Spike Timing-Dependent Plasticity in CA1 Pyramidal Neuron-Controlling Hippocampal Circuits: a Model Study

Abstract

Spike timing-dependent plasticity (STDP) plays an important role in sculpting neural circuits to store information in the hippocampus, since motor learning and memory are thought to be closely linked with this type of synaptic plasticity. We built a computational model to study the potential learning rule by linearly changing the synaptic weight and number of the synapses involved. The main findings are the following: (i) changes in the synaptic weight and number of synapses can lead to different long-term changes in the synaptic efficacy; (ii) the first spike pair of two neurons exerts a great influence on the subsequent spike pair; a pre-post spiking pair reinforces the subsequent paired spiking, while a post-pre spiking pair depresses this paired spiking; (iii) when the synaptic weight and synaptic number change, the interval in the first spiking pair is reduced, which directly influences the first spiking pair, and (iv) when a stellate neuron is stimulated weakly or the capacitance of a CA1 pyramidal neuron is decreased, LTP is produced more easily than LTD; in the opposite case, LTD is produced more readily; an increase of the synaptic number can promote activation of CA1 pyramidal neurons.

Пластичність, залежна від часу генерації імпульсів (spike timing-dependent plasticity – STDP), відіграє важливу роль у функціонуванні нейронних мереж гіпокампа, що накопичують інформацію; вважають, що моторне навчання та пам’ять тісно пов’язані зі синаптичною пластичністю саме цього типу. Ми створили комп’ютерну модель, щоб вивчити можливі закономірності в процесі навчання, залежні від лінійних змін синаптичної ваги та кількості залучених синапсів у таких мережах. Основні експериментальні знахідки були наступними: 1) варіювання синаптичної ваги та числа синапсів можуть призводити до різних тривалих змін ефективності синаптичної передачі; 2) перша пара імпульсів, генерована двома синаптично пов’язаними нейронами, здійснює потужний вплив на наступну пару імпульсів; пара імпульсів у послідовності “пре–пост” полегшує генерацію наступної пари імпульсів, тоді як пара імпульсів у послідовності “пост–пре” пригнічує таку парну генерацію; 3) коли змінюються синаптична вага та кількість залучених синапсів, міжімпульсний інтервал у першій парі скорочується, тобто реалізується прямий вплив на характеристики такої пари; 4) коли інтенсивність стимуляції зірчастого нейрона є низькою або ємність мембрани пірамідного нейрона зони CA1 є зменшеною, тривала потенціація синаптичної передачі індукується легше, ніж тривала депресія; в іншому випадку легше виникає тривала депресія; збільшення кількості синапсів сприяє активації пірамідних нейронів у зоні CA1.