Časť 1: Astrocytový glykogén a laktát: Nové pohľady na mechanizmy učenia a pamäte

pre viac informácií:{0}}

Pls kliknite sem pre časť 2

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

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

Kliknite naCistanches a cistanche pre pamäť

Abstraktné

Pamäť, schopnosť uchovávať naučené informácie, je nevyhnutná na prežitie. Doteraz molekulárne a bunkové výskumyPamäťtvorba a ukladanie sa zamerali hlavne na neurónové mechanizmy. Okrem neurónov však mozog obsahuje aj iné typy buniek a systémov vrátane glie a vaskulatúry. Nedávna experimentálna práca preto začala klásť otázky o úlohách neneurónových buniek vPamäťtvorenie. Tieto štúdie poskytujú dôkaz, že všetky typy gliových buniek (astrocyty, oligodendrocyty a mikroglie) významne prispievajú k spracovaniu zakódovaných informácií a ukladaniu spomienok. V tomto prehľade sumarizujeme a diskutujeme o nedávnych zisteniach o kritickej úlohe astrocytov ako poskytovateľov energie pre dlhotrvajúce neuronálne zmeny, ktoré sú potrebné pre dlhodobéPamäťtvorenie. Zameriavame sa na tri hlavné zistenia: po prvé, úloha metabolizmu glukózy a metabolické spojenie medzi astrocytmi a neurónmi závislé od učenia a aktivity v dlhodobom horizontePamäťtvorenie; po druhé, úloha metabolizmu glukózy astrocytov pri vzrušení, čo je stav, ktorý prispieva k vytvoreniu veľmi dlhotrvajúcich a podrobných spomienok; a nakoniec, vo svetle vysokých energetických nárokov mozgu počas raného vývoja, budeme diskutovať o možnej úlohe metabolizmu glukózy astrocytov a neurónov pri vytváraní spomienok v ranom veku. Na záver navrhujeme budúce smerovanie a diskutujeme o dôsledkoch týchto zistení pre zdravie a choroby mozgu.

Kľúčové slová

glukóza; metabolizmus; glia; glykolýza; glykogenolýza; emocionálne vzrušenie; rozvoj

Dlhý termínPamäťa ich základné neurón-centrické biologické mechanizmy ich základných biologických mechanizmov a obvodov. Hoci dlhodobé spomienky vo všeobecnosti vyžadujú denovogénnu expresiu, krátkodobé pamäte sa spoliehajú na posttranslačné proteínové modifikácie (Alberini 2009; Alberini a Kandel 2014; Squire a Dede 2015).

Spomienky možno tiež rozdeliť do rôznych kategórií na základe typu zakódovanej a uloženej informácie. Napríklad jeden hlavný rozdiel klasifikuje spomienky ako explicitné (u ľudí známe aj ako deklaratívne) alebo implicitné (nedeklaratívne) (Squire 2004). Explicitné spomienky uchovávajú informácie o faktoch, ľuďoch, miestach a veciach (známe aj ako spomienky na čo, kde, kto a kedy alebo www spomienky) a zahŕňajú epizodické a sémantické spomienky. Implicitné spomienky, ktoré sa vyvolávajú nevedome/automaticky, uchovávajú informácie o naučených automatických reakciách a zahŕňajú priming, procedurálne spomienky (spomienky na to, ako robiť veci) a jednoduché reflexy (Tulving 1972; Squire a Wixted 2011). Explicitné a implicitné pamäte získavajú odlišné systémy (sieť regiónov) na ich kódovanie, konsolidáciu a ukladanie. Klinické štúdie aj štúdie na zvieratách odhalili, že explicitné spomienky sú spracovávané mediálnym temporálnym lalokom, v rámci ktorého je jednou kritickou oblasťou hipokampus, zatiaľ čo implicitné spomienky sú spracovávané inde a môžu fungovať v neprítomnosti neporušeného explicitného systému (Eichenbaum 2006; Kim a Fanselow 1992; Scoville a Milner 1957; Squire a Wixted 2011). Explicitné spomienky sa teda označujú aj ako spomienky závislé od hipokampu. Hoci implicitne a explicitnePamäťsystémy môžu byť funkčne disociované, za normálnych zdravých podmienok spolupracujú na spracovaní a ukladaní komplexných informácií (Kim a Baxter 2001; McDonald et al. 2004).

Štúdie zamerané na objasnenie biologických základov dlhodobých spomienok sa zamerali najmä na spomienky závislé od hipokampu. Avšak väčšina z našich chápaní bunkových a molekulárnych mechanizmov, ktoré sú základomPamäťformovanie a ukladanie pôvodne vyplynulo zo skúmania jednoduchých foriem učenia, ako je reflex stiahnutia žiabrov z Aplysia California a čuchové učenie u Drosophila melanogaster (Yin et al. 1994; Dubnau a Tully 1998; Davis 2011; Kandel 2012). V Aplysii tieto štúdie odhalili veľké množstvo informácií o molekulárnych a bunkových dráhach aktivovaných a rekrutovaných na implementáciu dlhodobých modifikácií synaptickej sily alebo dlhodobej synaptickej plasticity. Tieto údaje sa zhodovali s genetickými a behaviorálnymi výsledkami získanými u Drosophila. Vedené týmito poznatkami z týchto dvoch systémov bezstavovcov, štúdie o paradigmách pamäti cicavcov odhalili, že podobné molekulárne dráhy sú potrebné aj u zložitejších cicavcov.Pamäťvrátane spomienok závislých od hipokampu. V konečnom dôsledku sa početné štúdie za posledných 30 rokov na mnohých druhoch zhodli na závere, že evolučne konzervované biologické mechanizmy sú základom dlhodobej synaptickej plasticity a tvorby dlhodobej pamäte (Alberini 2009; Kandel 2012; Kandel et al. 2014). Jedným klasickým príkladom, ktorý bol dôkladne skúmaný, je evolučne zachovaná úloha cyklického adenozínmonofosfátu (cAMP) – závislá dráha a funkčne spojená aktivácia proteínu viažuceho prvok odozvy cAMP (CREB) – závislá kaskáda génovej expresie ( Kida a Serita 2014, Lonze a Ginty 2002, Silva a kol., 1998) (obrázok 1).

Početné cicavčie modely rôznych typov krátkodobej a dlhodobej pamäte, najmä u hlodavcov, sa použili na skúmanie zložitostiPamäťspracovanie v rôznych oblastiach mozgu. Tieto štúdie odhalili, že expresia a posttranslačná regulácia mnohých tried génov, RNA a proteínov sú potrebné na tvorbu a ukladanie dlhodobej pamäte; patria sem bezprostredne skoré gény (napr. c-Fos, Zif268, NPAS4 a Arc/Arg3.1) (Bramham a kol. 2008; Guzowski 2002; Loebrich a Nedivi 2009; Sun a Lin 2016; Veyrac a kol. 2014), metabotropné a ionotropné receptory

pre rôzne neurotransmitery (napr. AMPA, NMDA, kainát, GABA a metabotropné glutamátové receptory) a neuromodulátory (napr. dopaminergné a serotonínergné receptory), neurotrofické faktory (napr. tyrozínová receptorová kináza) (Fanselow a kol. 1994; Gonzalez-Burgos a -Velasco 2008; Kandel 2001; Makkar a kol. 2010; Morris 2013; Purcell a Carew 2003; Riedel 1996; Riedel a kol. 2003), kinázy (napr. ERK, CamKII, PKA, PKC a MAPKMζ, a kol. 2002; Kandel 2012; Lisman a kol. 2002; Mayford 2007; Pastalkova a kol. 2006; Rahn a kol. 2013), transkripčné faktory (napr. CREB, C/EBP, NFkB, AP1, NPAS4, Zifa a SRF) (Alberini 2009; Alberini a Kandel 2014; Jones a kol. 2001; Sun a Lin 2016), epigenetické regulátory (napr. MSK1, RSK2, NFkB, DNMT, HATs a HDAC) (Day and Sweatt de 2011; la Fuente a kol. 2015; Franklin a Mansuy 2010; Rudenko a Tsai 2014), mikroRNA (napr. miR-124, miR-132, miR-128b a miR{{33} }) (Bredy a kol. 2011; Nudelman a kol. 2010; Saab a Mansuy 2 014) a množstvo efektorových proteínov zapojených do štrukturálnych zmien, ako sú bunkové adhézne molekuly (napr. neurexín a neuroligín) (Murase a Schuman 1999; Rose 1996; Ye a spol. 2017; Bailey a kol. 2015) (obrázok 1).

Tieto molekulárne výskumy boli paralelné s elektrofyziologickými štúdiami, ktoré ukázali, že bunkové mechanizmy sú základom dlhodobéhoPamäťzahŕňajú dlhodobé synaptické funkčné zmeny a najmä dlhodobé zvýšenie alebo zníženie synaptického prenosu známe ako dlhodobá potenciácia (LTP) a dlhodobá depresia (LTD) (Bliss a Collingridge 1993; Malenka a Bear 2004) . Ďalšie elektrofyziologické zmeny v mozgu, ktoré sa podieľajú na tvorbe dlhodobej pamäti, zahŕňajú koherenciu elektroencefalogramu (EEG), tj fázovú synchronizáciu oscilácií potenciálu poľa, ktorá koordinuje načasovanie neurónových špičiek na podporu synaptickej plasticity v distribuovaných oblastiach mozgu (Corcoran et al. 2016; Zanto et al. 2011). Je pozoruhodné, že táto komunikácia na úrovni systému medzi oblasťami mozgu je riadená vlnením ostrých vĺn (SPW-R) (Buzsáki 2015), asynchrónnym vzorcom populácie v hipokampe, ktorý sa zapája do presluchu so širokou oblasťou kôry a niekoľkými subkortikálnymi jadrami. SPW-R sa vyskytujú v "off-line" stavoch mozgu počas bdenia a v non-REM spánku a verí sa, že konsolidujú epizodické spomienky v hipokampálno-kortikálnom systéme (Buzsáki 2015; Inostroza a Born 2013). Tieto celosystémové aktivity poskytujú možné mechanické vysvetlenie, prečo sa spomienky závislé od hipokampu, ktoré sú krehké počas počiatočného obdobia, keď zapájajú sieť hipokampálnych aj kortikálnych oblastí, časom stávajú stabilnejšie a výlučne nezávislé od hipokampu. Toto prerozdelenie pamäťových reprezentácií a úložiska je známe ako konsolidácia na úrovni systému (Dudai a kol. 2015; Squire a kol. 2015; Frankland a Bontempi 2005).

Hoci tieto štúdie poskytli veľké množstvo informácií o biologických základoch učenia aPamäť, zamerali sa na neurónové mechanizmy a následne vytvorili závery väčšinou obmedzené na neuróny a neurónové funkcie. Okrem neurónov však mozog obsahuje mnoho typov buniek a systémov vrátane glií a ciev

systémov. Nedávne výskumy začali hodnotiť úlohu neneurónových buniek z dlhodobého hľadiskaPamäťa poskytli jasný dôkaz, že všetky typy gliových buniek (tj astrocyty, oligodendrocyty a mikroglie) zohrávajú rozhodujúcu úlohu pri spracovaní v pamäti (Adamsky a Goshen 2017; Fields 2008; Gibbs a kol. 2008; Lee a kol. 2014; Moraga-Amaro a kol. al. 2014; Parkhurst a kol. 2013; Suzuki a kol. 2011).

Astrocyty sú obzvlášť dobre vybavené na ovplyvňovanie neuronálnych funkcií zapojených do tvorby pamäte (Haydon a Nedergaard 2014; Moraga-Amaro et al. 2014): sú excitovateľné prostredníctvom fluktuácií vápnika a reagujú na neurotransmitery uvoľňované v synapsiách; synchronizujú sa cez vápnikové vlny a uvoľňujú svoje vlastné gliotransmitery, ktoré sú nevyhnutné pre synaptickú plasticitu; komunikujú s krvnými cievami, čím spájajú cirkuláciu (prúd krvi) s lokálnou mozgovou aktivitou; a nakoniec regulujú energetický metabolizmus na podporu neuronálnych funkcií, vrátane tých, ktoré sú potrebné prePamäťformácie (Henneberger a kol. 2010; Pannasch a Rouach 2013; Perea a kol. 2009; Bazargani a Attwell 2016). Vzhľadom na túto metabolickú úlohu sú astrocyty dokonale umiestnené na to, aby vyvážili metabolizmus glukózy v mozgu: na jednej strane astrocytické koncové labky priamo kontaktujú vrstvy krvných ciev, ktoré importujú glukózu z krvi cez selektívny transportér glukózy GLUT1 a na druhej strane tieto bunky rozširujú procesy, ktoré sa ovíjajú okolo pre- a postsynaptických kompartmentov neurónov (Falkowska et al. 2015; Morgello et al.

1995) (obrázok 2).

V tomto prehľade budeme konkrétne diskutovať o kritickom príspevku astrocytov, ktoré pôsobia ako regulátory metabolizmu glukózyPamäťformovanie a skladovanie.

Metabolizmus glykogénu a glukózy hrá rozhodujúcu úlohuPamäťtvorenie

Štúdie Paula Golda a kolegov identifikovali systémovú glukózu ako sprostredkovateľaPamäť-posilňujúci účinok norepinefrínu (Gold a Korol 2012). Spomienky zakódované v stavoch vzrušenia sa lepšie pamätajú (tj na dlhšie obdobia a s väčšími detailmi) a je dobre známe, že vzrušenie reguluje uvoľňovanie adrenalínu z nadobličiek. Epinefrín viaže adrenergné receptory (AR) na hepatocytoch a iniciuje rozklad glykogénu, polyméru glukózy uloženého v pečeni (Sutherland a Rall 1960), čo vedie k uvoľneniu glukózy do krvného obehu. Systémové injekcie glukózy v dávkach porovnateľných s dávkami zistenými v krvi po liečbe epinefrínom sú dostatočné na zlepšeniePamäťzatiaľ čo nízke ukladanie glykogénu v pečeni, ako u potkanov zbavených potravy alebo starých potkanov, je spojené s nedostatkom zlepšenia pamäte po liečbe epinefrínom (Morris a kol. 2010; Talley a kol. 2000). Naopak, periférne blokovanie adrenergných receptorov blokuje schopnosť epinefrínu zvyšovaťPamäťa zvýšiť hladinu glukózy v krvi. Súhrnne tieto štúdie podporujú záver, že hlavným mechanizmom, ktorý je základom účinkov adrenalínu uvoľneného vzrušením, je zvýšenie hladiny glukózy v krvi.

Účinok glukózy ako aPamäťEnhancer bol pozorovaný pri systémových aj intracerebrálnych injekciách a je spojený s reguláciou uvoľňovania norepinefrínu alebo acetylcholínu. Ragozzino a kolegovia ukázali, že systémové aj intrahipokampálne injekcie glukózy, ako napríklad injekcie adrenalínu, zvyšujú spontánne striedanie, čo je forma priestorovej práce.Pamäťa zvýšiť uvoľňovanie acetylcholínu v hipokampe (Ragozzino a kol. 1998; Ragozzino a kol. 1996).

Pochopenie úlohy glukózy na moduláciu pamäte značne pokročilo pozorovaním, že keď sa potkany testujú na úlohu spontánneho striedania, hladiny extracelulárnej glukózy v hipokampe výrazne klesajú. Preto bolo navrhnuté, že učenie aPamäťkonzumovať glukózu, pravdepodobne na podporu energetických požiadaviek mozgu, keď spracováva novú skúsenosť a ukladá dôležité informácie (McNay et al.

2000; McNay a kol. 2001; McNay a Sherwin 2004).

Mozog skutočne spotrebúva veľké množstvo energie: mozog dospelého človeka spotrebuje v priemere asi 20 percent celkovej telesnej energie, napriek tomu, že predstavuje iba 2 percentá celkovej telesnej hmotnosti. Glukóza, hlavný zdroj energie vstupujúcej do mozgu z obehu, môže byť buď priamo metabolizovaná, alebo uložená vo forme glykogénu. V zrelom mozgu je glykogén uložený väčšinou v astrocytoch (Brown a kol. 2004; Brunet a kol. 2010; Cali a kol. 2016; Cataldo a Broadwell, 1986; Maxwell a Kruger 1965; Petersen 1969; Pfeiffer-Guglielmi a kol. 2003, prehľad vo Waitt et al., 2017), a v podmienkach vysokej energetickej náročnosti, ako je deprivácia glukózy alebo intenzívna nervová aktivita, môže byť katabolizovaný, aby rýchlo dodal metabolické substráty (tj pyruvát a laktát) (Brown a Ransom 2015). Hoci neuróny majú enzymatický mechanizmus na ukladanie a rozklad glykogénu, za fyziologických podmienok potláčajú ukladanie glykogénu prostredníctvom série mechanizmov. V skutočnosti sa ukladanie glykogénu v neurónoch pozoruje iba pri závažných neurologických ochoreniach, ako je progresívna myoklonová epilepsia alebo Laforova choroba, mozgová porucha charakterizovaná opakovanými záchvatmi (epilepsia) a poklesom intelektuálnych funkcií (Vilchez et al. 2007). Takže glukóza, buď priamo metabolizovaná glykolýzou alebo dodávaná astrocytickou glykogenolýzou, môže poháňať vysoké energetické nároky spojené s bunkovými zmenami, ktoré sú základom učenia,Pamäťformácia aPamäťskladovanie.

Jednou dlho diskutovanou otázkou je, či neuróny priamo importujú glukózu vstupujúcu do mozgu z krvi a okamžite ju využívajú na poskytnutie energie potrebnej na podporu ich funkcií. Alternatívny model, ktorý navrhli Pellerin a Magistretti (Pellerin a Magistretti 1994), navrhuje, aby vysoké energetické nároky stimulovaných neurónov podporovali astrocyty, ktoré dodávajú neurónom laktát produkovaný aeróbnou glykolýzou, čím poskytujú energiu potrebnú na aktivitu- indukované funkcie neurónov; teda, v prípade učenia, pre zmeny spojené so spracovaním a ukladaním spomienok. Je tiež možné, že sa použijú oba mechanizmy, možno v reakcii na špecifické podmienky.

Model navrhnutý Magistretti a Pellerin bol veľmi diskutovaný. Tieto diskusie sú zložité a pravdepodobne odrážajú zložitosť metabolických regulácií v rôznych podmienkach. Vzhľadom na rôznorodosť týchto podmienok a systémov nebudeme môcť diskutovať o bodoch diskusie v tomto rukopise, preto sa odvolávame na niekoľko recenzií, ktoré ich uvádzajú (Chih a kol., 2001; Chih a Roberts, 2003; Dienel a Hertz, 2001 Pellerin a Magistretti, 2003, 2012; Aubert a kol., 2005; Dienel, 2010, 2017; DiNuzzo a kol., 2010; Steinman a kol., 2016). Budeme však diskutovať o literatúre dôležitej pre zistenia úloh glykogénu, glukózy a laktátu v učení a pamäti, ako aj v plasticite mozgu.

Niekoľko štúdií uvádza, že stimulácia oblastí mozgu zvyšuje glykogenolýzu a glykolýzu, ako aj príjem glukózy v astrocytoch, čo je v súlade s myšlienkou, že astrocytárny glykogén a metabolizmus glukózy sú potrebné na udržanie procesov závislých od aktivity. Napríklad NMR spektroskopia, ktorá umožňuje meranie laktátu invivo, odhalila zvýšenie laktátu v ľudskom zrakovom kortexe počas fyziologickej fotickej stimulácie (Prichard et al. 1991) a merania založené na mikrosenzoroch odhalili zvýšenie extracelulárnej koncentrácie laktátu v zubatých zuboch. gyrus hipokampu potkana po elektrickej stimulácii perforačnej dráhy (Hu a Wilson 1997). Navyše stimulácia fúzov u bdelého potkana vedie k rýchlemu rozkladu glykogénu vo vrstve IV somatosenzorickej kôry (Swanson et al. 1992) a vedie k preferenčnému zvýšeniu príjmu glukózy do astrocytov v porovnaní s neurónmi v somatosenzorickom kortexe invivo (Chuquet et al. al., 2010), aj keď je potrebné pochopiť viac mechanistických detailov (Dienel a Cruz 2015). Fyzická poloha astrocytov medzi prietokom krvi na jednej strane a neurónmi na druhej strane ďalej podporuje myšlienku, že astrocytická regulácia metabolizmu glukózy podporuje energetické požiadavky aktivity, plasticity, učenia aPamäťtvorenie.

V súlade s týmto názorom metabolické profilovanie astrocytov a neurónov odhalilo odlišné znaky, ktoré naznačujú, že glykolýza sa vyskytuje hlavne v astrocytoch. Napríklad kultivované neuróny produkujú CO2 oveľa vyššou rýchlosťou ako astrocyty a ich príslušné enzymatické profily sú v súlade s relatívnou prevahou glykolýzy v gliových bunkách a oxidácie v neurónoch (Bélanger et al. 2011; Hamberger a Hydén 1963; Hydén a Lange 1962). Okrem toho akútne izolované astrocyty purifikované FACS vykazujú primárne glykolytický profil (Lovatt et al. 2007; Zhang et al. 2014). Nakoniec, enzým 6-fosfofrukto{8}}kináza/fruktóza-2,6-bisfosfatáza 3 (Pfkfb3), ktorý podporuje glykolýzu, je aktívny v astrocytoch, ale neustále podlieha proteazomálnej degradácii v neuróny (Bolaños a kol. 2010; Herrero-Mendez a kol. 2009), čo opäť podporuje myšlienku, že astrocyty sú primárnymi miestami glykolýzy. Veľké množstvo dôkazov teda konverguje k záveru, že astrocyty sú prevažne glykolytické bunky, zatiaľ čo neuróny nie sú a namiesto toho vykazujú vysokú oxidačnú aktivitu.

Prvý dôkaz, že astrocytická glykolýza je rozhodujúca pre učenie a pamäť, pochádza zo štúdií Leifa Hertza, Marie Gibbsovej a kolegov, ktorí ukázali, že glykogenolýza je nevyhnutná pre tvorbu pamäte. Pomocou tréningu vyhýbania sa chuti u jednodňového kuriatka ukázali, že intrakraniálna injekcia inhibítora glykogén fosforylázy, 1,4-dideoxy-1,4-imino-d-arabinitolu (DAB) , narušila pamäť spôsobom závislým od dávky a dospela k záveru, že glykogenolýza je kritickou požiadavkou z dlhodobého hľadiskaPamäťskladovanie (Gibbs et al. 2006). V súlade s týmto záverom sa rozklad glykogénu v mozgu výrazne zvyšuje počas senzorickej aktivácie u potkanov (Cruz a Dienel 2002; Swanson et al. 1992) a neskoršie štúdie podrobne uvedené nižšie ukázali, že glykogén prispieva k niekoľkým typom tvorby pamäte u potkanov a myši. Okrem glykogenolýzy môže byť potrebná aj aeróbna glykolýzaPamäťAko sa ukázalo pri experimentoch, pri ktorých bol inhibítor glykolýzy 2-deoxyglukóza injikovaný do mozgu jednodňových kurčiat pri tréningu, čo malo za následok dlhodobé poškodenie pamäti (Gibbs et al. 2007). Niekoľko štúdií teda dospelo k záveru, že glykogenolýza a aeróbna glykolýza, ktorá vedie k produkcii laktátu, sú kriticky spojené s tvorbou pamäte. To vyvoláva niekoľko otázok: Ako presne k tejto regulácii dochádza? Ako sú astrocyty funkčne spojené s neurónmi? Aké sú cieľové mechanizmy, ktoré spotrebúvajú vysoké hladiny energie pri učení a umožňujú konsolidáciu pamäte?

Astrocytická glykogenolýza, aeróbna glykolýza a laktát sú z dlhodobého hľadiska kritickéPamäťformovanie v niekoľkých oblastiach mozgu

Model navrhnutý Pellerinom a Magistretti (Pellerin a Magistretti 1994), známy ako astrocyt-neurón laktátový raketoplán (ANLS), naznačuje, že glykolýza astrocytov a oxidácia neurónov zohrávajú koordinovanú úlohu pri tvorbe dlhodobej pamäte prostredníctvom transportu laktátu. Tento model predpovedá, že excitácia, a teda uvoľňovanie glutamátu, stimuluje vychytávanie glutamátu astrocytmi, ktorý sa premieňa na glutamín (glutamát-glutamínový cyklus), prípadne udržiava synaptické uvoľňovanie glutamátu. Tento cyklus vyžaduje energiu z astrocytov, ktoré by preto aktivovali príjem glukózy z krvi a metabolizovali ju na laktát. Laktát, uvoľňovaný astrocytmi cez monokarboxylátové transportéry (MCT), môže vstúpiť do iných typov buniek pomocou podobných transportérov, ktoré fungujú na báze koncentračných gradientov protónov a monokarboxylátov cez plazmatickú membránu (Halestrap 2013; Pierre a Pellerin 2005). MCT sú transportéry plazmatickej membrány spojené s protónmi, ktoré prenášajú molekuly obsahujúce jednu karboxylátovú skupinu (odtiaľ termín monokarboxyláty), ako sú laktát, pyruvát a ketónové telieska, cez plazmatické membrány. MCT1 je exprimovaný v astrocytoch, ependymocytoch, oligodendrocytoch a endotelových bunkách krvných ciev, zatiaľ čo MCT4 je selektívne exprimovaný astrocytmi a obohatený na synaptických miestach (Pierre a Pellerin 2005; Rinholm a kol. 2011; Suzuki a kol. 2011). MCT2 je na druhej strane selektívne exprimovaný neurónmi (Debernardi et al. 2003).

Laktát uvoľnený astrocytmi cez MCT4 a MCT1 je teda transportovaný MCT2 do neurónov, kde sa premieňa na pyruvát, ktorý sa následne metabolizuje oxidačnou fosforyláciou v mitochondriách za vzniku 14–17 ATP na molekulu laktátu (obrázok 2). Tento prísun laktátu z astrocytov do neurónov poskytuje vysvetlenie, ako môžu neuróny zvládnuť vysokoenergetické požiadavky vyvolané aktívnymi procesmi v reakcii na stimuly.

Prvé štúdie, ktoré popisovali ANLS, sa uskutočnili in-vitro a vznikli otázky o tom, či sa tieto mechanizmy vyskytli in vivo (Chih a Roberts 2003; Dienel a Cruz 2004; Gjedde a kol. 2002). Štúdie Hertza a Gibbsa u kurčiat opísaných vyššie však naznačili, že sa podieľa na glykogenolýzePamäťformácia (prehľad pozri Gibbs 2016). V týchto štúdiách boli kurčatá vystavené dvom guľôčkam, jednej červenej a jednej modrej, a trénované, aby sa vyhli klovaniu červenej guľôčky v spojení s averzívnou chuťou. Počas retenčného testu sa meral pomer medzi počtom šklbaní červených a modrých guľôčok, čo odhalilo zvýšenie vyhýbania sa šklbaniu červených guľôčok; zmena v rozlišovacom pomere svedčila o pamäti (Hertz et al. 1996). Počiatočné výsledky ukázali, že hladiny glykogénu v prednom mozgu klesli 30 minút po učení, súčasne so zvýšením glutamátu, čo naznačuje denovosyntézu glutamátu z glykogénu na podporuPamäťkonsolidácia (Hertz a kol. 2003; O'Dowd a kol. 1994). O niekoľko rokov neskôr tá istá skupina ukázala, že DAB zhoršuje pamäť averzie k chuti u jednodňových kurčiat, keď sa infúziou podáva do multimodálnej asociačnej oblasti predného mozgu, stredného mediálneho mezopalia (IMM), oblasti mozgu potrebnej na konsolidáciu pamäte (Gibbs et al. 2006 Gibbs a Hertz 2008). Potom zistili, že glutamín je dostatočný na záchranu pamäte, a preto navrhli, že glykogenolýza je rozhodujúca pre glutamát/glutamínový raketoplán, ktorý môže byť ovplyvnený aj DAB. Následná štúdia od tých istých autorov preukázala, že L-laktát je dostatočný aj na to, aby u kurčaťa zachránil pamäť averzie na chuť po liečbe inhibítorom glykogenolýzy (DAB) alebo glykolýzy (2-deoxyglukózy) (Gibbs et al. 2007). Ďalej podávanie D-laktátu, konkurenčnej biologicky neaktívnej formy laktátu, zhoršená chuťová averzia kurčiatPamäťs časovým oneskorením, ktoré naznačovalo, že inhibuje metabolizmus L-laktátu a nie jeho vychytávanie, čo viedlo autorov k záveru, že metabolizmus astrocytov prostredníctvom glykogenolýzy a metabolizmu laktátu je rozhodujúci pre tvorbu pamäte (Gibbs a Hertz 2008). Tieto zistenia podporili myšlienku, že učenie sa u novorodencov závisí od rozkladu glykogénu na syntézu glutamátu v astrocytoch (Gibbs et al. 2007).

Ďalšia interpretácia je však taká, že laktát produkovaný glykogenolýzou sa transportuje do neurónov na ich použitie, čím prispieva k podpore neuronálnych modifikácií kritických pre tvorbu pamäte. Túto hypotézu sme testovali invivoin cicavčie mozgy so zameraním konkrétne na to, či sa mechanizmy glykogenolýzy, uvoľňovania astrocytárneho laktátu a transportu do neurónov podieľajú na konsolidácii pamäte, čo je proces, ktorý stabilizuje novovytvorenú, spočiatku krehkú pamäť do dlhotrvajúcej stabilnej reprezentácie (Alberini 2009 , Dudai 2004).

Pomocou dospelých potkanov trénovaných v úlohe inhibičného vyhýbania (IA), v ktorej sa zvieratá učia vyhýbať sa kontextu, ktorý bol predtým spárovaný so šokom do nohy (kontextová reakcia na hrozbu), sme preukázali, že laktát transportovaný z astrocytov do neurónov v hipokampe hrá kritickú úlohu pri dlhodobej konsolidácii pamäte (Suzuki et al. 2011). Konkrétne sme zistili, že hipokampálna astrocytická glykogenolýza je potrebná na konsolidáciu pamäte, invivo hipokampálnu dlhodobú potenciáciu a zvýšenie synaptických a bunkových makromolekulárnych zmien vyvolané učením, vrátane expresie proteínu súvisiaceho s cytoskeletom regulovaného aktivitou okamžitého skorého génu (IEG). (Arc alebo Arg3.1) a fosforylácia transkripčného faktora CREB a aktín-oddeľujúceho proteínu kofilínu, čo sú všetky markery dlhodobej synaptickej plasticity. V skutočnosti DAB injikovaný obojstranne do dorzálneho hipokampu pred alebo bezprostredne po IA tréningu trvalo narušil retenciu pamäti a tomuto narušeniu sa zabránilo súbežnou injekciou L-laktátu, ale nie ekvikalorickými koncentráciami glukózy. Okrem toho po tréningu IA sa hipokampálna extracelulárna koncentrácia laktátu, meraná invivomikrodialýzou, výrazne zvýšila a zostala zvýšená viac ako 1 hodinu, pričom sa vrátila na základnú hodnotu približne 90 minút po tréningu. Toto zvýšenie laktátu bolo úplne zrušené bilaterálnou injekciou DAB do hipokampu, čo naznačuje, že to bol výsledok astrocytárnej glykogenolýzy.

Ďalej sme zistili, že hipokampálna injekcia neaktívneho izoméru D-laktátu pred tréningom blokuje aj dlhodobú pamäť, čo naznačuje, že metabolizmus laktátu je rozhodujúci pre tvorbu dlhodobej pamäte. Podobné účinky na uchovanie pamäte boli pozorované po knockdown laktátových transportérov (MCT). Je pozoruhodné, že aj keď poruchy pamäti vyvolané knockdownom laktátových transportérov exprimovaných v astrocytoch (MCT1 a MCT4) boli zachránené pridaním L-laktátu, poškodenie vyvolané knockdownom transportéra exprimovaného v neurónoch (MCT2) nebolo v súlade s myšlienka, že transport laktátu z astrocytov do neurónov je rozhodujúci pre tvorbu pamäte. V súlade s touto interpretáciou bol nedávno pozorovaný a charakterizovaný laktátový gradient medzi astrocytmi a neurónmi vo vysokom rozlíšení invivazívnou dvojfotónovou mikroskopiou (Machler et al. 2016). Preto sme dospeli k záveru, že glykogenolýza a transport laktátu astrocyt-neurón kriticky podporujú neuronálne funkcie potrebné na tvorbu dlhodobej pamäte. Nedávny výskum ďalej podporil úlohu astrocytického laktátu pri tvorbe pamäte tým, že ukázal, že IA tréning indukuje hipokampálnu expresiu molekúl zapojených do astrocyticko-neuronálneho transportu, ako sú MCT a expresia laktátdehydrogenázy (LDH) A a B, enzýmov, ktoré katalyzujú vzájomnú premenu laktátu a pyruvátu (Tadi et al. 2015).

K podobným záverom dospel Newman a kol. (2011), ktorí použili citlivé biosondy na meranie hladín glukózy a laktátu v mozgu v hipokampe potkanov, keď podstúpili úlohu priestorovej pracovnej pamäte. Zistili, že zatiaľ čo sa extracelulárna glukóza znížila, hladiny laktátu sa počas výkonu úlohy zvýšili a intrahipokampálne infúzie L-laktátu zlepšili pamäť pri tejto úlohe. Okrem toho farmakologická inhibícia astrocytárnej glykogenolýzy s DAB zhoršila pamäť a toto poškodenie bolo zvrátené buď L-laktátom alebo glukózou, z ktorých obe môžu poskytnúť laktát neurónom v neprítomnosti glykogenolýzy. V tejto štúdii, rovnako ako v našej, blokáda MCT zodpovedných za vychytávanie laktátu do neurónov narušila pamäť a toto poškodenie nebolo zvrátené ani glukózou, ani L-laktátom, čo opäť podporuje myšlienku, že vychytávanie laktátu neurónmi je nevyhnutné na podporu tvorby pamäte. . Autori dospeli k záveru, rovnako ako my, že astrocyty regulujú tvorbu pamäte riadením poskytovania laktátu na udržanie neuronálnych funkcií.

Ďalšie štúdie založené na genetických prístupoch podporujú tieto závery. Delgado-Garcia a kolegovia zistili, že knockout glykogénsyntázy v nervovom systéme myší zhoršuje hipokampálny LTP aj asociatívne učenie (Duran et al. 2013). Okrem toho Boury-Jamot a spol. (2016) a Zhang a kol. (2016) uviedli, že konsolidácia a opätovná konsolidácia apetitívneho kondicionovania pomocou zneužívaných drog (t. j. preferencia miesta podmieneného kokaínom alebo samopodávanie) sú tiež závislé od glykogenolýzy a smerového transportu laktátu z astrocytov do neurónov prostredníctvom MCT v bazolaterálnej amygdale. (BLA) potkanov. Okrem toho, extracelulárny laktát, meraný invivo mikrodialýzou, je zvýšený v BLA po tréningu a získavaní IA (Sandusky et al. 2013).

V súlade s výsledkami týchto štúdií sme zistili, že glykogenolýza BLA je rozhodujúca pre tvorbu pamäte IA, čo dokazuje skutočnosť, že bilaterálna injekcia DAB do BLA 15 minút pred tréningom IA vážne a trvalo narušila uchovanie pamäte u potkanov. Toto poškodenie nezachránil pripomienkový šok dodaný v inom kontexte, protokol, ktorý obnovuje vyhasnuté spomienky (Inda et al. 2011), čo naznačuje, že blokovanie glykogenolýzy v amygdale pred tréningom narúša proces konsolidácie. Súbežné podávanie L-laktátu s DAB v amygdale zachránilo poruchu pamäti, čo potvrdilo dôležitosť úloh glykogenolýzy a laktátu v rôznych oblastiach mozgu pre konsolidáciu pamäte IA (obrázok 3).

Cieľové funkcie poháňané metabolizmom laktátu a/alebo glukózy sú stále do značnej miery neznáme. Energia mozgu je potrebná na podporu elektrických impulzov potrebných na neurónovú komunikáciu a na mnohé činnosti v domácnosti, vrátane syntézy proteínov, metabolizmu fosfolipidov, cyklovania neurotransmiterov a transportu iónov cez bunkové membrány (Du et al. 2008). Ako ukázali vyššie opísané štúdie, metabolizmus laktátu podporuje tvorbu dlhodobej pamäte a od tréningu závislé zvýšenie expresie niekoľkých molekúl súvisiacich s aktivitou a plasticitou, vrátane Arc, cFos a Zif268 (Gao et al. 2016; Suzuki et al. 2011;

Yang a kol. 2014). Tieto účinky sú závislé od NMDA receptora, čo znamená, že zmeny závislé od laktátu sú spojené s aktivitou a/alebo plasticitou (Yang et al. 2014). Invivo je laktát dostatočný na udržanie neuronálnej aktivity (Wyss et al. 2011) a najnovšie údaje ukázali, že intersticiálne zvýšenia K plus môžu aktivovať kanál na membráne astrocytov, cez ktorý môže astrocytický laktát prúdiť do interstícia, paralelne so zavedeným transportom cez MCT (Sotelo-Hitschfeld et al., 2015). Tento spôsob uvoľňovania astrocytického laktátu je spojený s membránovým potenciálom a umožňuje uvoľňovanie laktátu proti koncentračnému gradientu, zatiaľ čo MCT je elektroneutrálny a čistý tok je riadený transmembránovými koncentráciami H plus a laktátu. Okrem toho bol preukázaný astrocytový mechanizmus prostredníctvom rozpustnej adenylylcyklázy reagujúcej na bikarbonát, ktorý vedie k rozkladu glykogénu, zvýšenej glykolýze a uvoľňovaniu laktátu do extracelulárneho priestoru, ktorý je následne vychytávaný neurónmi na použitie ako energetický substrát (Choi et al. 2012). Súhrnne tieto štúdie podporujú záver, že dodávanie laktátu astrocytmi do neurónov môže byť regulované mnohými spôsobmi v reakcii na aktivitu a štúdie sú potrebné na pochopenie toho, či sa invivoupo učenia vyskytujú paralelné alebo selektívne mechanizmy. Napriek tomu sa ukazuje, že laktát je potrebný na podporu nielen homeostázy iónovej membrány po depolarizácii, ale aj mnohých ďalších neuronálnych funkcií potrebných na dlhodobé modifikácie spojené s tvorbou a ukladaním pamäte.