اللدونة المتماثلة

افترض دونالد هيب أن تقوية الروابط المشبكية تحدث نتيجةً لنشاط منسق بين الطرف قبل المشبكي والتغصن بعد المشبكي. ووفقًا لهيب، تتقوى هاتان الخليتان لأن إشاراتهما تحدث معًا مكانيًا و/أو زمنيًا، وهو ما يُعرف أيضًا بالنشاط المتزامن. غالبًا ما يُلخص هذا الافتراض بعبارة " الخلايا التي تُطلق إشاراتها معًا، تتصل معًا "، مما يعني أن المشابك التي تحتوي على عصبونات تُطلق إشاراتها بشكل متزامن تتقوى، بينما تبقى المشابك الأخرى على هذه العصبونات دون تغيير. ^{[ 3 ]} وقد وفر افتراض هيب إطارًا مفاهيميًا لكيفية كون اللدونة المشبكية أساسًا لتخزين المعلومات على المدى الطويل. ^{[ 1 ]} اللدونة المعتمدة على توقيت النبضات (STDP)، حيث يؤدي إطلاق عصبون قبل المشبكي قبل أجزاء من الثانية من إطلاق عصبون بعد المشبكي إلى تقوية المشبك ( التقوية طويلة الأمد القائمة على التوقيت LTP)، بينما يؤدي إطلاقه بعد العصبون بعد المشبكي إلى إضعافه ( التثبيط طويل الأمد القائم على التوقيت LTD). تعمل هذه القاعدة الزمنية على تحسين فرضية هيب من خلال إضافة بُعد زمني إلى اللدونة الخاصة بالمدخلات، مما يسلط الضوء على أنه ليس النشاط المتزامن فحسب، بل يمكن لترتيب النبضات أن يحدد ما إذا كان الاتصال قد تم تعزيزه أو تثبيطه.

تحدث التغيرات في اللدونة العصبية غالبًا عبر إدخال أو استدخال مستقبلات AMPA (AMPARs) في الغشاء بعد المشبكي للعصبون الذي يشهد تغيرًا في قوة الاتصال. ^{[ 1 ]} يُعد أيون الكالسيوم (Ca2 ⁺⁾ أحد أيونات الإشارة التي تُسبب هذا التغير في كثافة مستقبلات AMPA عن طريق تحفيز سلسلة من التغيرات البيولوجية داخل الخلية. ولتحفيز التقوية طويلة الأمد (LTP)، يُنشط Ca2 ⁺ كلاً من CAMKII وPKC، مما يؤدي إلى فسفرة مستقبلات AMPA وإدخالها، بينما يحدث التثبيط طويل الأمد (LTD) عن طريق تنشيط Ca2 ⁺ لبروتينات الفوسفاتاز، التي تُزيل الفسفرة وتُسبب استدخال مستقبلات AMPA. ^{[ 1 ]}

لإحداث تغييرات محددة في قوة المشابك العصبية تبعًا للمدخلات، يجب حصر إشارة الكالسيوم (Ca2 ⁺⁾ في أشواك تشعبية محددة. ويتم حصر الكالسيوم في الأشواك التشعبية عبر عدة آليات. إذ يمكن للكالسيوم خارج الخلوي ^{أن يدخل} الأشواك عبر مستقبلات NMDA وقنوات الكالسيوم ذات البوابات الفولتية ^. وتتركز كل من مستقبلات NMDA وقنوات الكالسيوم ذات البوابات الفولتية في الأشواك التشعبية، مما يؤدي إلى تدفق الكالسيوم إليها بشكل خاص ^. وقد تساهم مخازن الكالسيوم داخل الخلوية ^في الشبكة الإندوبلازمية والميتوكوندريا أيضًا في الإشارات المحصورة في الأشواك، على الرغم من أن بعض الدراسات لم تجد دليلًا على ذلك. ^{[ 5 ]} ويتم التحكم في إزالة الكالسيوم ^بواسطة بروتينات عازلة، ترتبط بالكالسيوم ^وتمنعه ​​من التسرب إلى أشواك أخرى. كما يساعد الانتشار المحدود للكالسيوم ^عبر عنق الأشواك التشعبية على عزله في تشعبات محددة. ^{[ 5 ]}

آلية أخرى للتقوية طويلة الأمد الخاصة بالمدخلات هي الآلية الزمنية. تتطلب مستقبلات NMDA إزالة الاستقطاب ، لإزالة حجب المغنيسيوم، وتنشيط الغلوتامات، لفتح قنواتها، مما يسمح بتدفق أيونات الكالسيوم (Ca2 ⁺⁾ . وبالتالي، تتمركز التقوية طويلة الأمد في المواقع التي تُفتح فيها قنوات NMDA بواسطة مدخلات متشابكة نشطة تُطلق الغلوتامات وتُسبب إزالة استقطاب الخلية بعد المشبكية، ولن تؤثر على المشابك غير النشطة المجاورة. ^{[ 1 ]}

اللدونة المتماثلة للمشابك العصبية آليةٌ بالغة الأهمية تُمكّن الدماغ من تحسين قوة المشابك العصبية استجابةً للتجارب، ما يؤدي دورًا أساسيًا في التعلم والذاكرة. تضمن هذه العملية تقوية المسارات العصبية المُنشَّطة بكثرة، بينما تضعف الروابط الأقل أهمية، وبالتالي تحسين تخزين الذاكرة واسترجاعها. ضمن الدائرة القشرية الحصينية، تُساعد اللدونة المتماثلة للمشابك العصبية في تنظيم تدفق المعلومات بين القشرة الشمية الداخلية والحصين ، وهما منطقتان أساسيتان لترميز الذكريات وتثبيتها واسترجاعها. ^{[ 6 ]} تفترض فرضية اللدونة المشبكية والذاكرة أن تكوين الذاكرة يعتمد على تعديلات المشابك العصبية الناتجة عن التجارب. وقد أظهرت الأبحاث أن التغيرات في قوة المشابك العصبية، ولا سيما من خلال التقوية طويلة الأمد والتثبيط طويل الأمد ، تؤثر بشكل مباشر على القدرة على التعلم. ^{[ 7 ]} تُعزز التقوية طويلة الأمد المسارات العصبية من خلال تحسين كفاءة المشابك العصبية، ما يُسهّل على الخلايا العصبية التواصل والاحتفاظ بالمعلومات المُكتسبة. وعلى النقيض من ذلك، فإن التثبيط طويل الأمد يضعف الروابط الأقل استخداماً، مما يسمح بالتخلص من المعلومات القديمة أو غير ذات الصلة، الأمر الذي يمنع الإرهاق المعرفي ويدعم التعلم التكيفي. ^{[ 7 ]}

التنشيط التالي للتكزز (PTP) هو تعزيز مؤقت لقوة المشابك العصبية يحدث عقب دفقة من التحفيز عالي التردد. قد يستمر هذا التأثير لعدة دقائق، ويُعتقد أنه ناتج عن تراكم أيونات الكالسيوم في الطرف قبل المشبكي. تزيد مستويات الكالسيوم المرتفعة من احتمالية إطلاق الناقلات العصبية، مما يجعل النقل المشبكي أكثر فعالية خلال هذه الفترة. يُعتبر التنشيط التالي للتكزز آلية لدونة عصبية قصيرة المدى تُساعد على تعزيز الإشارات العصبية استجابةً للتحفيز المتكرر. ^{[ 8 ]}

Synaptic tags mark where synaptic plasticity has occurred and can thus provide information on synaptic strength and potential for long-term plastic changes.^[9] The tag is temporary and involves a large number of proteins, activated by the influx of Ca²⁺ into the postsynaptic cell.^[9] In addition, depending on the type and magnitude of synaptic change, different proteins are used for tagging. For example, when plastic changes lead to long-term depression, calcineurin is used. Conversely, when plasticity leads to long-term potentiation, CaMKII is used.^[9] In order for synaptic plasticity to be input-specific, these synaptic tags are essential on post-synaptic targets, to ensure synaptic potentiation is localized.^[9] These tags will later initiate protein synthesis that will in turn cause synaptic plasticity changes at these activated neurons.^[1]

Protein synthesis at dendrites is necessary for homosynaptic plasticity. The depolarization and resulting activation of AMPA and NMDA receptors in the postsynaptic cell causes endocytosis of these receptors. Local protein synthesis is required to maintain the number of surface receptors at the synapse. These new proteins help stabilize the structural changes induced by homosynaptic plasticity.^[10] There is evidence of ribosomes in dendrites, which can manufacture these proteins. Furthermore, there is also evidence of granules of RNA in dendrites, which indicates the presence of newly made proteins. LTP can be induced from dendrites severed from the soma of the post-synaptic target neuron. Contrarily, LTP can be blocked in these dendrites by protein synthesis blockers, such as Endomyacin, which further indicates a site for local protein synthesis. This evidence shows local protein synthesis is necessary for L-LTP to be stabilized and maintained.^[1]

أثناء عملية تقوية المشابك العصبية طويلة الأمد (LTP) المتجانسة، غالبًا ما تتضخم الأشواك التغصنية (النتوءات الصغيرة التي تحدث عندها المشابك) أو تتشكل أشواك جديدة، مما يُعزز الاتصال المشبكي. وقد أظهرت دراسات التصوير، على سبيل المثال، أن المشبك المُقوّى قد يُظهر نموًا في الأشواك، بينما قد تنكمش المشابك المجاورة غير المُحفّزة ^{[ 11 ].} تُساعد هذه التعديلات البنيوية على تثبيت التغييرات الوظيفية، مما يجعل التقوية أكثر استدامة.

في المراحل المبكرة من الحياة، يُنتج الدماغ عددًا كبيرًا من الوصلات العصبية، ثم يُقلّصها بناءً على الخبرة. تُقوّى الوصلات النشطة بشكل متجانس، بينما تُضعف الوصلات غير النشطة أو تُزال، وفقًا لمبدأ "الاستخدام أو الفقدان". يُعدّ هذا التحسين المُوجّه بالنشاط أمرًا بالغ الأهمية خلال الفترات الحرجة - وهي فترات من المرونة العصبية العالية في مرحلة الطفولة، حيث تُضبط الأنظمة الحسية والوظائف الإدراكية. ^{[ 12 ]}

تميل قدرة الدماغ على التكيف المتماثل (مثل سهولة تحفيز التنبيه طويل الأمد أو التثبيط طويل الأمد ) إلى التراجع لدى كبار السن. ويرتبط هذا التراجع ببطء التعلم وضعف الذاكرة مع التقدم في العمر، حيث يصبح الدماغ أقل مرونة في إعادة تنظيم نفسه. وترتبط الحالات المرضية المرتبطة بالعمر، مثل مرض الزهايمر ، بضعف آليات التكيف المتماثل، مما يشير إلى أن الحفاظ على كفاءة التكيف المتماثل قد يحمي الوظائف الإدراكية. ^{[ 13 ]}