🔗 Довготривала Потенціація та Депресія (LTP/LTD)

Пластичність Хебба: сила синапсу змінюється при кореляції пре/пост-активності. Правило BCM: dW/dt = φ(v_post)·v_pre, θ_M — ковзний поріг модифікації.

НейронаукиІнтерактивно
Модель синаптичної пластичності BCM · P пауза · R скинути · Кнопки LTP/LTD для стимуляції

Як це працює

Правило BCM (Bienenstock-Cooper-Munro) моделює синаптичну пластичність з ковзним порогом. Функція модифікації φ(v_post) від'ємна (LTD), коли постсинаптична активність нижче θ_M, і додатня (LTP) — вище. Поріг θ_M сам ковзає з ковзним середнім постсинаптичної активності, забезпечуючи гомеостатичну стабільність.

Симуляція показує часовий хід ваги синапсу W при різних комбінаціях частот пре/пост-збудження. Крива BCM будується в реальному часі, показуючи, де відбуваються переходи між LTD і LTP.

dW/dt = φ(v_post, θ_M) · v_pre − γW
φ(v, θ) = v · (v − θ) [функція модифікації BCM]
dθ_M/dt = (v_post² − θ_M) / τ_θ [ковзний поріг]
v_post = W · v_pre + шум

Часті запитання

Що таке довготривала потенціація (LTP)?

LTP — тривале підсилення синаптичної передачі після високочастотної стимуляції. Потребує одночасної активності пре- та постсинаптичного нейрона, залежить від NMDA-рецепторів і вважається клітинним механізмом навчання і пам'яті.

Що таке довготривала депресія (LTD)?

LTD — тривале ослаблення синаптичної передачі, що зазвичай індукується низькочастотною стимуляцією або асинхронною пре/пост-активністю. Врівноважує LTP, запобігає насиченню синаптичних ваг і дозволяє забування або уточнення пам'яті.

Що таке правило навчання Хебба?

Правило Хебба: «Нейрони, що збуджуються разом, з'єднуються разом». Формально: dW/dt ∝ v_pre · v_post. Одночасна активність пре- та постсинаптичного нейрона зміцнює синапс. Біофізично реалізується через NMDA-рецептори як детектори збігу.

Що таке правило BCM?

Правило BCM: dW/dt = φ(v_post, θ_M) · v_pre, де φ змінює знак на ковзному порозі θ_M. Нижче θ_M — LTD, вище θ_M — LTP. θ_M ковзає з середньою постсинаптичною активністю, забезпечуючи гомеостатичну стабільність.

Як NMDA-рецептори виступають детекторами збігу?

NMDA-рецептори потребують і зв'язування глутамату (пресинаптичне), і деполяризації постсинаптичної клітини для зняття блоку Mg²⁺. Це реалізує Хеббівську пластичність на молекулярному рівні.

Що таке STDP (пластичність, залежна від часу спайків)?

STDP — точна форма Хеббівської пластичності, де напрямок і величина змін залежать від відносного часу пре- та постсинаптичних спайків. Якщо пресинаптичний спайк передує постсинаптичному менш ніж на 20 мс — LTP; якщо після — LTD.

Що таке синаптичне маркування?

Синаптичне маркування — механізм пізнього LTP, що потребує синтезу білків. Коротка стимуляція встановлює «мітку» на активних синапсах. Коли сильна стимуляція деінде запускає синтез білків, ці білки захоплюються мітками, перетворюючи ранній LTP на пізній (дні).

Як LTP пов'язаний з пам'яттю?

LTP — провідний кандидат на роль синаптичної основи пам'яті: ті самі протоколи індукують LTP і навчання, LTP виникає в гіпокампі, блокування NMDA погіршує і LTP, і просторове навчання, а збільшення шипів при LTP відповідає змінам при навчанні.

Що таке метапластичність?

Метапластичність — «пластичність пластичності»: попередня синаптична активність змінює поріг для майбутніх LTP/LTD. У правилі BCM θ_M підвищується при високій середній активності і знижується при низькій, запобігаючи розгону потенціації.

Яка роль CaMKII у LTP?

CaMKII (кальмодулін-залежна протеїнкіназа II) — ключовий ефектор LTP. Ca²⁺ через NMDA активує CaMKII, яка фосфорилює AMPA-рецептори, сприяє їх вставці в синапс і може залишатися активною після повернення Ca²⁺ до норми (молекулярна пам'ять).

Про цю симуляцію

Ця симуляція запускає правило пластичності BCM (Bienenstock-Cooper-Munro) наживо: синаптична вага W еволюціонує за dW/dt = φ(v_post, θ_M)·v_pre − γW, де функція модифікації φ змінює знак на рухомому порозі θ_M, який сам відстежує середню постсинаптичну активність. Запустіть ⚡ LTP Burst або ↓ LTD Stimulate і подивіться, як вага, значення φ і рухомий поріг реагують у реальному часі.

🔬 Що показано

Живу еволюцію синаптичної ваги W, функції модифікації BCM φ(v_post) і рухомого порогу θ_M за керованих частот пре- і постсинаптичної активності, а також дискретні високочастотні (LTP) чи низькочастотні (LTD) сплески стимуляції.

🎮 Як користуватись

Задайте частоту пресинаптичної та постсинаптичної активності повзунками, налаштуйте поріг BCM θ_M і швидкість спаду γ, тоді запустіть ⚡ LTP Burst або ↓ LTD Stimulate, щоб підняти чи опустити постсинаптичну активність відносно порогу. P — пауза, R — скидання.

💡 Чи знали ви?

Саме рухомий поріг θ_M не дає синапсам підсилюватись нескінченно: оскільки θ_M зростає щоразу, коли середня постсинаптична активність висока, щойно підсилений синапс стає важче підсилити ще більше — вбудоване гомеостатичне гальмо, зване метапластичністю.

Часті запитання

Чому натискання LTP Burst стабільно збільшує вагу?

Сплеск тимчасово змушує і vpre, і vpost стати 80 Гц, значно вище поточного θ_M, тож φ(v_post) = vpost·(vpost−θ_M) стає сильно додатнім, підганяючи dW/dt угору на весь 3-секундний сплеск, поки частоти не повернуться до значень повзунків.

Чому LTD Stimulate натомість знижує вагу?

Падіння обох частот до 5 Гц тягне vpost нижче θ_M, роблячи член (vpost−θ_M) від'ємним, тож φ стає від'ємною і dW/dt повертає донизу — та сама функція модифікації дає депресію замість потенціації лише тому, що активність тепер по інший бік рухомого порогу.

Що відбувається з θ_M після повторних LTP-сплесків?

Оскільки dθ_M/dt = (vpost² − θ_M)/τ_θ, тривала висока постсинаптична активність від повторних сплесків тягне θ_M угору за ~10-секундний часовий масштаб, тобто наступному LTP-сплеску доводиться докладати більше зусиль, щоб перевищити вже вищий поріг — це метапластичність у дії.

Чому вага повільно спадає навіть без стимуляції?

Член −γW у dW/dt завжди активний незалежно від φ, представляючи постійну втрату чи «забування»; підвищення повзунка швидкості спаду γ робить цю втрату швидшою, тож крива ваги помітно дрейфує назад до базового рівня між сплесками.

Чому φ визначено як vpost·(vpost − θ_M), а не просто vpost − θ_M?

Додатковий множник vpost робить пластичність залежною не лише від порогу, а й від активності — «мовчазний» постсинаптичний нейрон (vpost≈0) майже не змінює вагу незалежно від θ_M, що відповідає біологічній вимозі: для будь-якої синаптичної модифікації, LTP чи LTD, потрібна певна постсинаптична активність.