06/04/2011
תהליכים פסיכוביולוגיים
שבוע 8 (שיעור 7)
למידה – המשך:
השאלה המרכזית – האם אנחנו יכולים ללמד תאים משהו מסויים?
Long term potentionion - LTP – הגברה ארוכת טווח:
שני תאים – פרה סינפטי (1) ופוסט סינפטי (2).
לאקסון של תא אחד משתילים אלקטרודה (מפעילת סטימולציה), ולגוף תא2 משתילים אלטרודה רושמת.
כאשר התא הפרה סינפטי יירה פ"פ בתא הפוסט סינפטי יהיה שינוי חשמלי.
שלב בסיס:
סטימולציה 1 בתא 1, בתא 2 מוצאים EPSP בגודל מסוים.
שלב הלמידה:
מעבירים בתא 1 סטימולציה בתדר גבוה. הוא יורה כמות אדירה של פ"פ, בתא 2 – EPSP ענק.
שלב השינוי:
סטימולציה 1 בתא 1, בתא הפוסט סינפטי – מה יקרה? אנחנו מצפים, לEPSP כמו בשלב הראשון. למעשה, מקבלים בתא 2 EPSP הרבה יותר גדול ממה שקיבלנו בשלב הראשון.
משמעות – עולה ההסתברות שברגע שתא 1 יירה פ"פ, דם תא 2 יירה.
זוהי למידה!
תהליך הלמידה שזה יכול להישאר לזמן ארוך – ומכאן שמו.
זה תורם להבנה של יך סינפסה חלשה הופכת לסינפסה חזקה.
האם יש תאים במח שיש בהם תהליך של LTP (את התהליך גילו בצלחת פטרי)?
כן, בהיפוקמפוס – ספציפית, בתצורת היפוקמפוס.
תצורת ההיפוקמפוס:
שלושה גרעינים מרכזיים:
- סודיקולום
- היפוקמפוס
- דנטל ג'יירוס (רכס משונן, עם שיניים)
אנחנו נתמקד בהיפוקמפוס עצמו.
היפוקמפוס – אפשר לחלק לחמישה תתי אזורים.
היפוקמפוס בטינית – קורניה אמוניס – ca – ולכן כל תתי האזורים של ההיפוקמפוס נקראים ca ממוספרים. אנחנו נתמקד בca 1 ו-3. באזורים אלה יש תהליך של LTP מאד מסיבי.
--> השיעור יהיה קצת מקוטע, אבל בסוף הכל יתחבר.
CA1, CA3
בca 1 ו-3 יש תאים (נוירונים) שנקראים תאים פירמידליים. גוף התא שלהם מזכיר משולש, ולכן שמם. אלו נוירונים לכל דבר – יש להם אקסונים, כפתורי טרמינל ודנדריטים. הדנדריטים מתחלקים למעין שלוחות קטנות שנקראות dendritic spine – בעברית: עוקץ דנדריטי. על כל עוקץ כזה (לתא פירימידלי אחד יש בין 20 ל30 אלף כאלה – הרבה מאד אינפוט) יש סינפסה עם תא פרה סינפטי. בנוסף, על עוקץ דנדריטי אחד יכולים להיות כמה תאים פרה סינפטי – תא פירימידלי בודד יכול להגיע ל100 אלף סינפסות בו זמנית. התיאם הפירמידליים מאד לומדים. על העוקצים יש סוג מיוחד של קולטנים, כולל קולטני NMDA, קולטנים יונוטרופיים לגלוטומט. כאשר מגיע גלוטומט קולטנים אלו פותחים תעלה ליוני סידן, שנכנסים לתא. בפועל, הקולטנים לא נפתחים מיד כאשר מגיע גלוטומט, כי על גבי התעלה יש יון מגנזיום, שחוסם את התעלה. כדי לסלק את המגנזיום צריך שהתא שעליו יושב NMDA יהיה בדפולריזציה, דבר שיגרום ליון המגנזיום לצאת החוצה, ואז התעלה תיפתח.
לסיכום – קולטני NMDA הם תלויי נ"ט וגם תלויי מתח. - צריך כדי לפתוח את התעלות גם גלוטומט מהתאים הפרה סינפטיים וגם דפולריזציה בתא עליו התעלה נמצאת.
קולטני NMDA חיוניים לתהליך הלמידה – בלעדיהם קשה מאד לגרום לתהליך של LTP.
איך יודעים את זה?
ניסו לחסום אותם עם AP-5 – אנטגוניסט לקולטניNMDA. שמו תאים מתאימים בצלחת פטרי עם תמיסת AP-5, וניסו לגרום ללמידה- לא הצליחו. מסקנה: קולטני NMDA הכרחיים לתהליך של למידה. א"א להסיק שהמח עובד באותה צורה, אך ניסויים מהשנים האחרונות מראים שכנראה במח יש תהליכים דומים.
אם חוסמים לתא קולטני NMDA אחרי שהתבצע תהליך הלמידה, אין שכחה, כולמר – קולטני NMDA חשובים למידה אך נחוצים פחות לזיכרון. לזיכורן ישד מנגנון אחרים, שהקולטנים החשובים לו הם קולטנים בשם AMPA.
קולטני NMDA מכניסים דרך התעלה שלהם יוני סידן. אולי הם החשובים, ולא הקולטנים? ננסה לבצע תהליך LTP עם אנטגוניסט ליוני סידן, ולא הצליחו. מסקנה: היונים הנחוצים לתהליך LTP הם יוני סידן.
איך נוצר פ"פ? גירוי שעובר את ערך הסף, נפתחות תעלות סידן... עד עכשיו חשבנו שפ"פ לא יכול לחזור אחורה, בגלל האינאקטיבציה א-ב-ל בתאים הפירמידליים יש תהליך ששמו פ"פ דנדריטי – ספייק חשמלי שעולה מגוף התא אל עבר העוקצים הדנדריטיים, וגורם שם לדפולריזציה קטנה. מדובר בזרם חשמלי מאד חזק. פ"פ דנדריטי זה גורם לדהפולריציה קטנה בכל עוקץ דנדריטי ולכניסה קטנה מאד של יוני סידן לכל אחד מהעוקצים הדנדריטיים.
מי מכניס יותר יוני סידן – קולטני NMDA או פוטנציאלים דנדריטיים?
מדדו ומצאו שכל אחד מכניס יוני סידן בכמות לא כ"כ גדולה, אבל אם שניהם פועלים יחד נכנסת כמות הרבה יותר גבוהה בכמה סדרי גודל.
איך נוצר תהליך של למידה?
כאשר סינפסה חלשה (צליל) פועלת לבד מופרש נ"ט אך הוא לא מצליח לפתוח את קולטני הNMDA, ולכן התא הפוסט סינפטי לא מייצר פ"פ.
כאשר סינפסה חזקה (שוק) פועלת, היא גורמת לEPSP מספיק חזק, שמוביל לפ"פ בתא הפירמידלי. פ"פ בתא הפירמידלי זורם מגוף התא לעבר כפתורי הטרמינל, ובמקביל נוצר פ"פ דנדריטי שמגיע לכל אחד ואחד מהעוקצים הדריטיים. פ"פ דנדטי גורם לדפולריזציה בעוקצים. אם במקביל פועלת גם הסינפסה החלשה (– צליל) מתקיימים שני התנאים – 1)נ"ט ו2)דפולריזציה של התא הפוסט סינפטי. כתוצאה מכך כמות רבה מאד של יוני סידן נכנסת אל תוך עוקץ דנדריטי ספציפי, וגורמת בו לשינויי מבניים וכימיים, ולהתחזקותו. מעכשיו והלאה אין צורך יותר בסינפסה החזקה (שוק) כי הסינפסה של הצליל הפכה להיות לסינפסה חזקה בפני עצמה.
למה גורם הסידן בכניסתו לעוקץ הדנדריטי? אילו שינויים מבניים וכימיים מחזקים את הסינפסה?
היו כל מיני השערות בנושא:
- בעקבות הכניסה של יוני הסידן נוצרים קולטנים חדשים על גבי העוקץ הדנדריטי, וכך הנ"ט יותר ייקשר לקולטנים, וההסתברות לEPSP תעלה.
- בעקבות הכניסה של יוני הסידן לעוקץ הדנדריטי גדל שטח הפנים של הסינפסה (שינוי במבנה הסינפסה / יצירה של עוד כפתורי טרמינל וכו') --> יותר חיכוך בין התאים הפרה ופוסט סינפטיים --> יותר סיכוי לפ"פ.
- בעקבות כניסת יוני הסידן לתא הפוסט סינפטי לא מתרחש שינוי בתא הפוסט סינפטי, אלא בתא הפרה סינפטי – הוא מתחיל לייצר הרבה יותר נ"ט, וכך יש השפעה רבה יותר על התא הפוסט סינפטי.
מה נכון? הצליחו להוכיח את כל ההשערות – כל הדברים האלה מתקיימים בתהליך של למידה.
איך זה עובד?
1. השערה ראשונה – כמות הרצפטורים עולה:
אנזימים תלויי סידן – פרוטאין קינאז – מתחילים לפעול. אחד מהם הוא אנזים בשם CaM-K2 (להלן: האנזים), שנכנס לפעילות ושוזר רצפטורים חדשים לתוך הממברנה.
איך יודעים שזה אכן כך? -ניסוי!
לקחו איזור קטן בנוירון פירמידלי, כך שאפשר לראות שני עוקצים דנדריטיים. פותחים קולטני NMDA, וסימנו את האנזים – קאם-קיי-2 בצבע אדום. ברגע שנכנס סידן אכן רואים פעילות של האנזים.
מה האנזים הזה עושה?
הוא גורם לחלבונים חדשים (קולטנים) להתיישב על הממברנה.
היפותטית – בממברנת העוקץ הדנדריטי יש קולטן NMDA ולידו האנזים. יוני הסידן נכנסים פנימה בתהליך LTP, מפעילים את האנזים וגורמים לו לתהליך בשם פוספורילציה (זרחון). האנזים שהסידן נקשר אליו הופך להיות פעיל. האנזים שולח מסרים אל הגרעין של התא, ובסופו של דבר קולט אליו חלבונים, מגיע קרוב מאד לקולטני NMDA ולוקח את החלבון החדש – שנוצר בגוף התא, והוא בעצם רצפטור – ושוזר אותו לצד קולטן ה-NMDA. הרצפטורים החדשים האלה נוצרו בהשראת כניסת יוני הסידן, והם רצפטורים מסוג AMPA – רצפטורים לגלוטומט (זיכרון). כעת יש לנו שני קולטני אמפא חדשים, כך שהסינפסה החלשה של הצליל מכניסה נתרן מאד בקלות (קולטנים פשוטים) דפולריזציה, סיכוי גדול יותר לEPSP. זוהי הלמידה.
כמות הקולטנים שלנו במח היא משהו דינאמי. תאים יורדים בד"כ בכמותם – קולטנים יכולים להופיע ולרדת.
אוקיי, זה מודל היפותטי – מי אמר שזה באמת נכון?
היום יש טכנולוגיה באמצעותה אפשר לראות באמצעות מיקרוסקופים – קולטנים.
בשיטות מולקולריות אפשר לסמן את הרפטור שנוצר, וזה מה שרואים בשקופית – אחרי תהליך של LTP כמות קולטני האמפא יותר גדולה.
2. השערה שניה – שטח הפני של הסינפסה גדל:
לפני תהליך ל LTP יש אזור פעיל בו משתחרר נ"ט, ובצד השני יש קולטנים. עכשיו יש קולטני אמפא חדשים – איפה נשים אותם? אין מקום!
ברגע שהסידן נכנס אל העוקץ הדנדריטי של התא הפוסט סינפטי הוא שולח שלוחות דמויות אצבעות אל עבר כפתור הטרמינל של התא הפרה סינפטי, וזה כאילו מחלק את הסינפסה (לעשה, זו אותה סינפסה). הסינפסה המחולקת היא אולי סימן ההיכר הכי משמעותי לאזור במח שלמד.
העצים הדנדריטיים המסועפים משיעור שעבר הן בדיוק אותן סינפסות מחולקות שדיברנו עליהן עכשיו.
3. השערה השלישית – נוצר יותר נוירוטרנסמיטור בתא הפרה סינפטי:
[זה סותר את מה שאנחנו יודעים על כיוון התקשורת בין תאים.]
בתוך התא הפוסט סינפטי הסידן מפעיל בין היתר אנזים בשם סינטזת-הפחמן-החד-חנקני. האנזים נקשר לחומצה אמינית בשם ארגינין שנמצאת בתוך התא. בעקבות הקישור של האנזים אל הח"א יש תהליך תוך תאי שלא נדבר עליו, ובעקבותיו נפלט חנקן חד חמצני – NO. בהיותו גז NO יכול לנוע בחופשיות בין התאים. אורך חייו 10-15 שניות. הוא עובר מהתא הפוסט סינפטי (נגד הכיוון!) לתא הפרה סינפטי (וכך הוא עושה).
ה-NO עובר אל התא הפרה סינפטי, ושם הוא מפעיל אנזים בשם גוואנילין ציקלאז gualynin cyclase, שמפעיל ציקליק GMP – שליח משני שנמצא בתוך התא, שמפעיל תהליכים תוך תאיים בתא הפרה סינפטי באזור הגרעין, ובעקבות התהליכים האלה התא הפרה סניפטי מייצר ומפריש יותר נ"ט גלוטומט.
--> זה שינוי מאז משמעותי שקורה בעקבות למידה – הסינפסה שונה לגמרי, והסיכוי שיקרה פ"פ רב הרבה יותר.
כמה זמן לוקח לתשליך ה-LTP לפעול?
שעה!
איך יודעים?
עוצרים את התהליך בכמה נקודות זמן ובודקים אם יש או אין LTP. עושים זאת בצלחת עם תאים, באמצעות אנטיביוטיקה בשם אניצומייצין לפני, במהלך או אחרי הLTP. ראו שאם מפריעים לחלבונים לפעול בכל אחד מהזמנים האלה, (זה מה שהאנטיביוטיקה הזאת עוזה), התהליך לא יקרה.
לעומת זאת, אם מזליפים אניצומייצין שעה אחרי LTP, התהליך לא ייפגע.
איך אותם קולטני אמפא יודעים לאן להגיע?
חלבונים נוצרים בריבוזומים – בגוף התא, והם צריכים להגיע לאחד מתוך אלפי עוקצים דנדריטיים.
מסתבר שבעקבות הכניסה של יוני סידן אל אותו עוקץ דנדריטי, נוצרים בו סמנים (מרקרים) שנקראים tags (תגים). התא מייצר קולטני אמפא, וחומרי העברה מסיעים אותם לכיוון העוקצים הדנדריטיים, שם התגים תופסים אותם ומעבירים אותם לאיפה שצריך, ושם האנזים CaM-K2 שוזר אצלם במקום.
קולטנים שאין בהם שימוש התא מנייד לממברנה אחרת – כך לא צריך לייצר קולטנים חדשים כל הזמן – אפשר להוריד קולטנים לא נחוצים ולהעביר לעוקץ דנדריטי אחר.
שכחה – LTD – long term depression:
אם נותנים לתא גירויים בקצב איתי אז הלמידה תישכח (ולא תיעלם).
דומה למצב בו עושים 10 התניות צליל-שוק, ואז נשמיע לחיה צליל ללא שוק 50 פעמים, החיה תפחד פחות ופחות כי היא תבין שהצליל לא מנבא יותר שוק.
איך נוצרת שכחה?
בתהליך שכחה קולטני האמפא שוקעים בתוך הממברנה, מתכנסים. כך, כאשר מגיע נ"ט הקולטנים לא כ"כ פעילים.
זה מסביר למה קל להזכיר לחיה את ההתניה מחדש – כי הכל כבר מוכן, הקולטנים לא עוזבים את המערכת, ונשאר פוטנציאל ללמידה מחדש.
עד עכשיו עסקנו ברמה התאית, עכשיו נעבור לרמה הכללית של האדם – אילו אזורים במח זוכרים (היפוקמפוס), מה קורה כאשר ההיפוקמפוס נפגע (אמנזיה).
אין תגובות:
הוסף רשומת תגובה