¿Cómo se "sesgan" las neuronas / sinapsis?

El término que utilizan la mayoría de los científicos para describir el "sesgo" de una sinapsis es fuerza sináptica. La fuerza de las sinapsis depende de su "historia". El cambio de fuerza sináptica se llama plasticidad sináptica. Este tema está estrechamente relacionado con la formación de la memoria y es una pregunta muy amplia para responder (grupos de páginas de wikipedia/scholarpedia y toneladas de reseñas, no publicaciones individuales).

Generalmente, la fuerza de una sinapsis, es decir, el tamaño del efecto de un estímulo presináptico en la neurona postsináptica depende de factores presinápticos y postsinápticos. Por nombrar unos cuantos:

• el número de vesículas liberadas de la terminal,
• los niveles de expresión de las enzimas de recaptación y/o degradación de neurotransmisores,
• el nivel de expresión, ubicación y modificaciones postraduccionales de los receptores postsinápticos y
• incontables otros factores.

Aunque ha habido décadas de investigación y un premio nobel (a Eric Kandel) sobre el tema, todavía queda mucho por descubrir.

Para empezar, es posible que desee buscar plasticidad sináptica y/o plasticidad dependiente del tiempo de picos (potenciación a largo plazo y depresión a largo plazo).

LTP también es un buen ejemplo para responder a sus tres preguntas (si las entendí correctamente).

• tercera pregunta: si.
• segunda pregunta: LTP (y otros mecanismos).
• primera pregunta: las diferentes frecuencias de los trenes de picos son más o menos efectivas para desencadenar LTP, lo que las hace más o menos poderosas para el cambio en la fuerza sináptica, lo que afecta la respuesta de la entrada futura a la misma sinapsis.

@a tiger ha dado una buena respuesta, pero me parece demasiado resumida. Así que solo quiero elaborarlo dando algunos detalles más. Además, déjame decirte al principio que es un tema muy amplio, por lo que cubrir todo en algo que no sea un libro es prácticamente imposible. Solo agregaré puntos suficientes para una respuesta introductoria. Responderé a sus preguntas una por una.

1. Are some "actions" or "transmissions" more powerful than others, contributing more dramatically to action potentials of neurons receiving neurotransmitters when it fires?

   Sí, por eso se llaman potenciales graduados. Los potenciales graduados son en realidad diferentes de los potenciales de acción normales en que los potenciales de acción siguen la ley de todo o nada , mientras que la fuerza de un potencial graduado puede variar según la cantidad de canales iónicos que estimule. Puede entender mejor esto por las ecuaciones que siguen.

   Los potenciales de acción normales siguen la ecuación de Nernst , es decir

   $E_{eq,K^+} = \underline{RT}\times \ln \underline{[K^+]_{out}}$
   $\hspace{20mm}nF\hspace{12.5mm}[K^+]_{in}$

   Por otro lado, los potenciales graduados siguen la ecuación de Goldman , es decir

   $E_{m} = \underline{RT}\times \ln \underline{P_K[K^+]_{out} + P_{Na}[Na^+]_{out} + P_{Cl}[Cl^-]_{in}}$
   $\hspace{14mm}F\hspace{14.5mm}{P_K[K^+]_{in} + P_{Na}[Na^+]_{in} + P_{Cl}[Cl^-]_{out}}$

   que es significativamente diferente de la ecuación de Nernst. La mayor diferencia es que según la ecuación de Goldman, el potencial neto depende de la concentración de más de un ion, lo que significa que puede alcanzar un rango de valores, a diferencia de la ecuación de Nernst. Esto responde directamente a su pregunta de que sí, algunos potenciales graduados pueden ser diferentes de otros en fuerza y ​​tiempo, dando así diferentes contribuciones al potencial de acción en la siguiente neurona. Sí, el tiempo también. Es así porque los diferentes canales iónicos permanecen en diferentes estados (abierto, cerrado, inactivo) durante diferentes tiempos y toman diferentes tiempos de transición. Usted puede entender esto por este diagrama:

   

2. How does the bias occur/form over time? Is a bias based on short term or long term series of interactions?

   Generalmente, el sesgo se forma por el fortalecimiento continuo de una sinapsis en función de su actividad en un tiempo reciente, un proceso conocido como LTP o potenciación a largo plazo . LTP puede conducir a un fortalecimiento duradero de una sinapsis y, por lo tanto, se considera que desempeña un papel importante en la formación de recuerdos en el cerebro. Cuando una sinapsis se estimula repetidamente con el tiempo, la siguiente neurona crea más receptores dendríticos para que se pueda generar un potencial más efectivo. Con el tiempo, la primera neurona comienza a liberar más y más neurotransmisores cada vez que se excita. Estos dos factores, cuando se combinan, conducen a una conexión sináptica más fuerte, es decir, a la formación de sesgos. Puedes ver las siguientes imágenes para una mejor comprensión:

De hecho, un sesgo resulta de la potenciación tanto a corto como a largo plazo. El primero, es decir , STP , es un aumento transitorio en la fuerza sináptica de dos neuronas, generalmente debido al aumento en la probabilidad de liberación de vesículas sinápticas. También puede ser causada por enfermedades como el tétanos. Entonces, si observa el panorama general, entonces sí, un sesgo es el resultado de interacciones a corto y largo plazo entre dos o más neuronas .

3. How many past interactions are significant in the current state of the bias at any given time?

   La formación de sesgos es un proceso largo que requiere muchos pasos, incluida la expresión génica y la síntesis de proteínas . Por eso, LTP se ha dividido en dos (ya veces tres) fases diferentes: E-LTP (fase temprana o LTP1) y L-LTP (fase tardía, dividida a su vez en LTP2 y LTP3). A continuación se muestra un diagrama esquemático de LTP:

   

   Por lo tanto, en resumen, no sabemos exactamente cuánto tiempo lleva la formación de LTP, y probablemente no haya un tiempo exacto requerido para su formación .

4. Is there bias at all?

   Debería haber respondido esta pregunta al principio, pero como lo hago al final, agregaré algunos puntos más. La polarización, o plasticidad sináptica , es la capacidad de las sinapsis para fortalecerse (por LTP) o debilitarse (por LTD ) con el tiempo debido al cambio en sus patrones de actividad. Se ha teorizado que su mecanismo depende de:

   • cambio en la probabilidad de liberación de glutamato.
   • inserción o eliminación de receptores AMPA postsinápticos.
   • fosforilación y desfosforilación que inducen un cambio en la conductancia del receptor AMPA.

   El tercero es una parte más compleja del proceso, mientras que los primeros dos procesos han sido examinados por una fórmula matemática para el modelo de plasticidad basado en calcio como:

   $\underline{dW_i(t)} = \underline{\{\Omega([Ca^{2+}]_i) - W_i\}}$
   $\hspace{3mm}dt\hspace{22mm}\tau([Ca^{2+}]_i)$

   dónde:

   • $W_i$es el peso sináptico de la$i^{th}$axón de entrada
   • $\tau$es una constante de tiempo, que depende de las tasas de inserción y eliminación de los receptores de neurotransmisores, que depende de$[Ca^{2+}]$
   • $\Omega$(la concentración de calcio) es también una función de la concentración de calcio ($\Omega = \beta A^{fp}_m$) que depende linealmente del número de receptores en la membrana de la neurona en algún punto fijo.

   En resumen, sí, el sesgo existe en las neuronas y juega un papel importante en muchos fenómenos importantes, como los recuerdos .

PD : También quiero agregar sobre la relación de la plasticidad sináptica con la epilepsia, como mencionaste en tu pregunta. Aunque no sabemos todo sobre la epilepsia , sabemos que la plasticidad sináptica sí juega un papel en los ataques epilépticos. Durante la epilepsia, se reduce el umbral convulsivo, es decir, la cantidad de estímulo necesaria para el potencial de acción. Además, debido a factores como la potenciación a largo plazo, incluso un pequeño potencial se convierte en un potencial mayor. Todos estos factores, junto con algunos otros desconocidos, cuando se combinan, conducen a una convulsión o ataque.

Además, la epilepsia también es causada por la disminución de la resistencia de las neuronas hacia un estímulo y una disminución en el período refractario de los canales iónicos (lo que llamas tiempo de recarga). Debido a la disminución de este tiempo de recarga, las neuronas pueden generar una especie de potenciales de acción innecesarios que finalmente conducen a una convulsión. Como se dijo, el período refractario es el tiempo inmediatamente después de la despolarización de los canales iónicos durante el cual no puede transmitir otra señal. Un gráfico simple muestra el período refractario como este: