geen vereiste voor LTP!

• Structurele functie van CaMKII : verwijden van de synaps » meer plek is

AMPA-receptor subunit compositie + welke voor ltp?

GluA1 * GluA2

GluA3 * GluA2

GluA1 voor LTP!!

GluA1 expressie is vereist voor LTP?

• geen GluN1 == geen LTP!

• muis zonder GluN1

hoe komen die extra AMPA receptoren in de synaps?

• zijn overal aanwezig

• zodra ltp, glutmaat aan NMDA + depol andere kant, CA2+ bindt mododing, zet CaMK2 in gang > bindt aan NMDA2B, synaps ruimte wordt groter » laterale diffusie van GluA1 in synaps!

gaat GluA1de synaps in bij leren?

• pavlovian conditioning

• paired vs unpaired

• amygdala

• GFP-GluA1 » expressie in laterale amygdala en expressie in single amygdala neuron zichtbaar

• Fear conditioning induces synaptic trafficking of GluA1

• sign meer gluN1 verplaatst in synaps bij conditionering dan bij alleen schrok, 

• maar bij schrok nog wel wat geleerd? probeert associaties te maken om iets te leren over die schrokken 

• Dit toont eigenlijk aan als je iets leert vindt er inderdaad LTP plaats in de amygdala, want je ziet meer gluA1 en synapsen.

hoeveel neuronen van de amygdala vindt LTP plaats voor een herinnering?

• GluA1 insertie in 30% van de synapsen van de amygdala neuronen 

• ziet op plaatje helemaal naar rechts verschroven 

• dus voor 1 herinnering is 30% vd amygdala nodig, per hersengebied verschilt dit

GluA1 C-tail blokkeert LTP?

• Expressie van GluA1 cytoplasmic-tail blokkeert LTP

• GFP-GluA1 c-tail (block) GFP (controle)

• wat zie je : die block gaat wel op plekken in synaps zitten, blokkeert dus dat daar extra GluA1 bij komen, waardoor LTP niet tot expressie komt » 

• in begin wel, daarna neemt sign af 

maar is die insertie van AMPA receptoren in de synaps nou nodig voor het vormen van geheugen?

• Blokkeren van GluA1 insertie in synapsen remt geheugenvorming

• dus ; geen extra GluA1 in synaps == geen geheugenvorming

• dus zowel LTP als gluA1 insertie is cruciaal voor geheugenvorming!

• tijdens conditionering gelijk, dan bij 3hr al erg afgenomen, bij 24hr hetzelfde als bij 3hr » geheugen is dus een stuk minder!!

hoeveel % van de neuronen moet geblokkeerd worden om geheugen te blokkeren?

• bij minder dan 10% is geheugen normaal

• bij 20% is leren geremd, dus 20% vna 30% > 10% van neuronen nodig voor herinneringen » geheugen remming

Late-phase LTP

• Early-phase LTP (< 3 uur) is onafhankelijk van eiwit synthese

• Late-phase (> 3 uur) heeft eiwit synthese nodig

wat gebeurd er in die late fase? + jonge vs oude muis

Structurele Plasticiteit

worden meer synapsen gemaakt

in gedeelte hippocampus muis bekeken in vivo door craniaal raampje

Hoge dynamiek van spine turnover in cortex van jonge muis

• bij jonge muis 50% nieuwe synapsen

Lagere dynamiek van spine turnover in cortex van volwassen muis

• maar 20%

Leergedrag induceert structurele rewiring of synaptische netwerken

• Onder basale condities, kan het toevoegen en weghalen van kleine, transiënte spines bijdragen aan tijdelijke veranderingen in connectiviteit in corticale circuits.

• Na het leren van een nieuwe ervaring kunnen enkele van deze transiënte spines gestabiliseerd worden

LTP =

bestaande synapsen sterker maken:

- inductie afhankelijk van NMDA-receptor activatie

- inductie afhankelijk van CaMKII activatie

- expressie door meer AMPA-receptoren in synaps

- onafhankelijk van eiwit synthese

- essentieel voor korte-termijn geheugen

Structurele plasticiteit =

maken van nieuwe connecties:

- inductie afhankelijk van NMDA-receptor activatie

- inductie afhankelijk van CaMKII activatie

- expressie door stabilisatie nieuwe synapsen

- afhankelijk van eiwit synthese

- belangrijk voor lange-termijn geheuge