Dio 1: Astrocitni glikogen i laktat: novi uvid u mehanizme učenja i pamćenja

za više informacija:ali.ma@wecistanche.com

Molimo kliknite ovdje do 2. dijela

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

Centar za neuralne nauke, Univerzitet u Njujorku, Njujork, Njujork, 10003

Kliknite zaCistanches i cistanche za pamćenje

Abstract

Memorija, sposobnost zadržavanja naučenih informacija, neophodna je za preživljavanje. Do sada, molekularna i ćelijska istraživanjamemorijaformiranje i skladištenje uglavnom su se fokusirali na neuronske mehanizme. Međutim, pored neurona, mozak se sastoji od drugih tipova ćelija i sistema, uključujući gliju i vaskulaturu. U skladu s tim, nedavni eksperimentalni rad je počeo postavljati pitanja o ulozi ne-neuronskih stanica umemorijaformiranje. Ove studije pružaju dokaze da sve vrste glijalnih ćelija (astrociti, oligodendrociti i mikroglija) daju važan doprinos obradi kodiranih informacija i skladištenju sjećanja. U ovom pregledu sumiramo i raspravljamo o nedavnim nalazima o ključnoj ulozi astrocita kao dobavljača energije za dugotrajne neuronske promjene koje su neophodne za dugoročnememorijaformiranje. Fokusiramo se na tri glavna nalaza: prvo, ulogu metabolizma glukoze i metaboličku spregu koja ovisi o učenju i aktivnosti između astrocita i neurona u službi dugoročnogmemorijaformiranje; drugo, uloga metabolizma astrocitne glukoze u uzbuđenju, stanju koje doprinosi formiranju vrlo dugotrajnih i detaljnih sjećanja; i konačno, u svjetlu visokih energetskih zahtjeva mozga tokom ranog razvoja, raspravljat ćemo o mogućoj ulozi astrocitnog i neuronskog metabolizma glukoze u formiranju sjećanja iz ranog života. Zaključujemo predlaganjem budućih pravaca i raspravom o implikacijama ovih nalaza na zdravlje i bolesti mozga.

Ključne riječi

glukoza; metabolizam; glia; glikoliza; glikogenoliza; emocionalno uzbuđenje; razvoj

Dugoročnomemorijai njegovi osnovni neuronocentrični biološki mehanizmi njihovih osnovnih bioloških mehanizama i kola. Iako dugoročna sjećanja općenito zahtijevaju denovogenu ekspresiju, kratkoročna sjećanja se oslanjaju na post-translacijske proteinske modifikacije (Alberini 2009; Alberini i Kandel 2014; Squire i Dede 2015).

Sjećanja se također mogu podijeliti u različite kategorije na osnovu vrste informacija koje su kodirane i pohranjene. Na primjer, jedna glavna razlika klasifikuje sjećanja kao eksplicitna (kod ljudi također poznata kao deklarativne) ili implicitne (nedeklarativne) (Squire 2004). Eksplicitna sjećanja zadržavaju informacije o činjenicama, ljudima, mjestima i stvarima (poznata i kao sjećanja na šta, gdje, ko i kada, ili www sjećanja), i uključuju epizodna i semantička sjećanja. Implicitna sjećanja, koja se prisjećaju na nesvjestan/automatski način, zadržavaju informacije o naučenim automatskim odgovorima i uključuju pripremanje, proceduralna sjećanja (sjećanja na to kako raditi stvari) i jednostavne reflekse (Tulving 1972; Squire i Wixted 2011). Eksplicitne i implicitne memorije regrutuju različite sisteme (mrežu regiona) za njihovo kodiranje, konsolidaciju i skladištenje. I kliničke i studije na životinjama otkrile su da se eksplicitna sjećanja obrađuju od strane medijalnog temporalnog režnja, unutar kojeg je jedna kritična regija hipokampus, dok se implicitna sjećanja obrađuju na drugom mjestu i mogu funkcionirati u odsustvu netaknutog eksplicitnog sistema (Eichenbaum 2006; Kim i Fanselow 1992; Scoville i Milner 1957; Squire i Wixted 2011). Stoga se eksplicitna sjećanja nazivaju i sjećanja zavisna od hipokampusa. Iako implicitno i eksplicitnomemorijasistemi mogu biti funkcionalno razdvojeni, u normalnim zdravim uslovima oni sarađuju u procesu obrade i skladištenja složenih informacija (Kim i Baxter 2001; McDonald et al. 2004).

Studije usmjerene na rasvjetljavanje bioloških osnova dugotrajnih sjećanja uglavnom su se fokusirale na sjećanja zavisna od hipokampusa. Međutim, većina našeg razumijevanja ćelijskih i molekularnih mehanizama koji su u osnovimemorijaformiranje i skladištenje u početku su proizašli iz istraživanja jednostavnih oblika učenja, kao što je refleks povlačenja škrga kod Aplysia California i olfaktorno učenje kod Drosophila melanogaster (Yin et al. 1994; Dubnau i Tully 1998; Davis 2011; Kandel 2012). U Aplysiji, ove studije su otkrile veliku količinu informacija o molekularnim i ćelijskim putevima koji su aktivirani i regrutirani za provedbu dugoročnih modifikacija sinaptičke snage ili dugoročne sinaptičke plastičnosti. Ovi podaci su konvergirali s genetskim i bihevioralnim rezultatima dobivenim kod Drosophile. Vođene ovim saznanjima iz ova dva sistema beskičmenjaka, studije o paradigmama pamćenja sisara otkrile su da su slični molekularni putevi neophodni i kod složenijih sisara.memorija, uključujući sjećanja zavisna od hipokampusa. Konačno, brojne studije u posljednjih 30 godina na mnogim vrstama konvergirale su na zaključku da evolucijski očuvani biološki mehanizmi leže u osnovi dugoročne sinaptičke plastičnosti i formiranja dugotrajnog pamćenja (Alberini 2009; Kandel 2012; Kandel et al. 2014). Jedan klasičan primjer, koji je opsežno istražen, je evolucijski očuvana uloga cikličkog adenozin monofosfata (cAMP) – ovisnog puta i funkcionalno povezana aktivacija cAMP odgovornog elementa koji vezuje protein (CREB) – zavisna kaskada ekspresije gena ( Kida i Serita 2014; Lonze i Ginty 2002; Silva et al. 1998) (Slika 1).

Brojni modeli sisara različitih tipova kratkoročnog i dugotrajnog pamćenja, posebno kod glodara, korišteni su za istraživanje složenosti sisara.memorijaobrada u različitim regijama mozga. Ove studije su otkrile da su ekspresija i posttranslaciona regulacija mnogih klasa gena, RNK i proteina potrebni za formiranje i skladištenje dugotrajne memorije; tu spadaju geni neposrednog ranog perioda (npr. c-Fos, Zif268, NPAS4 i Arc/Arg3.1) (Bramham et al. 2008; Guzowski 2002; Loebrich i Nedivi 2009; Sun i Lin 2016; Veyrac et al. 2014), metabotropni i jonotropni receptori

za različite neurotransmitere (npr. AMPA, NMDA, Kainate, GABA i metabotropni glutamat receptori) i neuromodulatore (npr. dopaminergički i serotoninergički receptori), neurotrofičke faktore (npr. tirozin receptor kinaze) (Fanselow et al. 1994; Gonzalez i Feria-Burgo -Velasco 2008; Kandel 2001; Makkar et al. 2010; Morris 2013; Purcell i Carew 2003; Riedel 1996; Riedel et al. 2003), kinaze (npr. ERK, CamKII, PKA, PKC i MAPKMζ, et al. 2002; Kandel 2012; Lisman et al. 2002; Mayford 2007; Pastalkova et al. 2006; Rahn et al. 2013), faktori transkripcije (npr. CREB, C/EBP, NFkB, AP1, NPAS4, Zif268 i SRF) (Alberini 2009; Alberini i Kandel 2014; Jones et al. 2001; Sun i Lin 2016), epigenetski regulatori (npr. MSK1, RSK2, NFkB, DNMT, HATs i HDACs) (Day i Sweatt de 2011; la Fuente i ostali 2015; Franklin i Mansuy 2010; Rudenko i Tsai 2014), mikroRNA (npr. miR-124, miR-132, miR-128b i miR{{33} }) (Bredy et al. 2011; Nudelman et al. 2010; Saab i Mansuy 2 014), i niz efektorskih proteina uključenih u strukturne promjene, kao što su molekuli ćelijske adhezije (npr. neureksin i neuroligin) (Murase i Schuman 1999; Rose 1996; Ye et al. 2017; Bailey et al. 2015) (Slika 1).

Ova molekularna istraživanja su paralelna sa elektrofiziološkim studijama, koje su pokazale da ćelijski mehanizmi koji su u osnovi dugoročnihmemorijauključuju dugotrajne sinaptičke funkcionalne promjene, a posebno dugotrajna povećanja ili smanjenja sinaptičke transmisije poznate kao dugotrajna potencijacija (LTP) i dugotrajna depresija (LTD), respektivno (Bliss i Collingridge 1993; Malenka i Bear 2004) . Dodatne elektrofiziološke promjene u mozgu koje su uključene u formiranje dugotrajnog pamćenja uključuju koherentnost elektroencefalograma (EEG), tj. faznu sinhronizaciju oscilacija potencijala polja, koja koordinira vrijeme neuronskog skoka radi promicanja sinaptičke plastičnosti u distribuiranim regijama mozga (Corcoran et al. drugi 2016; Zanto i drugi 2011). Primjetno je da je ova komunikacija na nivou sistema među regijama mozga kontrolirana oštrim talasnim talasima (SPW-R) (Buzsáki 2015), asinhronim obrascem populacije u hipokampusu koji se uključuje u preslušavanje sa širokim područjem korteksa i nekoliko subkortikalnih jezgara. SPW-R se javljaju u "off-line" stanjima mozga tokom buđenja i u ne-REM snu i vjeruje se da konsoliduju epizodna sjećanja u hipokampalno-kortikalni sistem (Buzsáki 2015; Inostroza i Born 2013). Ove aktivnosti u cijelom sistemu pružaju moguće mehaničko objašnjenje zašto sjećanja zavisna od hipokampusa, koja su krhka u početnom periodu kada uključuju mrežu i hipokampalnih i kortikalnih regija, vremenom postaju stabilnija i isključivo nezavisna od hipokampusa. Ova redistribucija memorijskih reprezentacija i skladištenja poznata je kao konsolidacija na nivou sistema (Dudai et al. 2015; Squire et al. 2015; Frankland i Bontempi 2005).

Iako su ove studije pružile mnogo informacija o biološkim osnovama učenja imemorija, fokusirali su se na neuronske mehanizme i posljedično generirali zaključke uglavnom ograničene na neurone i neuronske funkcije. Međutim, pored neurona, mozak se sastoji od mnogih tipova ćelija i sistema, uključujući gliju i vaskularne

sistema. Nedavna istraživanja su počela da procenjuju ulogu ne-neuronskih ćelija na duži rokmemorijai pružio jasne dokaze da svi tipovi glijalnih ćelija (tj. astrociti, oligodendrociti i mikroglija) igraju kritičnu ulogu u procesuiranju pamćenja (Adamsky i Goshen 2017; Fields 2008; Gibbs et al. 2008; Lee et al. 2014; Moraga-Amaro et al. 2014; Parkhurst i dr. 2013; Suzuki i dr. 2011).

Astrociti su posebno dobro opremljeni da utiču na neuronske funkcije uključene u formiranje pamćenja (Haydon i Nedergaard 2014; Moraga-Amaro et al. 2014): oni su ekscitabilni kroz fluktuacije kalcijuma i reaguju na neurotransmitere koji se oslobađaju u sinapsama; sinkroniziraju se putem kalcijevih valova i oslobađaju vlastite gliotransmitere, koji su neophodni za sinaptičku plastičnost; komuniciraju s krvnim žilama i tako spajaju cirkulaciju (protok krvi) s lokalnom moždanom aktivnošću; i konačno, regulišu energetski metabolizam kao podršku neuronskim funkcijama, uključujući i one potrebne zamemorijaformacija (Henneberger et al. 2010; Pannasch i Rouach 2013; Perea et al. 2009; Bazargani i Attwell 2016). S obzirom na ovu metaboličku ulogu, astrociti su savršeno pozicionirani kako bi uravnotežili metabolizam glukoze u mozgu: s jedne strane, astrocitne krajnje noge direktno kontaktiraju slojeve krvnog suda koji uvoze glukozu iz krvi preko selektivnog transportera glukoze GLUT1, i s druge strane, ove ćelije proširuju procese koji se obavijaju oko pre- i postsinaptičkih odjeljaka neurona (Falkowska et al. 2015; Morgello et al.

1995) (Slika 2).

U ovom pregledu posebno ćemo raspravljati o kritičnom doprinosu astrocita, koji djeluju kao regulatori metabolizma glukoze,memorijaformiranje i skladištenje.

Metabolizam glikogena i glukoze igra ključnu ulogumemorijaformiranje

Studije Paula Golda i kolega identifikovale su sistemsku glukozu kao posrednikamemorija-pojačavajući efekat norepinefrina (Gold i Korol 2012). Sećanja kodirana u stanjima uzbuđenja se pamte bolje (tj. na duže periode i sa više detalja), a poznato je da uzbuđenje reguliše oslobađanje epinefrina iz nadbubrežnih žlezda. Epinefrin veže adrenergičke receptore (AR) na hepatocitima i pokreće razgradnju glikogena, polimera glukoze pohranjenog u jetri (Sutherland i Rall 1960), što dovodi do oslobađanja glukoze u krvotok. Sistemske injekcije glukoze u dozama usporedivim s onima koje se nalaze u krvi nakon liječenja epinefrinom dovoljne su za poboljšanjememorija, dok je nisko skladištenje glikogena u jetri, kao kod pacova bez hrane ili ostarjelih, povezano s nedostatkom poboljšanja pamćenja nakon tretmana epinefrinom (Morris et al. 2010; Talley et al. 2000). Suprotno tome, periferno blokirajući adrenergički receptori blokiraju sposobnost epinefrina da pojačamemorijai povećati glukozu u krvi. Zajedno, ove studije podržavaju zaključak da je glavni mehanizam koji leži u osnovi djelovanja epinefrina koji se oslobađa uzbuđenjem povećanje glukoze u krvi.

Učinak glukoze kao amemorijapojačivač je uočen i kod sistemskih i kod intracerebralnih injekcija, a povezan je sa regulacijom oslobađanja norepinefrina ili acetilholina. Ragozzino i kolege su pokazali da i sistemske i intrahipokampalne injekcije glukoze, poput injekcija epinefrina, pojačavaju spontanu alternaciju, oblik prostornog rada.memorijai povećavaju oslobađanje acetilholina u hipokampusu (Ragozzino et al. 1998; Ragozzino et al. 1996).

Razumijevanje uloge glukoze u modulaciji pamćenja značajno je napredovalo zapažanjem da kada se pacovi testiraju na zadatku spontane izmjene, nivoi ekstracelularne glukoze u hipokampusu značajno opadaju. Stoga je predloženo učenje imemorijakonzumiraju glukozu, vjerovatno da bi podržali energetske zahtjeve mozga dok obrađuje novo iskustvo i pohranjuje važne informacije (McNay et al.

2000; McNay et al. 2001; McNay i Sherwin 2004).

Zaista, mozak troši visoke nivoe energije: mozak odrasle osobe koristi u prosjeku oko 20 posto ukupne tjelesne energije, iako čini samo 2 posto ukupne tjelesne težine. Glukoza, glavni izvor energije koja ulazi u mozak iz cirkulacije, može se ili direktno metabolizirati ili uskladištiti u obliku glikogena. U zrelom mozgu, glikogen se uglavnom skladišti u astrocitima (Brown et al. 2004; Brunet et al. 2010; Cali et al. 2016; Cataldo i Broadwell, 1986; Maxwell i Kruger 1965; Petersen 1969; Pfeiffer-Guglielmi i dr. 2003; recenzirano u Waitt et al. 2017), i, u uvjetima velike potražnje za energijom, kao što je nedostatak glukoze ili intenzivna neuralna aktivnost, može se katabolizirati kako bi brzo isporučio metaboličke supstrate (tj. piruvat i laktat) (Brown i Ransom 2015). Iako neuroni posjeduju enzimsku mašineriju za skladištenje i razgradnju glikogena, u fiziološkim uslovima, oni potiskuju skladištenje glikogena kroz niz mehanizama. Zapravo, skladištenje glikogena u neuronima se opaža samo kod teških neuroloških bolesti kao što su progresivna mioklonusna epilepsija ili Laforina bolest, poremećaj mozga koji karakteriziraju ponavljajući napadi (epilepsija) i pad intelektualne funkcije (Vilchez et al. 2007). Dakle, glukoza, ili direktno metabolizirana putem glikolize ili dobijena astrocitnom glikogenolizom, može potaknuti visoke energetske zahtjeve povezane sa ćelijskim promjenama koje su u osnovi učenja,memorijaformiranje, imemorijaskladištenje.

Jedno pitanje o kojem se dugo raspravljalo je da li neuroni direktno uvoze glukozu koja ulazi u mozak iz krvi i odmah je koriste da osiguraju energiju potrebnu za podržavanje njihovih funkcija. Alternativni model, koji su predložili Pellerin i Magistretti (Pellerin i Magistretti 1994), predlaže da visoke energetske zahtjeve stimuliranih neurona podržavaju astrociti, koji opskrbljuju neurone laktatom proizvedenim putem aerobne glikolize, osiguravajući tako energiju potrebnu za aktivnost. inducirane neuronske funkcije; dakle, u slučaju učenja, za promjene uključene u obradu i pohranjivanje sjećanja. Takođe je moguće da se koriste oba mehanizma, možda kao odgovor na specifične uslove.

Model koji su predložili Magistretti i Pellerin je bio predmet velike debate. Ove debate su složene i vjerovatno odražavaju zamršenost metaboličkih propisa u različitim uslovima. S obzirom na raznolikost ovih uslova i sistema, nećemo moći raspravljati o tačkama debate u ovom rukopisu, pa se pozivamo na nekoliko recenzija koje ih izvještavaju (Chih et al., 2001; Chih i Roberts, 2003; Dienel i Hertz, 2001 ; Pellerin i Magistretti, 2003, 2012; Aubert et al., 2005; Dienel, 2010, 2017; DiNuzzo et al., 2010; Steinman et al. 2016). Mi ćemo, međutim, raspravljati o literaturi važnoj za otkriće o ulozi glikogena, glukoze i laktata u učenju i pamćenju, kao i u plastičnosti mozga.

Nekoliko studija je objavilo da stimulacija područja mozga povećava glikogenolizu i glikolizu, kao i unos glukoze u astrocite, u skladu s idejom da su astrocitni glikogen i metabolizam glukoze potrebni za održavanje procesa zavisnih od aktivnosti. Na primjer, NMR spektroskopija, koja omogućava mjerenje laktata invivo, otkrila je povišenje laktata u ljudskom vidnom korteksu tokom fiziološke fotičke stimulacije (Prichard et al. 1991.), a mjere zasnovane na mikrosenzorima otkrile su povećanje ekstracelularne koncentracije laktata u zubatu. girus hipokampusa pacova nakon električne stimulacije perforantnog puta (Hu i Wilson 1997). Štaviše, stimulacija brkova kod budnog štakora dovodi do brzog razgradnje glikogena u sloju IV somatosenzornog korteksa (Swanson et al. 1992) i rezultira preferencijalnim povećanjem unosa glukoze u astrocite u poređenju sa neuronima u somatosenzornom korteksu invivo (Chuquet et al. al., 2010.), iako je potrebno razumjeti više mehaničkih detalja (Dienel i Cruz 2015). Fizički položaj astrocita, između krvotoka s jedne strane i neurona s druge, dalje podržava ideju da astrocitna regulacija metabolizma glukoze subvencionira energetske zahtjeve aktivnosti, plastičnosti, učenja imemorijaformiranje.

U skladu s ovim stavom, metaboličko profiliranje astrocita i neurona otkrilo je različite karakteristike koje ukazuju na to da se glikoliza odvija uglavnom u astrocitima. Na primjer, kultivirani neuroni proizvode CO2 mnogo većom brzinom od astrocita, a njihovi odgovarajući enzimski profili su u skladu s relativnom dominacijom glikolize u glijalnim stanicama i oksidacije u neuronima (Bélanger et al. 2011; Hamberger i Hydén 1963; Hydén i Lange 1962). Osim toga, akutno izolirani, FACS-pročišćeni astrociti pokazuju prvenstveno glikolitički profil (Lovatt et al. 2007; Zhang et al. 2014). Konačno, enzim 6-fosfofrukto-2- kinaza/fruktoza-2,6-bisfosfataza 3 (Pfkfb3), koji potiče glikolizu, aktivan je u astrocitima, ali je stalno podvrgnut proteazomskoj degradaciji u neurona (Bolaños et al. 2010; Herrero-Mendez et al. 2009), još jednom podržavajući ideju da su astrociti primarno mjesto glikolize. Dakle, veliki broj dokaza konvergira sa zaključkom da su astrociti pretežno glikolitičke ćelije, dok neuroni nisu, već pokazuju visoku oksidativnu aktivnost.

Prva demonstracija da je astrocitna glikoliza kritična za učenje i pamćenje došla je iz studija koje su izveli Leif Hertz, Marie Gibbs i kolege, koji su pokazali da je glikogenoliza neophodna za formiranje pamćenja. Koristeći trening izbjegavanja okusa kod jednodnevnog pilića, pokazali su da intrakranijalna injekcija inhibitora glikogen fosforilaze, 1,4-dideoksi-1,4-imino-d-arabinitola (DAB) , oštećeno pamćenje na način ovisan o dozi, i zaključio da je glikogenoliza kritičan zahtjev za dugoročnumemorijaskladištenje (Gibbs et al. 2006). U skladu s ovim zaključkom, razgradnja glikogena u mozgu se značajno povećava tokom senzorne aktivacije kod štakora (Cruz i Dienel 2002; Swanson et al. 1992), a kasnije studije detaljno prikazane u nastavku su pokazale da glikogen doprinosi nekoliko tipova formiranja pamćenja kod štakora i miševi. Osim glikogenolize, može biti neophodna i aerobna glikolizamemorijaformiranje, što je otkriveno eksperimentima u kojima je inhibitor glikolize 2-deoksiglukoza ubrizgan u mozak jednodnevnih pilića na treningu, što je rezultiralo oštećenjem dugotrajnog pamćenja (Gibbs et al. 2007). Stoga je nekoliko studija došlo do zaključka da su glikogenoliza i aerobna glikoliza, koje rezultiraju proizvodnjom laktata, kritično povezane s formiranjem pamćenja. Ovo postavlja nekoliko pitanja: Kako tačno dolazi do ove uredbe? Kako su astrociti funkcionalno povezani sa neuronima? Koji su ciljni mehanizmi koji troše visok nivo energije prilikom učenja i omogućavaju konsolidaciju pamćenja?

Astrocitna glikogenoliza, aerobna glikoliza i laktat su kritični za dugoročnomemorijaformiranje u nekoliko regija mozga

Model koji su predložili Pellerin i Magistretti (Pellerin i Magistretti 1994), poznat kao astrocit-neuron laktatni šatl (ANLS), sugerira da glikoliza astrocita i oksidacija neurona igraju koordinirane uloge u formiranju dugotrajne memorije putem transporta laktata. Ovaj model predviđa da ekscitacija, a time i oslobađanje glutamata, stimulira uzimanje glutamata od strane astrocita, koji se pretvara u glutamin (glutamat-glutaminski ciklus), na kraju održavajući sinaptičko oslobađanje glutamata. Ovaj ciklus zahtijeva energiju iz astrocita, koji bi stoga aktivirali unos glukoze iz krvi i metabolizirali je u laktat. Laktat, koji astrociti oslobađaju preko monokarboksilatnih transportera (MCT), može ući u druge tipove ćelija koristeći slične transportere, koji rade na osnovu gradijenata koncentracije protona i monokarboksilata kroz plazma membranu (Halestrap 2013; Pierre i Pellerin 2005). MCT su transporteri plazma membrane povezani sa protonima koji prenose molekule koje sadrže jednu karboksilatnu grupu (otuda naziv monokarboksilati), kao što su laktatna, piruvatna i ketonska tela, kroz plazma membrane. MCT1 je eksprimiran u astrocitima, ependimocitima, oligodendrocitima i endotelnim stanicama krvnih žila, dok je MCT4 selektivno eksprimiran u astrocitima i obogaćen na sinaptičkim mjestima (Pierre i Pellerin 2005; Rinholm et al. 2011; Suzuki et al.; Suzuki et al.). MCT2 je, s druge strane, selektivno eksprimiran neuronima (Debernardi et al. 2003).

Tako se laktat, koji astrociti oslobađaju preko MCT4 i MCT1, transportuje MCT2 u neurone, gdje se pretvara u piruvat koji se kasnije metabolizira oksidativnom fosforilacijom u mitohondrijima kako bi se proizvelo 14-17 ATP-a po molekuli laktata (slika 2). Ova opskrba laktatom od astrocita do neurona pruža objašnjenje kako neuroni mogu podnijeti zahtjeve visoke energije izazvane aktivnim procesima kao odgovor na podražaje.

Prve studije koje su opisale ANLS izvedene su in-vitro, a postavljala su se pitanja da li su se ovi mehanizmi javili invivo (Chih i Roberts 2003; Dienel i Cruz 2004; Gjedde et al. 2002). Međutim, istraživanja Hertza i Gibbsa na gore opisanom pilića sugeriraju da je glikogenoliza uključena umemorijaformacija (za pregled vidi Gibbs 2016). U ovim studijama, pilići su bili izloženi dvjema perlicama, jednom crvenom i jednom plavom, te su obučeni da izbjegavaju kljucanje crvene perle zbog averzivnog ukusa. Tokom retencionog testa mjeren je omjer između broja kucanja crvenih i plavih perli, što je otkrilo povećanje izbjegavanja kljucanja crvenih perli; promjena u omjeru diskriminacije ukazuje na pamćenje (Hertz et al. 1996). Početni rezultati su pokazali da su se nivoi glikogena u prednjem mozgu smanjili 30 minuta nakon učenja, istovremeno s povišenjem glutamata, što sugerira denovosintezu glutamata iz glikogena za podrškumemorijakonsolidacija (Hertz et al. 2003; O'Dowd et al. 1994). Nekoliko godina kasnije, ista grupa je pokazala da DAB narušava pamćenje averzije okusa kod jednodnevnih pilića kada se unese u multimodalni region asocijacije prednjeg mozga, srednji medijalni mezopalijum (IMM), region mozga potreban za konsolidaciju pamćenja (Gibbs et al. 2006. Gibbs i Hertz 2008). Zatim su otkrili da je glutamin dovoljan da spasi pamćenje i stoga su predložili da je glikogenoliza kritična za glutamat/glutaminski šatl, na koji također može utjecati DAB. Naknadna studija istih autora pokazala je da je L-laktat također dovoljan da spasi pamćenje averzije na okus piletine nakon tretmana inhibitorom glikogenolize (DAB) ili glikolize (2-deoksiglukoza) (Gibbs et al. 2007). Nadalje, primjena D-laktata, kompetitivnog nebiološki aktivnog oblika laktata, narušila je averziju na okus piletinememorijas vremenskim zakašnjenjem koje je sugeriralo da inhibira metabolizam L-laktata, a ne apsorpciju, što je navelo autore na zaključak da je metabolizam astrocita kroz glikogenolizu i metabolizam laktata kritičan za formiranje pamćenja (Gibbs i Hertz 2008). Ovi nalazi podržavaju ideju da se učenje kod neonatalnog pilića oslanja na razgradnju glikogena za sintezu glutamata u astrocitima (Gibbs et al. 2007).

Međutim, dodatno tumačenje je da se laktat proizveden glikogenolizom transportuje u neurone za njihovu upotrebu, doprinoseći na taj način podržavanju neuronskih modifikacija kritičnih za formiranje pamćenja. Ovu hipotezu smo testirali invivo u mozgu sisara, posebno se fokusirajući na to da li su mehanizmi glikogenolize, oslobađanja astrocitnog laktata i transporta u neurone uključeni u konsolidaciju pamćenja, proces koji stabilizira novonastalu, u početku krhku memoriju u dugotrajnu stabilnu reprezentaciju (Alberini 2009. , Dudai 2004).

Koristeći odrasle štakore obučene u zadatku inhibitornog izbjegavanja (IA), u kojem životinje nauče izbjegavati kontekst koji je prethodno bio uparen sa udarom stopala (kontekstualni odgovor na prijetnju), pokazali smo da laktat koji se transportira od astrocita do neurona u hipokampusu djeluje ključnu ulogu u konsolidaciji dugotrajne memorije (Suzuki et al. 2011). Konkretno, otkrili smo da je hipokampalna astrocitna glikogenoliza potrebna za konsolidaciju pamćenja, invivo hipokampalno dugotrajno potenciranje i povećanje sinaptičkih i staničnih makromolekularnih promjena izazvano učenjem, uključujući ekspresiju neposrednog ranog gena (IEG) reguliranog aktivnošću proteina povezanog s citoskeletom. (Arc ili Arg3.1) i fosforilacija transkripcionog faktora CREB i kofilina proteina koji razdvaja aktin, a svi su to markeri dugotrajne sinaptičke plastičnosti. Zapravo, DAB ubrizgan bilateralno u dorzalni hipokampus prije ili neposredno nakon IA treninga uporno je poremetio zadržavanje pamćenja, a ovaj poremećaj je spriječen zajedničkom injekcijom L-laktata, ali ne i ekvikaloričnim koncentracijama glukoze. Osim toga, nakon IA treninga hipokampalna ekstracelularna koncentracija laktata, mjerena invivomikrodijalizom, značajno se povećala i ostala povišena više od 1 sata, vraćajući se na početnu vrijednost otprilike 90 minuta nakon treninga. Ovo povećanje laktata u potpunosti je uklonjeno bilateralnom injekcijom DAB-a u hipokampus, što sugerira da je rezultat astrocitne glikogenolize.

Nadalje, otkrili smo da hipokampalna injekcija neaktivnog izomera D-laktata prije treninga također blokira dugotrajno zadržavanje pamćenja, sugerirajući da je metabolizam laktata ključan za formiranje dugotrajnog pamćenja. Slični efekti na zadržavanje pamćenja uočeni su nakon pada laktatnih transportera (MCT). Primjetno, iako je oštećenje pamćenja izazvano srušenjem laktatnih transportera izraženih u astrocitima (MCT1 i MCT4) spašeno dodatkom L-laktata, oštećenje izazvano paljenjem transportera izraženog u neuronima (MCT2) nije bilo u skladu s ideja da je transport laktata iz astrocita u neurone kritičan za formiranje pamćenja. U skladu s ovom interpretacijom, nedavno je uočen laktatni gradijent između astrocita i neurona i okarakteriziran visokom rezolucijom uz pomoć dvofotonske mikroskopije (Machler et al. 2016). Stoga smo zaključili da glikogenoliza i transport laktata astrocit-neuron kritično podržavaju neuronske funkcije potrebne za formiranje dugotrajnog pamćenja. Novije istraživanje dodatno je podržalo ulogu astrocitnog laktata u formiranju pamćenja pokazujući da IA ​​trening inducira ekspresiju molekula uključenih u astrocitno-neuronski transport, kao što su MCT i ekspresija laktat dehidrogenaze (LDH) A i B, enzima koji kataliziraju međupretvorbu laktata i piruvata (Tadi et al. 2015).

Do sličnih zaključaka su došli Newman et al. (2011), koji je koristio osjetljive biosonde za mjerenje nivoa glukoze i laktata u mozgu u hipokampusu pacova dok su oni bili podvrgnuti zadatku prostorne radne memorije. Otkrili su da dok se ekstracelularna glukoza smanjuje, nivoi laktata se povećavaju tokom izvođenja zadatka, a intrahipokampalne infuzije L-laktata poboljšavaju pamćenje u ovom zadatku. Osim toga, farmakološka inhibicija astrocitne glikogenolize s DAB-om je narušila pamćenje, a ovo oštećenje je poništeno bilo L-laktatom ili glukozom, od kojih oba mogu osigurati laktat neuronima u odsustvu glikogenolize. U ovoj studiji, kao iu našoj, blokada MCT-a odgovornih za unos laktata u neurone narušila je pamćenje, a ovo oštećenje nije poništeno ni glukozom ni L-laktatom, što opet podržava ideju da je apsorpcija laktata od strane neurona neophodna za podršku formiranju pamćenja. . Autori su zaključili, kao i mi, da astrociti reguliraju formiranje pamćenja kontrolirajući opskrbu laktata za održavanje neuronskih funkcija.

Dodatne studije zasnovane na genetskim pristupima podržavaju ove zaključke. Delgado-Garcia i kolege su otkrili da nokautiranje glikogen sintaze u nervnom sistemu miševa narušava i hipokampalni LTP i asocijativno učenje (Duran et al. 2013). Pored toga, Boury-Jamot et al. (2016) i Zhang et al. (2016) su izvijestili da konsolidacija i ponovna konsolidacija konsolidacije apetita upotrebom droga za zloupotrebu (tj. preferencija mjesta uvjetovanih kokainom ili samoprimjena) također zavise od glikogenolize i usmjerenog transporta laktata od astrocita do neurona preko MCT-a u bazolateralnoj amigdi. (BLA) pacova. Nadalje, ekstracelularni laktat, mjeren mikrodijalizom invivo, je povišen u BLA nakon treninga i preuzimanja IA (Sandusky et al. 2013).

U skladu s rezultatima ovih studija, otkrili smo da je glikogenoliza BLA kritična za formiranje IA memorije, što je pokazano činjenicom da je bilateralna injekcija DAB-a u BLA 15 minuta prije IA treninga ozbiljno i uporno poremetila zadržavanje pamćenja kod pacova. Ovo oštećenje nije spašeno šokom podsjetnika u drugom kontekstu, protokolom koji ponovo uspostavlja ugašena sjećanja (Inda et al. 2011), sugerirajući da blokiranje glikogenolize u amigdali prije treninga remeti proces konsolidacije. Istodobna primjena L-laktata sa DAB u amigdali spasila je oštećenje pamćenja, potvrđujući važnost uloge glikogenolize i laktata u različitim područjima mozga za konsolidaciju IA memorije (Slika 3).

Ciljne funkcije potaknute metabolizmom laktata i/ili glukoze još uvijek su uglavnom nepoznate. Energija mozga je potrebna za podršku električnih impulsa potrebnih za neuronsku komunikaciju i za mnoge kućne aktivnosti, uključujući sintezu proteina, metabolizam fosfolipida, ciklus neurotransmitera i transport jona kroz ćelijske membrane (Du et al. 2008). Kao što su pokazale gore opisane studije, metabolizam laktata podržava formiranje dugotrajnog pamćenja i povećanje ekspresije nekoliko molekula koje se odnose na aktivnost i plastičnost ovisno o treningu, uključujući Arc, cFos i Zif268 (Gao et al. 2016; Suzuki et al. 2011;

Yang et al. 2014). Ovi efekti su zavisni od NMDA receptora, što implicira da su promjene zavisne od laktata povezane s aktivnošću i/ili plastičnošću (Yang et al. 2014). Invivo, laktat je dovoljan za održavanje neuronske aktivnosti (Wyss et al. 2011.) i nedavni podaci su pokazali da intersticijalna povišenja K plus mogu aktivirati kanal na membrani astrocita kroz koji astrocitni laktat može teći u intersticij, paralelno sa uspostavljenim transportom putem MCTs (Sotelo-Hitschfeld et al., 2015). Ovaj put oslobađanja astrocitnog laktata povezan je s membranskim potencijalom i omogućava oslobađanje laktata u odnosu na gradijent koncentracije, dok je MCT elektroneutralan i neto fluks je vođen transmembranskim koncentracijama H plus i laktata. Nadalje, dokazan je astrocitni mehanizam putem rastvorljive adenilil ciklaze koja reagira na bikarbonat koji dovodi do razgradnje glikogena, pojačane glikolize i oslobađanja laktata u ekstracelularni prostor, koji potom preuzimaju neuroni za korištenje kao energetski supstrat (Choi et al. 2012). Kolektivno ove studije podržavaju zaključak da se isporuka laktata od strane astrocita neuronima može regulisati na mnogo načina kao odgovor na aktivnost i potrebne su studije da bi se razumjelo da li se paralelni ili selektivni mehanizmi javljaju u toku učenja. Ipak, pokazalo se da je laktat neophodan da podrži ne samo homeostazu ionske membrane nakon depolarizacije, već i brojne druge neuronske funkcije potrebne za dugoročne modifikacije povezane s formiranjem i skladištenjem memorije.