La transmissió química en les sinapsis no es comporta com un interruptor que passa informació entre les dues cèl·lules o no la passa. En general, les sinapsis aprenen a funcionar millor com més funcionen. Poden augmentar la seguretat, la garantia de funcionar correctament, quan funcionen molt o bé molt seguit, o, contràriament, treballen poc. Poden tenir en compte la previsió de possibles fallides o d’esgotament i també la possibilitat d’adaptar-se per funcionar més intensament, i moltes d’elles tenen la capacitat de guardar memòria de curta o llarga durada. Per aquesta raó es diu que les sinapsis són estructures plàstiques que poden adaptar-se a l’ús que se’n fa, que aprenen, en definitiva. Fins i tot poden competir entre elles potenciant les més actives i eliminant o silenciant les que ho són menys.
Hi ha diversos mecanismes d’adaptació plàstica que impliquen canvis estructurals (normalment de llarga durada) i canvis funcionals de curta i llarga durada. En les sinapsis entre dues neurones poden coexistir canvis presinàptics i postsinàptics, estructurals i funcionals, de curta i llarga durada, originats per un o per diferents mecanismes. Tots ells tenen en comú, però, el fet que són l’adaptació a les variacions d’activitat (o d’utilització), amb la finalitat de garantir la seguretat de la comunicació i la millora dels circuits més emprats, els que tenen més probabilitat de ser usats, que, així, poden emmagatzemar memòria. Els mecanismes més rellevants de plasticitat són l’eliminació i el silenciament sinàptic, la regulació autocrina i paracrina, la facilitació, la depressió i la potenciació de curta durada, i també la potenciació i la depressió de llarga durada.
Exemples d’algun d’aquests mecanismes els podem trobar, una vegada més, en la motoneurona i la sinapsi neuromuscular formada a sobre de les cèl·lules musculars estriades esquelètiques voluntàries.
Un mecanisme rellevant d’adaptació és l’eliminació de sinapsis, que té lloc, en tot el sistema nerviós, durant la formació de les xarxes neuronals, i en el sistema nerviós perifèric també durant la regeneració. Al llarg del desenvolupament hi ha una sobreproducció de neurones i de relacions sinàptiques entre elles que facilita l’establiment d’una multiplicitat de connexions, que sabem que és un valor positiu en l’adquisició de complexitat en aquest teixit. Durant el funcionament inicial, moltes neurones desapareixen, mentre que les múltiples connexions competeixen mútuament fins a la consolidació de les més actives o més escaients i l’eliminació de les supernumeràries. Les cèl·lules que funcionen juntes es connecten juntes. Amb aquest mecanisme les xarxes guanyen especificitat.
Un altre mecanisme plàstic és la regulació extracel·lular autocrina. En les sinapsis neuromusculars posem per cas, es localitzen receptors metabotròpics del neurotransmissor principal (receptors colinèrgics muscarínics en aquest cas, M1 i M2) i receptors de cotransmissors, com els purinèrgics sensibles a l’adenosina (A1 i A2). L’acetilcolina i l’adenosina alliberades en la neurotransmissió actuen de forma autocrina modulant l’activitat de la mateixa terminació nerviosa. Aquests receptors solen coexistir en la terminació nerviosa, i n’hi ha diferents subtipus acoblats a mecanismes intracel·lulars diferents i, per tant, amb efectes sobre la neurotransmissió diferents, generalment els uns positius i els altres negatius.
La regulació paracrina retrògrada és un mecanisme sinàptic fonamental. En moltes sinapsis, la cèl·lula postsinàptica respon a l’activació amb la secreció de factors que afecten de forma retrògrada la terminació nerviosa presinàptica a través de receptors que modulen la seva actuació immediata o fins i tot, després d’un transport axoplasmàtic retrògrad, modifiquen l’expressió genètica de la neurona presinàptica per afavorir la producció de canals iònics, neurotransmissors i receptors. Moltes d’aquestes molècules reguladores són anomenades neurotrofines.
Altres mecanismes de plasticitat funcional de curta durada estan basats en la persistència de l’ió calci en l’interior de les terminacions nervioses després d’una o d’algunes activacions sinàptiques consecutives (i abans de ser extret o segrestat). Els principals mecanismes són: facilitació, depressió i potenciació posttetànica (postactivació). Es tracta de mecanismes d’origen presinàptic.
La facilitació sinàptica es produeix quan arriben dos o més senyals (potencials d’acció) seguits a una terminació nerviosa. El resultat és un increment progressiu (fins a cert punt) de la quantitat de neurotransmissor alliberat amb cada estímul consecutiu. La rapidíssima entrada de calci amb cada potencial d’acció (menys d’un mil·lisegon) no va acompanyada de semblant rapidesa en l’extracció (que necessita una bomba i també un intercanviador amb altres ions), i d’això en resulta certa acumulació transitòria que facilita la secreció de neurotransmissor.
Si l’arribada a la terminació nerviosa de potencials d’acció és d’elevada freqüència, sol aparèixer, amb un petit decalatge, una potenciació postactivació més intensa que la facilitació i que pot prolongar-se alguns minuts després de l’activació. En aquest cas, l’elevació intracel·lular presinàptica de calci que té més durada permet l’activació addicional d’alguna cascada intracel·lular enzimàtica i la fosforilació més prolongada de les molècules de l’exocitosi, amb el resultat de la potenciació de l’alliberament de neurotransmissor. Això no obstant, si es dona una elevada freqüència i una duradora persistència en l’arribada de potencials d’acció a certes terminacions nervioses, es pot produir una depressió en lloc d’una potenciació. El fenomen implica una depleció o buidatge transitori de vesícules sinàptiques de les zones actives i, per tant, una disminució de la secreció vesicular de neurotransmissor fins a l’eventual recuperació.
Així com els mecanismes que acabem de descriure tenen un origen essencialment presinàptic (modulació de l’alliberament de neurotransmissor), hi ha dues formes importants de potenciació i depressió de molt llarga durada que s’originen en el component postsinàptic, també amb repercussió presinàptica però. Hi ha diversos tipus de sinapsis glutamatèrgiques que funcionen amb glutamat com a neurotransmissor. Un dels tipus sembla ben adaptat per ser el suport de canvis moleculars de molt llarga durada. Un dibuix d’aquestes sinapsis es mostra en la figura següent.
En la membrana postsinàptica d’aquestes sinapsis hi ha almenys dos tipus de receptors, els no-NMDA (també anomenats receptors AMPA) i els NMDA (nom derivat de la molècula N-methyl-D-aspartic àcid, que és un agonista farmacològic rellevant). En el receptor no-NMDA, el glutamat indueix l’increment de la permeabilitat al sodi, que, en entrar, despolaritza la membrana postsinàptica. Els receptors NMDA situats en la mateixa membrana postsinàptica són permeables al sodi i al calci. Modificar, però, la seva probabilitat d’obertura és més complex perquè aquest tipus de receptor té, en repòs, el canal bloquejat per ions magnesi. Aquest ió solament es mou cap a l’exterior, deixant pas a l’entrada de sodi, i sobretot calci, quan el receptor NMDA, que és també sensible al voltatge (és un curiós receptor mixt, dependent a la vegada de voltatge i també del neurotransmissor o lligant extern glutamat), detecta una elevada i llarga despolarització veïna. Aquesta despolarització ha de ser produïda prèviament per l’obertura d’alguns receptors no-NMDA (o altres receptors en sinapsis excitadores veïnes). Per tant, l’activació dels receptors NMDA és secundària a l’actuació prèvia immediata d’altres sinapsis excitadores, i permet, en conseqüència, una associació entre la primera i la segona despolarització o activació. Finalment, el Ca2+ que entra en la cèl·lula pel receptor-canal NMDA desencadena canvis importants de llarga durada en la cèl·lula postsinàptica amb l’activació de proteïna-cinases dependents de calci i això comporta l’establiment d’una més gran eficàcia de molt llarga durada en la transmissió sinàptica. La depressió de llarga durada que representa un esgotament sinàptic, es pot produir després d’una molt intensa activitat de les sinapsis, i es basa en una disminució de la densitat dels receptors postsinàptics no-NMDA. Aquest mecanisme pot tenir un paper rellevant en l’eliminació de les traces de memòria funcional del circuit implicat.
En resum, la creixent complexitat evolutiva dels organismes pluricel·lulars i la necessitat de coordinació de les seves parts han afavorit la diferenciació de mecanismes de comunicació escaients a cada situació. El sistema vascular-endocrí i el sistema nerviós poden superar grans distàncies entre les parts del cos per comunicar-les. En particular, les neurones, han diferenciat llargues prolongacions que acosten amb gran precisió les neurones a les cèl·lules diana. Aquestes prolongacions també senyalitzen a gran velocitat, utilitzant corrents elèctrics gràcies a l’activació seqüencial dels canals de sodi que són la gran troballa evolutiva que permet les elevades velocitats en la comunicació intercel·lular tan característiques de les neurones. L’elevada eficàcia de la nanomàquina de secreció de neurotransmissors en les sinapsis (que permet iniciar comunicacions en microsegons), juntament amb els variats mecanismes d’adaptació plàstica a canvis de funcionament en diferents escales temporals (modulacions, facilitacions, potenciacions i depressions) i en tots els components estructurals sinàptics (pre- i post-), permeten l’adquisició de memòria funcional en neurones i circuits. Així, sembla poc discutible que les neurones tenen com a primera finalitat biològica en l’evolució comunicar a distància senyals de forma ràpida, precisa, eficaç i plàstica en els complexos i grans organismes multicel·lulars que necessiten coordinar les seves parts de forma estable.