Del 1: Astrocytglykogen og laktat: Ny indsigt i indlærings- og hukommelsesmekanismer

for flere oplysninger:ali.ma@wecistanche.com

Venligst klik her til del 2

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

Center for Neural Science, New York University, New York, NY, 10003

Klik for atCistancher og cistanche til hukommelsen

Abstrakt

Hukommelse, evnen til at bevare lært information, er nødvendig for overlevelse. Indtil videre har molekylære og cellulære undersøgelser afhukommelsedannelse og opbevaring har hovedsageligt fokuseret på neuronale mekanismer. Ud over neuroner omfatter hjernen imidlertid andre typer celler og systemer, herunder glia og vaskulatur. Derfor er det seneste eksperimentelle arbejde begyndt at stille spørgsmål om ikke-neuronale cellers roller ihukommelsedannelse. Disse undersøgelser giver bevis for, at alle typer gliaceller (astrocytter, oligodendrocytter og mikroglia) yder vigtige bidrag til behandlingen af ​​kodet information og lagring af minder. I denne gennemgang opsummerer og diskuterer vi de seneste resultater om astrocytters kritiske rolle som leverandør af energi til de langvarige neuronale ændringer, der er nødvendige for langsigtethukommelsedannelse. Vi fokuserer på tre hovedresultater: For det første, glukosemetabolismens rolle og den lærings- og aktivitetsafhængige metaboliske kobling mellem astrocytter og neuroner i tjeneste for langsigtethukommelsedannelse; for det andet den rolle, som astrocytisk glukosemetabolisme spiller i ophidselse, en tilstand, der bidrager til dannelsen af ​​meget langvarige og detaljerede minder; og endelig, i lyset af hjernens høje energibehov under tidlig udvikling, vil vi diskutere den mulige rolle af astrocytiske og neuronale glukosemetabolismer i dannelsen af ​​minder i det tidlige liv. Vi afslutter med at foreslå fremtidige retninger og diskutere konsekvenserne af disse fund for hjernens sundhed og sygdom.

Nøgleord

glukose; metabolisme; glia; glykolyse; glykogenolyse; følelsesmæssig ophidselse; udvikling

Langsigtethukommelseog dets underliggende neuron-centriske biologiske mekanismer af deres underliggende biologiske mekanismer og kredsløb. Selvom langtidshukommelser generelt kræver denovogen ekspression, er korttidshukommelser afhængige af post-translationelle proteinmodifikationer (Alberini 2009; Alberini og Kandel 2014; Squire og Dede 2015).

Erindringer kan også opdeles i forskellige kategorier på basis af typen af ​​information kodet og lagret. For eksempel klassificerer en stor forskel erindringer som eksplicitte (også kendt som deklarative hos mennesker) eller implicitte (ikke-deklarative) (Squire 2004). Eksplicitte minder bevarer information om fakta, mennesker, steder og ting (også kendt som minder om hvad, hvor, hvem og hvornår, eller www-minder), og inkluderer episodiske og semantiske minder. Implicitte erindringer, som genkaldes på en ubevidst/automatisk måde, bevarer information om indlærte automatiske reaktioner og inkluderer priming, proceduremæssige minder (minder om, hvordan man gør ting) og simple reflekser (Tulving 1972; Squire og Wixted 2011). Eksplicitte og implicitte hukommelser rekrutterer forskellige systemer (netværk af regioner) til deres kodning, konsolidering og lagring. Både kliniske og dyreforsøg har afsløret, at eksplicitte erindringer behandles af den mediale temporallap, inden for hvilken en kritisk region er hippocampus, hvorimod implicitte erindringer behandles andre steder og kan fungere i fravær af et intakt eksplicit system (Eichenbaum 2006; Kim og Fanselow 1992; Scoville og Milner 1957; Squire og Wixted 2011). Eksplicitte erindringer omtales således også som hippocampus-afhængige erindringer. Selvom implicit og eksplicithukommelsesystemer kan være funktionelt dissocierede, under normale sunde forhold samarbejder de om at behandle og lagre kompleks information (Kim og Baxter 2001; McDonald et al. 2004).

Undersøgelser rettet mod at belyse de biologiske grundlag for langtidshukommelser har hovedsageligt fokuseret på hippocampus-afhængige erindringer. Men det meste af vores forståelse af de cellulære og molekylære mekanismer, der ligger til grundhukommelsedannelse og opbevaring opstod oprindeligt fra undersøgelser af simple former for læring, såsom gælletilbagetrækningsrefleksen i Aplysia California og olfaktorisk læring i Drosophila melanogaster (Yin et al. 1994; Dubnau og Tully 1998; Davis 2011; Kandel 2012). I Aplysia afslørede disse undersøgelser en masse information om de molekylære og cellulære veje aktiveret og rekrutteret til at implementere langsigtede ændringer af synaptisk styrke eller langsigtet synaptisk plasticitet. Disse data konvergerede med genetiske og adfærdsmæssige resultater opnået i Drosophila. Styret af denne viden fra disse to hvirvelløse systemer afslørede undersøgelser af pattedyrs hukommelsesparadigmer, at lignende molekylære veje også er nødvendige i det mere komplekse pattedyrhukommelse, herunder hippocampus-afhængige minder. I sidste ende konvergerede talrige undersøgelser i de sidste 30 år på mange arter på den konklusion, at evolutionært bevarede biologiske mekanismer ligger til grund for langsigtet synaptisk plasticitet og langtidshukommelsesdannelse (Alberini 2009; Kandel 2012; Kandel et al. 2014). Et klassisk eksempel, som er blevet grundigt undersøgt, er den evolutionært bevarede rolle af det cykliske adenosinmonophosphat (cAMP) - en afhængig vej og den funktionelt forbundne aktivering af cAMP respons element-bindende protein (CREB) - en afhængig kaskade af genekspression ( Kida og Serita 2014; Lonze og Ginty 2002; Silva et al. 1998) (Figur 1).

Talrige pattedyrsmodeller af forskellige typer kort- og langtidshukommelse, især hos gnavere, er blevet brugt til at undersøge pattedyrs kompleksitethukommelsebehandling i en række hjerneområder. Disse undersøgelser afslørede, at ekspression og post-translationel regulering af mange klasser af gener, RNA'er og proteiner er påkrævet for langtidshukommelsesdannelse og -lagring; disse omfatter umiddelbart-tidlige gener (f.eks. c-Fos, Zif268, NPAS4 og Arc/Arg3.1) (Bramham et al. 2008; Guzowski 2002; Loebrich og Nedivi 2009; Sun og Lin 2016; Veyrac et al. 2014), metabotrope og ionotrope receptorer

for forskellige neurotransmittere (f.eks. AMPA, NMDA, Kainate, GABA og metabotropiske glutamatreceptorer) og neuromodulatorer (f.eks. dopaminerge og serotoninerge receptorer), neurotrofiske faktorer (f.eks. tyrosinreceptorkinase) (Fanselow et al. 1994; Gonzalezia and Ferry -Velasco 2008; Kandel 2001; Makkar et al. 2010; Morris 2013; Purcell og Carew 2003; Riedel 1996; Riedel et al. 2003), kinaser (f.eks. ERK, CamKII, PKA, PKC, PKM)ζ (Bejar og MAPK) et al. 2002; Kandel 2012; Lisman et al. 2002; Mayford 2007; Pastalkova et al. 2006; Rahn et al. 2013), transkriptionsfaktorer (f.eks. CREB, C/EBP, NFkB, AP1, NPAS4, NR468 , og SRF) (Alberini 2009; Alberini og Kandel 2014; Jones et al. 2001; Sun og Lin 2016), epigenetiske regulatorer (f.eks. MSK1, RSK2, NFkB, DNMT, HATs og HDACs) (Day og Sweatt 2011; de la Fuente et al. 2015; Franklin og Mansuy 2010; Rudenko og Tsai 2014), mikroRNA'er (f.eks. miR-124, miR-132, miR-128b og miR{{33} }) (Bredy et al. 2011; Nudelman et al. 2010; Saab og Mansuy 2 014), og en række effektorproteiner involveret i strukturelle ændringer, såsom celleadhæsionsmolekyler (f.eks. neurexin og neuroligin) (Murase og Schuman 1999; Rose 1996; Ye et al. 2017; Bailey et al. 2015) (Figur 1).

Disse molekylære undersøgelser er blevet sideløbende med elektrofysiologiske undersøgelser, som viste, at de cellulære mekanismer, der ligger til grund for langsigtedehukommelseinvolverer langsigtede synaptiske funktionelle ændringer, og især langsigtede stigninger eller fald i synaptisk transmission kendt som henholdsvis langsigtet potensering (LTP) og langtidsdepression (LTD) (Bliss og Collingridge 1993; Malenka og Bear 2004) . Yderligere elektrofysiologiske ændringer i hjernen, der har været impliceret i langtidshukommelsesdannelse, omfatter elektroencefalogram (EEG) kohærens, dvs. fasesynkronisering af feltpotentiale oscillationer, som koordinerer timingen af ​​neuronal spiking for at fremme synaptisk plasticitet på tværs af distribuerede hjerneregioner (Corcoran et al. al. 2016; Zanto et al. 2011). Især er denne kommunikation på systemniveau mellem hjerneregioner styret af skarpe bølgebølger (SPW-R'er) (Buzsáki 2015), asynkront befolkningsmønster i hippocampus, der engagerer sig i krydstale med et bredt område af cortex og flere subkortikale kerner. SPW-R'er forekommer i "off-line" tilstande i hjernen under vågenhed og i ikke-REM-søvn og menes at konsolidere episodiske hukommelser på tværs af hippocampus-kortikale systemet (Buzsáki 2015; Inostroza og Born 2013). Disse systemomfattende aktiviteter giver en mulig mekanistisk forklaring på, hvorfor hippocampus-afhængige erindringer, som er skrøbelige i den indledende periode, når de engagerer sig i et netværk af både hippocampus og corticale regioner, bliver mere stabile og udelukkende hippocampus-uafhængige over tid. Denne omfordeling af hukommelsesrepræsentationer og lagring er kendt som system-niveau konsolidering (Dudai et al. 2015; Squire et al. 2015; Frankland og Bontempi 2005).

Selvom disse undersøgelser gav megen information om det biologiske grundlag for læring oghukommelse, fokuserede de på neuronale mekanismer og genererede følgelig konklusioner, for det meste begrænset til neuroner og neuronale funktioner. Men ud over neuroner omfatter hjernen mange typer celler og systemer, herunder glia og vaskulære

systemer. Nylige undersøgelser er begyndt at vurdere ikke-neuronale cellers rolle på lang sigthukommelseog leverede klare beviser for, at alle gliacelletyper (dvs. astrocytter, oligodendrocytter og mikroglia) spiller kritiske roller i hukommelsesbehandling (Adamsky og Goshen 2017; Fields 2008; Gibbs et al. 2008; Lee et al. 2014; Moraga-Amaro et al. al. 2014; Parkhurst et al. 2013; Suzuki et al. 2011).

Astrocytter er særligt veludstyrede til at påvirke neuronale funktioner involveret i hukommelsesdannelse (Haydon og Nedergaard 2014; Moraga-Amaro et al. 2014): de er excitable gennem calciumudsving og reagerer på neurotransmittere frigivet ved synapser; de synkroniserer via calciumbølger og frigiver deres egne gliotransmittere, som er afgørende for synaptisk plasticitet; de kommunikerer med blodkar og kobler således cirkulation (blodgennemstrømning) til lokal hjerneaktivitet; og endelig regulerer de energimetabolisme til støtte for neuronale funktioner, herunder dem, der kræves tilhukommelsedannelse (Henneberger et al. 2010; Pannasch og Rouach 2013; Perea et al. 2009; Bazargani og Attwell 2016). Med hensyn til denne metaboliske rolle er astrocytter perfekt positioneret til at balancere metabolismen af ​​glukose i hjernen: på den ene side er de astrocytiske endefødder direkte i kontakt med lagene af blodkarret, der importerer glukose fra blodet via den selektive glukosetransportør GLUT1, og på den anden side udvider disse celler processer, der omslutter de præ- og postsynaptiske rum af neuroner (Falkowska et al. 2015; Morgello et al.

1995) (figur 2).

I denne gennemgang vil vi specifikt diskutere det kritiske bidrag fra astrocytter, der fungerer som regulatorer af glukosemetabolisme, tilhukommelsedannelse og opbevaring.

Glykogen- og glucosemetabolisme spiller en afgørende rolle ihukommelsedannelse

Undersøgelser af Paul Gold og kolleger identificerede systemisk glukose som en mellemmand afhukommelse-forstærkende effekt af noradrenalin (Gold og Korol 2012). Minder kodet i ophidselsestilstande huskes bedre (dvs. i længere perioder og med større detaljer), og ophidselse er velkendt for at regulere frigivelsen af ​​adrenalin fra binyrerne. Epinephrin binder adrenerge receptorer (AR'er) på hepatocytter og initierer nedbrydningen af ​​glykogen, en polymer af glukose lagret i leveren (Sutherland og Rall 1960), hvilket fører til frigivelse af glukose til blodbanen. Systemiske glukoseinjektioner i doser, der kan sammenlignes med dem, der findes i blodet efter epinephrinbehandling, er tilstrækkelige til at forstærkehukommelse, hvorimod lav leverglykogenopbevaring, som hos madberøvede eller gamle rotter, er forbundet med manglende hukommelsesforbedring efter epinephrinbehandling (Morris et al. 2010; Talley et al. 2000). Omvendt blokerer perifert blokerende adrenerge receptorer epinephrins evne til at forstærkehukommelseog øge blodsukkeret. Samlet understøtter disse undersøgelser konklusionen om, at en væsentlig mekanisme, der ligger til grund for virkningerne af adrenalin frigivet ved ophidselse, er stigningen i blodsukker.

Virkningen af ​​glukose som enhukommelseforstærker er blevet observeret med både systemiske og intracerebrale injektioner, og det er blevet forbundet med reguleringen af ​​enten noradrenalin eller acetylcholin frigivelse. Ragozzino og kolleger viste, at både systemiske og intra-hippocampale injektioner af glukose, ligesom injektioner af adrenalin, øger spontan vekslen, en form for rumlig arbejdehukommelseog øge frigivelsen af ​​acetylcholin i hippocampus (Ragozzino et al. 1998; Ragozzino et al. 1996).

Forståelsen af ​​glukoses rolle på hukommelsesmodulation blev betydeligt fremskreden af ​​den observation, at når rotter testes på en spontan vekslende opgave, falder niveauerne af ekstracellulær glukose i hippocampus signifikant. Derfor blev det foreslået, at læring oghukommelseindtager glukose, formentlig for at understøtte hjernens energibehov, mens den behandler den nye oplevelse og lagrer den vigtige information (McNay et al.

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

Faktisk forbruger hjernen høje niveauer af energi: den voksne hjerne bruger i gennemsnit omkring 20 procent af den samlede kropsenergi, på trods af at den kun tegner sig for 2 procent af den samlede kropsvægt. Glukose, den vigtigste energikilde, der kommer ind i hjernen fra kredsløbet, kan enten metaboliseres direkte eller opbevares i form af glykogen. I den modne hjerne lagres glykogen mest i astrocytter (Brown et al. 2004; Brunet et al. 2010; Cali et al. 2016; Cataldo og Broadwell, 1986; Maxwell og Kruger 1965; Petersen 1969; Pfeiffer-Guglielmi et al. 2003; gennemgået i Waitt et al. 2017), og kan under forhold med høj energibehov såsom glukosemangel eller intens neural aktivitet kataboliseres til hurtigt at levere metaboliske substrater (dvs. pyruvat og laktat) (Brown og Ransom 2015). Selvom neuroner besidder det enzymatiske maskineri til at lagre og nedbryde glykogen, under fysiologiske forhold, undertrykker de glykogenlagring gennem en række mekanismer. Faktisk observeres glykogenlagring i neuroner kun ved alvorlige neurologiske sygdomme som progressiv myoklonus epilepsi eller Lafora sygdom, en hjernesygdom karakteriseret ved tilbagevendende anfald (epilepsi) og et fald i intellektuel funktion (Vilchez et al. 2007). Således kan glukose, enten direkte metaboliseret via glykolyse eller leveret af astrocytisk glycogenolyse, sætte skub i det høje energibehov, der er forbundet med de cellulære ændringer, der ligger til grund for læring,hukommelsedannelse, oghukommelseopbevaring.

Et længe omdiskuteret spørgsmål er, om neuroner direkte importerer glukose, der kommer ind i hjernen fra blodet, og bruger det med det samme til at give den energi, der kræves for at understøtte deres funktioner. En alternativ model, foreslået af Pellerin og Magistretti (Pellerin og Magistretti 1994), foreslår, at de høje energikrav fra stimulerede neuroner understøttes af astrocytter, som forsyner neuronerne med laktat produceret via aerob glykolyse, og derved giver den energi, der kræves til aktiviteten. inducerede neuronale funktioner; derfor, i tilfælde af læring, for de ændringer, der er involveret i behandlingen og lagringen af ​​minder. Det er også muligt, at begge mekanismer bliver brugt, måske som reaktion på specifikke forhold.

Modellen foreslået af Magistretti og Pellerin har været meget omdiskuteret. Disse debatter er komplekse og afspejler sandsynligvis forviklingen af ​​metaboliske reguleringer under forskellige forhold. På grund af mangfoldigheden af ​​disse forhold og systemer vil vi ikke være i stand til at diskutere punkterne i debatten i dette manuskript, og derfor henviser vi til flere anmeldelser, der rapporterer dem (Chih et al., 2001; Chih og Roberts, 2003; Dienel og Hertz, 2001 ; Pellerin og Magistretti, 2003, 2012; Aubert et al., 2005; Dienel, 2010, 2017; DiNuzzo et al., 2010; Steinman et al. 2016). Vi vil imidlertid diskutere den litteratur, der er vigtig for resultaterne af glykogens, glucose- og laktats roller i indlæring og hukommelse samt i hjernens plasticitet.

Adskillige undersøgelser rapporterede, at stimulering af hjerneområder øger glykogenolyse og glykolyse, såvel som glukoseoptagelse, i astrocytter, i overensstemmelse med ideen om, at astrocytisk glykogen og glukosemetabolisme er nødvendig for at opretholde aktivitetsafhængige processer. For eksempel afslørede NMR-spektroskopi, som muliggør måling af laktat invivo, en forhøjelse af laktat i den menneskelige visuelle cortex under fysiologisk fotografisk stimulering (Prichard et al. 1991), og mikrosensorbaserede målinger afslørede en stigning i ekstracellulær laktatkoncentration i dentatet gyrus af rottehippocampus efter elektrisk stimulering af den perforante vej (Hu og Wilson 1997). Ydermere fører whisker-stimulering i den vågne rotte til hurtig nedbrydning af glykogen i lag IV af den somatosensoriske cortex (Swanson et al. 1992) og resulterer i en præferentiel stigning i glukoseoptagelsen i astrocytter sammenlignet med neuroner i den somatosensoriske cortex invivo (Chuquet et al. al., 2010), selvom flere mekanistiske detaljer skal forstås (Dienel og Cruz 2015). Astrocytternes fysiske position, mellem blodgennemstrømningen på den ene side og neuroner på den anden, understøtter yderligere ideen om, at astrocytisk regulering af glukosemetabolismen subsidierer energikravene til aktivitet, plasticitet, læring oghukommelsedannelse.

I overensstemmelse med denne opfattelse afslørede metabolisk profilering af astrocytter og neuroner distinkte træk, der indikerer, at glykolyse hovedsageligt forekommer i astrocytter. For eksempel producerer dyrkede neuroner CO2 med en meget højere hastighed end astrocytter, og deres respektive enzymatiske profiler er i overensstemmelse med den relative overvægt af glykolyse i gliaceller og oxidation i neuroner (Bélanger et al. 2011; Hamberger og Hydén 1963; Hydén og Lange 1962). Derudover udviser akut isolerede, FACS-rensede astrocytter en primært glykolytisk profil (Lovatt et al. 2007; Zhang et al. 2014). Endelig er enzymet 6-phosphofructo-2- kinase/fructose-2,6-bisphosphatase 3 (Pfkfb3), som fremmer glykolyse, aktivt i astrocytter, men konstant udsat for proteasomal nedbrydning i neuroner (Bolaños et al. 2010; Herrero-Mendez et al. 2009), hvilket igen understøtter ideen om, at astrocytter er de primære steder for glykolyse. Således konvergerer en stor mængde beviser konklusionen om, at astrocytter overvejende er glykolytiske celler, hvorimod neuroner ikke er det, og i stedet udviser høj oxidativ aktivitet.

Den første demonstration af, at astrocytisk glykolyse er kritisk for indlæring og hukommelse, kom fra undersøgelser udført af Leif Hertz, Marie Gibbs og kolleger, som viste, at glykogenolyse er nødvendig for hukommelsesdannelse. Ved at bruge smagsforebyggelsestræning hos en daggammel kylling viste de, at intrakraniel injektion af en inhibitor af glykogenphosphorylase, 1,4-Dideoxy-1,4-imino-d-arabinitol (DAB) , svækkede hukommelsen på en dosisafhængig måde og konkluderede, at glykogenolyse er et kritisk krav for langsigtethukommelseopbevaring (Gibbs et al. 2006). I overensstemmelse med denne konklusion øges nedbrydning af glykogen i hjernen betydeligt under sensorisk aktivering hos rotter (Cruz og Dienel 2002; Swanson et al. 1992), og senere undersøgelser beskrevet nedenfor viste, at glykogen bidrager til flere typer hukommelsesdannelse hos rotter og mus. Udover glykogenolyse kan aerob glykolyse også være nødvendig vedrhukommelsedannelse, som afsløret af eksperimenter, hvor glykolysehæmmeren 2-deoxyglucose blev sprøjtet ind i hjernen på 1 dag gamle kyllinger ved træning, hvilket resulterede i langtidshukommelsessvækkelse (Gibbs et al. 2007). Flere undersøgelser har således konvergeret på den konklusion, at glykogenolyse og aerob glykolyse, hvilket resulterer i produktionen af ​​laktat, er kritisk forbundet med hukommelsesdannelse. Dette rejser flere spørgsmål: Hvordan opstår denne regulering præcist? Hvordan er astrocytter funktionelt koblet til neuroner? Hvad er målmekanismerne, der forbruger høje niveauer af energi ved indlæring og tillader hukommelseskonsolidering at forekomme?

Astrocytisk glykolyse, aerob glykolyse og laktat er afgørende for langsigtethukommelsedannelse i flere hjerneområder

En model foreslået af Pellerin og Magistretti (Pellerin og Magistretti 1994), kendt som astrocyte-neuron lactate shuttle (ANLS), antyder, at astrocytglykolyse og neuronal oxidation spiller koordinerede roller i langtidshukommelsesdannelse via transport af laktat. Denne model forudsiger, at excitation og dermed glutamatfrigivelse stimulerer astrocytters optagelse af glutamat, som omdannes til glutamin (glutamat-glutamin-cyklus), og til sidst opretholder den synaptiske frigivelse af glutamat. Denne cyklus kræver energi fra astrocytter, som derfor vil aktivere glukoseoptagelsen fra blodet og omsætte det til laktat. Lactat, frigivet af astrocytter via monocarboxylattransportører (MCT'er), kan trænge ind i andre typer celler ved hjælp af lignende transportører, som opererer på basis af koncentrationsgradienter af protoner og monocarboxylat over plasmamembranen (Halestrap 2013; Pierre og Pellerin 2005). MCT'er er protonbundne plasmamembrantransportører, der bærer molekyler indeholdende en carboxylatgruppe (deraf udtrykket monocarboxylater), såsom lactat, pyruvat og ketonlegemer, på tværs af plasmamembraner. MCT1 udtrykkes i astrocytter, ependymocytter, oligodendrocytter og endotelceller i blodkar, hvorimod MCT4 udtrykkes selektivt af astrocytter og beriges på synaptiske steder (Pierre og Pellerin 2005; Rinholm et al. 2011; Suzuki et al. 2011). MCT2 er på den anden side selektivt udtrykt af neuroner (Debernardi et al. 2003).

Således transporteres laktat, frigivet af astrocytter via MCT4 og MCT1 af MCT2 til neuroner, hvor det omdannes til pyruvat, der efterfølgende metaboliseres gennem oxidativ fosforylering i mitokondrier til at producere 14-17 ATP'er pr. laktatmolekyle (figur 2). Denne laktatforsyning fra astrocytter til neuroner giver en forklaring på, hvordan neuroner kan håndtere de høje energikrav, der fremkaldes af aktive processer som reaktion på stimuli.

De første undersøgelser, der beskrev ANLS, blev udført in vitro, og der blev rejst spørgsmål om, hvorvidt disse mekanismer forekom invivo (Chih og Roberts 2003; Dienel og Cruz 2004; Gjedde et al. 2002). Undersøgelser foretaget af Hertz og Gibbs i kyllingen beskrevet ovenfor antydede imidlertid, at glykogenolyse er involveret ihukommelsedannelse (for gennemgang se Gibbs 2016). I disse undersøgelser blev kyllingerne udsat for to perler, en rød og en blå, og trænet i at undgå at hakke den røde perle ved at forbinde dem med en afersiv smag. Under retentionstesten blev forholdet mellem antallet af hakkede røde og blå perler målt, hvilket afslørede en stigning i undgåelse af hakkede røde perler; ændringen i diskriminationsforholdet var tegn på hukommelse (Hertz et al. 1996). De første resultater viste, at glykogenniveauet i forhjernen faldt 30 minutter efter indlæring, samtidig med en stigning i glutamat, hvilket tyder på denovosyntese af glutamat fra glykogen til støttehukommelsekonsolidering (Hertz et al. 2003; O'Dowd et al. 1994). Et par år senere viste den samme gruppe, at DAB svækker smagaversionshukommelsen hos daggamle kyllinger, når det infunderes i den multimodale forhjerneassocieringsregion, det intermediate mediale mesopallium (IMM), en hjerneregion, der kræves til hukommelseskonsolidering (Gibbs et al. 2006) ; Gibbs og Hertz 2008). De fandt derefter, at glutamin var tilstrækkeligt til at redde hukommelsen, og foreslog derfor, at glykogenolyse var kritisk for glutamat/glutamin-shuttlen, som også kan være påvirket af DAB. En efterfølgende undersøgelse fra de samme forfattere viste, at L-lactat også er tilstrækkeligt til at redde kyllinges smags-aversionshukommelse efter behandling med en hæmmer af enten glycogenolyse (DAB) eller glycolyse (2-deoxyglucose) (Gibbs et al. 2007). Endvidere administration af D-lactat, den konkurrerende ikke-biologisk aktive form for laktat, svækket kyllingesmagaversionhukommelsemed en tidsforsinkelse, der antydede, at det hæmmede L-lactatmetabolismen og ikke optagelsen, hvilket førte til, at forfatterne konkluderede, at astrocytisk metabolisme gennem glykogenolyse og laktatmetabolisme er afgørende for hukommelsesdannelse (Gibbs og Hertz 2008). Disse resultater understøttede ideen om, at læring hos den neonatale kylling er afhængig af nedbrydningen af ​​glykogen til glutamatsyntese i astrocytter (Gibbs et al. 2007).

En yderligere fortolkning er imidlertid, at laktat produceret ved glycogenolyse transporteres ind i neuroner til deres brug, hvilket bidrager til at understøtte neuronale modifikationer, der er kritiske for hukommelsesdannelse. Vi testede denne hypotese invivoin pattedyrs hjerner, med fokus specifikt på, om mekanismer for glycogenolyse, astrocytisk laktatfrigivelse og transport til neuroner er involveret i hukommelseskonsolidering, den proces, der stabiliserer en nydannet, oprindeligt skrøbelig hukommelse til en langvarig stabil repræsentation (Alberini 2009) , Dudai 2004).

Ved at bruge voksne rotter trænet i en hæmmende undgåelse (IA) opgave, hvor dyrene lærer at undgå en kontekst, der tidligere var parret med et fodchok (en kontekstuel reaktion på trussel), viste vi, at laktat transporteret fra astrocytter til neuroner i hippocampus spiller en kritisk rolle i langtidshukommelseskonsolidering (Suzuki et al. 2011). Specifikt fandt vi, at hippocampus astrocytisk glykogenolyse er nødvendig for hukommelseskonsolidering, invivo hippocampus langsigtet potensering og læringsinducerede stigninger i synaptiske og cellulære makromolekylære ændringer, herunder ekspression af det immediate early gen (IEG) aktivitetsreguleret cytoskelet-associeret protein (Arc eller Arg3.1) og phosphorylering af transkriptionsfaktoren CREB og af det actin-adskillende protein cofilin, som alle er markører for langsigtet synaptisk plasticitet. Faktisk forstyrrede DAB bilateralt injiceret i dorsale hippocampus før eller umiddelbart efter IA-træning vedvarende hukommelsesbevaring, og denne forstyrrelse blev forhindret ved co-injektion af L-lactat, men ikke ækvikaloriske koncentrationer af glukose. Efter IA-træning steg den hippocampale ekstracellulære koncentration af lactat, målt ved invivomicrodialyse, signifikant og forblev forhøjet i mere end 1 time og vendte tilbage til baseline ca. 90 minutter efter træning. Denne stigning i laktat blev fuldstændig afskaffet ved bilateral DAB-injektion i hippocampus, hvilket tyder på, at det var resultatet af astrocytisk glykogenolyse.

Desuden fandt vi, at hippocampus-injektion af den inaktive isomer D-lactat før træning også blokerer langtidshukommelsesbevarelse, hvilket tyder på, at laktatmetabolisme er afgørende for langtidshukommelsesdannelse. Lignende virkninger på hukommelsesbevarelse blev observeret efter knockdown af lactattransportører (MCT'er). Det er bemærkelsesværdigt, at selvom hukommelsessvækkelsen induceret af knockdown af lactattransportører udtrykt i astrocytter (MCT1 og MCT4) blev reddet ved tilsætning af L-lactat, var svækkelsen induceret af knockdown af transporteren udtrykt i neuroner (MCT2) ikke i overensstemmelse med ideen om, at transporten af ​​laktat ud af astrocytter og ind i neuroner er afgørende for hukommelsesdannelse. I overensstemmelse med denne fortolkning blev en laktatgradient mellem astrocytter og neuroner for nylig observeret og karakteriseret ved høj opløsning invivous to-photon mikroskopi (Machler et al. 2016). Derfor konkluderede vi, at glykogenolyse og transport af astrocyt-neuron-lactat kritisk understøtter neuronale funktioner, der kræves til langsigtet hukommelsesdannelse. En nyere undersøgelse understøttede yderligere astrocytisk lactats rolle i hukommelsesdannelse ved at vise, at IA-træning inducerer hippocampus ekspression af molekyler involveret i astrocytisk-neuronal transport, såsom MCT'er og ekspressionen af ​​lactatdehydrogenase (LDH) A og B, de enzymer, der katalysere indbyrdes omdannelse af laktat og pyruvat (Tadi et al. 2015).

Lignende konklusioner blev nået af Newman et al. (2011), som brugte følsomme bioprober til at måle hjerneglukose- og laktatniveauer i hippocampus hos rotter, mens de gennemgik en rumlig arbejdshukommelsesopgave. De fandt ud af, at mens ekstracellulær glucose faldt, steg laktatniveauerne under opgavens udførelse, og intrahippocampale infusioner af L-lactat forbedrede hukommelsen i denne opgave. Derudover svækkede farmakologisk hæmning af astrocytisk glykogenolyse med DAB hukommelsen, og denne svækkelse blev vendt af enten L-lactat eller glucose, som begge kan give laktat til neuroner i fravær af glykogenolyse. I denne undersøgelse, som i vores, svækkede blokade af de MCT'er, der er ansvarlige for laktatoptagelse i neuroner, hukommelsen, og denne svækkelse blev ikke vendt af hverken glucose eller L-lactat, hvilket igen understøtter ideen om, at laktatoptagelse af neuroner er nødvendig for at understøtte hukommelsesdannelse . Forfatterne konkluderede, som vi gjorde, at astrocytter regulerer hukommelsesdannelse ved at kontrollere leveringen af ​​laktat for at opretholde neuronale funktioner.

Yderligere undersøgelser baseret på genetiske tilgange understøtter disse konklusioner. Delgado-Garcia og kolleger fandt, at knockout af glykogensyntase i nervesystemet hos mus svækker både hippocampus LTP og associativ læring (Duran et al. 2013). Derudover har Boury-Jamot et al. (2016) og Zhang et al. (2016) rapporterede, at konsolidering og rekonsolidering af appetitlig konditionering ved brug af misbrugsstoffer (dvs. kokain-konditioneret stedpræference eller selvadministration) også er afhængig af glycogenolyse og den retningsbestemte transport af laktat fra astrocytter til neuroner via MCT'er i den basolaterale amygdala (BLA) af rotter. Ydermere er ekstracellulært laktat, målt ved invivo mikrodialyse, forhøjet i BLA efter IA træning og udtagning (Sandusky et al. 2013).

I overensstemmelse med resultaterne af disse undersøgelser fandt vi, at BLA-glykogenolyse er kritisk for IA-hukommelsesdannelse, som vist ved, at bilateral injektion af DAB i BLA 15 minutter før IA-træning alvorligt og vedvarende forstyrrede hukommelsesbevaring hos rotter. Denne svækkelse blev ikke reddet af et påmindelseschok leveret i en anden kontekst, en protokol, der genindsætter slukkede minder (Inda et al. 2011), hvilket tyder på, at blokering af glykogenolyse i amygdala før træning forstyrrer konsolideringsprocessen. Samtidig administration af L-lactat med DAB i amygdala reddede hukommelsessvækkelsen, hvilket bekræfter vigtigheden af ​​rollerne for glykogenolyse og laktat i forskellige hjerneområder for IA-hukommelseskonsolidering (figur 3).

Målfunktionerne drevet af lactat- og/eller glucosemetabolisme er stadig stort set ukendte. Hjerneenergi er nødvendig for at understøtte de elektriske impulser, der kræves til neuronal kommunikation, og til mange husholdningsaktiviteter, herunder proteinsyntese, fosfolipidmetabolisme, neurotransmittercyklus og transport af ioner over cellulære membraner (Du et al. 2008). Som vist af undersøgelserne beskrevet ovenfor, understøtter laktatmetabolisme langsigtet hukommelsesdannelse og den træningsafhængige stigning i ekspression af flere molekyler relateret til aktivitet og plasticitet, herunder Arc, cFos og Zif268 (Gao et al. 2016; Suzuki et al. 2011;

Yang et al. 2014). Disse effekter er NMDA-receptorafhængige, hvilket betyder, at laktatafhængige ændringer er forbundet med aktivitet og/eller plasticitet (Yang et al. 2014). Invivo er laktat tilstrækkeligt til at opretholde neuronal aktivitet (Wyss et al. 2011) og nyere data viste, at interstitiel K plus forhøjelser kan aktivere en kanal på astrocytmembranen, hvorigennem astrocyttisk laktat kan strømme ind i interstitium, parallelt med den etablerede transport via MCT'er (Sotelo-Hitschfeld et al., 2015). Denne rute for astrocyttisk laktatfrigivelse er koblet til membranpotentialet og tillader laktatfrigivelse mod en koncentrationsgradient, hvorimod MCT er elektroneutral, og nettoflux er styret af transmembrankoncentrationerne af H plus og laktat. Endvidere er der påvist en astrocytisk mekanisme via bicarbonat-reagerende opløselig adenylylcyclase, der fører til glykogennedbrydning, øget glykolyse og frigivelse af laktat til det ekstracellulære rum, som efterfølgende optages af neuroner til brug som energisubstrat (Choi et al. . 2012). Tilsammen understøtter disse undersøgelser konklusionen om, at laktatafgivelse fra astrocytter til neuroner kan reguleres på mange måder som reaktion på aktivitet, og undersøgelser er nødvendige for at forstå, om parallelle eller selektive mekanismer opstår ved læring. Ikke desto mindre viser det sig, at laktat er nødvendigt for at understøtte ikke kun ionmembranhomeostase efter depolarisering, men også adskillige andre neuronale funktioner, der kræves til langsigtede modifikationer forbundet med hukommelsesdannelse og -lagring.