Изменение эффективности синаптической передачи — долговременная потенциация (LTP) — в поле CA1 гиппокампа считается основным клеточным механизмом обучения и памяти. Синапс при этом работает не как простой ключ, передающий сигнал, а, вероятно, как молекулярная машина, анализирующая временную структуру входной активности: одно и то же число импульсов в зависимости от их распределения во времени может усилить синапс, ослабить его или не изменить. Ранняя фаза LTP разворачивается на масштабах от микросекунд до часов в объёме менее 1 мкм³, поэтому связать её звенья в единую количественную картину экспериментально трудно.

В докладе представлена пространственная компьютерная модель дендритного шипика, объединяющая биохимические и физические механизмы ранней LTP. Динамика Ca²⁺ описывается уравнением реакции-диффузии на трёхмерной усреднённой геометрии шипика (метод конечных элементов). Электрика синапса и дендрита учитывает потенциал-зависимый Mg-блок NMDA-рецепторов и обратную связь от числа AMPA-рецепторов. Кинетика кальмодулина, нейрогранина, CaMKII и фосфатазного плеча (кальциневрин – PP1) рассчитывается в узлах постсинаптического уплотнения, а фосфорилирование, закрепление и случайное блуждание AMPA-рецепторов по мембране — методом Монте-Карло (алгоритм Гиллеспи с зависящими от времени скоростями). Процессы разных временных масштабов согласуются расщеплением по межимпульсным интервалам. Константы по возможности берутся из экспериментальных данных, каждый блок калибруется по собственным данным, а не по итоговой кривой.

Будут обсуждены математическая постановка, численные методы и их ограничения, а также поведение модели при разных протоколах стимуляции, в том числе зависимость ответа от временной структуры сигналов. Модель задумана как инструмент для оценки вклада физических факторов — геометрии шипика, диффузии, переноса рецепторов — в синаптическую пластичность.