LTP A LTD MECHANIZMY UČENÍ A PAMĚTI, FARMAKOLOGICKÉ OVLIVNĚNÍ SOUHRN LTP AND LTD THE MECHANISMS OF LEARNING AND MEMORY AND POSSIBLE PHARMACOLOGICAL INFLUENCING Richard Rokyta Univerzita Karlova, 3. lékařská fakulta, Ústav normální, patologické a klinické fyziologie Jsou rozebrány mechanizmy LTP a LTD, jejich fyziologické působení a vliv na učení a paměť. Jsou rovněž popsány molekulárně biologické mechanizmy těchto dvou procesů. Je diskutována úloha hipokampu v procesu učení a paměti. Krátce jsou zmíněny i základní mechanizmy procesu učení a popsány různé typy paměti. Klíčová slova: dlouhodobá potenciace, dlouhodobá deprese, učení, paměť SUMMARY The mechanismus of LTP and LTD are discussed, their physiological effect especially on learning and memory is described. Also the molecular - biological mechanismus of these two processes are treated. The role hippocamus in the process of learning of memory is mentioned. Briefly are touched the basic mechanismus of learning and different types of memory are described. Key words: long-term potentiation, long-term depression, learning, memory LTP long-term potentiation dlouhotrvající potenciace a LTD long-term depression dlouhotrvající deprese jsou pojmy, které zejména v posledním desetiletí přispěly k možným výkladům mechanizmů paměti. Tyto dva fenomény jsou základními typy synaptické plasticity. Plasticita znamená, že náš nervový systém je schopen se přizpůsobit určitým nárokům, které jsou na něj kladeny změnami zevního prostředí a i vnitřního prostředí organizmu. Základem plasticity je změna na synapsích, které zásadně ovlivňují přenos nervového signálu. LTP synaptický přenos zrychluje, kdežto LTD jej snižuje. To, zda jde o potenciaci nebo depresi se řídí především frekvencí stimulace. Vysokofrekvenční stimulace (frekvence stimulace 100 Hz) vyvolá během jedné sekundy dlouhotrvající potenciaci. Jestliže stimulujeme pomaleji (nízkou frekvencí 3 Hz) během 5 minut se vyvolá dlou- hotrvající deprese(obr. 1).
LTP zesiluje synaptický přenos, zatímco LTD synaptický přenos zeslabuje. Lze to vyjádřit změnami postsynaptického potenciálu EPSP, který se mění podle frekvence stimulace. EPSP při LTP se zvyšuje, zatímco při LTD se snižuje. Vedle toho existuje další fenomén, který se jmenuje asociační plasticita, při které se aktivují oba vstupy; testovací vstup je vyvolán nízkofrekvenční stimulací 5 Hz, zatímco podmiňovací vstup krátkými a opakovanými vysokofrekvenčními pulzy. Podmiňovací vstup je vždy pouze zesílen, testovací vstup může být jak zesílen, tak zeslaben. O tom rozhoduje časový vztah mezi stimulací testovacím a podmiňovacím vstupem. Když se oba vstupy aktivují zároveň, vzniká LTP, když je mezi sebou posuneme vzniká LTD. Již známá synaptická badatelka prof. Hebbová formulovala hypotézu, podle níž synapse, která spojuje dva neurony je posílená, pokud jsou obě nervové buňky aktivovány současně. Je důležité, že tento závěr lze aplikovat jak na dlouhotrvající potenciaci, tak na dlouhotrvající depresi. Jeden fenomén ale nesplňuje tuto podmínku a tím je heterosynaptická dlouhotrvající deprese. Tento typ plasticity lze označit jako vedlejší produkt potenciace a ten je po indukci LTP zeslaben. Jde o synapse, které neobdržely podnět z presynaptické části synapse, ale jejich postsynaptická část je aktivována díky depolarizaci okolních excitovaných synapsí. Zesílení synaptického přenosu je asociativní a znamená, že společná aplikace silného a slabého podnětu postsynaptického neuronu se přemění na slabý podnět, který by sám žádnou trvalejší změnu synaptického přenosu nevyvolal, ale takto asociovaný vyvolá LTP. Je důležité, že synapse, které byly takto povzbuzeny, mohou být změněny jak další vysokofrekvenční, tak nízkofrekvenční stimulací, a tak může být synaptický přenos stále zesilován a zeslabován. Tento fenomén zvyšuje přizpůsobivost systému a zvyšuje jeho kapacitu pro ukládání informací. Kde všude se LTP a LTD může vyskytovat? Je to především hipokampus (mozková struktura, která je jednou ze základních struktur spojenou s pamětí) (obr. 2) a striatum v bazálních gangliích, které je zapojeno zejména do procesu učení, plánování nových motorických dovedností, a mozková kůra, která plní mnoho úloh zejména při vytváření pamětních stop při procesu učení.
Jaký je buněčný mechanizmus LTP a LTD? Je to především aktivace receptorů NMDA (N-methyl- D-aspartát), které patří k excitačním receptorům glutamátového typu. Důkaz, že NMDA receptor je aktivován při LTP a LTD, byl podán tím, že při aplikaci antagonistů tohoto receptoru se blokují obě formy synaptické plasticity. Podobně působí druhý ionotropní receptor AMPA (aminopropionová kyselina). Oba tyto receptory jsou významně ovlivněny propustností iontů sodíku a draslíku, ale AMPA receptor je navíc prostupný i pro vápník. Základní rozdíl mezi nimi spočívá v tom, že AMPA receptor je aktivován navázáním antagonisty na vazebné místo, zatímco receptor NMDA potřebuje ke své aktivitě nejen antagonistu, ale i silnou depolarizaci neuronů. Je to proto, že za normálních okolností je při přenosu podnětů s nízkou depolarizací blokován hořčíkem, a proto potřebuje ještě další depolarizaci neuronů k jeho odstranění. Blokáda hořčíkem je velmi výhodná pro NMDA receptor proto, že se blokuje vápníková signalizace a chrání se neuron před vstupem velkého množství vápníku, které je vždy pro buňky toxické. Při LTP i LTD se pravděpodobně depolarizuje postsynaptický neuron. Hořčík je odstraněn z kanálů receptorů NMDA, které se tímto mechanizmem aktivují, což umožňuje zvýšenou aktivaci při LTP a LTD. Samozřejmě pomalý proces je mnohem složitější, protože vápník se do neuronů nemusí dostávat pouze aktivací receptorů NMDA, ale také vstupem přes napěťově závislé vápníkové kanály, které jsou stejně jako NMDA aktivovány depolarizací postsynaptického neuronu. Tyto kanály jsou důležité pro synaptickou plasticitu nezávislou na NMDA. Kromě tohoto mechanizmu se vápník nezbytný pro LTP a LTD také může uvolňovat z vlastních buněčných zdrojů nitrobuněčnými receptory. Důležité je i zjištění, že nárůst vápníkových iontů je vyšší u LTP a nižší u LTD. To je pravděpodobně způsobeno složením podjednotek NMDA receptorů, kterých je celkem 5. Jednotlivé typy se odlišně podílejí na indukci dlouhodobé potenciace a dlouhodobé deprese. Zde hraje roli i molekulární mechanizmus dlouhodobé potenciace a dlouhodobé deprese. Je obrovské množství látek, které působí v indukční fázi synaptické plasticity a které aktivují především přenosové molekuly a druhé posly. Je to zvýšený obsah kyseliny arachidonové a oxidu dusnatého, aktivace různých fosforylyzujících enzymů, receptorů NMDA, metabotropních receptorů, G proteinů, serintreoninkinázy, tyrozinkinázy, GMP kinázy, camp kinázy, PAF, NCAM, dopaminových receptorů, calpainu a syntézy proteinů. V udržovací fázi jsou to především serotonintreoninkinázy. U dlouhotrvající deprese (LTD) se uplatňují receptory NMDA, proteinfosfatázy, serintreoninkinázy, NO, calpain a v udržovací fázi protein-fosfatázy a serintreoninkinázy. Při indukční fázi LTD se syntetizují různé proteiny, zatímco indukční fáze LTD vyžaduje podobně jako dlouhodobá potenciace aktivaci receptorů NMDA, zvýšení oxidu dusnatého, aktivaci C-protein kinázy 2. Probíhá také indukce aktivace mnoha defosforylyzujících enzymů. Indukce LTP a LTD je poměrně složitým molekulárním mechanizmem, zatímco udržovací fáze je jednodušší. Dlouhodobá potenciace se spojuje se zvýšenou fosforylací, zatímco dlouhodobá deprese se snížením fosforylace. Tato původní hypotéza Johna Lismana byla později potvrzena experimentálně. Všechny nálezy a uvedená fakta potvrzují představu, že hipokampus hraje velmi důležitou úlohu
v paměťových procesech. Jestliže byl hipokampus u lidí traumaticky či nádorově poškozen, nebo chirurgicky ovlivněn, vznikla anterográdní amnézie. Postižený člověk si není schopen zapamatovat nová fakta a poznávat nové lidi. Dříve vytvořené paměťové stopy jsou neporušené, protože jsou uloženy v jiné mozkové struktuře, pravděpodobně v mozkové kůře. Člověk si uchovává ty typy paměti, které s hipokampem nesouvisí; to je především procedurální paměť (ta je definována jako paměť potřebná pro získávání dovedností). Ve světové literatuře se opakovaně cituje pacient, kterému byla při neléčitelné epilepsii odňata velká část hipokampu. Nezměnily se osobnostní rysy a inteligence, ale pacient si již nebyl schopen vybavit žádnou událost, která začala po operaci, a ani lidi, se kterými se po operaci seznámil a kontaktoval je. Víme určitě, že u hlodavců je zapojen hipokampus do prostorového učení. Krysa s oboustranně odňatým hipokampem nenajde v Morrisově vodním bludišti podlážku pod hladinou vody, zatímco zvíře s normálním hipokampem ji najde snadno. V hipokampu jsou také buňky, které se nazývají place cells, neboli buňky místa, které mapují nové prostředí vždycky, když je nějakým způsobem změněno. Zvíře získává poznatky o svém novém prostředí tím, že fixuje určitou skupinu buněk ve strukturách hipokampu. Jak již bylo uvedeno, v hipokampu existuje velká schopnost synaptické plasticity, kdy se co nejdéle udržuje synaptický přenos mezi dvěma neurony; tak byla definována pamětní stopa, a proto se začala testovat LTP. Je zajímavé, že LTP byla nejdříve objevena u měkkýše Aplysie, především u kalifornského druhu Aplysia californica. Existují i jiné druhy Aplysií, např. v oblasti Atlantiku. Ke studiu synaptické plasticity na Aplysiích přispěl neurofyziolog českého původu žijící ve Francii Ladislav Tauc, absolvent brněnské přírodovědecké fakulty. Aplysie se učí tak, že při aplikaci bolestivého stimulu na hlavu nebo ocas měkkýše se jako obrana zatahuje dýchací orgán. U Aplysií se na buněčné úrovni zesiluje synaptický přenos na synapsích mezi senzorickými neurony, interneurony a motorickými neurony. U obratlovců se jako typ zesílení synaptického přenosu uplatňuje LTP a je ovlivňován LTD. Morris (autor Morrisova vodního bludiště) prokázal, že prostorové učení je stejně jako LTP blokováno antagonistou receptoru NMDA. To se projevilo i na transgenních myších, které jsou zbaveny receptoru NMDA. Ukázalo se, že pro paměť je důležitá především oblast CA1 hipokampu. Tato část hipokampu je nezbytná především pro prostorové učení. I v tomto případě opět buňky místa (place cells) hipokampu hrají velmi důležitou roli. Hipokampus se skládá z gyrus dentatus, který má oblast CA3, CA1 a dále ze subicula. Dráha, která propojuje hlavní části hipokampové formace začíná v čichové oblasti mozkové kůry, což je nejstarší část mozkové kůry. První synapse z toho třísynaptického okruhu začíná v mozkové kůře a končí synapsemi na granurálních buňkách v gyrus dentatus. Druhá synapse je tvořena axony granulárních buněk šplhavými vlákny, která končí na pyramidových neuronech v oblasti CA3. Třetí synapsi tvoří axony pyramidových neuronů Shafferovy odbočky, které končí synapsemi na pyramidových neuronech v oblasti CA1. Existuje i spojení CA1 do subicula spojovacími vlákny s mozkovou kůrou. Tím se uzavírá celý okruh tohoto spojení (obr. 3).
Synaptická plasticita je samozřejmě přítomna ve všech částech tohoto okruhu. V této souvislosti je třeba definovat některé základní projevy týkající se paměti. Paměť je získávání, vštěpování, uvolňování a vybavování informací, které získáváme učením. Proces vytváření paměti se skládá ze tří částí: 1. Tvorba pamětní stopy je materiálním základem učení a paměti, kdy se vytváří spoje mezi dvěma místy v mozku; především v mozkové kůře, v hipokampu a i dalších mozkových strukturách. Tato pamětní stopa je charakterizována změnami morfologickými (v této oblasti se zvyšuje počet presynaptických váčků s mediátory), elektrofyziologickými (zvyšuje se aktivita jednotlivých neuronů) a změnami biochemickými (zvyšuje se množství enzymů a ribonukleové kyseliny). 2. Fixace, neboli konsolidace pamětní stopy ta se projevuje jako retence paměti. 3. Vybavování pamětní stopy. Vlastní využívání paměti. Při jakýchkoliv poruchách, např. při demencích, se tyto pamětní stopy porušují. Porucha nejčastěji začíná obtížemi při vybavování. Z hlediska rychlosti paměti existuje paměť krátkodobá, jejíž součástí je paměť okamžitá. Ta trvá od několika sekund do 10 minut po naučení. Paměť střednědobá trvá 20 60 minut. Dlouhodobá paměť trvá více než hodinu a déle. Důležité je, že tyto paměti mezi sebou úzce souvisí a např. pro vytváření dlouhodobé paměti je nezbytná paměť střednědobá. Krátkodobá paměť se také někdy nazývá pracovní paměť a paměť dlouhodobá je paměť referenční. Dlouhodobá paměť se dělí na deklarativní explicitní a nedeklarativní implicitní. Paměť deklarativní je taková paměť, kdy si její obsah vědomě vybavujeme. K deklarativní paměti patří: paměť sémantická, obsahující abstraktní pojmy, paměť dějová, která zaznamenává prostorový sled událostí, epizodická, která zachycuje časovou posloupnost, rozpoznávací, která umožňuje poznávání osob a míst. Nedeklarativní paměť obsahuje informace, které si většinou nevybavujeme vědomě, ale máme je podvědomě uloženy v paměti. Je tvořena motorickou pamětí vytvářením určitých pohybových vzorců, motorických stereotypů, tvorbu somatických a vegetativních reflexů, tvorbu schémat a vzorců např. při čtení.
Obě tyto paměti se mohou vzájemně ovlivňovat a vzájemně v sebe přecházet, deklarativní v nedeklarativní a naopak. Kromě již popsaných změn LTP a LTD existují další elektrofyziologické koleráty paměti, především amygdalární rozněcování kindling. Tvorba paměťové stopy je z hlediska rychlosti závislá na intenzitě procesu učení. Jestliže jsme učením motivování, paměťová stopa se tvoří velmi rychle a může se vytvořit i po jednom spojení, zejména když jde o biologicky nebo emociálně významný podnět. Učení rozdělujeme na asociativní a neasociativní. Do asociativního učení patří klasické pavlovovské podmiňování a instrumentální učení (učení prostřednictvím materiálních věcí). Neasociativní učení představuje především habituace (opakující se podnět zeslabuje další reakci) jde o přizpůsobení a postupně podnět ztrácí biologický význam. Druhým typem je senzitizace zvyšování odpovědí na podněty, které se postupně staly biologicky významné. Latentní učení je zajímavá forma učení, která se projeví až po určité době po naučení. Typické je to pro učení řeči u dítěte, které dlouho shromažďuje slova, kterými na něj lidé mluví a najednou si je začne vybavovat. Další formou je vtisknutí neboli imprinting, učení ve velmi v krátkém čase, kdy se v určitém časovém období velmi silně vnímají zevní podněty a tím se učí živočichové, zejména ptáci. Typickým projevem imprintingu je imprinting u husí, který popsal laureát Nobelovy ceny Konrád Lorenz. V období imprintingu vyměnil husám matku za míč do vody a malé husy si jej vtisky jako svoji matku a pak za ním chodily jako za matkou. Imprinting může rovněž vznikat na jiné velmi silné biologické podněty, jako např. na sex. Samozřejmě, že procesy učení a paměti jsou nesmírně složitým dílem lidského mozku a tomu odpovídají i komplikované mechanizmy. V tomto přehledu jsme se snažili o postihnutí pouze některých z nich. Zejména velmi delikátního mechanizmu LTP a LTD. Možnosti farmakologického ovlivnění vyplývají z poznaných dějů a dostávají nás až na buněčnou, membránovou a receptorovou úroveň iontových působení. Samozřejmě můžeme ovlivňovat všechny ionty a jejich přesuny na membránách, zejména pak ionty vápníku a hořčíku a také celou kaskádu enzymů působících při popsaných mechanismech LTP a LTD. Jde především o enzymy zúčastňující se fosforylace a desfosforylace. Podrobný rozbor farmakologického ovlivnění učení a paměti není možný, protože jsou o něm napsány samostatné knihy. Přesto se domníváme, že k poznání základních mechanismů učení a paměti přispěje k zjednodušení a zefektivnění léčby kognitivních poruch. Prof. MUDr. Richard Rokyta, DrSc. Ústav normální, patologické a klinické fyziologie Ke Karlovu 4 120 00 Praha 2 Literatura Bliss TVP, Collingridge GL. A synaptic model of memory: long-term potentiation in the hippocampus, Nature 1993; 361: 31 39. Čihák R. Anatomie 3, Praha: Grada Publishing, 1997. Hrabetova S, Sacktor TC. Long term potentiation and long-term depression are induced through pharmacologically distinct NMDA receptors, Neurosci. Lett. 1997; 226:107 110. Hrabětová S, Rokyta R. Kde se v mozku tvoří paměť? Vesmír, 1998; 77: 375 378. Rokyta R, et al. Fyziologie, ISV nakladatelství, Praha 2000. Stevens CF. Spatial lerning and memory: the beginning of a dream, Cell 1996; 81:1147 1148.