vignette|300x300px|La potentialisation à Long terme (PLT) est une augmentation persistante de la force synaptique après stimulation à haute fréquence d'une synapse chimique. Des études de la PLT sont souvent réalisées dans des parties de l'hippocampe, un organe important pour l'apprentissage et la mémoire. Dans ces études, les enregistrements électriques sont obtenus à partir de cellules et tracés dans un graphique comme celui-ci. Ce graphique compare la réponse à des stimuli au niveau des synapses qui ont subi PLT contre les synapses qui n'ont pas subi la PLT. Les Synapses qui ont subi PLT ont tendance à avoir des réponses électriques plus fortes aux stimuli que les autres synapses. Le terme de potentialisation à long terme vient du fait que cette augmentation de la force synaptique, ou de potentialisation, dure plus longtemps par rapport à d'autres processus qui affectent la force synaptique. En neurosciences, la potentialisation à long terme (PLT) est un renforcement persistant des synapses basé sur les derniers motifs d'activité.

Ces derniers produisent une augmentation durable du taux de transmission du signal entre deux neurones. L'opposé de la PLT est la DLT (dépression synaptique à long terme).

C'est l'un des nombreux phénomènes qui sous-tendent la plasticité synaptique, la capacité des synapses chimiques à modifier leur force. Dans la mesure où les souvenirs sont supposés être encodés par la modification de la force synaptiqueLa PLT est largement considérée comme l'un des principaux mécanismes cellulaires qui sous-tendent l'apprentissage et la mémoire, la PLT est généralement considérée comme l'un des mécanismes cellulaires majeurs qui sous-tendent l'apprentissage et la mémoire.

La PLT a été découverte au niveau de l'hippocampe du lapin par Terje Lømo en 1966 et elle demeure depuis un sujet de recherche populaire. De nombreuses études modernes de la PLT visent à mieux comprendre ses mécanismes biologiques, tandis que d'autres visent à établir un lien de causalité entre la PLT et l'apprentissage comportemental. D'autres études encore tentent de développer des méthodes, pharmacologiques ou autres, permettant de renforcer la PLT afin d'améliorer l'apprentissage et la mémoire. La PLT est également un sujet de recherche clinique, par exemple, dans les domaines de la maladie d'Alzheimer et de la médecine de l'addiction.

Histoire

Premières théories de l'apprentissage droite|vignette|272x272px|Au , neuroanatomiste Santiago Ramón y Cajal a proposé une théorie selon laquelle les souvenirs peuvent être stockées dans les synapses ; les jonctions entre les neurones qui permettent de leur communication. À la fin du , les scientifiques considéraient généralement que le nombre de neurones dans le cerveau adulte (environ ) n'augmentait pas de façon significative avec l'âge, donnant aux neurobiologistes de bonnes raisons de croire que les souvenirs n'étaient généralement pas le résultat de la production de nouveaux neurones. De ce principe est née la nécessité d'expliquer comment de nouveaux souvenirs pouvaient se former en l'absence de la formation de nouveaux neurones.

Le neuroanatomiste espagnol Santiago Ramón y Cajal a été parmi les premiers à proposer un mécanisme d'apprentissage qui ne nécessite pas la formation de nouveaux neurones. Dans sa Croonian Lecture de 1894, il a proposé que les souvenirs puissent à la place être formés par le renforcement de connexions existantes entre neurones, de telle sorte à améliorer l'efficacité de leur communication. La Règle de Hebb, introduite par Donald Hebb en 1949 en écho des idées de Ramón y Cajal, propose en outre que les cellules puissent développer de nouvelles connexions ou subir des changements métaboliques qui améliorent leur capacité à communiquer :

Bien que ces théories de la formation de la mémoire soient désormais bien établies, elles étaient visionnaires pour leur époque : à la fin du et au début du , les neuroscientifiques et les psychologues ne disposaient pas des techniques neurophysiologiques nécessaires pour élucider les fondements biologiques de l'apprentissage chez les animaux. Ces compétences ne viendraient pas avant la seconde moitié du , à peu près en même temps que la découverte de la potentialisation à long terme.

Découverte droite|vignette|237x237px|La PLT a été découverte au niveau de l'hippocampe du lapin. Chez l'homme, l'hippocampe est situé dans la partie médiane du lobe temporal. Cette illustration de la face inférieure du cerveau humain montre l'hippocampe mis en évidence en rouge. Le lobe frontal est en haut de l'illustration et le lobe occipital est en bas. La PLT a été observée pour la première fois par Terje Lømo en 1966 à Oslo (Norvège), dans le laboratoire de Per Andersen. Lømo y conduisit une série d'expériences neurophysiologiques sur des lapins anesthésiés pour explorer le rôle de l'hippocampe dans la mémoire à court terme.

Les expériences de Lømo se focalisaient sur les connexions, ou synapses, allant de la voie perforante au gyrus denté. Ces expériences ont été réalisées en stimulant des fibres pré-synaptiques de la voie perforante et en enregistrant les réponses d'une collection de cellules post-synaptiques du gyrus denté. Comme attendu, une seule stimulation par impulsion électrique des fibres de la voie perforante causait des potentiels postsynaptiques excitateurs (PPSE) dans les cellules du gyrus denté. Ce que Lømo a observé, mais cette fois-ci de manière inattendue, c'est que la réponse des cellules post-synaptiques à ces stimuli revenant à une impulsion unique pouvait être augmentée pour une longue période de temps s'il appliquait d'abord un train de stimuli à haute fréquence aux fibres pré-synaptiques. Quand un tel train de stimuli était appliqué, des stimuli suivants à impulsion unique élicitaient des PPSE forts et prolongés dans la population des cellules post-synaptiques. Ce phénomène, par lequel un stimulus de haute fréquence peut produire une augmentation durable de la réponse des cellules post-synaptiques à des stimuli par impulsion unique ultérieures, a d'abord été appelé « potentialisation de longue durée ».

Timothy Bliss, qui a rejoint le Laboratoire Andersen en 1968, a collaboré avec Lømo et, en 1973, les deux chercheurs ont publié la première caractérisation de la potentialisation de longue durée au niveau de l'hippocampe du lapin. Bliss et Tony Gardner-Medwin ont publié un rapport similaire sur la potentialisation à longue durée chez l'animal éveillé dans le même numéro que le rapport de Bliss et Lømo. En 1975, Douglas et Goddard ont proposé comme nouveau nom pour le phénomène de potentialisation de longue durée.. Andersen a suggéré que les auteurs ont choisi , peut-être en raison de la facilité qu'il y a à prononcer l'acronyme PLT.

Modèles et théories droite|vignette|Une synapse est simulée répétivementLes mécanismes biologiques et physiques de la PLT ne sont pas encore totalement compris, mais certains modèles cohérents ont été développés. Des études des épines dendritiques, les excroissances des dendrites des neurones qui croissent et se rétractent physiquement au cours des minutes ou des heures, ont suggéré une relation entre la résistance électrique de l'épine et la force effective de la synapse, en raison de leurs liens avec les transits intracellulaires du calcium. D'autres modèles mathématiques tels que la BCM Theory, qui dépend également du calcium intracellulaire en relation avec les récepteurs tensiodépendants NMDA, ont été développés depuis les années 1980 et ont modifié le traditionnel modèle de l'apprentissage a priori de Hebb avec à la fois des justifications biologiques et expérimentales. D'autres encore ont proposé de revoir ou de synchroniser la relation entre la régulation des récepteurs, la PLT, et de la force synaptique.

Types

Depuis sa découverte dans l'hippocampe du lapin, la PLT a été observée dans beaucoup d'autres structures cérébrales, y compris dans le cortex cérébral, le cervelet et l'amygdale. Robert Malenka, un chercheur de référence dans le domaine de la PLT, a même suggéré que la PLT pouvait se produire au niveau de toutes les synapses excitatrices du cerveau des mammifères.

Les différentes zones du cerveau présentent différentes formes de PLT. Le type spécifique de PLT présente entre des neurones dépend d'un certain nombre de facteurs. L'un de ces facteurs est l'âge de l'organisme lorsque la PLT est observée. Par exemple, les mécanismes moléculaires de la PLT dans un hippocampe immature diffèrent des mécanismes qui sous-tendent la PLT dans un hippocampe adulte. Les voies de signalisation utilisées par une cellule en particulier contribuent également au type spécifique de PLT présente. Par exemple, certains types de PLT hippocampique dépendent des récepteurs NMDA, d'autres dépendent des récepteurs métabotropiques du glutamate (mGluR), tandis que d'autres dépendent d'une toute autre molécule. La variété des voies de signalisation qui contribuent à la PLT et la large distribution de ces différentes voies dans le cerveau sont les raisons pour lesquelles le type de PLT présente entre des neurones dépend en partie de l'emplacement anatomique dans lequel la PLT est observée. Par exemple, la PLT dans la voie collatérale de Schaffer de l'hippocampe est dépendante des récepteurs NMDA, alors que la PLT dans les fibres moussues est indépendante des récepteurs NMDA.

L'activité pré - et post-synaptiques requises pour induire la PLT sont d'autres critères de classification de la PLT. Globalement, cela permet la classification de la PLT en mécanisme Hebbien, non Hebbien, et anti-Hebbien. Empruntant son nom au postulat de Hebb, résumé par la maxime selon laquelle (), la PLT Hebbienne nécessite une dépolarisation pré - et post-synaptique simultanée pour être induite. La PLT Non Hebbienne est un type de PLT qui ne nécessite pas une telle dépolarisation pré - et post-synaptique simultanée des cellules ; un bon exemple de ce type de PLT se produit dans la voie des fibres moussues de l'hippocampe. Un cas particulier de PLT non-Hebbienne, la PLT anti-Hebbienne, requiert explicitement et simultanément une dépolarisation pré-synaptique et une relative hyperpolarisation post-synaptique pour être induite.

En raison de son organisation prédictible et de sa sensibilité à l'induction de la PLT, la région CA1 de l'hippocampe est devenue le site prototypique de l'étude de la PLT chez les mammifères. En particulier, la PLT dépendante des récepteurs NMDA au niveau de la région CA1 de l'hippocampe adulte est le type de PLT le plus largement étudié et est donc l'objet central de cet article.

Propriétés

La PLT dépendante des récepteurs NMDA présente plusieurs propriétés, y compris la spécificité, l'associativité, la coopérativité, et de la persistance. Spécificité Le phénomène de PLT ne sera observable que sur le circuit sollicité, c’est-à-dire la voie ayant reçu une stimulation à haute fréquence. Autrement dit, le changement d'efficacité synaptique du circuit sollicité ne se propage pas aux voies convergentes non sollicitées par la stimulation à haute fréquence. Par ailleurs, la potentialisation à long terme ne se propage qu'aux synapses qui répondent aux règles de l'associativité et de la coopérativité. Un modèle pour expliquer la spécificité d'entrée de la PLT a été présenté par Frey et Morris en 1997 et est appelé l'hypothèse de marquage et de capture synaptique. Associativité L'associativité réfère à l'observation que lorsqu'une stimulation faible appliquée à une voie unique est insuffisante pour induire une PLT, une forte stimulation simultanée d'une autre voie va induire une PLT dans les deux voies. Coopérativité