Део 1: Астроцитни гликоген и лактат: нови увид у механизме учења и памћења

за више информација:ali.ma@wecistanche.com

Молимо кликните овде до 2. дела

Кристина М. Алберини, Емануел Круз, Ђанина Дескалци, Бенџамин Бесијер и Вирџинија Гао

Центар за неуралне науке, Универзитет у Њујорку, Њујорк, Њујорк, 10003

Кликните да бистеЦистанцхес и цистанцхе за памћење

Апстрактан

Меморија, способност задржавања научених информација, неопходна је за опстанак. До сада су молекуларна и ћелијска истраживањамеморијаформирање и складиштење углавном су се фокусирали на неуронске механизме. Међутим, поред неурона, мозак се састоји од других типова ћелија и система, укључујући глију и васкулатуру. Сходно томе, недавни експериментални рад је почео да поставља питања о улози не-неуронских ћелија умеморијаформација. Ове студије пружају доказе да све врсте глијалних ћелија (астроцити, олигодендроцити и микроглија) дају важан допринос обради кодираних информација и чувању успомена. У овом прегледу, резимирамо и разматрамо недавна открића о критичној улози астроцита као добављача енергије за дуготрајне неуронске промене које су неопходне за дугорочнемеморијаформација. Фокусирамо се на три главна налаза: прво, улогу метаболизма глукозе и метаболичку спрегу која зависи од учења и активности између астроцита и неурона у служби дугорочногмеморијаформација; друго, улога метаболизма астроцитне глукозе у узбуђењу, стању које доприноси формирању веома дуготрајних и детаљних сећања; и коначно, у светлу високих енергетских захтева мозга током раног развоја, разговараћемо о могућој улози метаболизма астроцита и неурона глукозе у формирању сећања из раног живота. Закључујемо предлагањем будућих праваца и дискусијом о импликацијама ових налаза на здравље и болести мозга.

Кључне речи

глукоза; метаболизам; глиа; гликолиза; гликогенолиза; емоционално узбуђење; развој

Дугорочнимеморијаи његови основни неуроноцентрични биолошки механизми њихових основних биолошких механизама и кола. Иако дугорочна сећања генерално захтевају деновогену експресију, краткорочна сећања се ослањају на посттранслационе модификације протеина (Алберини 2009; Алберини и Кандел 2014; Скуире и Деде 2015).

Сећања се такође могу поделити у различите категорије на основу врсте информација које су кодиране и ускладиштене. На пример, једна главна разлика класификује сећања као експлицитна (позната и као декларативне код људи) или имплицитна (недекларативне) (Скуире 2004). Експлицитна сећања задржавају информације о чињеницама, људима, местима и стварима (позната и као сећања на шта, где, ко и када, или ввв сећања), и укључују епизодна и семантичка сећања. Имплицитна сећања, која се призивају на несвесни/аутоматски начин, задржавају информације о наученим аутоматским одговорима и укључују припремање, процедурална сећања (сећања на то како се ствари раде) и једноставне рефлексе (Тулвинг 1972; Скуире и Виктед 2011). Експлицитна и имплицитна сећања регрутују различите системе (мрежу региона) за њихово кодирање, консолидацију и складиштење. И клиничке и студије на животињама су откриле да се експлицитна сећања обрађују од стране медијалног темпоралног режња, унутар којег је једна критична регија хипокампус, док се имплицитна сећања обрађују на другим местима и могу да делују у одсуству нетакнутог експлицитног система (Еицхенбаум 2006; Ким и Фанселов 1992; Сцовилле и Милнер 1957; Скуире и Виктед 2011). Дакле, експлицитна сећања се такође називају сећањима зависним од хипокампуса. Иако имплицитно и експлицитномеморијасистеми могу бити функционално раздвојени, у нормалним здравим условима они сарађују у процесу обраде и складиштења сложених информација (Ким и Бактер 2001; МцДоналд ет ал. 2004).

Студије које су имале за циљ да разјасне биолошке основе дуготрајних сећања углавном су се фокусирале на сећања зависна од хипокампуса. Међутим, већина нашег разумевања ћелијских и молекуларних механизама који су у основимеморијаформирање и складиштење су првобитно произашли из истраживања једноставних облика учења, као што је рефлекс повлачења шкрга код Аплисиа Цалифорниа и олфакторно учење код Дросопхила меланогастер (Иин ет ал. 1994; Дубнау и Тулли 1998; Давис 2011; Кандел 2012). У Аплисији, ове студије су откриле велику количину информација о молекуларним и ћелијским путевима који су активирани и регрутовани за спровођење дугорочних модификација синаптичке снаге или дугорочне синаптичке пластичности. Ови подаци су конвергирали са генетским и бихевиоралним резултатима добијеним код Дросопхила. Вођене овим сазнањима из ова два система бескичмењака, студије о парадигмама памћења сисара су откриле да су слични молекуларни путеви неопходни и код сложенијих сисарамеморија, укључујући сећања зависна од хипокампуса. На крају, бројне студије у последњих 30 година на многим врстама су се приближиле закључку да еволуцијски очувани биолошки механизми леже у основи дугорочне синаптичке пластичности и формирања дугорочне меморије (Алберини 2009; Кандел 2012; Кандел ет ал. 2014). Један класичан пример, који је опсежно истражен, је еволутивно очувана улога цикличког аденозин монофосфата (цАМП) - зависног пута и функционално повезана активација цАМП одговорног протеина који везује елемент (ЦРЕБ) - зависне каскаде експресије гена ( Кида и Серита 2014; Лонзе и Гинти 2002; Силва ет ал. 1998) (Слика 1).

Бројни модели сисара различитих типова краткорочне и дуготрајне меморије, посебно код глодара, коришћени су да би се истражила сложеност сисарамеморијаобрада у различитим регионима мозга. Ове студије су откриле да су експресија и посттранслациона регулација многих класа гена, РНК и протеина потребни за формирање и складиштење дуготрајне меморије; ту спадају гени непосредног раног периода (нпр. ц-Фос, Зиф268, НПАС4 и Арц/Арг3.1) (Брамхам ет ал. 2008; Гузовски 2002; Лоебрицх и Недиви 2009; Сун и Лин 2016; Веирац ет ал. 2014), метаботропни и јонотропни рецептори

за различите неуротрансмитере (нпр. АМПА, НМДА, каинате, ГАБА и метаботропне глутаматне рецепторе) и неуромодулаторе (нпр. допаминергичке и серотонинергичке рецепторе), неуротрофне факторе (нпр. тирозин рецептор киназе) (Фанселов ет ал. 1994; Гонзалез и Фериа-Бурго -Веласцо 2008; Кандел 2001; Маккар ет ал. 2010; Моррис 2013; Пурцелл и Царев 2003; Риедел 1996; Риедел ет ал. 2003), киназе (нпр. ЕРК, ЦамКИИ, ПКА, ПКЦ и МАПКМζ, ет ал. 2002; Кандел 2012; Лисман ет ал. 2002; Маифорд 2007; Пасталкова ет ал. 2006; Рахн ет ал. 2013), фактори транскрипције (нпр. ЦРЕБ, Ц/ЕБП, НФкБ, АП1, НПАС4, Зиф268 и СРФ) (Алберини 2009; Алберини и Кандел 2014; Јонес ет ал. 2001; Сун и Лин 2016), епигенетски регулатори (нпр. МСК1, РСК2, НФкБ, ДНМТ, ХАТс и ХДАЦс) (Даи и Свеатт де 2011; ла Фуенте ет ал. 2015; Франклин и Мансуи 2010; Руденко и Тсаи 2014), микроРНА (нпр. миР-124, миР-132, миР-128б и миР{{33} }) (Бреди ет ал. 2011; Нуделман ет ал. 2010; Сааб и Мансуи 2 014), и низ ефекторских протеина укључених у структурне промене, као што су молекули ћелијске адхезије (нпр. неурексин и неуролигин) (Мурасе и Сцхуман 1999; Росе 1996; Ие ет ал. 2017; Баилеи и др. 2015) (Слика 1).

Ова молекуларна истраживања су паралелна са електрофизиолошким студијама, које су показале да ћелијски механизми који леже у основи дугорочнихмеморијаукључују дуготрајне синаптичке функционалне промене, а посебно дугорочна повећања или смањења синаптичке трансмисије познате као дуготрајна потенцирање (ЛТП) и дуготрајна депресија (ЛТД), респективно (Блисс и Цоллингридге 1993; Маленка и Беар 2004) . Додатне електрофизиолошке промене у мозгу које су умешане у формирање дуготрајног памћења укључују кохерентност електроенцефалограма (ЕЕГ), тј. фазну синхронизацију осцилација потенцијала поља, која координира време неуронских скокова ради промовисања синаптичке пластичности у дистрибуираним регионима мозга (Цорцоран ет ал. други 2016; Занто и други 2011). Приметно је да је ова комуникација на нивоу система између региона мозга контролисана оштрим таласним таласима (СПВ-Рс) (Бузсаки 2015), асинхроним обрасцем популације у хипокампусу који је укључен у преслушавање са широком површином кортекса и неколико субкортикалних језгара. СПВ-Р се јављају у "офф-лине" стањима мозга током буђења и у не-РЕМ спавању и верује се да консолидују епизодна сећања у хипокампално-кортикални систем (Бузсаки 2015; Иностроза и Борн 2013). Ове активности широм система пружају могуће механичко објашњење зашто сећања зависна од хипокампуса, која су крхка током почетног периода када се ангажују у мрежи и хипокампалних и кортикалних региона, временом постају стабилнија и искључиво независна од хипокампуса. Ова редистрибуција меморијских репрезентација и складиштења позната је као консолидација на нивоу система (Дудаи ет ал. 2015; Скуире ет ал. 2015; Франкланд и Бонтемпи 2005).

Иако су ове студије пружиле много информација о биолошким основама учења имеморија, фокусирали су се на неуронске механизме и последично су донели закључке који су углавном ограничени на неуроне и неуронске функције. Међутим, поред неурона, мозак се састоји од многих типова ћелија и система, укључујући глију и васкуларне

система. Недавна истраживања су почела да процењују улогу не-неуронских ћелија на дужи рокмеморијаи пружио јасне доказе да сви типови глијалних ћелија (тј. астроцити, олигодендроцити и микроглија) играју кључну улогу у обради меморије (Адамски и Госхен 2017; Фиелдс 2008; Гиббс ет ал. 2008; Лее ет ал. 2014; Морага-Амаро ет ал. 2014; Паркхурст ет ал. 2013; Сузуки ет ал. 2011).

Астроцити су посебно добро опремљени да утичу на неуронске функције укључене у формирање меморије (Хаидон и Недергаард 2014; Морага-Амаро ет ал. 2014): они су ексцитабилни кроз флуктуације калцијума и реагују на неуротрансмитере који се ослобађају у синапсама; они се синхронизују преко калцијумових таласа и ослобађају сопствене глиотрансмитере, који су неопходни за синаптичку пластичност; они комуницирају са крвним судовима и тако спајају циркулацију (проток крви) са локалном можданом активношћу; и коначно, они регулишу енергетски метаболизам као подршку неуронским функцијама, укључујући оне потребне замеморијаформација (Хеннебергер ет ал. 2010; Паннасцх анд Роуацх 2013; Переа ет ал. 2009; Базаргани и Аттвелл 2016). Што се тиче ове метаболичке улоге, астроцити су савршено позиционирани да уравнотеже метаболизам глукозе у мозгу: с једне стране, астроцитне крајње ноге директно контактирају слојеве крвног суда који увозе глукозу из крви преко селективног транспортера глукозе ГЛУТ1, и с друге стране, ове ћелије проширују процесе који се обавијају око пре- и пост-синаптичких одељака неурона (Фалковска ет ал. 2015; Моргелло ет ал.

1995) (слика 2).

У овом прегледу ћемо посебно разговарати о критичном доприносу астроцита, који делују као регулатори метаболизма глукозе,меморијаформирање и складиштење.

Метаболизам гликогена и глукозе игра кључну улогу умеморијаформација

Студије Пола Голда и његових колега идентификовале су системску глукозу као посредникамеморија-појачавајући ефекат норепинефрина (Голд и Корол 2012). Сећања кодирана у стањима узбуђења се памте боље (тј. на дужи период и са више детаља), а познато је да узбуђење регулише ослобађање епинефрина из надбубрежних жлезда. Епинефрин везује адренергичне рецепторе (АР) на хепатоцитима и покреће разградњу гликогена, полимера глукозе ускладиштеног у јетри (Сутхерланд и Ралл 1960), што доводи до ослобађања глукозе у крвоток. Системске ињекције глукозе у дозама упоредивим са онима које се налазе у крви након третмана епинефрином су довољне да побољшајумеморија, док је ниско складиштење гликогена у јетри, као код пацова без хране или остарелих, повезано са недостатком побољшања памћења након третмана епинефрином (Моррис ет ал. 2010; Таллеи ет ал. 2000). Насупрот томе, периферно блокирајући адренергички рецептори блокирају способност епинефрина да појачамеморијаи повећати глукозу у крви. Заједно, ове студије подржавају закључак да је главни механизам који лежи у основи деловања епинефрина који се ослобађа узбуђењем повећање глукозе у крви.

Ефекат глукозе као амеморијапојачивач је примећен и код системских и код интрацеребралних ињекција, и повезан је са регулацијом ослобађања норепинефрина или ацетилхолина. Рагоззино и колеге су показали да и системске и интрахипокампалне ињекције глукозе, попут ињекција епинефрина, појачавају спонтану алтернацију, облик просторног рада.меморијаи повећавају ослобађање ацетилхолина у хипокампусу (Рагоззино ет ал. 1998; Рагоззино ет ал. 1996).

Разумевање улоге глукозе у модулацији памћења значајно је напредовало запажањем да када се пацови тестирају на задатку спонтане измене, нивои екстрацелуларне глукозе у хипокампусу значајно опадају. Отуда је предложено да се учење имеморијаконзумирају глукозу, вероватно да би подржали енергетске потребе мозга док обрађује ново искуство и чува важне информације (МцНаи ет ал.

2000; МцНаи ет ал. 2001; МцНаи анд Схервин 2004).

Заиста, мозак троши висок ниво енергије: мозак одрасле особе користи у просеку око 20 процената укупне телесне енергије, упркос томе што чини само 2 процента укупне телесне тежине. Глукоза, главни извор енергије која улази у мозак из циркулације, може се или директно метаболисати или складиштити у облику гликогена. У зрелом мозгу, гликоген се углавном складишти у астроцитима (Бровн ет ал. 2004; Брунет ет ал. 2010; Цали ет ал. 2016; Цаталдо и Броадвелл, 1986; Маквелл и Кругер 1965; Петерсен 1969; Пфеиффер-Гуглиелми и др. 2003; прегледано у Ваитт ет ал. 2017), и, у условима велике потражње за енергијом, као што је недостатак глукозе или интензивна нервна активност, може се катаболисати да брзо испоручи метаболичке супстрате (тј. пируват и лактат) (Бровн и Рансом 2015). Иако неурони поседују ензимску машинерију за складиштење и разлагање гликогена, у физиолошким условима, они потискују складиштење гликогена кроз низ механизама. У ствари, складиштење гликогена у неуронима се примећује само код тешких неуролошких болести као што су прогресивна миоклонусна епилепсија или Лафорина болест, поремећај мозга који карактеришу понављајући напади (епилепсија) и пад интелектуалне функције (Вилцхез ет ал. 2007). Дакле, глукоза, или директно метаболисана путем гликолизе или добијена астроцитном гликогенолизом, може подстаћи високе енергетске потребе повезане са ћелијским променама које су у основи учења,меморијаформирање, имеморијаскладиште.

Једно питање о коме се дуго расправљало је да ли неурони директно увозе глукозу која улази у мозак из крви и одмах је користе да обезбеде енергију потребну за подршку њиховим функцијама. Алтернативни модел, који су предложили Пеллерин и Магистретти (Пеллерин анд Магистретти 1994), предлаже да високе енергетске потребе стимулисаних неурона подржавају астроцити, који опскрбљују неуроне лактатом произведеним путем аеробне гликолизе, чиме се осигурава енергија потребна за активност- индуковане неуронске функције; дакле, у случају учења, за промене укључене у обраду и чување сећања. Такође је могуће да се оба механизма користе, можда као одговор на специфичне услове.

Модел који су предложили Магистретти и Пеллерин је био веома расправа. Ове дебате су сложене и вероватно одражавају замршеност метаболичких прописа у различитим условима. С обзиром на разноликост ових услова и система, нећемо моћи да расправљамо о тачкама дебате у овом рукопису, па се позивамо на неколико рецензија које их извештавају (Цхих ет ал., 2001; Цхих и Робертс, 2003; Диенел и Хертз, 2001 ; Пеллерин и Магистретти, 2003, 2012; Ауберт ет ал., 2005; Диенел, 2010, 2017; ДиНуззо ет ал., 2010; Стеинман ет ал., 2016). Ми ћемо, међутим, расправљати о литератури важној за откриће улоге гликогена, глукозе и лактата у учењу и памћењу, као и у пластичности мозга.

Неколико студија је известило да стимулација подручја мозга повећава гликогенолизу и гликолизу, као и узимање глукозе, у астроцитима, у складу са идејом да су астроцитни гликоген и метаболизам глукозе потребни за одржавање процеса зависних од активности. На пример, НМР спектроскопија, која омогућава мерење лактата инвиво, открила је повишење лактата у људском визуелном кортексу током физиолошке фотичке стимулације (Прицхард ет ал. 1991), а мере засноване на микросензорима откриле су повећање екстрацелуларне концентрације лактата у зубату. гирус хипокампуса пацова након електричне стимулације перфорантног пута (Ху и Вилсон 1997). Штавише, стимулација бркова код будних пацова доводи до брзог разлагања гликогена у слоју ИВ соматосензорног кортекса (Свансон ет ал. 1992) и резултира преференцијалним повећањем уноса глукозе у астроците у поређењу са неуронима у соматосензорном кортексу инвиво (Цхукует ет ал. ал., 2010), иако је потребно разумети више механичких детаља (Диенел и Цруз 2015). Физички положај астроцита, између крвотока на једној страни и неурона на другој, даље подржава идеју да астроцитна регулација метаболизма глукозе субвенционише енергетске потребе активности, пластичности, учења имеморијаформација.

У складу са овим ставом, метаболичко профилисање астроцита и неурона открило је различите карактеристике које указују на то да се гликолиза јавља углавном у астроцитима. На пример, култивисани неурони производе ЦО2 много већом брзином од астроцита, а њихови одговарајући ензимски профили су у складу са релативном доминацијом гликолизе у глијалним ћелијама и оксидације у неуронима (Белангер ет ал. 2011; Хамбергер и Хиден 1963; Хиден и Ланге 1962). Поред тога, акутно изоловани, ФАЦС-пречишћени астроцити показују првенствено гликолитички профил (Ловатт ет ал. 2007; Зханг ет ал. 2014). Коначно, ензим 6-фосфофрукто-2- киназа/фруктоза-2,6-бисфосфатаза 3 (Пфкфб3), који подстиче гликолизу, активан је у астроцитима, али је стално подвргнут протеазомској деградацији у неурона (Боланос ет ал. 2010; Херреро-Мендез ет ал. 2009), још једном подржавајући идеју да су астроцити примарна места гликолизе. Дакле, велики број доказа конвергира са закључком да су астроцити претежно гликолитичке ћелије, док неурони нису, и уместо тога показују високу оксидативну активност.

Прва демонстрација да је астроцитна гликолиза критична за учење и памћење дошла је из студија које су извели Леиф Хертз, Марие Гиббс и колеге, који су показали да је гликогенолиза неопходна за формирање памћења. Користећи тренинг избегавања укуса код једнодневног пилића, они су показали да интракранијална ињекција инхибитора гликоген фосфорилазе, 1,4-дидеокси-1,4-имино-д-арабинитола (ДАБ) , оштећено памћење на начин који зависи од дозе, и закључио да је гликогенолиза критичан захтев за дугорочнумеморијаскладиштење (Гиббс ет ал. 2006). У складу са овим закључком, разградња гликогена у мозгу се значајно повећава током сензорне активације код пацова (Цруз и Диенел 2002; Свансон ет ал. 1992), а касније студије детаљно приказане у наставку су показале да гликоген доприноси неколико типова формирања меморије код пацова и мишеви. Поред гликогенолизе, аеробна гликолиза такође може бити неопходна замеморијаформирање, као што је откривено експериментима у којима је инхибитор гликолизе 2-деоксиглукоза убризган у мозак пилића старих 1 дан током тренинга, што је резултирало оштећењем дуготрајног памћења (Гиббс ет ал. 2007). Према томе, неколико студија је дошло до закључка да су гликогенолиза и аеробна гликолиза, које резултирају производњом лактата, критично повезане са формирањем памћења. Ово поставља неколико питања: Како тачно долази до ове уредбе? Како су астроцити функционално повезани са неуронима? Који су циљни механизми који троше висок ниво енергије приликом учења и омогућавају консолидацију памћења?

Астроцитна гликогенолиза, аеробна гликолиза и лактат су критични за дугорочномеморијаформирање у неколико региона мозга

Модел који су предложили Пеллерин и Магистретти (Пеллерин анд Магистретти 1994), познат као астроцит-неурон лактатни шатл (АНЛС), сугерише да гликолиза астроцита и оксидација неурона играју координиране улоге у формирању дуготрајне меморије путем транспорта лактата. Овај модел предвиђа да ексцитација, а тиме и ослобађање глутамата, стимулише апсорпцију глутамата од стране астроцита, који се претвара у глутамин (глутамат-глутамински циклус), на крају одржавајући синаптичко ослобађање глутамата. Овај циклус захтева енергију из астроцита, који би стога активирали узимање глукозе из крви и метаболизирали је у лактат. Лактат, који астроцити ослобађају преко монокарбоксилатних транспортера (МЦТ), може ући у друге типове ћелија користећи сличне транспортере, који функционишу на основу градијената концентрације протона и монокарбоксилата преко плазма мембране (Халестрап 2013; Пиерре и Пеллерин 2005). МЦТ су транспортери плазма мембране повезани са протонима који преносе молекуле који садрже једну карбоксилатну групу (отуда и термин монокарбоксилати), као што су лактатна, пируватна и кетонска тела, кроз плазма мембране. МЦТ1 се експримира у астроцитима, епендимоцитима, олигодендроцитима и ендотелним ћелијама крвних судова, док је МЦТ4 селективно експримиран у астроцитима и обогаћен на синаптичким местима (Пиерре и Пеллерин 2005; Ринхолм ет ал. 2011; Сузуки ет ал.; Сузуки ет ал.). МЦТ2, с друге стране, селективно експримирају неурони (Дебернарди ет ал. 2003).

Тако се лактат, који астроцити ослобађају преко МЦТ4 и МЦТ1, транспортује МЦТ2 у неуроне, где се претвара у пируват који се касније метаболише оксидативном фосфорилацијом у митохондријима да би се произвело 14-17 АТП-а по молекулу лактата (Слика 2). Ово снабдевање лактатом од астроцита до неурона пружа објашњење како неурони могу да поднесу захтеве високе енергије изазване активним процесима као одговор на стимулусе.

Прве студије које су описале АНЛС изведене су ин-витро, а постављала су се питања да ли се ови механизми јављају инвиво (Цхих и Робертс 2003; Диенел и Цруз 2004; Гједде ет ал. 2002). Међутим, студије Херц-а и Гиббса на горе описаном пилића сугеришу да је гликогенолиза укључена умеморијаформација (за преглед видети Гиббс 2016). У овим студијама, пилићи су били изложени двема перлама, једном црвеном и једном плавом, и обучени да избегавају кљуцање црвене перле због аверзивног укуса. Током ретенционог теста, мерен је однос између броја пецкова црвених и плавих перли, откривајући повећање избегавања кљуцања црвених перли; промена у односу дискриминације је индикативна за памћење (Хертз ет ал. 1996). Први резултати су показали да су се нивои гликогена у предњем мозгу смањили 30 минута након учења, истовремено са повишењем глутамата, што сугерише деновосинтезу глутамата из гликогена за подршкумеморијаконсолидација (Хертз ет ал. 2003; О'Довд ет ал. 1994). Неколико година касније, иста група је показала да ДАБ нарушава памћење аверзије укуса код једнодневних пилића када се унесе у мултимодални регион асоцијације предњег мозга, средњи медијални мезопалијум (ИММ), регион мозга потребан за консолидацију меморије (Гиббс ет ал. 2006. Гиббс и Хертз 2008). Затим су открили да је глутамин довољан да спаси памћење, и стога су предложили да је гликогенолиза критична за глутамат/глутамински шатл, на који такође може утицати ДАБ. Накнадна студија истих аутора показала је да је Л-лактат такође довољан да спасе памћење аверзије на укус пилића након третмана инхибитором гликогенолизе (ДАБ) или гликолизе (2-деоксиглукоза) (Гиббс ет ал. 2007). Штавише, примена Д-лактата, компетитивног небиолошки активног облика лактата, нарушава аверзију на укус пилетинемеморијаса временским закашњењем које је сугерисало да инхибира метаболизам Л-лактата, а не узимање, што је навело ауторе да закључе да је метаболизам астроцита кроз гликогенолизу и метаболизам лактата критичан за формирање меморије (Гиббс и Хертз 2008). Ови налази подржавају идеју да се учење код неонаталног пилића ослања на разградњу гликогена за синтезу глутамата у астроцитима (Гиббс ет ал. 2007).

Међутим, додатно тумачење је да се лактат произведен гликогенолизом транспортује у неуроне за њихову употребу, чиме се доприноси подршци неуронским модификацијама критичним за формирање меморије. Ову хипотезу смо тестирали инвивоин мозгова сисара, фокусирајући се посебно на то да ли су механизми гликогенолизе, ослобађања астроцитног лактата и транспорта у неуроне укључени у консолидацију меморије, процес који стабилизује новоформирано, првобитно крхко памћење у дуготрајну стабилну репрезентацију (Алберини 2009 , Дудаи 2004).

Користећи одрасле пацове обучене у задатку инхибиторног избегавања (ИА), у којем животиње науче да избегавају контекст који је претходно био упарен са ударом стопала (контекстуални одговор на претњу), показали смо да лактат који се транспортује од астроцита до неурона у хипокампусу делује кључну улогу у консолидацији дугорочне меморије (Сузуки ет ал. 2011). Конкретно, открили смо да је хипокампална астроцитна гликогенолиза потребна за консолидацију памћења, инвиво хипокампално дуготрајно потенцирање и повећање синаптичких и ћелијских макромолекуларних промена изазвано учењем, укључујући експресију непосредног раног гена (ИЕГ) регулисаног активношћу протеина повезаног са цитоскелетом. (Арц или Арг3.1) и фосфорилација транскрипционог фактора ЦРЕБ и кофилина протеина који раздваја актин, а сви су то маркери дуготрајне синаптичке пластичности. У ствари, ДАБ убризган билатерално у дорзални хипокампус пре или непосредно после ИА тренинга упорно је пореметио задржавање памћења, а овај поремећај је спречен заједничком ињекцијом Л-лактата, али не и еквикалоричним концентрацијама глукозе. Поред тога, после ИА тренинга, екстрацелуларна концентрација лактата у хипокампу, мерена инвивомикродијализом, значајно се повећала и остала повишена више од 1 сата, враћајући се на почетну вредност за приближно 90 минута након тренинга. Ово повећање лактата је потпуно укинуто билатералном ињекцијом ДАБ-а у хипокампус, што сугерише да је резултат астроцитне гликогенолизе.

Штавише, открили смо да хипокампална ињекција неактивног изомера Д-лактата пре тренинга такође блокира дуготрајно задржавање памћења, што сугерише да је метаболизам лактата критичан за формирање дугорочне меморије. Слични ефекти на задржавање памћења примећени су након пада лактатних транспортера (МЦТ). Приметно, иако је оштећење памћења изазвано срушењем лактатних транспортера изражених у астроцитима (МЦТ1 и МЦТ4) спашено додатком Л-лактата, оштећење изазвано паљењем транспортера израженог у неуронима (МЦТ2) није било у складу са идеја да је транспорт лактата из астроцита у неуроне критичан за формирање памћења. У складу са овим тумачењем, недавно је примећен лактатни градијент између астроцита и неурона који је окарактерисан високом резолуцијом уз помоћ двофотонске микроскопије (Мацхлер ет ал. 2016). Стога смо закључили да гликогенолиза и транспорт астроцит-неурон лактата критички подржавају неуронске функције потребне за формирање дуготрајне меморије. Новије истраживање је даље подржало улогу астроцитног лактата у формирању памћења показујући да ИА тренинг индукује експресију молекула укључених у астроцитно-неуронски транспорт, као што су МЦТ и експресија лактат дехидрогеназе (ЛДХ) А и Б, ензима који катализују међусобну конверзију лактата и пирувата (Тади ет ал. 2015).

До сличних закључака су дошли Невман ет ал. (2011), који је користио осетљиве биосонде за мерење нивоа глукозе и лактата у мозгу у хипокампусу пацова док су они били подвргнути задатку просторне радне меморије. Открили су да док се екстрацелуларна глукоза смањује, нивои лактата се повећавају током обављања задатка, а интрахипокампалне инфузије Л-лактата побољшавају памћење у овом задатку. Поред тога, фармаколошка инхибиција астроцитне гликогенолизе са ДАБ-ом је нарушила памћење, а ово оштећење је поништено било Л-лактатом или глукозом, од којих оба могу да обезбеде лактат неуронима у одсуству гликогенолизе. У овој студији, као иу нашој, блокада МЦТ-а одговорних за унос лактата у неуроне нарушила је памћење, а ово оштећење није поништено ни глукозом ни Л-лактатом, што опет подржава идеју да је узимање лактата од стране неурона неопходно за подршку формирању памћења. . Аутори су закључили, као и ми, да астроцити регулишу формирање меморије контролишући снабдевање лактата за одржавање неуронских функција.

Додатне студије засноване на генетским приступима подржавају ове закључке. Делгадо-Гарциа и колеге су открили да нокаутирање гликоген синтазе у нервном систему мишева нарушава и ЛТП хипокампуса и асоцијативно учење (Дуран ет ал. 2013). Поред тога, Боури-Јамот ет ал. (2016) и Зханг ет ал. (2016) су известили да консолидација и поновна консолидација консолидације апетита употребом дрога које изазивају злоупотребу (тј. преференција места условљеног кокаином или самопримена) такође зависе од гликогенолизе и усмереног транспорта лактата од астроцита до неурона преко МЦТ у базолатералној амигдали. (БЛА) пацова. Штавише, екстрацелуларни лактат, мерен микродијализом инвиво, је повишен у БЛА након обуке и преузимања ИА (Сандуски ет ал. 2013).

У складу са резултатима ових студија, открили смо да је гликогенолиза БЛА критична за формирање ИА меморије, што показује чињеница да је билатерално убризгавање ДАБ-а у БЛА 15 минута пре тренинга ИА озбиљно и упорно пореметило задржавање памћења код пацова. Ово оштећење није спасено шоком подсетника који је испоручен у другом контексту, протоколом који поново успоставља угашена сећања (Инда ет ал. 2011), што сугерише да блокирање гликогенолизе у амигдали пре тренинга ремети процес консолидације. Заједничка примена Л-лактата са ДАБ у амигдали спасила је оштећење памћења, потврђујући важност улоге гликогенолизе и лактата у различитим областима мозга за консолидацију ИА меморије (Слика 3).

Циљне функције које подстичу метаболизам лактата и/или глукозе су још увек углавном непознате. Енергија мозга је потребна да би се подржали електрични импулси потребни за неуронску комуникацију и за многе кућне активности, укључујући синтезу протеина, метаболизам фосфолипида, циклус неуротрансмитера и транспорт јона кроз ћелијске мембране (Ду ет ал. 2008). Као што су показале горе описане студије, метаболизам лактата подржава формирање дуготрајног памћења и повећање експресије неколико молекула у зависности од активности и пластичности, укључујући Арц, цФос и Зиф268 (Гао ет ал. 2016; Сузуки ет ал.). 2011;

Ианг ет ал. 2014). Ови ефекти су зависни од НМДА рецептора, што имплицира да су промене зависне од лактата повезане са активношћу и/или пластичношћу (Ианг ет ал. 2014). Инвиво, лактат је довољан за одржавање неуронске активности (Висс ет ал. 2011), а недавни подаци су показали да интерстицијална повишења К плус могу активирати канал на мембрани астроцита кроз који астроцитни лактат може да тече у интерстицијум, паралелно са успостављеним транспортом преко МЦТс (Сотело-Хитсцхфелд ет ал., 2015). Овај пут за ослобађање астроцитног лактата је повезан са мембранским потенцијалом и омогућава ослобађање лактата у односу на градијент концентрације, док је МЦТ електронеутралан и нето флукс је регулисан транс-мембранским концентрацијама Х плус и лактата. Штавише, демонстриран је астроцитни механизам преко растворљиве аденилил циклазе која реагује на бикарбонат који доводи до разградње гликогена, појачане гликолизе и ослобађања лактата у екстрацелуларни простор, који потом преузимају неурони за употребу као енергетски супстрат (Цхои ет ал. 2012). Колективно ове студије подржавају закључак да се испорука лактата од стране астроцита неуронима може регулисати на много начина као одговор на активност и потребне су студије да би се разумело да ли се паралелни или селективни механизми јављају у току учења. Ипак, испоставља се да је лактат потребан да подржи не само хомеостазу јонске мембране након деполаризације, већ и бројне друге неуронске функције потребне за дугорочне модификације повезане са формирањем и складиштењем меморије.