Donald Hebbตั้งทฤษฎีว่าการเสริมสร้างความแข็งแรงของการเชื่อมต่อไซแนปส์เกิดขึ้นเนื่องจากกิจกรรมที่ประสานกันระหว่างปลายประสาทก่อนไซแนปส์และเดนไดรต์หลังไซแนปส์ ตามที่ Hebb กล่าว เซลล์ทั้งสองนี้จะแข็งแรงขึ้นเนื่องจากการส่งสัญญาณของพวกมันเกิดขึ้นพร้อมกันในพื้นที่และ/หรือเวลา หรือที่เรียกว่ากิจกรรมที่เกิดขึ้นพร้อมกัน สมมติฐานนี้มักสรุปได้ว่าเซลล์ที่ยิงพร้อมกัน จะเชื่อมต่อกันซึ่งหมายความว่าไซแนปส์ที่มีเซลล์ประสาทที่ยิงพร้อมกันจะแข็งแรงขึ้น ในขณะที่ไซแนปส์อื่นๆ บนเซลล์ประสาทเหล่านี้ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง^{[ 3 ]}สมมติฐานของ Hebb ได้ให้กรอบแนวคิดว่าความยืดหยุ่นของไซแนปส์เป็นพื้นฐานของการจัดเก็บข้อมูลระยะยาวอย่างไร^{[ 1 ]}ความยืดหยุ่นที่ขึ้นอยู่กับเวลาของสไปค์ (STDP) ซึ่งเซลล์ประสาทก่อนไซแนปส์ยิงเพียงไม่กี่มิลลิวินาทีก่อนเซลล์ประสาทหลังไซแนปส์จะนำไปสู่การเสริมสร้างความแข็งแรงของไซแนปส์ ( การเสริมศักยภาพระยะยาว ตามเวลา LTP) ในขณะที่การยิงหลังจากเซลล์ประสาทหลังไซแนปส์ทำให้เกิดการอ่อนตัวลง ( การลดศักยภาพระยะยาวตามเวลาLTD) กฎเชิงเวลาดังกล่าวเป็นการปรับปรุงสมมติฐานของ Hebbโดยการเพิ่มมิติเวลาให้กับความยืดหยุ่นเฉพาะอินพุต ซึ่งเน้นย้ำว่าไม่เพียงแต่กิจกรรมที่เกิดขึ้นพร้อมกันเท่านั้น แต่ลำดับของการส่งสัญญาณก็สามารถกำหนดได้ว่าการเชื่อมต่อจะถูกกระตุ้นหรือถูกยับยั้ง

การเปลี่ยนแปลงในพลาสติซิตี้มักเกิดขึ้นผ่านการแทรกหรือการนำตัวรับ AMPA (AMPARs) เข้าสู่เยื่อหุ้มเซลล์หลังไซแนปส์ของไซแนปส์ที่กำลังมีการเปลี่ยนแปลงความแข็งแรงของการเชื่อมต่อ^{[ 1 ]} Ca ²⁺เป็นไอออนส่งสัญญาณตัวหนึ่งที่ทำให้เกิด การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของ ตัวรับ AMPA นี้ โดยการเหนี่ยวนำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพแบบต่อเนื่องภายในเซลล์ เพื่อเหนี่ยวนำให้เกิดการเสริมศักยภาพระยะยาว (LTP) Ca ²⁺จะกระตุ้น CAMKII และ PKC ทำให้เกิดการฟอสโฟรีเลชันและการแทรกของ AMPARs ในขณะที่การลดศักยภาพระยะยาว (LTD) เกิดขึ้นโดย Ca ²⁺กระตุ้นโปรตีนฟอสฟาเทส ซึ่งจะดีฟอสโฟรีเลตและทำให้เกิดการนำ AMPARs เข้าสู่ภายในเซลล์^{[ 1 ]}

เพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเฉพาะอินพุตในความแข็งแรงของไซแนปส์ สัญญาณ Ca ²⁺จะต้องถูกจำกัดไว้ที่เดนไดรต์สไปน์เฉพาะ การจำกัด Ca ^{2+ ในเดนไดรต์นั้นเกิดขึ้นได้จากหลายกลไก Ca 2+}ภายนอกเซลล์สามารถเข้าสู่สไปน์ได้ผ่านทางตัวรับ NMDA (NMDARs) และช่อง Ca ²⁺ ที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า (VGCCs) ทั้ง NMDARs และ VGCCs มีความเข้มข้นอยู่ที่เดนไดรต์สไปน์ ทำให้เกิดการไหลเข้าของ Ca ²⁺ เฉพาะที่สไปน์ นอกจากนี้ แหล่งเก็บ Ca ²⁺ ภายในเซลล์ ในเอนโดพลาสมิกเรติคูลัมและไมโทคอนเดรียก็อาจมีส่วนช่วยในการส่งสัญญาณที่จำกัดเฉพาะสไปน์ได้เช่นกัน แม้ว่าบางการศึกษาจะไม่พบหลักฐานสนับสนุนก็ตาม^{[ 5 ]}การกำจัด Ca ²⁺ถูกควบคุมโดยโปรตีนบัฟเฟอร์ ซึ่งจะจับกับ Ca ²⁺และป้องกันไม่ให้ไหลออกไปยังสไปน์อื่นๆ การจำกัดการแพร่กระจายของ Ca ²⁺ข้ามคอของเดนไดรต์สไปน์ยังช่วยแยก Ca 2+ ไปยังเดนไดรต์เฉพาะได้อีกด้วย^{[ 5 ]}

กลไกอีกประการหนึ่งสำหรับการเสริมศักยภาพระยะยาวที่เฉพาะเจาะจงต่ออินพุตคือแบบชั่วคราว NMDAR ต้องการทั้งการลดขั้วเพื่อขจัดการปิดกั้นแมกนีเซียม และการกระตุ้นกลูตาเมต เพื่อเปิดช่องสัญญาณ เพื่อให้ Ca ²⁺ไหลเข้า ดังนั้น LTP จึงเกิดขึ้นเฉพาะที่ตำแหน่งที่ช่องสัญญาณ NMDA ถูกเปิดโดยอินพุตไซแนปส์ที่ทำงานอยู่ ซึ่งปล่อยกลูตาเมตและทำให้เกิดการลดขั้วของเซลล์หลังไซแนปส์ และจะไม่ส่งผลกระทบต่อไซแนปส์ที่อยู่ใกล้เคียงที่ไม่ทำงาน^{[ 1 ]}

การเปลี่ยนแปลงความแข็งแรงของไซแนปส์แบบโฮโมไซแนปส์เป็นกลไกสำคัญที่ช่วยให้สมองปรับปรุงความแข็งแรงของไซแนปส์เพื่อตอบสนองต่อประสบการณ์ ซึ่งมีบทบาทพื้นฐานในการเรียนรู้และความจำ กระบวนการนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าเส้นทางประสาทที่ถูกกระตุ้นบ่อยจะแข็งแรงขึ้น ในขณะที่การเชื่อมต่อที่ไม่เกี่ยวข้องจะอ่อนลง ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการจัดเก็บและเรียกคืนความจำ ภายในวงจรคอร์ติโคฮิปโปแคมปัส การเปลี่ยนแปลงความแข็งแรงของไซแนปส์แบบโฮโมไซแนปส์ช่วยควบคุมการไหลของข้อมูลระหว่างเอนโทไรนัลคอร์เทกซ์ (EC) และฮิปโปแคมปัสซึ่งเป็นสองบริเวณที่จำเป็นสำหรับการเข้ารหัส การรวม และการเรียกคืนความจำ^{[ 6 ]}สมมติฐานการเปลี่ยนแปลงความแข็งแรงของไซแนปส์และความจำ (SPM) ชี้ให้เห็นว่าการสร้างความจำขึ้นอยู่กับการปรับเปลี่ยนไซแนปส์ที่ขับเคลื่อนด้วยประสบการณ์ งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงความแข็งแรงของไซแนปส์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งผ่านการเสริมศักยภาพระยะยาว (LTP) และการลดศักยภาพระยะยาว (LTD) ส่งผลกระทบโดยตรงต่อความสามารถในการเรียนรู้^{[ 7 ]} LTP เสริมความแข็งแรงของเส้นทางประสาทโดยการเพิ่มประสิทธิภาพของไซแนปส์ ทำให้เซลล์ประสาทสื่อสารและเก็บรักษาข้อมูลที่เรียนรู้ได้ง่ายขึ้น ในทางกลับกัน LTD จะทำให้การเชื่อมต่อที่ใช้งานน้อยลงอ่อนแอลง ทำให้สามารถกำจัดข้อมูลที่ล้าสมัยหรือไม่เกี่ยวข้องออกไปได้ ซึ่งจะช่วยป้องกันภาวะความรู้ความเข้าใจเกินกำลังและสนับสนุนการเรียนรู้แบบปรับตัวได้^{[ 7 ]}

การเสริมความแข็งแรงของไซแนปส์หลังการกระตุ้น ( Post-tetanic potentiationหรือ PTP) เป็นการเพิ่มความแข็งแรงของไซแนปส์ชั่วคราวที่เกิดขึ้นหลังจากการกระตุ้นด้วยความถี่สูง ผลกระทบนี้สามารถคงอยู่ได้หลายนาที และเชื่อว่าเกิดจากการสะสมของไอออนแคลเซียมในปลายประสาทก่อนไซแนปส์ ระดับแคลเซียมที่สูงขึ้นจะเพิ่มโอกาสในการปล่อยสารสื่อประสาท ทำให้การส่งสัญญาณไซแนปส์มีประสิทธิภาพมากขึ้นในช่วงเวลานี้ PTP ถือเป็นกลไกความยืดหยุ่นระยะสั้นที่ช่วยเสริมสร้างการส่งสัญญาณประสาทเพื่อตอบสนองต่อการกระตุ้นซ้ำๆ^{[ 8 ]}

แท็กไซแนปส์จะทำเครื่องหมายตำแหน่งที่เกิดการเปลี่ยนแปลงความแข็งแรงของไซแนปส์ และสามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับความแข็งแรงของไซแนปส์และศักยภาพในการเปลี่ยนแปลงความแข็งแรงในระยะยาวได้^{[ 9 ]}แท็กนี้เป็นแบบชั่วคราวและเกี่ยวข้องกับโปรตีนจำนวนมาก ซึ่งถูกกระตุ้นโดยการไหลเข้าของ Ca ²⁺เข้าสู่เซลล์หลังไซแนปส์^{[ 9 ]}นอกจากนี้ ขึ้นอยู่กับประเภทและขนาดของการเปลี่ยนแปลงของไซแนปส์ โปรตีนที่ใช้ในการติดแท็กจะแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น เมื่อการเปลี่ยนแปลงความแข็งแรงนำไปสู่การลดลงในระยะยาว จะใช้ แคลซินิวรินในทางกลับกัน เมื่อความแข็งแรงนำไปสู่การเพิ่มความแข็งแรงในระยะยาว จะ ใช้CaMKII ^{[ 9 ]}เพื่อให้การเปลี่ยนแปลงความแข็งแรงของไซแนปส์มีความเฉพาะเจาะจงกับอินพุต แท็กไซแนปส์เหล่านี้จึงมีความสำคัญต่อเป้าหมายหลังไซแนปส์ เพื่อให้แน่ใจว่าการเพิ่มความแข็งแรงของไซแนปส์เกิดขึ้นเฉพาะที่^{[ 9 ]}แท็กเหล่านี้จะเริ่มต้นการสังเคราะห์โปรตีนในภายหลัง ซึ่งจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความแข็งแรงของไซแนปส์ที่เซลล์ประสาทที่ถูกกระตุ้นเหล่านี้^{[ 1 ]}

การสังเคราะห์โปรตีนที่เดนไดรต์มีความจำเป็นต่อพลาสติซิตี้ของโฮโมไซแนปส์ การลดขั้วและการกระตุ้นตัว รับ AMPAและNMDAในเซลล์โพสต์ไซแนปส์ส่งผลให้เกิดเอนโดไซโทซิสของตัวรับเหล่านี้ การสังเคราะห์โปรตีนเฉพาะที่มีความจำเป็นต่อการรักษาสภาพของตัวรับบนพื้นผิวที่ไซแนปส์ โปรตีนใหม่เหล่านี้ช่วยรักษาเสถียรภาพของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่เกิดจากพลาสติซิตี้ของโฮโมไซแนปส์^{[ 10 ]}มีหลักฐานของไรโบโซมในเดนไดรต์ซึ่งสามารถผลิตโปรตีนเหล่านี้ได้ นอกจากนี้ยังมีหลักฐานของเม็ดRNAในเดนไดรต์ซึ่งบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของโปรตีนที่สร้างขึ้นใหม่LTPสามารถเกิดขึ้นได้จากเดนไดรต์ที่ถูกตัดออกจากโซมาของเซลล์ประสาทเป้าหมายหลังไซแนปส์ ในทางตรงกันข้ามLTPสามารถถูกบล็อกในเดนไดรต์เหล่านี้ได้ด้วยตัวบล็อกการสังเคราะห์โปรตีน เช่น เอนโดไมซิน ซึ่งบ่งชี้ถึงตำแหน่งสำหรับการสังเคราะห์โปรตีนเฉพาะที่ หลักฐานนี้แสดงให้เห็นว่าการสังเคราะห์โปรตีนเฉพาะที่มีความจำเป็นต่อการรักษาเสถียรภาพและการบำรุงรักษา L-LTP ^{[ 1 ]}

ในระหว่าง LTP แบบโฮโมไซแนปติกหนามเดนไดรต์ (ส่วนยื่นเล็กๆ ที่เกิดไซแนปส์) มักจะขยายใหญ่ขึ้นหรือมีการสร้างหนามใหม่ ทำให้การเชื่อมต่อไซแนปส์แข็งแรงขึ้น ตัวอย่างเช่น การศึกษาด้วยภาพแสดงให้เห็นว่าไซแนปส์ที่มีศักยภาพสามารถแสดงการเติบโตของหนาม ในขณะที่ไซแนปส์ข้างเคียงที่ไม่ได้รับการกระตุ้นอาจหดตัวลง^{[ 11 ]}การปรับเปลี่ยนโครงสร้างเหล่านี้ช่วยล็อกการเปลี่ยนแปลงการทำงาน ทำให้ศักยภาพมีความคงทนมากขึ้น

ในช่วงต้นของชีวิต สมองจะสร้างการเชื่อมต่อไซแนปส์มากเกินไป จากนั้นจึงตัดทอนการเชื่อมต่อเหล่านั้นตามประสบการณ์ ไซแนปส์ที่ทำงานอยู่จะได้รับการเสริมความแข็งแกร่งแบบโฮโมไซแนปส์ ในขณะที่ไซแนปส์ที่ไม่ได้ทำงานจะอ่อนแอลงหรือถูกกำจัดออกไป ตามหลักการ "ใช้หรือไม่ก็เสียไป" การปรับแต่งที่ขับเคลื่อนด้วยกิจกรรมนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งใน ช่วง เวลาที่สำคัญซึ่งเป็นช่วงเวลาที่มีความยืดหยุ่นสูงในวัยเด็ก เมื่อระบบประสาทสัมผัสและการทำงานของระบบการรับรู้ได้รับการปรับแต่ง^{[ 12 ]}

ความสามารถในการสร้างพลาสติซิตี้แบบโฮโมไซแนปส์ (เช่น ความง่ายในการเหนี่ยวนำLTPหรือLTD ) มีแนวโน้มที่จะลดลงในผู้สูงอายุ การลดลงนี้เชื่อมโยงกับการเรียนรู้ที่ช้าลงและความบกพร่องของความจำเมื่ออายุมากขึ้น เนื่องจากสมองมีความยืดหยุ่นน้อยลงในการเชื่อมต่อใหม่ สภาวะที่เกี่ยวข้องกับอายุ เช่นโรคอัลไซเมอร์เกี่ยวข้องกับกลไกพลาสติซิตี้ของไซแนปส์ที่บกพร่อง ซึ่งบ่งชี้ว่าการรักษาพลาสติซิตี้แบบโฮโมไซแนปส์ที่แข็งแกร่งอาจช่วยปกป้องการทำงานของระบบการรับรู้^{[ 13 ]}