Partea 1: Glicogenul și lactatul astrocitelor: noi perspective asupra mecanismelor de învățare și memorie

pentru mai multe informații:ali.ma@wecistanche.com

Vă rugăm să faceți clic aici pentru partea 2

Cristina M. Alberini, Emmanuel Cruz, Giannina Descalzi, Benjamin Bessières și Virginia Gao

Centrul pentru Științe Neurale, Universitatea din New York, New York, NY, 10003

Apasa peCistanche și cistanche pentru memorie

Abstract

Memorie, capacitatea de a reține informațiile învățate, este necesară pentru supraviețuire. Până acum, investigațiile moleculare și celulare alememorieformarea și stocarea s-au concentrat în principal pe mecanismele neuronale. Cu toate acestea, pe lângă neuroni, creierul cuprinde și alte tipuri de celule și sisteme, inclusiv glia și sistemul vascular. În consecință, lucrările experimentale recente au început să pună întrebări despre rolurile celulelor non-neuronale înmemorieformare. Aceste studii oferă dovezi că toate tipurile de celule gliale (astrocite, oligodendrocite și microglia) au contribuții importante la procesarea informațiilor codificate și stocarea amintirilor. În această revizuire, rezumăm și discutăm descoperirile recente privind rolul critic al astrocitelor ca furnizori de energie pentru schimbările neuronale de lungă durată care sunt necesare pe termen lung.memorieformare. Ne concentrăm asupra a trei constatări principale: în primul rând, rolul metabolismului glucozei și cuplarea metabolică dependentă de învățare și activitate între astrocite și neuroni în serviciul pe termen lung.memorieformare; în al doilea rând, rolul metabolismului glucozei astrocitare în excitare, stare care contribuie la formarea unor amintiri foarte de lungă durată și detaliate; și, în sfârșit, în lumina cerințelor mari de energie ale creierului în timpul dezvoltării timpurii, vom discuta despre posibilul rol al metabolismului glucozei astrocitare și neuronale în formarea amintirilor timpurii. Încheiem prin a propune direcții viitoare și a discuta implicațiile acestor descoperiri pentru sănătatea și boala creierului.

Cuvinte cheie

glucoză; metabolism; glia; glicoliză; glicogenoliza; excitare emoțională; dezvoltare

Termen lungmemorieși mecanismele biologice de bază centrate pe neuroni ale mecanismelor și circuitelor biologice subiacente. Deși amintirile pe termen lung necesită în general expresie denovogene, amintirile pe termen scurt se bazează pe modificări ale proteinelor post-translaționale (Alberini 2009; Alberini și Kandel 2014; Squire și Dede 2015).

Amintirile pot fi, de asemenea, împărțite în diferite categorii în funcție de tipul de informații codificate și stocate. De exemplu, o distincție majoră clasifică amintirile ca explicite (cunoscute și ca declarative la oameni) sau implicite (nedeclarative) (Squire 2004). Amintirile explicite rețin informații despre fapte, oameni, locuri și lucruri (cunoscute și sub denumirea de amintiri despre ce, unde, cine și când, sau amintiri www) și includ amintiri episodice și semantice. Amintirile implicite, care sunt amintite într-o manieră inconștientă/automată, rețin informații despre răspunsurile automate învățate și includ amintiri de amorsare, de procedura (amintiri despre cum să faci lucrurile) și reflexe simple (Tulving 1972; Squire și Wixted 2011). Amintirile explicite și implicite recrutează sisteme distincte (rețea de regiuni) pentru codificarea, consolidarea și stocarea lor. Atât studiile clinice, cât și cele pe animale au arătat că amintirile explicite sunt procesate de lobul temporal medial, în interiorul căruia o regiune critică este hipocampul, în timp ce amintirile implicite sunt procesate în altă parte și pot funcționa în absența unui sistem explicit intact (Eichenbaum 2006; Kim și Fanselow 1992; Scoville și Milner 1957; Squire și Wixted 2011). Astfel, amintirile explicite sunt denumite și amintiri dependente de hipocamp. Deși implicit și explicitmemoriesistemele pot fi disociate funcțional, în condiții normale de sănătate ele cooperează pentru a procesa și stoca informații complexe (Kim și Baxter 2001; McDonald et al. 2004).

Studiile care vizează elucidarea bazelor biologice ale amintirilor pe termen lung s-au concentrat în principal pe amintirile dependente de hipocamp. Cu toate acestea, cea mai mare parte a înțelegerii noastre a mecanismelor celulare și moleculare care stau la bazamemorieformarea și stocarea au apărut inițial din investigațiile unor forme simple de învățare, cum ar fi reflexul de retragere branhială al Aplysia California și învățarea olfactivă la Drosophila melanogaster (Yin și colab. 1994; Dubnau și Tully 1998; Davis 2011; Kandel 2012). În Aplysia, aceste studii au descoperit o mulțime de informații despre căile moleculare și celulare activate și recrutate pentru a implementa modificări pe termen lung ale forței sinaptice sau plasticității sinaptice pe termen lung. Aceste date au convergit cu rezultatele genetice și comportamentale obținute la Drosophila. Ghidate de aceste cunoștințe din aceste două sisteme de nevertebrate, studiile asupra paradigmelor memoriei mamiferelor au arătat că căi moleculare similare sunt, de asemenea, necesare la mamiferele mai complexe.memorie, inclusiv amintiri dependente de hipocamp. În cele din urmă, numeroase studii din ultimii 30 de ani asupra multor specii au convergit către concluzia că mecanismele biologice conservate evolutiv stau la baza plasticității sinaptice pe termen lung și formării memoriei pe termen lung (Alberini 2009; Kandel 2012; Kandel et al. 2014). Un exemplu clasic, care a fost investigat pe larg, este rolul conservat evolutiv al adenozin monofosfatului ciclic (AMPc) - o cale dependentă și activarea legată funcțional a proteinei de legare a elementului de răspuns la cAMP (CREB) - o cascadă dependentă de expresie a genelor. Kida și Serita 2014; Lonze și Ginty 2002; Silva și colab. 1998) (Figura 1).

Numeroase modele de mamifere de diferite tipuri de memorie pe termen scurt și lung, în special la rozătoare, au fost folosite pentru a investiga complexitatea mamiferelor.memorieprocesare într-o varietate de regiuni ale creierului. Aceste studii au arătat că expresia și reglarea post-translațională a multor clase de gene, ARN și proteine ​​sunt necesare pentru formarea și stocarea memoriei pe termen lung; acestea includ gene imediate timpurii (de exemplu, c-Fos, Zif268, NPAS4 și Arc/Arg3.1) (Bramham și colab. 2008; Guzowski 2002; Loebrich și Nedivi 2009; Sun și Lin 2016; Veyrac și colab. 2014), receptori metabotropi și ionotropi

pentru diverși neurotransmițători (de exemplu, AMPA, NMDA, Kainate, GABA și receptori metabotropi de glutamat) și neuromodulatori (de exemplu, receptori dopaminergici și serotoninergici), factori neurotrofici (de exemplu receptor kinaza tirozină) (Fanselow și colab. 1994; Gonzalez-Burgos și Feria -Velasco 2008; Kandel 2001; Makkar și colab. 2010; Morris 2013; Purcell și Carew 2003; Riedel 1996; Riedel și colab. 2003), kinaze (de exemplu, ERK, CamKII, PKA, PKC, PKMζ) (Be și MAPK) și colab. 2002; Kandel 2012; Lisman și colab. 2002; Mayford 2007; Pastalkova și colab. 2006; Rahn și colab. 2013), factori de transcripție (de exemplu, CREB, C/EBP, NFkB, AP1, NPAS4, Zif268, NR4a și SRF) (Alberini 2009; Alberini și Kandel 2014; Jones și colab. 2001; Sun și Lin 2016), regulatori epigenetici (de exemplu, MSK1, RSK2, NFkB, DNMT, HAT și HDAC) (Day și Sweatt 2011; de la Fuente și colab. 2015; Franklin și Mansuy 2010; Rudenko și Tsai 2014), microARN (de exemplu, miR-124, miR{-132, miR-128b și miR{{33} }) (Bredy și colab. 2011; Nudelman și colab. 2010; Saab și Mansuy 2 014), și un număr de proteine ​​efectoare implicate în modificări structurale, cum ar fi moleculele de adeziune celulară (de exemplu, neurexină și neuroligin) (Murase și Schuman 1999; Trandafir 1996; Ye și colab. 2017; Bailey şi colab. 2015) (Figura 1).

Aceste investigații moleculare au fost paralele cu studii electrofiziologice, care au arătat că mecanismele celulare care stau la baza pe termen lungmemorieimplică modificări funcționale sinaptice pe termen lung și, în special, creșteri sau scăderi pe termen lung ale transmiterii sinaptice cunoscute sub numele de potențare pe termen lung (LTP) și respectiv depresie pe termen lung (LTD) (Bliss și Collingridge 1993; Malenka și Bear 2004) . Modificările electrofiziologice suplimentare ale creierului care au fost implicate în formarea memoriei pe termen lung includ coerența electroencefalogramei (EEG), adică sincronizarea de fază a oscilațiilor potențialului câmpului, care coordonează sincronizarea creșterii neuronale pentru a promova plasticitatea sinaptică în regiunile distribuite ale creierului (Corcoran et. al. 2016; Zanto et al. 2011). În special, această comunicare la nivel de sistem între regiunile creierului este controlată de ondulații ascuțite de undă (SPW-Rs) (Buzsáki 2015), model de populație asincron în hipocamp care se angajează în diafonie cu o zonă largă a cortexului și mai multe nuclee subcorticale. SPW-R apar în stări „off-line” ale creierului în timpul trezirii și în timpul somnului non-REM și se crede că consolidează amintirile episodice în sistemul hipocampal-cortical (Buzsáki 2015; Inostroza și Born 2013). Aceste activități la nivelul întregului sistem oferă o posibilă explicație mecanicistă a motivului pentru care amintirile dependente de hipocamp, care sunt fragile în perioada inițială în care se angajează într-o rețea de regiuni atât hipocampale, cât și corticale, devin mai stabile și exclusiv independente de hipocamp în timp. Această redistribuire a reprezentărilor și stocării memoriei este cunoscută ca consolidare la nivel de sistem (Dudai et al. 2015; Squire et al. 2015; Frankland și Bontempi 2005).

Deşi aceste studii au oferit o mare cantitate de informaţii despre bazele biologice ale învăţării şimemorie, s-au concentrat pe mecanismele neuronale și, în consecință, au generat concluzii limitate în mare parte la neuroni și funcții neuronale. Cu toate acestea, pe lângă neuroni, creierul cuprinde mai multe tipuri de celule și sisteme, inclusiv glia și vasculare.

sisteme. Investigațiile recente au început pentru a evalua rolul celulelor non-neuronale pe termen lungmemorieși a oferit dovezi clare că toate tipurile de celule gliale (adică astrocitele, oligodendrocitele și microglia) joacă roluri critice în procesarea memoriei (Adamsky și 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).

Astrocitele sunt deosebit de bine echipate pentru a influența funcțiile neuronale implicate în formarea memoriei (Haydon și Nedergaard 2014; Moraga-Amaro și colab. 2014): sunt excitabile prin fluctuații de calciu și răspund la neurotransmițătorii eliberați la sinapse; se sincronizează prin unde de calciu și își eliberează proprii gliotransmițători, care sunt esențiali pentru plasticitatea sinaptică; ele comunică cu vasele de sânge cuplând astfel circulația (fluxul sanguin) cu activitatea locală a creierului; și, în sfârșit, reglează metabolismul energetic în sprijinul funcțiilor neuronale, inclusiv cele necesare pentrumemorieformarea (Henneberger și colab. 2010; Pannasch și Rouach 2013; Perea și colab. 2009; Bazargani și Attwell 2016). În ceea ce privește acest rol metabolic, astrocitele sunt poziționate perfect pentru a echilibra metabolismul glucozei în creier: pe de o parte, picioarele astrocitare contactează direct straturile vaselor de sânge care importă glucoză din sânge prin intermediul transportorului selectiv de glucoză GLUT1 și pe de altă parte, aceste celule extind procesele care se înfășoară în jurul compartimentelor pre- și post-sinaptice ale neuronilor (Falkowska et al. 2015; Morgello et al.

1995) (Figura 2).

În această revizuire, vom discuta în mod specific contribuția critică a astrocitelor, care acționează ca regulatori ai metabolismului glucozei, lamemorieformarea si depozitarea.

Metabolismul glicogenului și glucozei joacă un rol esențial înmemorieformare

Studiile efectuate de Paul Gold și colegii au identificat glucoza sistemică ca intermediar almemorie-efectul de îmbunătățire al norepinefrinei (Gold și Korol 2012). Amintirile codificate în stările de excitare sunt amintite mai bine (adică, pentru perioade mai lungi și cu mai multe detalii), iar excitarea este bine cunoscută pentru a regla eliberarea de epinefrină din glandele suprarenale. Epinefrina leagă receptorii adrenergici (AR) de pe hepatocite și inițiază descompunerea glicogenului, un polimer al glucozei stocat în ficat (Sutherland și Rall 1960), ducând la eliberarea de glucoză în sânge. Injecțiile sistemice cu glucoză în doze comparabile cu cele găsite în sânge după tratamentul cu epinefrină sunt suficiente pentru a îmbunătățimemorie, în timp ce stocarea scăzută a glicogenului hepatic, ca la șobolanii lipsiți de hrană sau în vârstă, este asociată cu o lipsă de îmbunătățire a memoriei după tratamentul cu epinefrină (Morris și colab. 2010; Talley și colab. 2000). În schimb, blocarea periferică a receptorilor adrenergici blochează capacitatea epinefrinei de a creștememorieși crește glicemia. Colectiv, aceste studii susțin concluzia că un mecanism major care stă la baza acțiunilor epinefrinei eliberate prin excitare este creșterea glicemiei.

Efectul glucozei ca amemorieintensificatorul a fost observat atât cu injecțiile sistemice, cât și cu cele intracerebrale și a fost legat de reglarea fie eliberării norepinefrinei, fie a acetilcolinei. Ragozzino și colegii săi au arătat că atât injecțiile sistemice, cât și intrahipocampale cu glucoză, precum injecțiile cu epinefrină, îmbunătățesc alternanța spontană, o formă de lucru spațial.memorieși crește eliberarea de acetilcolină în hipocamp (Ragozzino și colab. 1998; Ragozzino și colab. 1996).

Înțelegerea rolului glucozei asupra modulării memoriei a fost avansată considerabil prin observația că atunci când șobolanii sunt testați pe o sarcină de alternanță spontană, nivelurile de glucoză extracelulară din hipocamp scad semnificativ. Prin urmare, s-a sugerat că învățarea șimemorieconsumă glucoză, probabil pentru a susține cerințele energetice ale creierului pe măsură ce procesează noua experiență și stochează informațiile importante (McNay et al.

2000; McNay şi colab. 2001; McNay și Sherwin 2004).

Într-adevăr, creierul consumă niveluri ridicate de energie: creierul adult utilizează în medie aproximativ 20% din energia totală a corpului, în ciuda faptului că reprezintă doar 2% din greutatea corporală totală. Glucoza, sursa majoră de energie care intră în creier din circulație, poate fi fie metabolizată direct, fie stocată sub formă de glicogen. În creierul matur, glicogenul este stocat mai ales în astrocite (Brown și colab. 2004; Brunet și colab. 2010; Cali și colab. 2016; Cataldo și Broadwell, 1986; Maxwell și Kruger 1965; Petersen 1969; Pfeiffer și colab.-Guglielmi; 2003; revizuit în Waitt et al. 2017) și, în condiții de cerere mare de energie, cum ar fi privarea de glucoză sau activitatea neuronală intensă, poate fi catabolizat pentru a furniza rapid substraturi metabolice (adică, piruvat și lactat) (Brown și Ransom 2015). Deși neuronii posedă mecanismul enzimatic de stocare și descompunere a glicogenului, în condiții fiziologice, ei suprimă stocarea glicogenului printr-o serie de mecanisme. De fapt, stocarea glicogenului în neuroni se observă doar în bolile neurologice severe precum epilepsia mioclonală progresivă sau boala Lafora, o tulburare a creierului caracterizată prin convulsii recurente (epilepsie) și o scădere a funcției intelectuale (Vilchez et al. 2007). Astfel, glucoza, fie metabolizată direct prin glicoliză, fie furnizată prin glicogenoliza astrocitară, poate alimenta cerințele mari de energie asociate cu schimbările celulare care stau la baza învățării,memorieformarea, șimemoriedepozitare.

O întrebare mult dezbătută este dacă neuronii importă direct glucoza care intră în creier din sânge și o folosesc imediat pentru a furniza energia necesară pentru a-și susține funcțiile. Un model alternativ, sugerat de Pellerin și Magistretti (Pellerin și Magistretti 1994), propune că cerințele mari de energie ale neuronilor stimulați sunt susținute de astrocite, care furnizează neuronilor lactat produs prin glicoliză aerobă, furnizând astfel energia necesară activității- funcții neuronale induse; deci, în cazul învăţării, pentru modificările implicate în procesarea şi stocarea amintirilor. De asemenea, este posibil ca ambele mecanisme să fie utilizate, poate ca răspuns la condiții specifice.

Modelul propus de Magistretti și Pellerin a fost foarte dezbătut. Aceste dezbateri sunt complexe și probabil reflectă complexitatea reglementărilor metabolice în diferite condiții. Având în vedere varietatea acestor condiții și sisteme, nu vom putea discuta punctele dezbaterii în acest manuscris, prin urmare ne referim la câteva recenzii care le raportează (Chih și colab., 2001; Chih și Roberts, 2003; Dienel și Hertz, 2001). ; Pellerin și Magistretti, 2003, 2012; Aubert și colab., 2005; Dienel, 2010, 2017; DiNuzzo și colab., 2010; Steinman și colab. 2016). Cu toate acestea, vom discuta literatura importantă pentru descoperirea rolurilor glicogenului, glucozei și lactatului în învățare și memorie, precum și în plasticitatea creierului.

Mai multe studii au raportat că stimularea zonelor creierului crește glicogenoliza și glicoliza, precum și absorbția de glucoză, în astrocite, în concordanță cu ideea că glicogenul astrocitar și metabolismul glucozei sunt necesare pentru a susține procesele dependente de activitate. De exemplu, spectroscopia RMN, care permite măsurarea lactatului invivo, a evidențiat o creștere a lactatului în cortexul vizual uman în timpul stimulării fiziologice fotice (Prichard et al. 1991), iar măsurile bazate pe microsenzori au relevat o creștere a concentrației extracelulare de lactat în dentat. girusul hipocampului de șobolan după stimularea electrică a căii perforante (Hu și Wilson 1997). Mai mult decât atât, stimularea mustaților la șobolanul treaz duce la descompunerea rapidă a glicogenului în stratul IV al cortexului somatosenzorial (Swanson și colab. 1992) și are ca rezultat o creștere preferențială a absorbției de glucoză în astrocite în comparație cu neuronii din cortexul somatosenzorial invivo (Chuquet și colab. al., 2010), deși mai multe detalii mecanice trebuie înțelese (Dienel și Cruz 2015). Poziția fizică a astrocitelor, între fluxul sanguin pe o parte și neuroni pe de altă parte, susține în continuare ideea că reglarea astrocitară a metabolismului glucozei subvenționează cerințele energetice ale activității, plasticității, învățării șimemorieformare.

În conformitate cu acest punct de vedere, profilarea metabolică a astrocitelor și neuronilor a relevat caracteristici distincte care indică faptul că glicoliza are loc în principal în astrocite. De exemplu, neuronii cultivați produc CO2 cu o rată mult mai mare decât astrocitele, iar profilurile lor enzimatice respective sunt în concordanță cu predominanța relativă a glicolizei în celulele gliale și cu oxidarea în neuroni (Bélanger et al. 2011; Hamberger și Hydén 1963; Hydén și Lange; 1962). În plus, astrocitele purificate cu FACS izolate acut prezintă un profil în primul rând glicolitic (Lovatt și colab. 2007; Zhang și colab. 2014). În cele din urmă, enzima 6-fosfofructo-2- kinază/fructoză{-2,6-bisfosfataza 3 (Pfkfb3), care promovează glicoliza, este activă în astrocite, dar este supusă constant degradării proteazomale în neuronii (Bolaños et al. 2010; Herrero-Mendez et al. 2009), susținând încă o dată ideea că astrocitele sunt locurile primare ale glicolizei. Astfel, un număr mare de dovezi converg către concluzia că astrocitele sunt predominant celule glicolitice, în timp ce neuronii nu sunt, și în schimb prezintă o activitate oxidativă ridicată.

Prima demonstrație că glicoliza astrocitară este esențială pentru învățare și memorie a venit din studiile efectuate de Leif Hertz, Marie Gibbs și colegii săi, care au arătat că glicogenoliza este necesară pentru formarea memoriei. Folosind antrenamentul de evitare a gustului la un pui de o zi, ei au arătat că injectarea intracraniană a unui inhibitor al glicogen fosforilazei, 1,4-Dideoxi-1,4-imino-d-arabinitol (DAB) , a afectat memoria într-o manieră dependentă de doză și a concluzionat că glicogenoliza este o cerință critică pe termen lung.memoriestocare (Gibbs et al. 2006). În acord cu această concluzie, descompunerea glicogenului în creier crește semnificativ în timpul activării senzoriale la șobolani (Cruz și Dienel 2002; Swanson și colab. 1992), iar studiile ulterioare detaliate mai jos au demonstrat că glicogenul contribuie la mai multe tipuri de formare a memoriei la șobolani și soareci. Pe lângă glicogenoliză, poate fi necesară și glicoliza aerobă pentrumemorieformarea, așa cum a arătat experimentele în care inhibitorul de glicoliză 2-deoxiglucoza a fost injectat în creierul puilor de 1 zi la antrenament, ducând la afectarea memoriei pe termen lung (Gibbs et al. 2007). Astfel, mai multe studii au ajuns la concluzia că glicogenoliza și glicoliza aerobă, care are ca rezultat producerea de lactat, sunt legate în mod critic de formarea memoriei. Acest lucru ridică mai multe întrebări: cum are loc exact această reglementare? Cum sunt cuplate funcțional astrocitele de neuroni? Care sunt mecanismele țintă care consumă niveluri ridicate de energie la învățare și permit consolidarea memoriei?

Glicogenoliza astrocitară, glicoliza aerobă și lactatul sunt critice pe termen lungmemorieformarea în mai multe regiuni ale creierului

Un model propus de Pellerin și Magistretti (Pellerin și Magistretti 1994), cunoscut sub numele de naveta lactat astrocite-neuron (ANLS), sugerează că glicoliza astrocitelor și oxidarea neuronală joacă roluri coordonate în formarea memoriei pe termen lung prin transportul lactatului. Acest model prezice că excitația și, prin urmare, eliberarea de glutamat, stimulează absorbția glutamatului de către astrocite, care este transformat în glutamină (ciclul glutamat-glutamină), susținând în cele din urmă eliberarea sinaptică a glutamatului. Acest ciclu necesită energie din astrocite, care, prin urmare, ar activa absorbția de glucoză din sânge și ar metaboliza-o în lactat. Lactatul, eliberat de astrocite prin intermediul transportatorilor de monocarboxilați (MCT), poate pătrunde în alte tipuri de celule folosind transportori similari, care funcționează pe baza gradienților de concentrație de protoni și monocarboxilați de-a lungul membranei plasmatice (Halestrap 2013; Pierre și Pellerin 2005). MCT-urile sunt transportatori de membrană plasmatică legați de protoni care transportă molecule care conțin o grupă carboxilat (de unde și termenul monocarboxilați), cum ar fi corpii lactat, piruvat și cetonic, peste membranele plasmatice. MCT1 este exprimat în astrocite, ependimocite, oligodendrocite și celule endoteliale ale vaselor de sânge, în timp ce MCT4 este exprimat selectiv de astrocite și îmbogățit la locurile sinaptice (Pierre și Pellerin 2005; Rinholm și colab. 2011; Suzuki și colab.). MCT2, pe de altă parte, este exprimat selectiv de către neuroni (Debernardi et al. 2003).

Astfel, lactatul, eliberat de astrocite prin MCT4 și MCT1 este transportat de MCT2 în neuroni, unde este transformat în piruvat care este metabolizat ulterior prin fosforilarea oxidativă în mitocondrii pentru a produce 14-17 ATP per moleculă de lactat (Figura 2). Această aprovizionare cu lactat de la astrocite la neuroni oferă o explicație pentru modul în care neuronii ar putea gestiona cerințele de mare energie evocate de procesele active ca răspuns la stimuli.

Primele studii care au descris ANLS au fost efectuate in vitro și au fost ridicate întrebări cu privire la dacă aceste mecanisme au avut loc invivo (Chih și Roberts 2003; Dienel și Cruz 2004; Gjedde și colab. 2002). Cu toate acestea, studiile lui Hertz și Gibbs la puiul descris mai sus au sugerat că glicogenoliza este implicată înmemorieformarea (pentru revizuire vezi Gibbs 2016). În aceste studii, puii au fost expuși la două mărgele, una roșie și una albastră, și instruiți să evite ciugulirea mărgelei roșii prin asocierea cu un gust aversiv. În timpul testului de retenție, s-a măsurat raportul dintre numărul de ciocăniri de margele roșii și albastre, relevând o creștere a evitării ciocnirii margelelor roșii; modificarea raportului de discriminare a fost un indicator al memoriei (Hertz et al. 1996). Rezultatele inițiale au arătat că nivelurile de glicogen din creierul anterior au scăzut la 30 de minute după învățare, concomitent cu o creștere a glutamatului, sugerând denovosinteza glutamatului din glicogen pentru a susține.memorieconsolidare (Hertz et al. 2003; O'Dowd et al. 1994). Câțiva ani mai târziu, același grup a arătat că DAB afectează memoria aversiunii gustative la puii de o zi atunci când este infuzat în regiunea de asociere multimodală a creierului anterior, mezopaliul medial intermediar (IMM), o regiune a creierului necesară pentru consolidarea memoriei (Gibbs et al. 2006). ; Gibbs și Hertz 2008). Apoi au descoperit că glutamina este suficientă pentru a salva memoria și, prin urmare, au propus că glicogenoliza este critică pentru transferul glutamat/glutamină, care poate fi, de asemenea, afectat de DAB. Un studiu ulterior efectuat de aceiași autori a demonstrat că L-lactatul este, de asemenea, suficient pentru a salva memoria aversiunii gustative la pui după tratamentul cu un inhibitor fie al glicogenolizei (DAB) fie al glicolizei (2-deoxiglucoză) (Gibbs și colab. 2007). În plus, administrarea de D-lactat, forma competitivă nebiologic activă a lactatului, alterarea aversiunii la gust pentru puimemoriecu o întârziere care a sugerat că inhiba metabolismul L-lactatului și nu absorbția, ceea ce a condus autorii la concluzia că metabolismul astrocitar prin glicogenoliză și metabolismul lactatului este esențial pentru formarea memoriei (Gibbs și Hertz 2008). Aceste descoperiri au susținut ideea că învățarea la puiul neonatal se bazează pe descompunerea glicogenului pentru sinteza glutamatului în astrocite (Gibbs et al. 2007).

Cu toate acestea, o interpretare suplimentară este că lactatul produs prin glicogenoliză este transportat în neuroni pentru utilizarea lor, contribuind astfel la susținerea modificărilor neuronale critice pentru formarea memoriei. Am testat această ipoteză în creierul mamiferelor, concentrându-ne în mod special pe dacă mecanismele de glicogenoliză, eliberarea lactatului astrocitar și transportul în neuroni sunt implicate în consolidarea memoriei, procesul care stabilizează o memorie nou formată, inițial fragilă, într-o reprezentare stabilă de lungă durată (Alberini 2009). , Dudai 2004).

Folosind șobolani adulți antrenați într-o sarcină de evitare inhibitorie (IA), în care animalele învață să evite un context asociat anterior cu un șoc picior (un răspuns contextual la amenințare), am demonstrat că lactatul transportat de la astrocite la neuroni în hipocamp joacă un rol critic în consolidarea memoriei pe termen lung (Suzuki et al. 2011). În mod specific, am constatat că glicogenoliza astrocitară a hipocampului este necesară pentru consolidarea memoriei, potențarea pe termen lung a hipocampului invivo și creșterile induse de învățare ale modificărilor macromoleculare sinaptice și celulare, inclusiv expresia proteinei asociate citoscheletului reglată de activitatea genei imediate timpurii (IEG). (Arc sau Arg3.1) și fosforilarea factorului de transcripție CREB și a cofilinei proteinei care separă actina, toate acestea fiind markeri ai plasticității sinaptice pe termen lung. De fapt, DAB injectat bilateral în hipocampul dorsal înainte sau imediat după antrenamentul IA a perturbat în mod persistent retenția de memorie, iar această întrerupere a fost prevenită prin co-injectare de L-lactat, dar nu prin concentrații echicalorice de glucoză. În plus, după antrenamentul IA, concentrația extracelulară de lactat din hipocamp, măsurată prin invivomicrodializă, a crescut semnificativ și a rămas crescută mai mult de 1 oră, revenind la valoarea inițială cu aproximativ 90 de minute după antrenament. Această creștere a lactatului a fost complet eliminată prin injectarea bilaterală de DAB în hipocamp, sugerând că a fost rezultatul glicogenolizei astrocitare.

Mai mult, am descoperit că injectarea în hipocamp a izomerului inactiv D-lactat înainte de antrenament blochează, de asemenea, reținerea memoriei pe termen lung, sugerând că metabolismul lactatului este esențial pentru formarea memoriei pe termen lung. Efecte similare asupra retenției de memorie au fost observate în urma distrugerii transportatorilor de lactat (MCT). În mod remarcabil, deși tulburările de memorie induse de distrugerea transportatorilor de lactat exprimate în astrocite (MCT1 și MCT4) au fost salvate prin adăugarea de L-lactat, afectarea indusă de distrugerea transportorului exprimat în neuroni (MCT2) nu a fost, în concordanță cu ideea că transportul lactatului din astrocite și în neuroni este esențial pentru formarea memoriei. În conformitate cu această interpretare, un gradient de lactat între astrocite și neuroni a fost observat recent și caracterizat la microscopie cu doi fotoni de înaltă rezoluție (Machler et al. 2016). Prin urmare, am ajuns la concluzia că glicogenoliza și transportul lactatului astrocite-neuron susțin în mod critic funcțiile neuronale necesare pentru formarea memoriei pe termen lung. O investigație mai recentă a susținut în continuare rolul lactatului astrocitar în formarea memoriei, arătând că antrenamentul IA induce expresia hipocampală a moleculelor implicate în transportul astrocito-neuronal, cum ar fi MCT-urile și expresia lactat dehidrogenazei (LDH) A și B, enzimele care catalizează interconversia lactatului și piruvatului (Tadi et al. 2015).

Concluzii similare au ajuns la Newman et al. (2011), care au folosit biosonde sensibile pentru a măsura nivelurile de glucoză și lactat din creier în hipocampul șobolanilor în timp ce aceștia au fost supuși unei sarcini de memorie de lucru spațială. Ei au descoperit că, în timp ce glucoza extracelulară a scăzut, nivelurile de lactat au crescut în timpul îndeplinirii sarcinii, iar perfuziile intrahipocampale de L-lactat au îmbunătățit memoria în această sarcină. În plus, inhibarea farmacologică a glicogenolizei astrocitare cu DAB a afectat memoria, iar această afectare a fost inversată fie de L-lactat, fie de glucoză, ambele putând furniza lactat neuronilor în absența glicogenolizei. În acest studiu, ca și în al nostru, blocarea MCT-urilor responsabile pentru absorbția lactatului în neuroni a afectat memoria, iar această afectare nu a fost inversată nici de glucoză, nici de L-lactat, susținând din nou ideea că absorbția lactatului de către neuroni este necesară pentru a sprijini formarea memoriei. . Autorii au concluzionat, așa cum am făcut și noi, că astrocitele reglează formarea memoriei controlând furnizarea de lactat pentru a susține funcțiile neuronale.

Studii suplimentare bazate pe abordări genetice susțin aceste concluzii. Delgado-Garcia și colegii săi au descoperit că eliminarea glicogenului sintetazei în sistemul nervos al șoarecilor afectează atât LTP hipocampal, cât și învățarea asociativă (Duran et al. 2013). În plus, Boury-Jamot și colab. (2016) și Zhang și colab. (2016) au raportat că consolidarea și reconsolidarea condiționării apetitului folosind droguri de abuz (adică preferința locului condiționat de cocaină sau autoadministrarea) sunt, de asemenea, dependente de glicogenoliza și de transportul direcțional al lactatului de la astrocite la neuroni prin intermediul MCT-urilor din amigdala bazolaterală. (BLA) de șobolani. În plus, lactatul extracelular, măsurat prin microdializă invivo, este crescut în BLA după antrenament și recuperare IA (Sandusky et al. 2013).

În concordanță cu rezultatele acestor studii, am descoperit că glicogenoliza BLA este critică pentru formarea memoriei IA, așa cum demonstrează faptul că injecția bilaterală de DAB în BLA cu 15 minute înainte de antrenamentul IA a perturbat sever și persistent retenția de memorie la șobolani. Această afectare nu a fost salvată de un șoc de memento livrat într-un context diferit, un protocol care reinstaurează amintirile stinse (Inda et al. 2011), sugerând că blocarea glicogenolizei în amigdală înainte de antrenament perturbă procesul de consolidare. Administrarea concomitentă de L-lactat cu DAB în amigdală a salvat afectarea memoriei, confirmând importanța rolurilor glicogenolizei și lactatului în diverse zone ale creierului pentru consolidarea memoriei IA (Figura 3).

Funcțiile țintă alimentate de metabolismul lactatului și/sau glucozei sunt încă în mare parte necunoscute. Energia creierului este necesară pentru a susține impulsurile electrice necesare comunicării neuronale și pentru multe activități de întreținere, inclusiv sinteza proteinelor, metabolismul fosfolipidelor, ciclul neurotransmițătorilor și transportul ionilor prin membranele celulare (Du et al. 2008). După cum arată studiile descrise mai sus, metabolismul lactatului sprijină formarea memoriei pe termen lung și creșterea dependentă de antrenament a expresiei mai multor molecule legate de activitate și plasticitate, inclusiv Arc, cFos și Zif268 (Gao et al. 2016; Suzuki et al. 2011;

Yang şi colab. 2014). Aceste efecte sunt dependente de receptorul NMDA, ceea ce implică faptul că modificările dependente de lactat sunt legate de activitate și/sau plasticitate (Yang et al. 2014). Invivo, lactatul este suficient pentru a menține activitatea neuronală (Wyss et al. 2011) și date recente au arătat că creșterile interstițiale de K plus pot activa un canal pe membrana astrocitară prin care lactatul astrocitar poate curge în interstițiu, în paralel cu transportul stabilit prin intermediul MCT-uri (Sotelo-Hitschfeld et al., 2015). Această cale de eliberare a lactatului astrocitar este cuplată cu potențialul membranei și permite eliberarea de lactat împotriva unui gradient de concentrație, în timp ce MCT este electro-neutru și fluxul net este guvernat de concentrațiile transmembranare de H plus și lactat. În plus, a fost demonstrat un mecanism astrocitar prin adenilil ciclază solubilă sensibilă la bicarbonat care duce la descompunerea glicogenului, la glicoliză îmbunătățită și la eliberarea de lactat în spațiul extracelular, care este preluat ulterior de neuroni pentru a fi utilizat ca substrat energetic (Choi și colab. 2012). În mod colectiv, aceste studii susțin concluzia că livrarea de lactat de către astrocite către neuroni poate fi reglată în multe moduri ca răspuns la activitate și sunt necesare studii pentru a înțelege dacă mecanismele paralele sau selective apar în timpul învățării. Cu toate acestea, reiese că lactatul este necesar pentru a susține nu numai homeostazia membranei ionice după depolarizare, ci și numeroase alte funcții neuronale necesare pentru modificările pe termen lung asociate cu formarea și stocarea memoriei.