Del 1: Astrocyttglykogen og laktat: Ny innsikt i lærings- og minnemekanismer
Mar 14, 2022
for mer informasjon:ali.ma@wecistanche.com
Cristina M. Alberini, Emmanuel Cruz, Giannina Descalzi, Benjamin Bessières og Virginia Gao
Center for Neural Science, New York University, New York, NY, 10003
Klikk for åSistancher og cistanche for minne
Abstrakt
Hukommelse, evnen til å beholde lært informasjon, er nødvendig for å overleve. Så langt har molekylære og cellulære undersøkelser avhukommelsedannelse og lagring har hovedsakelig fokusert på nevronale mekanismer. I tillegg til nevroner, omfatter imidlertid hjernen andre typer celler og systemer, inkludert glia og vaskulatur. Følgelig har nylig eksperimentelt arbeid begynt å stille spørsmål om rollene til ikke-nevronale celler ihukommelseformasjon. Disse studiene gir bevis for at alle typer gliaceller (astrocytter, oligodendrocytter og mikroglia) gir viktige bidrag til prosessering av kodet informasjon og lagring av minner. I denne gjennomgangen oppsummerer og diskuterer vi nylige funn om den kritiske rollen til astrocytter som energileverandører for langvarige nevronale endringer som er nødvendige for langsiktighukommelseformasjon. Vi fokuserer på tre hovedfunn: for det første rollen til glukosemetabolisme og den lærings- og aktivitetsavhengige metabolske koblingen mellom astrocytter og nevroner i tjeneste for langsiktighukommelseformasjon; for det andre, rollen til astrocytisk glukosemetabolisme i opphisselse, en tilstand som bidrar til dannelsen av svært langvarige og detaljerte minner; og til slutt, i lys av de høye energikravene til hjernen under tidlig utvikling, vil vi diskutere den mulige rollen til astrocytiske og neuronale glukosemetabolisme i dannelsen av minner fra tidlig liv. Vi avslutter med å foreslå fremtidige retninger og diskutere implikasjonene av disse funnene for hjernens helse og sykdom.
Nøkkelord
glukose; metabolisme; glia; glykolyse; glykogenolyse; emosjonell opphisselse; utvikling
Langsiktighukommelseog dens underliggende nevronsentriske biologiske mekanismer av deres underliggende biologiske mekanismer og kretsløp. Selv om langtidsminner generelt krever denovogen uttrykk, er korttidsminner avhengige av post-translasjonelle proteinmodifikasjoner (Alberini 2009; Alberini og Kandel 2014; Squire og Dede 2015).
Minner kan også deles inn i ulike kategorier på grunnlag av typen informasjon som er kodet og lagret. For eksempel klassifiserer en stor forskjell minner som eksplisitte (også kjent som deklarative hos mennesker) eller implisitte (ikke-deklarative) (Squire 2004). Eksplisitte minner beholder informasjon om fakta, personer, steder og ting (også kjent som minner om hva, hvor, hvem og når, eller www-minner), og inkluderer episodiske og semantiske minner. Implisitte minner, som tilbakekalles på en ubevisst/automatisk måte, beholder informasjon om innlærte automatiske responser, og inkluderer priming, prosedyreminner (minner om hvordan man gjør ting) og enkle reflekser (Tulving 1972; Squire og Wixted 2011). Eksplisitte og implisitte minner rekrutterer distinkte systemer (nettverk av regioner) for deres koding, konsolidering og lagring. Både kliniske og dyrestudier har avslørt at eksplisitte minner behandles av den mediale tinninglappen, innenfor hvilken en kritisk region er hippocampus, mens implisitte minner behandles andre steder og kan fungere i fravær av et intakt eksplisitt system (Eichenbaum 2006; Kim og Fanselow 1992; Scoville og Milner 1957; Squire og Wixted 2011). Dermed blir eksplisitte minner også referert til som hippocampus-avhengige minner. Selv om det er implisitt og eksplisitthukommelsesystemer kan være funksjonelt dissosierte, under normale sunne forhold samarbeider de for å behandle og lagre kompleks informasjon (Kim og Baxter 2001; McDonald et al. 2004).
Studier rettet mot å belyse de biologiske grunnlagene for langtidsminner har hovedsakelig fokusert på hippocampus-avhengige minner. Imidlertid er det meste av vår forståelse av de cellulære og molekylære mekanismene som ligger til grunnhukommelsedannelse og lagring oppsto i utgangspunktet fra undersøkelser av enkle former for læring, som gjelle-tilbaketrekkingsrefleksen til Aplysia California og luktlæring i Drosophila melanogaster (Yin et al. 1994; Dubnau og Tully 1998; Davis 2011; Kandel 2012). I Aplysia avdekket disse studiene mye informasjon om de molekylære og cellulære banene som ble aktivert og rekruttert for å implementere langsiktige modifikasjoner av synaptisk styrke eller langsiktig synaptisk plastisitet. Disse dataene konvergerte med genetiske og atferdsmessige resultater oppnådd i Drosophila. Guidet av denne kunnskapen fra disse to virvelløse systemene, viste studier på pattedyrs minneparadigmer at lignende molekylære veier også er nødvendige i det mer komplekse pattedyret.hukommelse, inkludert hippocampus-avhengige minner. Til syvende og sist har tallrike studier de siste 30 årene på mange arter konvergert til konklusjonen om at evolusjonært bevarte biologiske mekanismer ligger til grunn for langsiktig synaptisk plastisitet og langtidsminnedannelse (Alberini 2009; Kandel 2012; Kandel et al. 2014). Et klassisk eksempel, som har blitt grundig undersøkt, er den evolusjonært bevarte rollen til det sykliske adenosinmonofosfatet (cAMP) - en avhengig vei og den funksjonelt koblede aktiveringen av cAMP-responselementbindende protein (CREB) - en avhengig kaskade av genuttrykk ( Kida og Serita 2014; Lonze og Ginty 2002; Silva et al. 1998) (Figur 1).
Tallrike pattedyrmodeller av forskjellige typer kort- og langtidshukommelse, spesielt hos gnagere, har blitt brukt for å undersøke kompleksiteten til pattedyrhukommelseprosessering i en rekke hjerneregioner. Disse studiene avslørte at uttrykk og post-translasjonell regulering av mange klasser av gener, RNA og proteiner er nødvendig for langtidsminnedannelse og lagring; disse inkluderer umiddelbar-tidlige gener (f.eks. c-Fos, Zif268, NPAS4 og Arc/Arg3.1) (Bramham et al. 2008; Guzowski 2002; Loebrich og Nedivi 2009; Sun og Lin 2016; Veyrac et al. 2014), metabotrope og ionotrope reseptorer
for ulike nevrotransmittere (f.eks. AMPA, NMDA, Kainate, GABA og metabotropiske glutamatreseptorer) og nevromodulatorer (f.eks. dopaminerge og serotoninerge reseptorer), nevrotrofiske faktorer (f.eks. tyrosinreseptorkinase) (Fanselow et al. 1994; Gonzalezia and Ferry -Velasco 2008; Kandel 2001; Makkar et al. 2010; Morris 2013; Purcell og Carew 2003; Riedel 1996; Riedel et al. 2003), kinaser (f.eks. ERK, CamKII , PKA, PKC, PKM)ζ (Bejar og MAPK) et al. 2002; Kandel 2012; Lisman et al. 2002; Mayford 2007; Pastalkova et al. 2006; Rahn et al. 2013), transkripsjonsfaktorer (f.eks. CREB, C/EBP, NFkB, AP1, NPAS4, NR468 , og SRF) (Alberini 2009; Alberini og Kandel 2014; Jones et al. 2001; Sun og Lin 2016), epigenetiske regulatorer (f.eks. MSK1, RSK2, NFkB, DNMT, HATs og HDACs) (Day og Sweatt 2011; de la Fuente et al. 2015; Franklin og Mansuy 2010; Rudenko og Tsai 2014), mikroRNA (f.eks. miR-124, miR-132, miR-128b og miR{{33} }) (Bredy et al. 2011; Nudelman et al. 2010; Saab og Mansuy 2 014), og en rekke effektorproteiner som er involvert i strukturelle endringer, slik som celleadhesjonsmolekyler (f.eks. neurexin og neuroligin) (Murase og Schuman 1999; Rose 1996; Ye et al. 2017; Bailey et al. 2015) (Figur 1).
Disse molekylære undersøkelsene har blitt parallelt med elektrofysiologiske studier, som viste at de cellulære mekanismene som ligger til grunn for langsiktighukommelseinvolverer langsiktige synaptiske funksjonelle endringer, og spesielt langsiktige økninger eller reduksjoner i synaptisk overføring kjent som henholdsvis langsiktig potensering (LTP) og langtidsdepresjon (LTD) (Bliss og Collingridge 1993; Malenka og Bear 2004) . Ytterligere elektrofysiologiske endringer i hjernen som har vært involvert i dannelsen av langtidshukommelse inkluderer elektroencefalogram (EEG) koherens, dvs. fasesynkronisering av feltpotensialoscillasjoner, som koordinerer tidspunktet for nevronal spiking for å fremme synaptisk plastisitet på tvers av distribuerte hjerneregioner (Corcoran et al. al. 2016; Zanto et al. 2011). Spesielt er denne kommunikasjonen på systemnivå mellom hjerneregioner kontrollert av skarpe bølgebølger (SPW-Rs) (Buzsáki 2015), asynkront populasjonsmønster i hippocampus som deltar i krysstale med et bredt område av cortex og flere subkortikale kjerner. SPW-R forekommer i "off-line" tilstander i hjernen under oppvåkning og i ikke-REM-søvn og antas å konsolidere episodiske minner over hippocampus-kortikale systemet (Buzsáki 2015; Inostroza og Born 2013). Disse systemomfattende aktivitetene gir en mulig mekanistisk forklaring på hvorfor hippocampus-avhengige minner, som er skjøre i den første perioden når de engasjerer et nettverk av både hippocampus og kortikale regioner, blir mer stabile og utelukkende hippocampus-uavhengige over tid. Denne omfordelingen av minnerepresentasjoner og lagring er kjent som systemnivåkonsolidering (Dudai et al. 2015; Squire et al. 2015; Frankland og Bontempi 2005).
Selv om disse studiene ga mye informasjon om de biologiske grunnlagene for læring oghukommelse, fokuserte de på nevronale mekanismer og genererte følgelig konklusjoner som hovedsakelig var begrenset til nevroner og nevronale funksjoner. Imidlertid, i tillegg til nevroner, omfatter hjernen mange typer celler og systemer, inkludert glia og vaskulære
systemer. Nyere undersøkelser har begynt å vurdere rollen til ikke-nevronale celler på lang sikthukommelseog ga klare bevis på at alle gliacelletyper (dvs. astrocytter, oligodendrocytter og mikroglia) spiller kritiske roller i minneprosessering (Adamsky og Goshen 2017; Fields 2008; Gibbs et al. 2008; Lee et al. 2014; Moraga-Amaro et al. al. 2014; Parkhurst et al. 2013; Suzuki et al. 2011).
Astrocytter er spesielt godt rustet til å påvirke nevronale funksjoner involvert i minnedannelse (Haydon og Nedergaard 2014; Moraga-Amaro et al. 2014): de er eksitable gjennom kalsiumsvingninger og reagerer på nevrotransmittere som frigjøres ved synapser; de synkroniserer via kalsiumbølger og frigjør sine egne gliotransmittere, som er avgjørende for synaptisk plastisitet; de kommuniserer med blodårer og kobler dermed sirkulasjon (blodstrøm) til lokal hjerneaktivitet; og til slutt regulerer de energimetabolismen til støtte for nevronale funksjoner, inkludert de som kreves forhukommelseformasjon (Henneberger et al. 2010; Pannasch og Rouach 2013; Perea et al. 2009; Bazargani og Attwell 2016). Når det gjelder denne metabolske rollen, er astrocytter perfekt posisjonert for å balansere metabolismen av glukose i hjernen: på den ene siden kommer de astrocytiske endeføttene direkte i kontakt med lagene i blodkaret som importerer glukose fra blodet via den selektive glukosetransportøren GLUT1, og på den andre siden utvider disse cellene prosesser som vikler seg rundt pre- og postsynaptiske avdelinger av nevroner (Falkowska et al. 2015; Morgello et al.
1995) (Figur 2).
I denne gjennomgangen vil vi spesifikt diskutere det kritiske bidraget til astrocytter, som fungerer som regulatorer av glukosemetabolismen, tilhukommelsedannelse og lagring.
Glykogen og glukosemetabolisme spiller en kritisk rolle ihukommelseformasjon
Studier av Paul Gold og kolleger identifiserte systemisk glukose som et mellomledd avhukommelse-forbedrende effekt av noradrenalin (Gold og Korol 2012). Minner kodet i opphisselsestilstander huskes bedre (dvs. i lengre perioder og med større detaljer), og opphisselse er velkjent for å regulere frigjøringen av epinefrin fra binyrene. Epinefrin binder adrenerge reseptorer (AR) på hepatocytter og starter nedbrytningen av glykogen, en polymer av glukose lagret i leveren (Sutherland og Rall 1960), som fører til frigjøring av glukose i blodet. Systemiske glukoseinjeksjoner i doser som kan sammenlignes med de som finnes i blodet etter epinefrinbehandling er tilstrekkelige til å forsterkehukommelse, mens lav leverglykogenlagring, som hos matberøvede eller eldre rotter, er assosiert med mangel på hukommelsesforbedring etter epinefrinbehandling (Morris et al. 2010; Talley et al. 2000). Omvendt blokkerer perifert blokkerende adrenerge reseptorer epinefrins evne til å forsterkehukommelseog øke blodsukkeret. Samlet støtter disse studiene konklusjonen om at en viktig mekanisme som ligger til grunn for virkningene til adrenalin frigjort ved opphisselse er økningen i blodsukker.
Effekten av glukose som enhukommelseforsterker har blitt observert med både systemiske og intracerebrale injeksjoner, og det har vært knyttet til reguleringen av frigjøring av enten noradrenalin eller acetylkolin. Ragozzino og kolleger viste at både systemiske og intra-hippocampale injeksjoner av glukose, som injeksjoner av adrenalin, forsterker spontan veksling, en form for romlig arbeid.hukommelse, og øke frigjøringen av acetylkolin i hippocampus (Ragozzino et al. 1998; Ragozzino et al. 1996).
Forståelsen av rollen til glukose på minnemodulering ble betydelig fremmet av observasjonen at når rotter testes på en spontan vekslingsoppgave, reduseres nivåene av ekstracellulær glukose i hippocampus betydelig. Derfor ble det foreslått at læring oghukommelsekonsumere glukose, antagelig for å støtte energibehovet til hjernen når den behandler den nye opplevelsen og lagrer viktig informasjon (McNay et al.
2000; McNay et al. 2001; McNay og Sherwin 2004).
Hjernen bruker faktisk høye nivåer av energi: den voksne hjernen bruker i gjennomsnitt omtrent 20 prosent av den totale kroppsenergien, til tross for at den bare står for 2 prosent av den totale kroppsvekten. Glukose, den viktigste energikilden som kommer inn i hjernen fra sirkulasjonen, kan enten metaboliseres direkte eller lagres i form av glykogen. I den modne hjernen lagres glykogen hovedsakelig i astrocytter (Brown et al. 2004; Brunet et al. 2010; Cali et al. 2016; Cataldo og Broadwell, 1986; Maxwell og Kruger 1965; Petersen 1969; Pfeiffer-Guglielmi et al. 2003; gjennomgått i Waitt et al. 2017), og under forhold med høyt energibehov som glukosemangel eller intens nevral aktivitet, kan kataboliseres for raskt å levere metabolske substrater (dvs. pyruvat og laktat) (Brown og Ransom 2015). Selv om nevroner har det enzymatiske maskineriet for å lagre og bryte ned glykogen, under fysiologiske forhold, undertrykker de glykogenlagring gjennom en rekke mekanismer. Faktisk observeres glykogenlagring i nevroner kun ved alvorlige nevrologiske sykdommer som progressiv myoklonus epilepsi eller Lafora sykdom, en hjernesykdom karakterisert ved tilbakevendende anfall (epilepsi) og en nedgang i intellektuell funksjon (Vilchez et al. 2007). Dermed kan glukose, enten direkte metabolisert via glykolyse eller tilført ved astrocytisk glykogenolyse, gi drivstoff til det høye energibehovet knyttet til celleendringene som ligger til grunn for læring,hukommelsedannelse, oghukommelseOppbevaring.
Et lenge omdiskutert spørsmål er om nevroner direkte importerer glukose som kommer inn i hjernen fra blodet og bruker det umiddelbart for å gi energien som kreves for å støtte funksjonene deres. En alternativ modell, foreslått av Pellerin og Magistretti (Pellerin og Magistretti 1994), foreslår at de høye energikravene til stimulerte nevroner støttes av astrocytter, som forsyner nevronene med laktat produsert via aerob glykolyse, og dermed gir energien som kreves for aktiviteten. induserte nevronale funksjoner; derfor, når det gjelder læring, for endringene involvert i prosessering og lagring av minner. Det er også mulig at begge mekanismene blir brukt, kanskje som svar på spesifikke forhold.
Modellen foreslått av Magistretti og Pellerin har vært sterkt omdiskutert. Disse debattene er komplekse og gjenspeiler sannsynligvis intrikatheten av metabolske reguleringer under forskjellige forhold. Gitt variasjonen av disse forholdene og systemene, vil vi ikke være i stand til å diskutere poengene i debatten i dette manuskriptet, og derfor viser vi til flere anmeldelser som rapporterer dem (Chih et al., 2001; Chih og Roberts, 2003; Dienel og Hertz, 2001 ; Pellerin og Magistretti, 2003, 2012; Aubert et al., 2005; Dienel, 2010, 2017; DiNuzzo et al., 2010; Steinman et al. 2016). Vi vil imidlertid diskutere litteraturen som er viktig for funnene av rollene til glykogen, glukose og laktat i læring og hukommelse så vel som i hjernens plastisitet.
Flere studier rapporterte at stimulering av hjerneområder øker glykogenolyse og glykolyse, samt glukoseopptak, i astrocytter, i samsvar med ideen om at astrocytisk glykogen og glukosemetabolisme er nødvendig for å opprettholde aktivitetsavhengige prosesser. For eksempel avslørte NMR-spektroskopi, som tillater måling av laktat invivo, en økning av laktat i den menneskelige visuelle cortex under fysiologisk fotografisk stimulering (Prichard et al. 1991), og mikrosensorbaserte målinger avslørte en økning i ekstracellulær laktatkonsentrasjon i dentatet gyrus av rottehippocampus etter elektrisk stimulering av den perforante banen (Hu og Wilson 1997). Videre fører whisker-stimulering hos den våkne rotte til rask glykogennedbrytning i lag IV av den somatosensoriske cortex (Swanson et al. 1992) og resulterer i en fortrinnsvis økning i glukoseopptak i astrocytter sammenlignet med nevroner i den somatosensoriske cortex invivo (Chuquet et al. al., 2010), selv om flere mekanistiske detaljer må forstås (Dienel og Cruz 2015). Astrocyttenes fysiske posisjon, mellom blodstrømmen på den ene siden og nevronene på den andre, støtter videre ideen om at astrocytisk regulering av glukosemetabolismen subsidierer energikravene til aktivitet, plastisitet, læring oghukommelseformasjon.
I samsvar med dette synet avslørte metabolsk profilering av astrocytter og nevroner distinkte trekk som indikerer at glykolyse hovedsakelig forekommer i astrocytter. For eksempel produserer dyrkede nevroner CO2 i mye høyere hastighet enn astrocytter, og deres respektive enzymatiske profiler er i samsvar med den relative overvekten av glykolyse i gliaceller og oksidasjon i nevroner (Bélanger et al. 2011; Hamberger og Hydén 1963; Hydén og Lange 1962). I tillegg viser akutt isolerte, FACS-rensede astrocytter en primært glykolytisk profil (Lovatt et al. 2007; Zhang et al. 2014). Til slutt er enzymet 6-fosfofrukto-2- kinase/fruktose-2,6-bisfosfatase 3 (Pfkfb3), som fremmer glykolyse, aktivt i astrocytter, men konstant utsatt for proteasomal nedbrytning i nevroner (Bolaños et al. 2010; Herrero-Mendez et al. 2009), som igjen støtter ideen om at astrocytter er de primære stedene for glykolyse. Dermed konvergerer en stor mengde bevis på konklusjonen om at astrocytter hovedsakelig er glykolytiske celler, mens nevroner ikke er det, og i stedet viser høy oksidativ aktivitet.
Den første demonstrasjonen av at astrocytisk glykolyse er kritisk for læring og hukommelse kom fra studier utført av Leif Hertz, Marie Gibbs og kolleger, som viste at glykogenolyse er nødvendig for hukommelsesdannelse. Ved å bruke trening for å unngå smak hos en daggammel kylling, viste de at intrakraniell injeksjon av en hemmer av glykogenfosforylase, 1,4-dideoksy-1,4-imino-d-arabinitol (DAB) , svekket hukommelsen på en doseavhengig måte, og konkluderte med at glykogenolyse er et kritisk krav for langsiktighukommelselagring (Gibbs et al. 2006). I samsvar med denne konklusjonen øker nedbrytningen av glykogen i hjernen betydelig under sensorisk aktivering hos rotter (Cruz og Dienel 2002; Swanson et al. 1992), og senere studier beskrevet nedenfor viste at glykogen bidrar til flere typer hukommelsesdannelse hos rotter og mus. I tillegg til glykogenolyse kan det også være nødvendig med aerob glykolyse forhukommelsedannelse, som avslørt av eksperimenter der glykolysehemmeren 2-deoksyglukose ble injisert i hjernen til 1 dag gamle kyllinger ved trening, noe som resulterte i langtidshukommelsessvikt (Gibbs et al. 2007). Således har flere studier konvergert på konklusjonen at glykogenolyse og aerob glykolyse, som resulterer i produksjon av laktat, er kritisk knyttet til hukommelsesdannelse. Dette reiser flere spørsmål: Hvordan skjer egentlig denne reguleringen? Hvordan er astrocytter funksjonelt koblet til nevroner? Hva er målmekanismene som forbruker høye nivåer av energi ved læring og tillater hukommelseskonsolidering å skje?
Astrocyttisk glykogenolyse, aerob glykolyse og laktat er kritiske for langsiktighukommelsedannelse i flere hjerneområder
En modell foreslått av Pellerin og Magistretti (Pellerin og Magistretti 1994), kjent som astrocyte-neuron lactate shuttle (ANLS), antyder at astrocyttglykolyse og neuronal oksidasjon spiller koordinerte roller i langtidshukommelsesdannelse via transport av laktat. Denne modellen forutsier at eksitasjon, og dermed frigjøring av glutamat, stimulerer opptak av glutamat av astrocytter, som omdannes til glutamin (glutamat-glutamin-syklus), og til slutt opprettholder synaptisk frigjøring av glutamat. Denne syklusen krever energi fra astrocytter, som derfor vil aktivere glukoseopptak fra blodet og metabolisere det til laktat. Laktat, frigjort av astrocytter via monokarboksylattransportører (MCT), kan komme inn i andre typer celler ved hjelp av lignende transportører, som opererer på grunnlag av konsentrasjonsgradienter av protoner og monokarboksylat over plasmamembranen (Halestrap 2013; Pierre og Pellerin 2005). MCT-er er protonbundne plasmamembrantransportører som bærer molekyler som inneholder en karboksylatgruppe (derav begrepet monokarboksylater), som laktat, pyruvat og ketonlegemer, over plasmamembraner. MCT1 uttrykkes i astrocytter, ependymocytter, oligodendrocytter og endotelceller i blodkar, mens MCT4 er selektivt uttrykt av astrocytter og anriket på synaptiske steder (Pierre og Pellerin 2005; Rinholm et al. 2011; Suzuki et al. ). MCT2, på den annen side, uttrykkes selektivt av nevroner (Debernardi et al. 2003).
Dermed blir laktat, frigjort av astrocytter via MCT4 og MCT1, transportert av MCT2 til nevroner, hvor det omdannes til pyruvat som deretter metaboliseres gjennom oksidativ fosforylering i mitokondrier for å produsere 14–17 ATP per laktatmolekyl (Figur 2). Denne laktattilførselen fra astrocytter til nevroner gir en forklaring på hvordan nevroner kan håndtere de høye energikravene som fremkalles av aktive prosesser som respons på stimuli.
De første studiene som beskrev ANLS ble utført in vitro, og det ble reist spørsmål om hvorvidt disse mekanismene skjedde invivo (Chih og Roberts 2003; Dienel og Cruz 2004; Gjedde et al. 2002). Imidlertid antydet studier av Hertz og Gibbs i kyllingen beskrevet ovenfor at glykogenolyse er involvert ihukommelseformasjon (for gjennomgang se Gibbs 2016). I disse studiene ble kyllingene utsatt for to perler, en rød og en blå, og trent til å unngå å hakke den røde perlen ved assosiasjon med en aversiv smak. Under retensjonstesten ble forholdet mellom antall hakk av røde og blå perler målt, noe som viste en økning i unngåelse av hakkede røde perler; endringen i diskrimineringsforholdet var en indikasjon på hukommelse (Hertz et al. 1996). De første resultatene viste at glykogennivået i forhjernen sank 30 minutter etter læring, samtidig med en økning av glutamat, noe som tyder på denovosyntese av glutamat fra glykogen for å støttehukommelsekonsolidering (Hertz et al. 2003; O'Dowd et al. 1994). Noen år senere viste den samme gruppen at DAB svekker smakaversjonsminnet hos daggamle kyllinger når det infunderes i den multimodale forhjerneassosiasjonsregionen, intermediate mediale mesopallium (IMM), en hjerneregion som kreves for hukommelseskonsolidering (Gibbs et al. 2006) ; Gibbs og Hertz 2008). De fant da ut at glutamin var tilstrekkelig til å redde hukommelsen, og foreslo derfor at glykogenolyse var kritisk for glutamat/glutamin-skyttelen, som også kan være påvirket av DAB. En påfølgende studie fra de samme forfatterne viste at L-laktat også er tilstrekkelig til å redde kyllingsmaksaversjonsminnet etter behandling med en hemmer av enten glykogenolyse (DAB) eller glykolyse (2-deoksyglukose) (Gibbs et al. 2007). Videre administrering av D-laktat, den konkurrerende ikke-biologisk aktive formen for laktat, svekket smakaversjon av kyllinghukommelsemed en tidsforsinkelse som antydet at det hemmet L-laktatmetabolisme og ikke opptak, noe som førte til at forfatterne konkluderte med at astrocytisk metabolisme gjennom glykogenolyse og laktatmetabolisme er avgjørende for hukommelsesdannelse (Gibbs og Hertz 2008). Disse funnene støttet ideen om at læring hos den nyfødte kyllingen er avhengig av nedbrytningen av glykogen for glutamatsyntese i astrocytter (Gibbs et al. 2007).
En ytterligere tolkning er imidlertid at laktat produsert ved glykogenolyse transporteres inn i nevroner for deres bruk, og bidrar dermed til å støtte nevronale modifikasjoner som er kritiske for minnedannelse. Vi testet denne hypotesen invivoin pattedyrhjerner, med fokus spesifikt på om mekanismer for glykogenolyse, astrocytisk laktatfrigjøring og transport til nevroner er involvert i minnekonsolidering, prosessen som stabiliserer et nydannet, i utgangspunktet skjørt minne til en langvarig stabil representasjon (Alberini 2009) , Dudai 2004).
Ved å bruke voksne rotter som er trent i en oppgave med hemmende unngåelse (IA), der dyrene lærer å unngå en kontekst som tidligere var sammenkoblet med et fotsjokk (en kontekstuell respons på trussel), demonstrerte vi at laktat transportert fra astrocytter til nevroner i hippocampus spiller en kritisk rolle i langtidsminnekonsolidering (Suzuki et al. 2011). Spesifikt fant vi at hippocampus astrocytisk glykogenolyse er nødvendig for hukommelseskonsolidering, invivo hippocampal langsiktig potensering og læringsinduserte økninger i synaptiske og cellulære makromolekylære endringer, inkludert ekspresjon av det immediate early gen (IEG) aktivitetsregulert cytoskjelettassosiert protein (Arc eller Arg3.1) og fosforylering av transkripsjonsfaktoren CREB og av det aktinavbrytende proteinet cofilin, som alle er markører for langsiktig synaptisk plastisitet. Faktisk, DAB injisert bilateralt i dorsale hippocampus før eller umiddelbart etter IA-trening forstyrret vedvarende hukommelsesbevaring, og denne forstyrrelsen ble forhindret ved samtidig injeksjon av L-laktat, men ikke ekvikaloriske konsentrasjoner av glukose. I tillegg, etter IA-trening, økte den hippocampale ekstracellulære konsentrasjonen av laktat, målt ved invivomikrodialyse, signifikant og forble forhøyet i mer enn 1 time, og returnerte til baseline ca. 90 minutter etter trening. Denne økningen i laktat ble fullstendig opphevet ved bilateral DAB-injeksjon i hippocampus, noe som tyder på at det var et resultat av astrocytisk glykogenolyse.
Videre fant vi at hippocampus injeksjon av den inaktive isomeren D-laktat før trening også blokkerer langtidshukommelsesbevaring, noe som tyder på at laktatmetabolisme er kritisk for langtidshukommelsesdannelse. Lignende effekter på hukommelsesbevaring ble observert etter knockdown av laktattransportørene (MCT). Spesielt, selv om hukommelsessviktene indusert av knockdown av laktattransportører uttrykt i astrocytter (MCT1 og MCT4) ble reddet ved tilsetning av L-laktat, var svekkelsen indusert av knockdown av transportøren uttrykt i nevroner (MCT2) ikke i samsvar med ideen om at transport av laktat ut av astrocytter og inn i nevroner er avgjørende for hukommelsesdannelse. I samsvar med denne tolkningen ble en laktatgradient mellom astrocytter og nevroner nylig observert og karakterisert ved høyoppløselig invivous to-fotonmikroskopi (Machler et al. 2016). Derfor konkluderte vi med at glykogenolyse og transport av astrocytt-nevronlaktat kritisk støtter nevronale funksjoner som kreves for langtidshukommelsesdannelse. En nyere undersøkelse støttet videre rollen til astrocytisk laktat i minnedannelse ved å vise at IA-trening induserer hippocampus ekspresjon av molekyler involvert i astrocytisk-nevronal transport, slik som MCT-er og uttrykket av laktatdehydrogenase (LDH) A og B, enzymene som katalysere omdannelsen av laktat og pyruvat (Tadi et al. 2015).
Lignende konklusjoner ble nådd av Newman et al. (2011), som brukte sensitive bioprober for å måle hjerneglukose og laktatnivåer i hippocampus til rotter mens de gjennomgikk en romlig arbeidsminneoppgave. De fant at mens ekstracellulær glukose sank, økte laktatnivåene under oppgaveutførelse, og intrahippocampale infusjoner av L-laktat forbedret hukommelsen i denne oppgaven. I tillegg svekket farmakologisk hemming av astrocytisk glykogenolyse med DAB hukommelsen, og denne svekkelsen ble reversert av enten L-laktat eller glukose, som begge kan gi laktat til nevroner i fravær av glykogenolyse. I denne studien, som i vår, svekket blokkering av MCT-ene som er ansvarlige for laktatopptak i nevroner hukommelsen, og denne svekkelsen ble ikke reversert av verken glukose eller L-laktat, noe som igjen støtter ideen om at laktatopptak av nevroner er nødvendig for å støtte hukommelsesdannelse . Forfatterne konkluderte, som vi gjorde, at astrocytter regulerer minnedannelse ved å kontrollere tilførselen av laktat for å opprettholde nevronale funksjoner.
Ytterligere studier basert på genetiske tilnærminger støtter disse konklusjonene. Delgado-Garcia og medarbeidere fant at knockout av glykogensyntase i nervesystemet til mus svekker både hippocampus LTP og assosiativ læring (Duran et al. 2013). I tillegg har Boury-Jamot et al. (2016) og Zhang et al. (2016) rapporterte at konsolidering og rekonsolidering av appetittbetingelse ved bruk av misbruksmedisiner (dvs. kokainbetinget stedspreferanse eller selvadministrering) også er avhengig av glykogenolyse og retningsbestemt transport av laktat fra astrocytter til nevroner via MCT-er i basolateral amygdala (BLA) av rotter. Videre er ekstracellulært laktat, målt ved invivo mikrodialyse, forhøyet i BLA etter IA-trening og gjenfinning (Sandusky et al. 2013).
I samsvar med resultatene fra disse studiene fant vi at BLA-glykogenolyse er kritisk for IA-minnedannelse, som demonstrert av det faktum at bilateral injeksjon av DAB i BLA 15 minutter før IA-trening alvorlig og vedvarende forstyrret hukommelsesbevaring hos rotter. Denne svekkelsen ble ikke reddet av et påminnelsessjokk levert i en annen kontekst, en protokoll som gjenoppretter utslukte minner (Inda et al. 2011), noe som tyder på at blokkering av glykogenolyse i amygdala før trening forstyrrer konsolideringsprosessen. Samtidig administrering av L-laktat med DAB i amygdala reddet hukommelsessvekkelsen, og bekreftet viktigheten av rollene til glykogenolyse og laktat i forskjellige hjerneområder for IA-hukommelseskonsolidering (figur 3).
Målfunksjonene som drives av laktat- og/eller glukosemetabolisme er fortsatt stort sett ukjente. Hjerneenergi er nødvendig for å støtte de elektriske pulsene som kreves for nevronal kommunikasjon, og for mange husholdningsaktiviteter, inkludert proteinsyntese, fosfolipidmetabolisme, nevrotransmittersykling og transport av ioner over cellemembraner (Du et al. 2008). Som vist av studiene beskrevet ovenfor, støtter laktatmetabolisme langtidsminnedannelse og den treningsavhengige økningen i uttrykk for flere molekyler relatert til aktivitet og plastisitet, inkludert Arc, cFos og Zif268 (Gao et al. 2016; Suzuki et al. 2011;
Yang et al. 2014). Disse effektene er NMDA-reseptoravhengige, noe som innebærer at laktatavhengige endringer er knyttet til aktivitet og/eller plastisitet (Yang et al. 2014). Invivo er laktat tilstrekkelig til å opprettholde neuronal aktivitet (Wyss et al. 2011) og nyere data viste at interstitiell K pluss forhøyninger kan aktivere en kanal på astrocyttmembranen som astrocyttlaktat kan strømme inn i interstitium, parallelt med den etablerte transporten via MCT-er (Sotelo-Hitschfeld et al., 2015). Denne ruten for astrocytisk laktatfrigjøring er koblet til membranpotensialet og tillater laktatfrigjøring mot en konsentrasjonsgradient, mens MCT er elektronøytral og nettofluks styres av transmembrankonsentrasjonene av H pluss og laktat. Videre er det demonstrert en astrocytisk mekanisme via bikarbonat-responsiv oppløselig adenylylcyklase som fører til glykogennedbrytning, forbedret glykolyse og frigjøring av laktat i det ekstracellulære rommet, som deretter tas opp av nevroner for bruk som energisubstrat (Choi et al. . 2012). Samlet støtter disse studiene konklusjonen om at laktatlevering av astrocytter til nevroner kan reguleres på mange måter som respons på aktivitet, og studier er nødvendig for å forstå om parallelle eller selektive mekanismer oppstår ved læring. Ikke desto mindre viser det seg at laktat er nødvendig for å støtte ikke bare ionisk membranhomeostase etter depolarisering, men også en rekke andre nevronale funksjoner som kreves for langsiktige modifikasjoner assosiert med hukommelsesdannelse og lagring.
