Synaptic scaling
तंत्रिका विज्ञान में, सिनैप्टिक स्केलिंग (या होमियोस्टैटिक स्केलिंग) होमियोस्टैटिक प्लास्टिसिटी का एक रूप है, जिसमें मस्तिष्क नकारात्मक प्रतिक्रिया के साथ एक तंत्रिका परिपथ में दीर्घकालिक रूप से बढ़ी हुई गतिविधि का जवाब देता है, जिससे व्यक्तिगत न्यूरॉन्स अपनी समग्र क्रिया संभावित फायरिंग दर को कम कर सकते हैं। जहाँ हेब्बियन प्लास्टिसिटी तंत्र तंत्रिका सिनेप्टिक कनेक्शनों को चुनिंदा रूप से संशोधित करता है, सिनेप्टिक स्केलिंग प्रत्येक सिनेप्स की ताकत को एक ही कारक (गुणक परिवर्तन) द्वारा कम करके सभी तंत्रिका सिनेप्टिक कनेक्शनों को सामान्य करता है, ताकि प्रत्येक सिनेप्स का सापेक्ष सिनेप्टिक भार संरक्षित किया जा सके। सेलुलर घटक शामिल (रासायनिक) सिनेप्टिक कनेक्शनः रासायनिक सिनेप्स में, पूर्व-सिनेप्टिक न्यूरॉन्स न्यूरोट्रांसमीटर वाले पुटिकाओं को सिनेप्टिक दरार में छोड़ते हैं। एक्स्ट्रासेल्युलर न्यूरोट्रांसमीटर तब विशेष पोस्ट-सिनेप्टिक ट्रांसमेम्ब्रेन प्रोटीन रिसेप्टर्स के साथ बातचीत करते हैं ताकि न्यूरोट्रांसमीटर के एक अंश को पोस्ट-सिनेप्टिक न्यूरॉन में जाने दिया जा सके। प्री-सिनेप्टिक वेसिकल्सः वेसिकल्स रासायनिक-सिनेप्टिक प्लास्टिसिटी के साधन हैं। प्री-सिनेप्टिक न्यूरॉन्स जानकारी (न्यूरोट्रांसमीटर के रूप में) को वेसिकल्स के माध्यम से पोस्ट-सिनेप्टिक न्यूरॉन्स को रिले करते हैं। पुटिकाओं के अंदर न्यूरोट्रांसमीटर को सिनैप्टिक दरार में ले जाया जाता है जहां वे न्यूरोट्रांसमीटर विशिष्ट पोस्ट-सिनैप्टिक प्रोटीन रिसेप्टर्स के साथ बातचीत करते हैं। ग्लूटामेटः ग्लूटामेट कशेरुकियों के भीतर प्राथमिक उत्तेजक न्यूरोट्रांसमीटर है और सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी में एक बड़ी भूमिका निभाता है। प्री-सिनेप्टिक न्यूरॉन्स के लिए उत्तेजना प्री-सिनेप्टिक वेसिकल रिलीज के माध्यम से सिनेप्टिक दरार में ग्लूटामेट रिलीज को ट्रिगर करती है। एक बार सिनेप्टिक दरार में, ग्लूटामेट एन. एम. डी. ए. और ए. एम. पी. ए. रिसेप्टर्स जैसे पोस्ट-सिनेप्टिक ग्लूटामेटर्जिक प्रोटीन रिसेप्टर्स को बांध और सक्रिय कर सकता है। पोस्ट-सिनेप्टिक एएमपीए रिसेप्टरः एएमपीए रिसेप्टर्स ट्रांस-मेम्ब्रेन प्रोटीन आयनोट्रोपिक रिसेप्टर्स हैं जो जल्दी से खुलते और बंद होते हैं और केंद्रीय तंत्रिका तंत्र में तेजी से उत्तेजक सिनेप्टिक संचार के लिए जिम्मेदार होते हैं। एएमपीए रिसेप्टर्स में चार उप-इकाइयाँ होती हैं जिनसे ग्लूटामेट जुड़ सकता है। एएमपीए रिसेप्टर सबयूनिट संरचनाओं के आधार पर, रिसेप्टर कैल्शियम, सोडियम, या पोटेशियम इंटरैक्शन जैसे कैटायन के लिए पारगम्य हो सकता है सिनेप्टिक स्केलिंग एक पोस्ट-सिनेप्टिक होमियोस्टैटिक प्लास्टिसिटी तंत्र है जो एक पोस्ट-सिनेप्टिक टर्मिनल (पोस्ट-सिनेप्टिक न्यूरॉन से संबंधित डेंड्राइट की नोक जो प्री-सिनेप्टिक न्यूरॉन से संबंधित अक्षतन्तु की नोक से मिलती है) पर एएमपीए रिसेप्टर्स की मात्रा में परिवर्तन के साथ होता है। यह बंद-लूप प्रक्रिया एक न्यूरॉन को ग्लूटामेट (सबसे आम उत्तेजक न्यूरोट्रांसमीटर) के पोस्ट-सिनेप्टिक एएमपीए रिसेप्टर्स के साथ संपर्क करने की संभावना को बदलकर अपने सभी सिनेप्टिक कनेक्शनों की सिनेप्टिक शक्ति पर वैश्विक नकारात्मक प्रतिक्रिया नियंत्रण रखने की क्षमता देती है। इसलिए, एक न्यूरॉन की पोस्ट-सिनेप्टिक एएमपीए रिसेप्टर्स की मात्रा को संशोधित करने की क्षमता इसे एक निर्धारित कार्रवाई संभावित फायरिंग दर प्राप्त करने की क्षमता देती है। पोस्ट-सिनेप्टिक एएमपीए रिसेप्टर के साथ ग्लूटामेट के संपर्क में आने की संभावना ट्रांस-मेम्ब्रेन ग्लूटामेट और पोस्ट-सिनेप्टिक एएमपीए रिसेप्टर दोनों की सांद्रता के समानुपाती होती है। जब ग्लूटामेट और पोस्ट-सिनेप्टिक एएमपीए रिसेप्टर्स परस्पर क्रिया करते हैं, तो पोस्ट-सिनेप्टिक कोशिका एक अस्थायी विध्रुवीकरण धारा का अनुभव करती है, जिसे ई. पी. एस. पी. (उत्तेजक पोस्टसिनेप्टिक क्षमता) के रूप में जाना जाता है। सिनाप्टिक न्यूरॉन के बाद ई. पी. एस. पी. के स्थानिक और अस्थायी संचय से न्यूरॉन के एक क्रिया क्षमता को चलाने की संभावना बढ़ जाती है। इसलिए, एक्स्ट्रा-सेलुलर ग्लूटामेट (और अन्य कैटायन) की सांद्रता और पोस्ट-सिनेप्टिक एएमपीए रिसेप्टर्स की मात्रा सीधे न्यूरॉन्स की कार्रवाई संभावित फायरिंग दर से सहसंबद्ध होती है। कुछ सिद्धांतों का सुझाव है कि प्रत्येक न्यूरॉन अपने स्वयं के कार्य संभावित फायरिंग दर का पता लगाने के लिए कैल्शियम-निर्भर सेलुलर सेंसर का उपयोग करता है। ये संवेदक कोशिका-विशिष्ट होमियोस्टैटिक प्लास्टिसिटी विनियमन प्रणालियों के लिए इनपुट भी तैयार करते हैं। सिनैप्टिक स्केलिंग में, न्यूरॉन्स इस जानकारी का उपयोग स्केल कारक निर्धारित करने के लिए करते हैं। प्रत्येक न्यूरॉन बाद में स्केलिंग कारक का उपयोग वैश्विक स्तर पर सभी पोस्ट-सिनेप्टिक साइटों पर ट्रांसमेम्ब्रेन एएमपीए रिसेप्टर्स की मात्रा को मापने (या तो अप-रेगुलेट या डाउन-रेगुलेट) के लिए करता है। कुछ शोध इंगित करते हैं कि होम्योस्टैटिक प्लास्टिसिटी के दो यंत्रवत रूप हैं जिनमें सिनेप्टिक कनेक्शन के बाद एएमपीए रिसेप्टर्स की तस्करी या अनुवाद शामिल हैः एएमपीए रिसेप्टर्स का स्थानीय संश्लेषणः स्थानीय क्षेत्र एएमपीए रिसेप्टर संश्लेषण 4 घंटे के समय पैमाने के भीतर होता है। पोस्ट-सिनेप्टिक न्यूरॉन के अंदर एम. आर. एन. ए. अनुवाद आवृत्ति उत्पादित स्थानीय ए. एम. पी. ए. रिसेप्टर्स की मात्रा को बदल देती है। इस तंत्र का उपयोग कम समय अवधि में पोस्ट सिनैप्टिक एएमपीए रिसेप्टर्स की मात्रा को बदलने के लिए किया जाता है। ग्लोबल सिनेप्टिक स्केलिंगः होमियोस्टैटिक प्लास्टिसिटी का यह रूप दिनों की अवधि (24-48 घंटे) में होता है और स्थानीय AMPA रिसेप्टर संश्लेषण की तुलना में न्यूरॉन्स की समग्र फायरिंग दर पर अधिक स्पष्ट प्रभाव डालता है। विभिन्न अंतर-कोशिकीय परिवहन तंत्र ए. एम. पी. ए. रिसेप्टर्स को पूरी कोशिका से सिनैप्टिक के बाद के दरार में स्थानांतरित करने में मदद करते हैं। तंत्र स्थानीय क्षेत्र एएमपीए रिसेप्टर ट्रांसलेशन एएमपीए रिसेप्टर मात्रा मॉड्यूलेशन (चार घंटे की अवधि के भीतर) के शुरुआती चरण, स्थानीय क्षेत्र (सिनेप्स के पास) एएमपीए रिसेप्टर संश्लेषण पर निर्भर हैं, जहां एमआरएनए स्थानीय एएमपीए रिसेप्टर ट्रांसक्रिप्शन के लिए अनुवाद करते हैं। इस तंत्र का उपयोग थोड़े समय में पोस्ट सिनेप्टिक एएमपीए रिसेप्टर्स की संख्या बढ़ाने के लिए किया जाता है। इबाटा और उनके सहयोगियों ने 4 घंटे की अवधि में फार्मास्युटिकल हेरफेर का उपयोग करके पोस्ट-सिनेप्टिक ट्रांस-मेम्ब्रेन GluR2 उप-इकाइयों की इमेजिंग करके स्थानीय AMPA रिसेप्टर स्केलिंग तंत्र का अध्ययन किया। फ्लोरोसेंट माइक्रोस्कोपी का उपयोग न्यूरॉन्स के सिनैप्टिक स्थलों पर ग्लूआर2 प्रोटीन की कल्पना करने के लिए किया गया था। अध्ययन से पता चलता है कि स्थानीय क्षेत्र एएमपीए रिसेप्टर ट्रांसलेशन तब होता है जब पोस्ट-सिनेप्टिक फायरिंग और एनएमडीए रिसेप्टर्स को पोस्ट-सिनेप्टिक फायरिंग को अवरुद्ध करने के लिए एपीवी और टीटीएक्स का उपयोग करके फार्मास्युटिकल हेरफेर के माध्यम से एक साथ अवरुद्ध किया जाता है। डॉ. ट्युरिगियानो ने परिकल्पना की कि पोस्ट-सिनेप्टिक फायरिंग को अवरुद्ध करने से एएमपीए रिसेप्टर्स का विनियमन बढ़ेगा। मौजूदा ग्लूआर-2 प्रोटीन प्रतिदीप्ति में परिवर्तन टी. टी. एक्स. स्नान के बाद एक घंटे के रूप में कम देखा गया था। सिनेप्टिक साइटों की मात्रा स्थिर रही-यह दर्शाता है कि यह अल्पकालिक एएमपीए रिसेप्टर संश्लेषण केवल मौजूदा सिनेप्टिक कनेक्शनों पर होता है। इंट्रा-सेलुलर इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी रिकॉर्डिंग यह सत्यापित करने के लिए आयोजित की गई थी कि क्या पोस्ट-सिनैप्टिक एएमपीए रिसेप्टर्स की मात्रा में वृद्धि सिनैप्टिक कनेक्शन शक्ति के अप-रेगुलेशन के बराबर है। टी. टी. एक्स. उपचार के 4-5 घंटे के बाद अंतःकोशिकीय रिकॉर्डिंग एम. ई. पी. एस. सी. आयाम (लगभग 130% नियंत्रण मूल्यों से ऊपर) में मजबूत वृद्धि दिखाती है। लंबे टी. टी. एक्स. उपचारों से एम. ई. पी. एस. सी. आयाम में अधिक ध्यान देने योग्य वृद्धि हुई। एएमपीए रिसेप्टर ट्रैफिकिंग का यह रूप स्थानीय एमआरएनए प्रतिलेखन द्वारा निर्देशित होने की परिकल्पना की जाती है। वैश्विक सिनेप्टिक स्केलिंग का यह रूप दिनों की अवधि में होता है और स्थानीय एएमपीए रिसेप्टर ट्रैफिकिंग की तुलना में न्यूरॉन्स की समग्र फायरिंग दर पर अधिक स्पष्ट प्रभाव डालता है। विभिन्न अंतःकोशिकीय परिवहन तंत्र एएमपीए रिसेप्टर्स को पूरे न्यूरॉन से पोस्ट-सिनैप्टिक दरार में स्थानांतरित करने में मदद करते हैं। मल्टी इलेक्ट्रोड ऐरे पर बढ़ते कॉर्टिकल रैट इन-विट्रो न्यूरल नेटवर्क (उम्र> 3 सप्ताह इन-विट्रो) पर आयोजित एक दीर्घकालिक, समवर्ती कॉन्फोकल माइक्रोस्कोपी और इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी जांच ने नेटवर्क गतिविधि स्तरों और व्यक्तिगत सिनेप्स के आकार में परिवर्तन के बीच संबंध की जांच की। विशेष रूप से, लंबे समय तक फ्लोरोसेंट माइक्रोस्कोपी का उपयोग कई दिनों के समय पर अलग-अलग सिनेप्स पर पीएसडी-95 अणुओं की मात्रा (प्रतिदीप्ति) में परिवर्तन को ट्रैक करने के लिए किया गया था। चूँकि पीएसडी-95 अणु पोस्ट-सिनेप्टिक एएमपीए और एनएमडीए रिसेप्टर्स को लंगर डालते हैं, वे पोस्ट-सिनेप्टिक ट्रांसमेम्ब्रेन ग्लूटामेट रिसेप्टर्स के लिए विश्वसनीय मात्रात्मक मार्कर के रूप में काम करते हैं। इस जांच में प्रयोगों के दो समूह शामिल थे। पहले समूह में, लगभग 90 घंटों के लिए सिनेप्स-मॉर्फोलॉजी और सहज तंत्रिका गतिविधि की निगरानी की गई। न्यूरोनल नेटवर्क को बाधित करने के लिए कोई बाहरी उत्तेजना या दवा हेरफेर का उपयोग नहीं किया गया था)। इस अवधि के दौरान, अलग-अलग सिनेप्स के आकार में काफी उतार-चढ़ाव देखा गया; फिर भी सिनेप्टिक आकारों के साथ-साथ औसत सिनेप्टिक आकार मूल्यों का वितरण उल्लेखनीय रूप से स्थिर रहा। यह पाया गया कि चल रही गतिविधि ने बड़े सिनेप्स की सिकुड़ने की प्रवृत्ति को बढ़ाकर और छोटे सिनेप्स की बढ़ने की प्रवृत्ति को बढ़ाकर सिनेप्टिक आकार को बाधित करने का काम किया। इस प्रकार, गतिविधि ने कुछ सीमाओं के भीतर सिनैप्टिक आकारों (जनसंख्या स्तर पर) के वितरण को बनाए रखने के लिए कार्य किया। प्रयोगों के दूसरे सेट में सभी सहज गतिविधि को अवरुद्ध करने के लिए TTX को जोड़ने के बाद एक ही विश्लेषण किया गया था। इससे सिनेप्टिक आकार वितरण का विस्तार हुआ और औसत सिनेप्टिक आकार मूल्यों में वृद्धि हुई। जब समय के साथ अलग-अलग सिनेप्स का पालन किया जाता था, तब भी उनके आकार में काफी उतार-चढ़ाव पाया जाता था, हालांकि अब, आकार परिवर्तनों की सीमा या दिशा और प्रारंभिक सिनेप्टिक आकार के बीच कोई संबंध नहीं पाया गया। विशेष रूप से, इस बात का कोई सबूत नहीं मिला कि सिनैप्टिक आकार में परिवर्तन प्रारंभिक सिनैप्टिक आकार के साथ मापा गया था। इसने संकेत दिया कि गतिविधि के दमन से जुड़ी एएमपीए रिसेप्टर सामग्री में होमियोस्टैटिक वृद्धि एक जनसंख्या घटना है, जो गतिविधि-निर्भर बाधाओं के नुकसान के परिणामस्वरूप होती है, न कि व्यक्तिगत सिनेप्स पर एएमपीए रिसेप्टर सामग्री के स्केलिंग से। होमियोस्टैटिक और हेब्बियन प्लास्टिसिटी के साथ संबंध इस बात के प्रमाण हैं कि प्रीसिनेप्टिक और पोस्टसिनेप्टिक होमियोस्टैटिक प्लास्टिसिटी फायरिंग दर को नियंत्रित करने के लिए एक साथ काम करते हैं। कल्चर में पोस्टसिनेप्टिक गतिविधि नाकाबंदी (टी. टी. एक्स. द्वारा) एम. ई. पी. एस. सी. आयाम और एम. ई. पी. एस. सी. आवृत्ति को बढ़ा सकती है। एम. ई. पी. एस. सी. आवृत्ति में वृद्धि इंगित करती है कि न्यूरॉन्स पूर्व-सिनेप्टिक ग्लूटामेट न्यूरोट्रांसमीटर के पोस्ट-सिनेप्टिक ए. एम. पी. ए. रिसेप्टर के संपर्क में आने की संभावना में वृद्धि का अनुभव करते हैं। इसके अलावा, यह दिखाया गया है कि पूर्व-सिनेप्टिक पुटिकाओं का आकार बदल जाता है जब (टी. टी. एक्स. के माध्यम से) कार्रवाई संभावित फायरिंग को अवरुद्ध किया जाता है। प्रीसिनेप्टिक होमियोस्टैटिक प्लास्टिसिटी में शामिल हैंः 1) प्री-सिनेप्टिक न्यूरोट्रांसमीटर रिलीज का आकार और आवृत्ति (उदाहरण के लिए एम. ई. पी. एस. सी. का मॉड्यूलेशन)। 2) न्यूरोट्रांसमीटर पुटिका के सक्रियण क्षमता के कारण मुक्त होने की संभावना। कल्चर में पोस्ट-सिनेप्टिक गतिविधि नाकाबंदी (टी. टी. एक्स. द्वारा) एम. ई. पी. एस. सी. आयाम और एम. ई. पी. एस. सी. आवृत्ति (फ्रीक) को बढ़ा सकती है। केवल 18 दिनों से पुरानी संस्कृतियों में बदला गया था)। एम. ई. पी. एस. सी. आवृत्ति में वृद्धि इंगित करती है कि न्यूरॉन्स पूर्व-सिनेप्टिक ग्लूटामेट न्यूरोट्रांसमीटर के पोस्ट-सिनेप्टिक ए. एम. पी. ए. रिसेप्टर के संपर्क में आने की संभावना में वृद्धि का अनुभव करते हैं। हेब्बियन प्लास्टिसिटी और होमियोस्टैटिक प्लास्टिसिटी का एक हाथ-में-दस्ताने का संबंध है। न्यूरॉन्स अन्य न्यूरॉन्स से प्राप्त सहसंबद्ध इनपुट के आधार पर न्यूरल सर्किट के भीतर अपने सिनैप्टिक कनेक्शन को संशोधित करने के लिए हेब्बियन प्लास्टिसिटी तंत्र का उपयोग करते हैं। दीर्घकालिक क्षमता (एल. टी. पी.) तंत्र संबंधित पूर्व-सिनेप्टिक और पोस्ट-सिनेप्टिक न्यूरॉन फायरिंग द्वारा संचालित होते हैं; होमियोस्टैटिक प्लास्टिसिटी की मदद से, एल. टी. पी. और एल. टी. डी. तंत्रिका नेटवर्क में सटीक सिनेप्टिक भार बनाते हैं और बनाए रखते हैं। निरंतर सहसंबद्ध तंत्रिका गतिविधि-एक होमियोस्टैटिक फीडबैक लूप के बिना-एल. टी. पी. तंत्र को लगातार सिनेप्टिक कनेक्शन ताकत को विनियमित करने का कारण बनती है। सिनैप्टिक भार की अनिर्दिष्ट मजबूती तंत्रिका गतिविधि को इस हद तक अस्थिर कर देती है कि महत्वहीन उत्तेजक गड़बड़ी अराजक, समकालिक नेटवर्क-वाइड फायरिंग को ट्रिगर कर सकती है जिसे बर्स्ट्स के रूप में जाना जाता है। यह तंत्रिका तंत्र को गणना करने में असमर्थ बनाता है। चूँकि होमियोस्टैटिक प्लास्टिसिटी एक नेटवर्क में सभी न्यूरॉन्स की सिनैप्टिक ताकत को सामान्य करती है, इसलिए समग्र न्यूरल नेटवर्क गतिविधि स्थिर हो जाती है। संदर्भ न्यूरोप्लास्टिसिटी