Дендритна пластичність () — це властивий для ЦНС фундаментальний механізм, що лежить в основі синаптичної потенціації і є ключовим для формування пам'яті, навчання та когнітивних здібностей, для нормального функціювання мозку.
В основі дендритної пластичності є динамічна природа дендритів, які можуть бути модульовані через зміну їх об'єму, нахилу, втратою чи додаванням інших дендритів і дендритних шипиків, змінами довжини шиї шипиків, дією на дендритні потенціал-залежні іонні канали. Всі ці форми дендритної пластичності пов'язані із навчанням та пам'яттю і є основою унікальних біологічних, обчислювальних функцій одиничних нейронів.
Вплив дендритів на нейронну пластичність
Хоча здатність нейронних дендритів до генерації локальних потенціалів дії (дендритних спайків) відома вже кілька десятиліть, відносно мало уваги приділялось здатності дендритів стимулювати синаптичну пластичність. Утім, оскільки синапси (особливо збуджувальні) найбільше зосереджені в дендритах, то дендритні властивості повинні суттєво впливати на появу та формування різних типів синаптичної та несинаптичної (внутрішньої) пластичності.
Зміни в морфології дендритів у дорослому мозку відбуваються дуже повільно. До прикладу, тривала візуалізація дендритів в барельній корі миші не показала яких-небудь додавань або видалень дендритних гілок протягом одного місяця. Тому вважається, що не так самі дендрити, як дендритні шипики є елементарними одиницями зберігання пам'яті та формування синаптичної пластичності, обумовленої змінами в синаптичній ефективності через довготривалу потенціацію (LTP) і довгострокове ослаблення (LTD). На відміну від дендритів, шипики неперервно і спонтанно формуються у мозку, рухаючись, виростаючи та відходячи протягом кількох хвилин, а їхній розмір корелює з їхньою функційною синаптичною ефективністю, як in vivo, так in vitro.
Прогрес в технології in vivo нейровізуалізації дозволив виявити пластичні зміни в нейрональних властивостях, пов'язаних із навчанням та пам'яттю. Такі зміни передбачають перебудову в морфології вже наявних синапсів, зокрема збільшення дендритних шипиків протягом LTP і зменшення шипиків протягом LTD Інші структурні зміни можуть включати появу нових синаптичних контактів, обумовлених появою нових дендритних шипиків внаслідок стимуляції синаптичної пластичності. Одним із доказів того, що подібні структурні зміни пов'язані з пам'яттю та навчанням є нещодавнє дослідження, яке показало ріст дендритних шипиків в нейронах рухової кори, як наслідок рухового навчання.
Незалежно від механізмів стимулювання, важлива ознака наявності синаптичної пластичності, це збільшення внутрішньоклітинної концентрації кальцію протягом стимулювання. Від амплітуди і тривалості постсинаптичного тимчасового збільшення кальцію протягом стимулювання залежить те, посилиться чи послабиться синаптична передача. Тривале і помірне збільшення кальцію веде до LTD, тоді як коротке і сильне збільшення — до LTP. Активація тільки одного збуджувального синапсу веде до нагромадження кальцію в індивідуальних дендритних шипиках, залучаючи для цього NMDA рецептори, що завдяки сучасним досягненням у технології нейровізуалізації може бути побачено та виміряно in vivo Утім, до цього часу кількісних оцінок кальцієвих імпульсів, що лежать в основі цих механізмів, не отримано.
Хеббівська пластичність
Відкриття потенціалів дії зворотного поширення було одним із перших свідчень синаптичної пластичності в дендритах, оскільки вони уможливлюють часову координацію та виявлення збігів Результати багатьох досліджень підтверджують, що Ca2+ імпульси, пов'язані з bAP та синаптичними вхідними імпульсами, сумуються суперлінійно, коли синхронність двох подій відбувається в досить вузькому часовому інтервалі (<50 мск). Ця взаємодія між входом та виходом дозволяє спайкам, що слідують за синаптичним вхідним імпульсом протягом кількох десятків мікросекунд (мкс), згенерувати постсинаптичний кальцієвий потенціал, який є значно більшим, аніж якби спайк передував вхідному імпульсу або надто сильно відставав від нього (>50 мкс). Ця часова синхронність обумовлюються NMDA-рецептором та потенціалзалежними каналами, і є одним із механізмів пластичності, залежної від часу спайку (spike-timing dependent plasticity, STDP), яка є розширеною версією хеббівської моделі синаптичної пластичності.
Правило навчання Хебба вимагає виявлення збігів в пресинаптичній та постсинаптичній активності. Відповідь детектора збігів за присутності обох імпульсів має бути якісно відмінною від відповіді до кожного з цих імпульсів окремо. Як було згадано перед цим, найкраще на роль такого детектора підходить унікальний макромолекулярний комплекс — NMDA рецептор (NMDA-R), який може лежати в основі LTP. Маючи ряд незвичних біофізичних рис, NMDA-R відчиняється тільки коли обидва, пресинаптичний та постсинаптичний нейрони, є активованими. Тобто, відчинення рецептора вимагає і пресинаптичного хімічного імпульсу (вивільнення нейромедіатора — глутамату) і постсинаптичного електричного потенціалу (локальної мембранної деполяризації). Коли ці дві умови виконуються в той самий час, відчинення NMDA-R дозволяє Ca2+ іонам увійти в постсинаптичний нейрон та активувати Ca2+-чутливі ферменти, що врешті-решт і приводять до синаптичного посилення або послаблення.
Як і інший іонотропний рецептор, AMPA-рецептор, NMDA-R активується збуджувальним нейромедіатором глутаматом, але його сприйнятливість до цього медіатора значно більша (EC50 в діапазоні 1 мкМ), що робить цей рецептор більш сприйнятливим до його менших концентрацій. Він також має повільнішу частоту деактивації після короткотривалого застосування глутамату, що означає, що будучи один раз пресинаптично вивільнений, глутамат зв'язується з рецептором і залишається з'єднаним з ним протягом довгого часу. Через це NMDA-R діє, як довготривалий індикатор пресинаптичної активності. Саме ці властивості роблять NMDA-рецептор ідеальною основою для синаптичної пластичності (напр., STDP) та виявлення збігів.
Кластерна пластичність
Оскільки внутрішньоклітинна концентрація кальцію є необхідною умовою для виникнення синаптичної пластичності, то синаптично породжені локальні дендритні спайки можуть бути однією з причин синаптичної пластичності, і навіть самі по собі спричиняти LTP та LTD. Так, до прикладу, в одному з нещодавніх досліджень було зроблено неочікуване відкриття, що синаптично викликані дендритні спайки стимулюють LTP в CA1 нейронах гіпокампа, однак ця синаптична пластичність не потребує активного зворотного поширення натрієвих соматичних потенціалів дії, оскільки вони блокуються локальним застосуванням до найближчої частини апікального дендрита антагоніста натрієвого каналу — TTX. Скоріш за все, формування міцної LTP у віддалених дендритах потребує відносно сильної стимуляції і, як наслідок, локальних дендритних спайків, а не ослабленого потенціалу зворотного поширення.
В цьому ж самому дослідженні було показано, що LTP в близьких дендритах також може бути викликане локальними дендритними спайками за відсутності соматичних потенціалів дії. Відтак, стимуляція пластичності не обов'язково повинна бути пов'язана із аксонним зворотним потенціалом дії. А оскільки просторово разом локалізовані синаптичні вхідні імпульси мають більшу імовірність викликати локальні дендритні спайки та LTP, з цього випливає важливий висновок, що аксони пресинаптичних нейронів із корельованою активністю утворюють синаптичні кластери в дендритному дереві, до якого надсилають імпульси. Подібна синаптична кластеризація (т. зв. «гіпотеза кластерної пластичності») була теоретично передбачена ще до її відкриття, як ефективний спосіб обробки та збереження інформації нейроном.
Кластерна пластичність може зв'язувати разом функціонально поєднані вхідні імпульси, які надходять до дендритів, та збільшувати в індивідуальних нейронах здатність зберігання шляхом залучення нелінійних потенціал-залежних каналів. Більше того, кластерна пластичність може збільшувати імовірність генерації локального спайку через підсилення дендритної збудливості, що в свою чергу зміцнює поєднання між дендритною гілкою та сомою. Подібне посилення сили дендритної гілки уможливлює породження точного в часі та надійного соматичного вихідного сигналу, будучи основою достовірної передачі інформації на рівні одиничних нейронів.
Із появою технології дво-фотонного вивільнення глутамату виникла можливість точного спрямування глутамату до множини чи навіть одного шипика. Застосування цієї техніки до дендритів виявили бімодальний розподіл дендритних гілок: одна популяція гілок із слабкими відповідями на синхронні синаптичні стимуляції, а інша — із більш сильними. Тобто, інформація в нейронах може зберігатись не тільки у формі синаптичних ваг вхідних синапсів, а дендритні гілки здатні активно виявляти специфічні властивості вхідних сигналів, напр., їх синхронність.
Більше того, внутрішні властивості дендритних гілок можуть змінюватись в результаті активності та протягом накопичення досвіду. Нещодавнє унікальне дослідження, — новизна результатів якого породила цілий ряд нових гіпотез та моделей дендритної пластичності, — показало, що при одночасній стимуляції кластерів синапсів на дендритній гілці, їх повторна активація призводить до поступових змін у відповіді мембрани на стимули. Зокрема, було виявлено, що в CA1 пірамідальних нейронах гіпокампа поява холінергічного агоніста призводить до того, що «слабкі» гілки перетворюються в гілки із сильною спайковою активністю шляхом поєднання синаптичного збудження із постсинаптичним потенціалом дії. Таке перетворення слабкої дендритної гілки значно підсилює поширення локальних дендритних Na+ спайків до соми і обумовлене новою формою пластичності — «branch-strength potentiation», (потенціація сили гілки, BSP), яка здатна значно збільшувати напругу в сомі у порівнянні із непотенційованими гілками. Збільшення напруги, яке виникає в результаті підсилення розповсюдження дендритного спайку вздовж гілки, скоріш за все є наслідком придушення активності потенціалзалежних калієвих (Kv4.2) каналів, які обмежують збудливість дендритної гілки.
Ця специфічна для дендритної гілки пластичність, яка підсилює її силу, перетворює темпорально корельовані і згруповані синаптичні вхідні сигнали в довготривалі зміни збудливості гілки, будучи імовірним механізмом збереження властивостей вхідних сигналів, основою пам'яті.
Таким чином, зв'язок між локальним дендритним спайком та сомою є пластичним і може бути змінений в специфічний для даної гілки спосіб через обумовлену NMDA рецептором регуляцію дендритних калієвих (Kv4.2) каналів. Тоді дендритна гілка постає, як єдиний інтегративний сегмент («фундаментальною функціональною одиницю в нервовій системі») і вплив дендритного спайку на соматичний потенціал буде суттєво різнитись між окремими дендритними гілками.
Дані результати були підтверджені цієї самою групою дослідників, які виявили, що CA1 пірамідальні нейрони в тварин, що знаходились в збагаченому середовищі, проявляють полегшене поширення дендритних спайків в підгрупі дендритних гілок, пластично з'єднаних із сомою.
Хоча автори цих досліджень і висунули гіпотезу, що потенціація дендритної гілки може лежати в основі довготривалого збереження паттернів вхідних сигналів, механізм цієї пластичності залишався невідомим. Тільки нещодавно була запропонована детальна обчислювальна модель, яка передбачила один із таких можливих механізмів та дала більш узагальнююче пояснення ролі дендритів в нейронних обчисленнях.