Trasmissione sinaptica & plasticit plasticità sinaptica sinaptica

Trasmissione
Trasmissione
Trasmissione
sinaptica
sinaptica
&
plasticit plasticità plasticit sinaptica
sinaptica
Dott.ssa Ilaria Morella
Dott. Loris Camaleonti

• I neuroni sono collegati attraverso contatti
sinaptici;
• Un neurone può avere fino a 10.000 contatti
sinaptici.

• L’assone presinaptico
rilascia vescicole nella
regione di contatto in
seguito a
depolarizzazione;
• il potenziale di
membrana nei neuroni
a riposo è circa -70 mV
(+50 mV in seguito a
depol.)

• Struttura di una sinapsi;

Sinapsi eccitatoria glutammatergica
• A livello delle densità postsinaptiche ( PSD) ci sono delle
strutture dinamiche (vie di trasduzione del segnale)
• C’è quindi una associazione funzionale e fisica tra
recettori / canali / proteine scaffolds / enzimi della signaling
e citoscheletro.

Proteina adattatrice PSD-95
NMDA non è mobile come AMPA
receptors

Cosa succede nella
componente postsinaptica in
seguito a
stimolazione presinaptica?

Laminar Structure of Hippocampus
Amaral and Witter, Neuroscience 31: 571-591 (1989)
Localizzato nella zona mediale del lobo temporale;
Fa parte del sistema limbico e svolge un ruolo nella memoria a lungo termine e
nell’orientamento spaziale
Nei mammiferi: 2 ippocampi, uno per ogni emisfero

Tri-synaptic Circuit of Excitatory Synapses
in the Hippocampus
Modified from Blitzer et al., Biol Psychiat. 57:113 (2005)

Recording From an Acute Hippocampal Slice
Stimulating
Electrode
Hippocampal
Slice
Recording
Pipette

LTP induced by HFS Field Recording

Weak HFS Induces Transient Potentiation
Strong HFS Induces Stable LTP
Tsokas et al., J. Neurosci. 25:5833 (2005)

Sinapsi eccitatoria
Recettori glutammatergici IONOTROPICI (canali) e METABOTROPICI (mGLU R)
stimolo
Calcium increase in the postsynaptic neuron

AMPA canale per Na 2+
NMDA canale per Ca 2+
Recettori ionotropici
Transmission
LTP

Un altro meccanismo dell’LTP
?

Che cosa succede a livello
presinaptico?

Sequence of Core Signaling Events at the Synapse
1)Presynaptic action potentials release glutamate into the
synaptic cleft.
2) Glutamate binds to postsynaptic AMPA- and NMDA-type
receptors.
3) The AMPA channels are opened, but the NMDA channels
are blocked by extracellular Mg2+.
4) With sufficient AMPA receptor-mediated membrane
depolarization, the Mg2+ block of NMDA channels is relieved.
Ca2+ enters the dendrite.

Silva et al.

Long term depression (LTD)

LTD mechanisms

LTD / LTP (defosforilazione- fosforilazione)
Winder DG, Sweatt JD .2001,7, :461-74.

Endocitosi dei recettori AMPA

LTD mGluR-dipendente
1.Internalizzazione dei recettori
AMPA mediata dall’attivazione di
mGluR richiede un’attiva sintesi
proteica

LTD mediata da endocannabinoidi
Una volta sintetizzati, gli
endocannabinoidi vengono
rilasciati dalla cellula e si
legano ai recettori dei
cannabinoidi presenti su
cellule limitrofe o sulla
stessa cellula che li ha
prodotti.
Gli endocannabinoidi si
comportano da
messaggeri retrogradi :
sintetizzati nella cellula
postsinaptica, andrebbero
ad attivare i recettori CB1
della cellula presinaptica.
Il primo endocannabinoide ad essere stato
identificato, nel 1992 è l'anandamide(AEA).

LTP
LTD
Riassunto meccanismi LTP/LTD
Evento di fosforilazione di AMPA
Trasferimento in membrana dei recettori AMPA
NMDAR-dependent
mGluR-dependent
Evento di defosforilazione di AMPA
Internalizzazione dei recettori AMPA
Internalizzazione dei recettori AMPA
(dipendente da sintesi proteica)
Diminuzione del rilascio di
glutammato mediata da endoCB

Trasduzione del segnale a
livello del nucleo
Induzione della trascrizione
genica

LTP
Early LTP Late LTP

• Early LTP: 1-2 h. indipendente dalla sintesi
proteica. Include gli eventi di -P (tra cui anche
cascata MAPK)

Late LTP: fino a 8 h in vitro e diversi mesi in vivo. La
prima fase dipende dalla sintesi proteica locale (a
livello della spina dendritica) e la seconda sia dalla
sintesi proteica che dalla trascrizione genica a livello
del corpo cellulare
Implicati
anche in
LTP

•K+ channels
•AMPA (direttamente?)
Quali sono i target di ERK?
E come fa lo stimolo ad arrivare al nucleo?
•Fattori di trascrizione: CREB (P in
ser133) essenziale per la memoria e
l’apprendimento.

• Come porto gli mRNA alle
spine senza che essi vengano
tradotti???

Dove avviene la traduzione?
I messaggeri responsabili del rimodellamento delle spine devono
essere tradotti in loco!

FMRP
Fragile mental retardation protein;
è una RNA binding protein che agisce come inibitore della
traduzione;
inibisce la traduzione bloccando il cap di messaggeri associati
ai polisomi;
coopera con proteine e miRNA (dimostrato con esp di
coimmunoprecipitazione)
Coinvolto nel trasporto delle RNP (o granuli neuronali)

Malattia associate a FMRP:
sindrome dell’X-fragile

Translation suppression FMRP-
mediated

LTD/FMRP

FMRP signaling model

Agonista
di
mGLUR
Questo meccanismo è stato ampiamente
studiato…
Controllo

Usha et al. The journal of Neuroscience, 2007

• Studi in corso che prevedono
l’utilizzo di antagonisti di
mGLUR per la terapia del
ritardo mentale dovuto a
mutazioni di FMRP

antagonist
M. Bear et al. Trends in Neuroscience, July 2004
In realtà è un po’ più complicato di così…

Modelli sperimentali per lo studio LTP/LTD
• Culture primarie
• Fettine
• Animale (Topi KO o trattati con inibitori
specifici etc)

Hippocampal primary culture
Coltura di neuroni di ippocampo di embrione di ratto trattati con anticorpo
anti-NF (neurofilamento),

Trattamento di animali in vivo

Ruolo funzionale di LTP e LTD
• Conseguenze comportamentali
• Malattie mentali (schizofrenia, disturbi
bipolari)

L’apprendimento può essere diviso
in tre differenti fasi temporali:
• Acquisition – entry of sensory information to STM
• Consolidation – conversion of STMs into LTMs
• Retrieval – extraction of information from memory store

Come studiare “in vivo”
l’apprendimento?
Test comportamentali

1. Hidden watermaze: memoria
e orientamento spaziale

2. Rotorod: funzioni motorie ed
equilibrio