1. osa: Astrotsüütide glükogeen ja laktaat: uued ülevaated õppimis- ja mälumehhanismidest

lisateabe saamiseks:ali.ma@wecistanche.com

Palun klõpsake siin 2. osa juurde

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

New Yorgi ülikooli närviteaduste keskus, New York, NY, 10003

Klõpsake selleksTistanšid ja tsistanšid mälu jaoks

Abstraktne

Mälu, oskus säilitada õpitud teavet, on vajalik ellujäämiseks. Seni on molekulaarsed ja rakulised uuringudmälumoodustamine ja säilitamine on keskendunud peamiselt neuronaalsetele mehhanismidele. Lisaks neuronitele sisaldab aju ka muud tüüpi rakke ja süsteeme, sealhulgas glia ja veresoonkond. Sellest tulenevalt on hiljutine eksperimentaalne töö hakanud esitama küsimusi mitte-neuronaalsete rakkude rollide kohtamälumoodustamine. Need uuringud näitavad, et igat tüüpi gliiarakud (astrotsüüdid, oligodendrotsüüdid ja mikrogliia) annavad olulise panuse kodeeritud teabe töötlemisesse ja mälestuste salvestamisse. Selles ülevaates võtame kokku ja arutame hiljutisi leide astrotsüütide kriitilise rolli kohta pikaajaliseks neuronaalsete muutuste jaoks vajalike pikaajaliste energiapakkujatena.mälumoodustamine. Keskendume kolmele peamisele järeldusele: esiteks glükoosi metabolismi roll ning õppimisest ja tegevusest sõltuv metaboolne side astrotsüütide ja neuronite vahel pikaajalise teenistuse teenistuses.mälumoodustamine; teiseks, astrotsüütilise glükoosi metabolismi roll erutuses – seisund, mis aitab kaasa väga kauakestvate ja üksikasjalike mälestuste tekkele; ja lõpuks, pidades silmas aju suurt energiavajadust varase arengu ajal, arutame astrotsüütide ja neuronaalsete glükoosi metabolismi võimalikku rolli varase elu mälestuste kujunemisel. Lõpetuseks pakume välja tulevikusuunad ja arutame nende leidude mõju aju tervisele ja haigustele.

Märksõnad

glükoos; ainevahetus; glia; glükolüüs; glükogenolüüs; emotsionaalne erutus; arengut

Pikaajalinemäluja selle aluseks olevad neuronikesksed bioloogilised mehhanismid nende aluseks olevatest bioloogilistest mehhanismidest ja vooluringidest. Kuigi pikaajalised mälestused nõuavad üldiselt denovogeenset ekspressiooni, põhinevad lühiajalised mälud translatsioonijärgsetel valgu modifikatsioonidel (Alberini 2009; Alberini ja Kandel 2014; Squire ja Dede 2015).

Mälestusi saab kodeeritud ja salvestatud teabe tüübi alusel jagada ka erinevatesse kategooriatesse. Näiteks üks oluline erinevus liigitab mälestused eksplitsiitseteks (inimestel tuntud ka kui deklaratiivseteks) või implitsiitseteks (mittedeklaratiivseteks) (Squire 2004). Selgesõnalised mälestused säilitavad teavet faktide, inimeste, kohtade ja asjade kohta (tuntud ka kui mälestused sellest, mida, kus, kes ja millal või www-mälestused) ning hõlmavad episoodilisi ja semantilisi mälestusi. Kaudsed mälestused, mis tuletatakse meelde alateadlikult/automaatselt, säilitavad teavet õpitud automaatreaktsioonide kohta ja hõlmavad esmaseid, protseduurilisi mälestusi (mälestused asjade tegemisest) ja lihtsaid reflekse (Tulving 1972; Squire ja Wixted 2011). Eksplitsiitne ja kaudne mälu värbab oma kodeerimiseks, konsolideerimiseks ja salvestamiseks erinevaid süsteeme (piirkondade võrku). Nii kliinilised kui ka loomkatsed on näidanud, et eksplitsiitseid mälestusi töötleb mediaalne temporaalsagara, mille üheks kriitiliseks piirkonnaks on hipokampus, samas kui kaudseid mälestusi töödeldakse mujal ja need võivad toimida ka terve eksplitsiitse süsteemi puudumisel (Eichenbaum 2006; Kim ja Fanselow 1992; Scoville ja Milner 1957; Squire ja Wixted 2011). Seega nimetatakse eksplitsiitseid mälestusi ka hipokampusest sõltuvateks mälestusteks. Kuigi kaudne ja eksplitsiitnemälusüsteeme saab funktsionaalselt eraldada, normaalsetes tervislikes tingimustes teevad nad koostööd keeruka teabe töötlemiseks ja säilitamiseks (Kim ja Baxter 2001; McDonald et al. 2004).

Pikaajaliste mälestuste bioloogiliste aluste selgitamisele suunatud uuringud on keskendunud peamiselt hipokampusest sõltuvatele mälestustele. Kuid suurem osa meie arusaamast selle aluseks olevatest raku- ja molekulaarsetest mehhanismidestmälumoodustamine ja säilitamine tekkisid algselt lihtsate õppimisvormide uurimisel, nagu Aplysia California lõpuse-tõmbumisrefleks ja Drosophila melanogasteri haistmisõpe (Yin et al. 1994; Dubnau ja Tully 1998; Davis 2011; Kandel 2012). Aplysias avastasid need uuringud palju teavet molekulaarsete ja rakuliste radade kohta, mis aktiveeriti ja värvati sünaptilise tugevuse või pikaajalise sünaptilise plastilisuse pikaajaliste modifikatsioonide rakendamiseks. Need andmed ühtlustusid Drosophilas saadud geneetiliste ja käitumuslike tulemustega. Nende kahe selgrootu süsteemi teadmiste põhjal näitasid imetajate mäluparadigmade uuringud, et sarnased molekulaarsed rajad on vajalikud ka keerulisemates imetajates.mälu, sealhulgas hipokampusest sõltuvad mälestused. Viimase 30 aasta arvukad uuringud paljude liikide kohta jõudsid lõpuks järeldusele, et evolutsiooniliselt konserveerunud bioloogilised mehhanismid on pikaajalise sünaptilise plastilisuse ja pikaajalise mälu kujunemise aluseks (Alberini 2009; Kandel 2012; Kandel et al. 2014). Üks klassikaline näide, mida on põhjalikult uuritud, on tsüklilise adenosiinmonofosfaadi (cAMP) evolutsiooniliselt konserveerunud roll - sõltuv rada ja cAMP vastuseelementi siduva valgu (CREB) - sõltuv geeniekspressioonikaskaadi - funktsionaalselt seotud aktiveerimine. Kida ja Serita 2014; Lonze ja Ginty 2002; Silva jt 1998) (joonis 1).

Imetajate keerukuse uurimiseks on kasutatud arvukalt imetajate mudeleid erinevat tüüpi lühi- ja pikaajalise mäluga, eriti närilistel.mälutöötlemine erinevates ajupiirkondades. Need uuringud näitasid, et pikaajalise mälu moodustamiseks ja säilitamiseks on vaja paljude geenide, RNA-de ja valkude klasside ekspressiooni ja translatsioonijärgset reguleerimist; nende hulka kuuluvad vahetult varajased geenid (nt c-Fos, Zif268, NPAS4 ja Arc/Arg3.1) (Bramham et al. 2008; Guzowski 2002; Loebrich ja Nedivi 2009; Sun ja Lin 2016; Veyrac jt 2014), metabotroopsed ja ionotroopsed retseptorid

erinevate neurotransmitterite (nt AMPA, NMDA, kainate, GABA ja metabotroopsed glutamaadi retseptorid) ja neuromodulaatorite (nt dopamiinergilised ja serotoniinergilised retseptorid), neurotroofsete tegurite (nt türosiini retseptorkinaas) jaoks (Fanselow et al. 1994; Gonzalez-Burgos ja F. -Velasco 2008; Kandel 2001; Makkar jt 2010; Morris 2013; Purcell ja Carew 2003; Riedel 1996; Riedel jt 2003), kinaasid (nt ERK, CamKII , PKA, PKC, MAPKMζ) jt 2002; Kandel 2012; Lisman jt 2002; Mayford 2007; Pastalkova jt 2006; Rahn jt 2013), transkriptsioonifaktorid (nt CREB, C/EBP, NFkB, AP1, NPAS4, NR468 , ja SRF) (Alberini 2009; Alberini ja Kandel 2014; Jones et al. 2001; Sun ja Lin 2016), epigeneetilised regulaatorid (nt MSK1, RSK2, NFkB, DNMT, HAT-id ja HDAC-id) (Day ja Sweatt de 2011; la Fuente jt 2015; Franklin ja Mansuy 2010; Rudenko ja Tsai 2014), mikroRNA-d (nt miR-124, miR-132, miR-128b ja miR{{33} }) (Bredy jt 2011; Nudelman jt 2010; Saab ja Mansuy 2 014) ja mitmed struktuursetes muutustes osalevad efektorvalgud, nagu rakuadhesioonimolekulid (nt neureksiin ja neuroligiin) (Murase ja Schuman 1999; Roos 1996; Ye et al. 2017; Bailey et al. 2015) (joonis 1).

Need molekulaarsed uuringud on paralleelsed elektrofüsioloogiliste uuringutega, mis näitasid, et rakulised mehhanismid on pikaajalisemäluhõlmavad pikaajalisi sünaptilisi funktsionaalseid muutusi ja eriti pikaajalist sünaptilise ülekande suurenemist või vähenemist, mida nimetatakse vastavalt pikaajaliseks võimenduseks (LTP) ja pikaajaliseks depressiooniks (LTD) (Bliss ja Collingridge 1993; Malenka ja Bear 2004). . Täiendavad elektrofüsioloogilised muutused ajus, mis on seotud pikaajalise mälu moodustumisega, hõlmavad elektroentsefalogrammi (EEG) koherentsust, st väljapotentsiaali võnkumiste faaside sünkroniseerimist, mis koordineerib neuronite hüppamise ajastust, et edendada sünaptilist plastilisust hajutatud ajupiirkondade vahel (Corcoran et al., 2016; Zanto jt 2011). Eelkõige juhivad seda süsteemitasemel suhtlust ajupiirkondade vahel teravad lainelised lainetus (SPW-R) (Buzsáki 2015), asünkroonne populatsioonimuster hipokampuses, mis on seotud laia ajukoore piirkonna ja mitme subkortikaalse tuumaga. SPW-R-id esinevad aju "off-line" seisundites ärkveloleku ajal ja mitte-REM-une ajal ning arvatakse, et need koondavad episoodilisi mälestusi kogu hipokampuse ja ajukoore süsteemis (Buzsáki 2015; Inostroza ja Born 2013). Need kogu süsteemi hõlmavad tegevused annavad võimaliku mehaanilise seletuse, miks hipokampusest sõltuvad mälestused, mis on esialgsel perioodil haprad, kui nad ühendavad nii hipokampuse kui ka ajukoore piirkondade võrku, muutuvad aja jooksul stabiilsemaks ja eranditult hipokampusest sõltumatuks. Sellist mäluesitluste ja talletamise ümberjaotamist nimetatakse süsteemitasandi konsolideerimiseks (Dudai et al. 2015; Squire jt 2015; Frankland ja Bontempi 2005).

Kuigi need uuringud andsid palju teavet õppimise bioloogiliste aluste jamälu, keskendusid nad neuronaalsetele mehhanismidele ja tegid sellest tulenevalt järeldused, mis piirdusid enamasti neuronite ja neuronaalsete funktsioonidega. Kuid lisaks neuronitele sisaldab aju mitut tüüpi rakke ja süsteeme, sealhulgas glia ja veresoonte

süsteemid. Hiljutised uuringud on hakanud hindama mitteneuronaalsete rakkude rolli pikas perspektiivismäluja andis selgeid tõendeid selle kohta, et kõik gliiarakkude tüübid (st astrotsüüdid, oligodendrotsüüdid ja mikrogliia) mängivad olulist rolli mälus töötlemisel (Adamsky ja Goshen 2017; Fields 2008; Gibbs jt 2008; Lee jt 2014; Moraga-Amaro et al. 2014; Parkhurst jt 2013; Suzuki jt 2011).

Astrotsüüdid on eriti hästi varustatud mälu moodustumisega seotud neuronaalsete funktsioonide mõjutamiseks (Haydon ja Nedergaard 2014; Moraga-Amaro jt 2014): nad on kaltsiumi kõikumiste kaudu ergastuvad ja reageerivad sünapsides vabanevatele neurotransmitteritele; nad sünkroniseeruvad kaltsiumlainete kaudu ja vabastavad oma gliotransmitterid, mis on sünaptilise plastilisuse jaoks hädavajalikud; nad suhtlevad veresoontega, ühendades vereringe (verevoolu) kohaliku ajutegevusega; ja lõpuks reguleerivad nad energia metabolismi, toetades neuronaalseid funktsioone, sealhulgas neid, mis on vajalikudmälumoodustamine (Henneberger jt 2010; Pannasch ja Rouach 2013; Perea jt 2009; Bazargani ja Attwell 2016). Seoses selle metaboolse rolliga on astrotsüüdid suurepärases asendis, et tasakaalustada glükoosi metabolismi ajus: ühelt poolt puutuvad astrotsüütilised otsajalad vahetult kokku veresoonte kihtidega, mis selektiivse glükoositransporteri GLUT1 kaudu impordivad verest glükoosi. teiselt poolt laiendavad need rakud protsesse, mis ümbritsevad neuronite pre- ja postsünaptilisi sektsioone (Falkowska et al. 2015; Morgello et al.

1995) (joonis 2).

Selles ülevaates käsitleme konkreetselt glükoosi metabolismi regulaatoritena toimivate astrotsüütide kriitilist panustmälumoodustamine ja ladustamine.

Glükogeeni ja glükoosi metabolismil on oluline rollmälumoodustamine

Paul Goldi ja tema kolleegide uuringud tuvastasid süsteemse glükoosi vahendajanamälu-norepinefriini tugevdav toime (Gold ja Korol 2012). Erutusseisunditesse kodeeritud mälestused jäävad paremini meelde (st pikema aja jooksul ja detailsemalt) ning erutus reguleerib hästi teadaolevalt adrenaliini vabanemist neerupealistest. Epinefriin seob adrenergilised retseptorid (AR) hepatotsüütidel ja käivitab glükogeeni, maksas säilitatava glükoosi polümeeri lagunemise (Sutherland ja Rall 1960), mis viib glükoosi vabanemiseni vereringesse. Süsteemsed glükoosisüstid annustes, mis on võrreldavad annustega, mis leiti veres pärast epinefriinravi, on piisavadmälu, samas kui glükogeeni vähene ladestumine maksas, nagu ka toidupuuduses või vananenud rottidel, on seotud epinefriinravi järgselt vähenenud mäluga (Morris et al. 2010; Talley jt 2000). Vastupidi, adrenergiliste retseptorite perifeerne blokeerimine blokeerib epinefriini võimet tugevdada.mäluja tõsta vere glükoosisisaldust. Kokkuvõttes toetavad need uuringud järeldust, et erutusest vabaneva epinefriini toime peamine mehhanism on vere glükoosisisalduse tõus.

Glükoosi mõju kui amäluvõimendajat on täheldatud nii süsteemsete kui ka intratserebraalsete süstide puhul ning seda on seostatud kas norepinefriini või atsetüülkoliini vabanemise reguleerimisega. Ragozzino ja tema kolleegid näitasid, et nii süsteemsed kui ka hipokampusesisesed glükoosisüstid, nagu epinefriini süstid, suurendavad spontaanset vaheldumist, ruumilise töö vormi.mälu, ja suurendada atsetüülkoliini vabanemist hipokampuses (Ragozzino et al. 1998; Ragozzino jt 1996).

Glükoosi rolli mõistmist mälu modulatsioonil aitas märkimisväärselt edasi tähelepanek, et kui rotte testitakse spontaanse vaheldumise ülesandega, väheneb rakuvälise glükoosi tase hipokampuses oluliselt. Sellest tulenevalt tehti ettepanek, et õppimine jamälutarbivad glükoosi, arvatavasti selleks, et rahuldada aju energiavajadust, kuna see töötleb uut kogemust ja talletab olulist teavet (McNay et al.

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

Tõepoolest, aju tarbib palju energiat: täiskasvanu aju kasutab keskmiselt umbes 20 protsenti kogu keha energiast, kuigi see moodustab vaid 2 protsenti kogu kehamassist. Glükoosi, peamist vereringest ajju sisenevat energiaallikat, saab kas otse metaboliseerida või säilitada glükogeeni kujul. Küpses ajus ladestub glükogeen peamiselt astrotsüütides (Brown jt 2004; Brunet jt 2010; Cali jt 2016; Cataldo ja Broadwell, 1986; Maxwell ja Kruger 1965; Petersen 1969; Pfeiffer-Guglielmi et al. 2003; vaadanud Waitt et al. 2017) ning suure energiavajaduse tingimustes, nagu glükoosipuudus või intensiivne neuraalne aktiivsus, saab kataboliseerida, et kiiresti kohale toimetada metaboolsed substraadid (st püruvaat ja laktaat) (Brown ja Ransom 2015). Kuigi neuronitel on ensümaatiline mehhanism glükogeeni säilitamiseks ja lagundamiseks, pärsivad nad füsioloogilistes tingimustes glükogeeni ladustamist mitmete mehhanismide kaudu. Tegelikult täheldatakse glükogeeni ladestumist neuronites ainult raskete neuroloogiliste haiguste korral, nagu progresseeruv müokloonuse epilepsia või Lafora tõbi, ajuhaigus, mida iseloomustavad korduvad krambid (epilepsia) ja intellektuaalse funktsiooni langus (Vilchez et al. 2007). Seega võib glükoos, mis metaboliseeritakse otseselt glükolüüsi teel või saadakse astrotsüütilise glükogenolüüsi teel, suurendada õppimise aluseks olevate rakuliste muutustega seotud suurt energiavajadust,mälumoodustamine jamäluladustamine.

Üks kaua arutatud küsimus on, kas neuronid impordivad verest ajju sisenevat glükoosi otse ja kasutavad seda kohe oma funktsioonide toetamiseks vajaliku energia saamiseks. Pellerini ja Magistretti (Pellerin ja Magistretti 1994) välja pakutud alternatiivne mudel pakub välja, et stimuleeritud neuronite suurt energiavajadust toetavad astrotsüüdid, mis varustavad neuroneid aeroobse glükolüüsi teel toodetud laktaadiga, tagades seeläbi tegevuseks vajaliku energia. indutseeritud neuronite funktsioonid; seega õppimise puhul mälestuste töötlemise ja säilitamisega kaasnevate muutuste jaoks. Samuti on võimalik, et mõlemat mehhanismi kasutatakse, võib-olla vastuseks konkreetsetele tingimustele.

Magistretti ja Pellerini pakutud mudeli üle on palju vaieldud. Need arutelud on keerulised ja peegeldavad tõenäoliselt metaboolsete regulatsioonide keerukust erinevates tingimustes. Arvestades nende tingimuste ja süsteemide mitmekesisust, ei saa me selles käsikirjas arutelu punkte arutada, seetõttu viitame mitmele neid käsitlevale ülevaatele (Chih et al., 2001; Chih ja Roberts, 2003; Dienel ja Hertz, 2001 Pellerin ja Magistretti, 2003, 2012; Aubert jt, 2005; Dienel, 2010, 2017; DiNuzzo jt, 2010; Steinman et al., 2016). Arutleme siiski kirjanduse üle, mis on oluline glükogeeni, glükoosi ja laktaadi rolli leidmiseks õppimises ja mälus ning aju plastilisuses.

Mitmed uuringud teatasid, et ajupiirkondade stimuleerimine suurendab glükogenolüüsi ja glükolüüsi, samuti glükoosi omastamist astrotsüütides, mis on kooskõlas ideega, et aktiivsusest sõltuvate protsesside säilitamiseks on vaja astrotsüütilise glükogeeni ja glükoosi metabolismi. Näiteks näitas NMR-spektroskoopia, mis võimaldab mõõta laktaadi sisaldust invivo, laktaadisisalduse tõusu inimese visuaalses ajukoores füsioloogilise fotostimulatsiooni ajal (Prichard et al. 1991) ja mikrosensoripõhised mõõtmised näitasid ekstratsellulaarse laktaadi kontsentratsiooni suurenemist dentaadis. roti hipokampuse gyrus pärast perforatsiooniraja elektrilist stimulatsiooni (Hu ja Wilson 1997). Veelgi enam, vurrude stimuleerimine ärkvel rottidel põhjustab glükogeeni kiiret lagunemist somatosensoorse ajukoore IV kihis (Swanson et al. 1992) ja suurendab glükoosi omastamist astrotsüütidesse võrreldes neuronitega somatosensoorses ajukoores invivo (Chuquet et al. 1992). al., 2010), kuigi tuleb mõista mehhaanilisemaid detaile (Dienel ja Cruz 2015). Astrotsüütide füüsiline asend ühelt poolt verevoolu ja teiselt poolt neuronite vahel toetab veelgi ideed, et glükoosi metabolismi astrotsüütiline regulatsioon toetab aktiivsuse, plastilisuse, õppimise ja energiavajadust.mälumoodustamine.

Selle seisukoha kohaselt näitas astrotsüütide ja neuronite metaboolne profileerimine selgeid tunnuseid, mis näitavad, et glükolüüs toimub peamiselt astrotsüütides. Näiteks toodavad kultiveeritud neuronid CO2 palju kiiremini kui astrotsüüdid ning nende vastavad ensümaatilised profiilid on kooskõlas glükolüüsi suhtelise ülekaaluga gliiarakkudes ja oksüdatsiooniga neuronites (Bélanger et al. 2011; Hamberger ja Hydén 1963; Hydén ja Lange 1962). Lisaks on ägedalt eraldatud FACS-puhastatud astrotsüütidel peamiselt glükolüütiline profiil (Lovatt et al. 2007; Zhang jt 2014). Lõpuks on ensüüm 6-fosfofrukto-2- kinaas/fruktoos-2,6-bisfosfataas 3 (Pfkfb3), mis soodustab glükolüüsi, astrotsüütides aktiivne, kuid allub pidevalt proteasoomide lagunemisele. neuronid (Bolaños et al. 2010; Herrero-Mendez jt 2009), toetades taas ideed, et astrotsüüdid on glükolüüsi peamised kohad. Seega ühtib suur hulk tõendeid järeldusele, et astrotsüüdid on valdavalt glükolüütilised rakud, samas kui neuronid ei ole, ja selle asemel on neil kõrge oksüdatiivne aktiivsus.

Esimene tõestus selle kohta, et astrotsüütiline glükolüüs on õppimise ja mälu jaoks kriitilise tähtsusega, pärineb Leif Hertzi, Marie Gibbsi ja kolleegide uuringutest, mis näitasid, et glükogenolüüs on mälu moodustamiseks vajalik. Kasutades ühepäevasel tibul maitse vältimise koolitust, näitasid nad, et glükogeeni fosforülaasi inhibiitori 1,4-dideoksü-1, 4-imino-d-arabinitooli (DAB) koljusisene süstimine , halvenes mälu annusest sõltuval viisil ja jõudis järeldusele, et glükogenolüüs on pikaajaliseks kriitiliseks tingimuseks.mäluladustamine (Gibbs et al. 2006). Selle järeldusega kooskõlas suureneb glükogeeni lagunemine ajus märkimisväärselt sensoorse aktiveerimise ajal rottidel (Cruz ja Dienel 2002; Swanson et al. 1992) ning hilisemad allpool kirjeldatud uuringud näitasid, et glükogeen aitab kaasa mitut tüüpi mälu kujunemisele rottidel ja hiired. Lisaks glükogenolüüsile võib olla vajalik ka aeroobne glükolüüsmälumoodustumist, nagu näitasid katsed, kus ühepäevaste tibude ajju süstiti treeningul glükolüüsi inhibiitorit 2-desoksüglükoosi, mille tulemuseks oli pikaajaline mäluhäire (Gibbs et al. 2007). Seega on mitmed uuringud jõudnud järeldusele, et glükogenolüüs ja aeroobne glükolüüs, mille tulemuseks on laktaadi tootmine, on kriitiliselt seotud mälu kujunemisega. See tõstatab mitu küsimust: kuidas see määrus täpselt käib? Kuidas on astrotsüüdid funktsionaalselt seotud neuronitega? Millised on sihtmehhanismid, mis tarbivad õppimisel palju energiat ja võimaldavad mälu konsolideerumist?

Astrotsüütide glükogenolüüs, aeroobne glükolüüs ja laktaat on pikaajaliseks kriitiliseksmälumoodustumine mitmes ajupiirkonnas

Pellerini ja Magistretti (Pellerin ja Magistretti 1994) välja pakutud mudel, mida tuntakse astrotsüütide-neuroni laktaadisüstikuna (ANLS), viitab sellele, et astrotsüütide glükolüüs ja neuronaalne oksüdatsioon mängivad kooskõlastatud rolli pikaajalise mälu kujunemisel laktaadi transpordi kaudu. See mudel ennustab, et ergastus ja seega glutamaadi vabanemine stimuleerib glutamaadi omastamist astrotsüütide poolt, mis muundatakse glutamiiniks (glutamaadi-glutamiini tsükkel), säilitades lõpuks glutamaadi sünaptilise vabanemise. See tsükkel nõuab astrotsüütidelt energiat, mis seetõttu aktiveeriks glükoosi omastamist verest ja metaboliseeriks selle laktaadiks. Astrotsüütide poolt monokarboksülaadi transporterite (MCT) kaudu vabanev laktaat võib siseneda teist tüüpi rakkudesse, kasutades sarnaseid transportereid, mis toimivad prootonite ja monokarboksülaadi kontsentratsioonigradientide alusel läbi plasmamembraani (Halestrap 2013; Pierre ja Pellerin 2005). MCT-d on prootoniga seotud plasmamembraani transporterid, mis kannavad läbi plasmamembraanide molekule, mis sisaldavad ühte karboksülaatrühma (seega terminit monokarboksülaadid), nagu laktaat, püruvaat ja ketoonkehad. MCT1 ekspresseeritakse astrotsüütides, ependümotsüütides, oligodendrotsüütides ja veresoonte endoteelirakkudes, samas kui MCT4 ekspresseeritakse selektiivselt astrotsüütides ja rikastatakse sünaptilistes kohtades (Pierre ja Pellerin 2005; Rinholm jt 2011; Suzuki et al. 2011). MCT2 seevastu ekspresseerivad neuronid selektiivselt (Debernardi et al. 2003).

Seega transporditakse astrotsüütide poolt MCT4 ja MCT1 kaudu vabanenud laktaat MCT2 abil neuronitesse, kus see muundatakse püruvaadiks, mis seejärel metaboliseerub oksüdatiivse fosforüülimise teel mitokondrites, et toota 14–17 ATP-d laktaadi molekuli kohta (joonis 2). See laktaadi tarnimine astrotsüütidest neuronitesse annab selgituse selle kohta, kuidas neuronid võivad toime tulla suure energiavajadusega, mida põhjustavad aktiivsed protsessid vastuseks stiimulitele.

Esimesed uuringud, mis kirjeldasid ANLS-i, viidi läbi in vitro ja tõstatati küsimusi selle kohta, kas need mehhanismid ilmnesid invivo (Chih ja Roberts 2003; Dienel ja Cruz 2004; Gjedde et al. 2002). Siiski näitasid Hertzi ja Gibbsi ülalkirjeldatud tibu uuringud, et glükogenolüüs on seotudmälumoodustamine (ülevaadet vt Gibbs 2016). Nendes uuringutes eksponeeriti tibusid kahe helmega, ühe punase ja teise sinisega, ning treeniti vältima punaste helmeste nokkimist, mis on seotud ebameeldiva maitsega. Retentsioonitesti ajal mõõdeti punaste ja siniste helmeste nokkimiste arvu suhet, mis näitas punaste helmeste nokkimise vältimise suurenemist; diskrimineerimissuhte muutus viitas mälule (Hertz et al. 1996). Esialgsed tulemused näitasid, et glükogeeni tase eesajus langes 30 minutit pärast õppimist, samaaegselt glutamaadi taseme tõusuga, mis viitab glutamaadi denovosünteesile glükogeenist, et toetada.mälukonsolideerimine (Hertz et al. 2003; O'Dowd jt 1994). Mõni aasta hiljem näitas sama rühm, et DAB kahjustab ühepäevastel tibudel maitsetundlikkuse vastumeelsust, kui neid infundeeritakse multimodaalsesse eesaju assotsiatsiooni piirkonda, vahepealsesse mediaalsesse mesopalliumi (IMM), mis on mälu tugevdamiseks vajalik ajupiirkond (Gibbs et al. 2006). Gibbs ja Hertz 2008). Seejärel leidsid nad, et glutamiin on mälu päästmiseks piisav, ja pakkusid seetõttu välja, et glükogenolüüs on glutamaadi/glutamiini süstiku jaoks kriitilise tähtsusega, mida võib samuti mõjutada DAB. Samade autorite hilisem uuring näitas, et L-laktaat on piisav ka tibude maitsetundlikkuse vastumeelsuse päästmiseks pärast ravi glükogenolüüsi (DAB) või glükolüüsi (2-deoksüglükoos) inhibiitoriga (Gibbs et al. 2007). Lisaks kahjustas D-laktaadi, laktaadi konkureeriva mittebioloogiliselt aktiivse vormi, manustamine tibude maitse vastumeelsustmäluviivitusega, mis viitas sellele, et see pärsib L-laktaadi metabolismi ja mitte omastamist, mistõttu autorid jõudsid järeldusele, et astrotsüütiline metabolism glükogenolüüsi ja laktaadi metabolismi kaudu on mälu kujunemisel kriitilise tähtsusega (Gibbs ja Hertz 2008). Need leiud toetasid ideed, et vastsündinud tibude õppimine sõltub glükogeeni lagunemisest glutamaadi sünteesiks astrotsüütides (Gibbs et al. 2007).

Täiendav tõlgendus on aga see, et glükogenolüüsi teel toodetud laktaat transporditakse nende kasutamiseks neuronitesse, aidates seega kaasa mälu moodustamiseks kriitiliste neuronaalsete modifikatsioonide toetamisele. Testisime seda hüpoteesi invivo imetajate ajus, keskendudes konkreetselt sellele, kas glükogenolüüsi, astrotsüütilise laktaadi vabanemise ja neuronitesse transpordi mehhanismid on seotud mälu konsolideerimisega, protsessiga, mis stabiliseerib äsja moodustunud, algselt hapra mälu kauakestvaks stabiilseks esituseks (Alberini 2009). , Dudai 2004).

Kasutades täiskasvanud rotte, kes on koolitatud inhibeeriva vältimise (IA) ülesandeks, kus loomad õpivad vältima konteksti, mis oli varem seotud jalašokiga (kontekstuaalne reaktsioon ohule), näitasime, et astrotsüütidest neuronitesse transporditud laktaat mängib hipokampuses. kriitiline roll pikaajalise mälu konsolideerimisel (Suzuki et al. 2011). Täpsemalt leidsime, et hipokampuse astrotsüütiline glükogenolüüs on vajalik mälu konsolideerimiseks, invivo hipokampuse pikaajaliseks võimendamiseks ja õppimisest põhjustatud sünaptiliste ja raku makromolekulaarsete muutuste suurenemiseks, sealhulgas vahetu varajase geeni (IEG) aktiivsusega reguleeritud tsütoskeletiga seotud valgu ekspressiooniks. (Arc või Arg3.1) ning transkriptsioonifaktori CREB ja aktiini eraldava valgu kofiliini fosforüülimine, mis kõik on pikaajalise sünaptilise plastilisuse markerid. Tegelikult häiris DAB, mis süstiti kahepoolselt dorsaalsesse hipokampusesse enne või vahetult pärast IA-treeningut, pidevalt mälu säilimist ja seda häiret hoiti ära L-laktaadi, kuid mitte võrdväärsete glükoosikontsentratsioonide samaaegse süstimisega. Lisaks suurenes pärast IA-treeningut hipokampuse ekstratsellulaarne laktaadi kontsentratsioon, mõõdetuna invivomikrodialüüsiga, oluliselt ja püsis kõrgel rohkem kui 1 tund, naases algtasemele ligikaudu 90 minutit pärast treeningut. See laktaadi suurenemine kaotati täielikult kahepoolse DAB süstimisega hipokampusesse, mis viitab sellele, et see oli astrotsüütilise glükogenolüüsi tulemus.

Lisaks avastasime, et inaktiivse isomeeri D-laktaadi süstimine hipokampusse enne treeningut blokeerib ka pikaajalise mälu säilimise, mis viitab sellele, et laktaadi metabolism on pikaajalise mälu moodustamise jaoks kriitiline. Sarnast mõju mälu säilitamisele täheldati pärast laktaadi transporterite (MCT) katkestamist. Nimelt, kuigi astrotsüütides ekspresseeritud laktaadi transporterite (MCT1 ja MCT4) katkestamisest põhjustatud mäluhäired päästeti L-laktaadi lisamisega, ei olnud neuronites ekspresseeritud transporteri (MCT2) katkestamisest põhjustatud kahjustused kooskõlas idee, et laktaadi transportimine astrotsüütidest neuronitesse on mälu kujunemisel kriitilise tähtsusega. Selle tõlgenduse kohaselt täheldati hiljuti laktaadi gradienti astrotsüütide ja neuronite vahel, mida iseloomustati kõrge eraldusvõimega invivousing kahe fotoni mikroskoopiaga (Machler et al. 2016). Seetõttu jõudsime järeldusele, et glükogenolüüs ja astrotsüütide-neuronite laktaadi transport toetavad kriitiliselt neuronaalseid funktsioone, mis on vajalikud pikaajaliseks mälu moodustamiseks. Värskem uurimus toetas veelgi astrotsüütilise laktaadi rolli mälu moodustamisel, näidates, et IA treenimine indutseerib astrotsüütide-neuronaalses transpordis osalevate molekulide, näiteks MCT-de ja laktaatdehüdrogenaasi (LDH) A ja B ekspressiooni hipokampuses. katalüüsivad laktaadi ja püruvaadi vastastikust muundumist (Tadi et al. 2015).

Sarnastele järeldustele jõudsid Newman jt. (2011), kes kasutas tundlikke biosonde, et mõõta aju glükoosi ja laktaadi taset rottide hipokampuses, kui nad läbisid ruumilise töömälu ülesande. Nad leidsid, et kuigi rakuväline glükoos vähenes, tõusis laktaadi tase ülesande täitmise ajal ja L-laktaadi intrahippokampuse infusioonid suurendasid selle ülesande mälu. Lisaks kahjustas DAB-ga astrotsüütilise glükogenolüüsi farmakoloogiline inhibeerimine mälu ja selle kahjustuse muutis kas L-laktaat või glükoos, mis mõlemad võivad glükogenolüüsi puudumisel anda neuronitele laktaati. Selles uuringus, nagu ka meie omas, kahjustas neuronitesse laktaadi omastamise eest vastutavate MCT-de blokaad mälu ja seda kahjustust ei muutnud ei glükoos ega L-laktaat, toetades taas ideed, et neuronite laktaadi omastamine on vajalik mälu moodustumise toetamiseks. . Autorid jõudsid järeldusele, nagu me tegime, et astrotsüüdid reguleerivad mälu moodustumist, kontrollides laktaadi pakkumist neuronaalsete funktsioonide säilitamiseks.

Täiendavad geneetilistel lähenemisviisidel põhinevad uuringud toetavad neid järeldusi. Delgado-Garcia ja kolleegid leidsid, et glükogeeni süntaasi väljalülitamine hiirte närvisüsteemis kahjustab nii hipokampuse LTP-d kui ka assotsiatiivset õppimist (Duran et al. 2013). Lisaks Boury-Jamot jt. (2016) ja Zhang et al. (2016) teatasid, et isuäratava ravi tugevdamine ja taastamine, kasutades narkootikume kuritarvitades (st kokaiiniga seotud kohaeelistus või isemanustamine), sõltub ka glükogenolüüsist ja laktaadi suunavast transpordist astrotsüütidest neuronitesse MCT-de kaudu basolateraalses mandelkehas. (BLA). Lisaks on invivo mikrodialüüsiga mõõdetud ekstratsellulaarne laktaat BLA-s kõrgenenud pärast IA treenimist ja väljavõtmist (Sandusky et al. 2013).

Kooskõlas nende uuringute tulemustega avastasime, et BLA glükogenolüüs on IA mälu moodustamisel kriitilise tähtsusega, mida näitab tõsiasi, et DAB kahepoolne süstimine BLA-sse 15 minutit enne IA treeningut häiris tõsiselt ja püsivalt rottide mälu säilimist. Seda kahjustust ei päästnud meeldetuletusšokk, mis edastati teises kontekstis, protokoll, mis taastab kustunud mälestused (Inda et al. 2011), mis viitab sellele, et glükogenolüüsi blokeerimine mandelkehas enne treeningut häirib konsolideerumisprotsessi. L-laktaadi koosmanustamine DAB-ga amügdalas päästis mälukahjustuse, kinnitades glükogenolüüsi ja laktaadi rolli olulisust erinevates ajupiirkondades IA mälu konsolideerimisel (joonis 3).

Laktaadi ja/või glükoosi metabolismi toidavad sihtfunktsioonid on endiselt suures osas teadmata. Ajuenergiat on vaja neuronaalseks suhtluseks vajalike elektriimpulsside toetamiseks ja paljudeks majapidamistoiminguteks, sealhulgas valkude sünteesiks, fosfolipiidide metabolismiks, neurotransmitterite tsükliliseks liikumiseks ja ioonide transportimiseks läbi rakumembraanide (Du et al. 2008). Nagu ülalkirjeldatud uuringud näitavad, toetab laktaadi metabolism pikaajalist mälu teket ja mitmete aktiivsuse ja plastilisusega seotud molekulide, sealhulgas Arc, cFos ja Zif268 (Gao et al. 2016; Suzuki et al.) ekspressiooni treeningust sõltuvat suurenemist. 2011;

Yang et al. 2014). Need mõjud on NMDA retseptorist sõltuvad, mis tähendab, et laktaadist sõltuvad muutused on seotud aktiivsuse ja/või plastilisusega (Yang et al. 2014). Invivo on laktaat piisav neuronaalse aktiivsuse säilitamiseks (Wyss et al. 2011) ja hiljutised andmed näitasid, et interstitsiaalne K pluss tõus võib aktiveerida astrotsüütide membraanil kanali, mille kaudu astrotsüütiline laktaat saab paralleelselt väljakujunenud transpordiga interstitsiumi voolata. MCT-d (Sotelo-Hitschfeld et al., 2015). See astrotsüütilise laktaadi vabanemise tee on seotud membraanipotentsiaaliga ja võimaldab laktaadi vabanemist kontsentratsioonigradiendi suhtes, samas kui MCT on elektroneutraalne ja netovoogu reguleerivad H pluss ja laktaadi transmembraansed kontsentratsioonid. Lisaks on näidatud astrotsüütilist mehhanismi bikarbonaadile reageeriva lahustuva adenülüültsüklaasi kaudu, mis viib glükogeeni lagunemiseni, tõhustatud glükolüüsini ja laktaadi vabanemiseni rakuvälisesse ruumi, mille seejärel neuronid omastavad energiasubstraadina kasutamiseks (Choi et al. . 2012). Need uuringud toetavad ühiselt järeldust, et laktaadi kohaletoimetamist astrotsüütide poolt neuronitesse saab reguleerida mitmel viisil vastusena aktiivsusele ja uuringud on vajalikud, et mõista, kas õppimisel ilmnevad paralleelsed või selektiivsed mehhanismid. Sellegipoolest selgub, et laktaati on vaja mitte ainult ioonmembraani homöostaasi toetamiseks pärast depolarisatsiooni, vaid ka arvukalt muid neuronaalseid funktsioone, mis on vajalikud mälu moodustamise ja säilitamisega seotud pikaajaliste modifikatsioonide jaoks.