Част 1: Астроцитен гликоген и лактат: нови прозрения за механизмите на учене и памет

за повече информация:ali.ma@wecistanche.com

Моля, щракнете тук за част 2

Кристина М. Алберини, Емануел Круз, Джанина Дескалзи, Бенджамин Бесиер и Вирджиния Гао

Център за невронни науки, Нюйоркски университет, Ню Йорк, Ню Йорк, 10003

Кликнете, за даЦистанчи и цистанчи за памет

Резюме

памет, способността да се запазва научената информация, е необходима за оцеляването. Досега молекулярните и клетъчните изследвания напаметобразуването и съхранението са фокусирани главно върху невронни механизми. В допълнение към невроните обаче, мозъкът включва други видове клетки и системи, включително глия и васкулатура. Съответно, скорошната експериментална работа започна да задава въпроси за ролите на неневронните клетки впаметобразуване. Тези проучвания предоставят доказателства, че всички видове глиални клетки (астроцити, олигодендроцити и микроглия) имат важен принос за обработката на кодирана информация и съхраняването на спомени. В този преглед ние обобщаваме и обсъждаме скорошни открития относно критичната роля на астроцитите като доставчици на енергия за дълготрайните невронни промени, които са необходими за дългосрочнопаметобразуване. Ние се фокусираме върху три основни констатации: първо, ролята на метаболизма на глюкозата и зависимото от обучението и дейността метаболитно свързване между астроцитите и невроните в услуга на дългосрочнопаметобразуване; второ, ролята на метаболизма на астроцитната глюкоза при възбуда, състояние, което допринася за формирането на много дълготрайни и подробни спомени; и накрая, в светлината на високите енергийни нужди на мозъка по време на ранното развитие, ще обсъдим възможната роля на астроцитния и невронния глюкозен метаболизъм при формирането на спомени от ранния живот. Завършваме, като предлагаме бъдещи насоки и обсъждаме последиците от тези открития за здравето и болестите на мозъка.

Ключови думи

глюкоза; метаболизъм; глия; гликолиза; гликогенолиза; емоционална възбуда; развитие

Дългосроченпамети неговите основни невроноцентрични биологични механизми на техните основни биологични механизми и вериги. Въпреки че дългосрочните спомени обикновено изискват деновогенна експресия, краткосрочните спомени разчитат на пост-транслационни протеинови модификации (Alberini 2009; Alberini и Kandel 2014; Squire и Dede 2015).

Спомените също могат да бъдат разделени на различни категории въз основа на вида на кодираната и съхранявана информация. Например, едно основно разграничение класифицира спомените като експлицитни (известни също като декларативни при хората) или имплицитни (недекларативни) (Squire 2004). Явните спомени запазват информация за факти, хора, места и неща (известни също като спомени за какво, къде, кой и кога или www спомени) и включват епизодични и семантични спомени. Имплицитните спомени, които се извикват по несъзнателен/автоматичен начин, запазват информация за научените автоматични реакции и включват първични, процедурни спомени (спомени за това как се правят нещата) и прости рефлекси (Tulving 1972; Squire и Wixted 2011). Явните и имплицитните памети набират различни системи (мрежа от региони) за тяхното кодиране, консолидиране и съхранение. Както клиничните, така и проучванията върху животни разкриха, че експлицитните спомени се обработват от медиалния темпорален лоб, в рамките на който една критична област е хипокампусът, докато имплицитните спомени се обработват другаде и могат да работят при липса на непокътната експлицитна система (Eichenbaum 2006; Kim and Fanselow 1992; Scoville и Milner 1957; Squire и Wixted 2011). По този начин експлицитните спомени също се наричат ​​спомени, зависими от хипокампуса. Макар и имплицитно и явнопаметсистемите могат да бъдат функционално дисоциирани, при нормални здравословни условия те си сътрудничат, за да обработват и съхраняват сложна информация (Kim и Baxter 2001; McDonald et al. 2004).

Проучванията, насочени към изясняване на биологичните основи на дългосрочните спомени, са фокусирани главно върху спомени, зависими от хипокампуса. Въпреки това, по-голямата част от нашето разбиране за клетъчните и молекулярните механизми в основатапаметформирането и съхранението първоначално възникват от изследвания на прости форми на обучение, като рефлекса за изтегляне на хрилете на Aplysia California и обонятелното обучение при Drosophila melanogaster (Yin et al. 1994; Dubnau and Tully 1998; Davis 2011; Kandel 2012). В Aplysia тези проучвания разкриха много информация за молекулярните и клетъчните пътища, активирани и наети за прилагане на дългосрочни модификации на синаптичната сила или дългосрочната синаптична пластичност. Тези данни се сближават с генетични и поведенчески резултати, получени при Drosophila. Водени от това знание от тези две безгръбначни системи, проучвания върху парадигмите на паметта на бозайниците разкриха, че подобни молекулярни пътища са необходими и при по-сложните бозайниципамет, включително зависещи от хипокампуса спомени. В крайна сметка многобройни проучвания през последните 30 години върху много видове се обединиха около заключението, че еволюционно запазените биологични механизми са в основата на дългосрочната синаптична пластичност и формирането на дългосрочна памет (Alberini 2009; Kandel 2012; Kandel et al. 2014). Един класически пример, който е широко изследван, е еволюционно запазената роля на цикличния аденозин монофосфат (cAMP) - зависим път и функционално свързаното активиране на cAMP отговорния елемент-свързващ протеин (CREB) - зависима каскада от генна експресия ( Кида и Серита 2014; Лонзе и Гинти 2002; Силва и др. 1998) (Фигура 1).

Многобройни модели на бозайници на различни видове краткосрочна и дългосрочна памет, особено при гризачи, са използвани за изследване на сложността на бозайниковатапаметобработка в различни области на мозъка. Тези проучвания разкриха, че експресията и пост-транслационната регулация на много класове гени, РНК и протеини са необходими за формиране и съхранение на дългосрочна памет; те включват непосредствено-ранни гени (напр. c-Fos, Zif268, NPAS4 и Arc/Arg3.1) (Bramham et al. 2008; Guzowski 2002; Loebrich и Nedivi 2009; Sun и Lin 2016; Veyrac et al. 2014), метаботропни и йонотропни рецептори

за различни невротрансмитери (напр. AMPA, NMDA, Kainate, GABA и метаботропни глутаматни рецептори) и невромодулатори (напр. допаминергични и серотонинергични рецептори), невротрофични фактори (напр. тирозин рецепторна киназа) (Fanselow et al. 1994; Gonzalez-Burgos и Feria -Velasco 2008; Kandel 2001; Makkar et al. 2010; Morris 2013; Purcell and Carew 2003; Riedel 1996; Riedel et al. 2003), кинази (напр. ERK, CamKII, PKA, PKC, PKMζ и MAPK) (Bejar) et al. 2002; Kandel 2012; Lisman et al. 2002; Mayford 2007; Pastalkova et al. 2006; Rahn et al. 2013), транскрипционни фактори (напр. CREB, C/EBP, NFkB, AP1, NPAS4, Zif268, NR4a , и SRF) (Alberini 2009; Alberini and Kandel 2014; Jones et al. 2001; Sun and Lin 2016), епигенетични регулатори (напр. MSK1, RSK2, NFkB, DNMT, HATs и HDACs) (Day and Sweatt 2011; de la Fuente и др., 2015; Franklin и Mansuy 2010; Rudenko и Tsai 2014), микроРНК (напр. miR-124, miR-132, miR-128b и miR{{33} }) (Bredy et al. 2011; Nudelman et al. 2010; Saab and Mansuy 2 014) и редица ефекторни протеини, участващи в структурни промени, като молекули на клетъчна адхезия (напр. неурексин и невролигин) (Murase and Schuman 1999; Роза 1996; Йе и др. 2017 г.; Бейли и др. 2015) (Фигура 1).

Тези молекулярни изследвания са успоредни с електрофизиологични изследвания, които показват, че клетъчните механизми, лежащи в основата на дълготрайнипаметвключват дългосрочни синаптични функционални промени и по-специално дългосрочни увеличения или намаления на синаптичната трансмисия, известни като съответно дългосрочно потенциране (LTP) и дългосрочна депресия (LTD) (Bliss and Collingridge 1993; Malenka and Bear 2004) . Допълнителни електрофизиологични промени в мозъка, които са замесени във формирането на дългосрочна памет, включват кохерентност на електроенцефалограмата (ЕЕГ), т.е. фазова синхронизация на колебанията на потенциала на полето, която координира времето на невронните пикове, за да насърчи синаптичната пластичност в разпределените мозъчни региони (Corcoran et др., 2016 г.; Zanto и др., 2011 г.). Трябва да се отбележи, че тази комуникация на системно ниво между мозъчните региони се контролира от остри вълни на вълната (SPW-Rs) (Buzsáki 2015), асинхронен модел на популация в хипокампуса, който се включва в кръстосано взаимодействие с широка област на кората и няколко подкорови ядра. SPW-R се появяват в „офлайн“ състояния на мозъка по време на събуждане и в не-REM сън и се смята, че консолидират епизодични спомени в хипокампално-кортикалната система (Buzsáki 2015; Inostroza and Born 2013). Тези общосистемни дейности предоставят възможно механично обяснение защо зависимите от хипокампуса спомени, които са крехки през началния период, когато ангажират мрежа от хипокампусни и кортикални региони, стават по-стабилни и изключително независими от хипокампуса с течение на времето. Това преразпределение на представяне на памет и съхранение е известно като консолидация на системно ниво (Dudai et al. 2015; Squire et al. 2015; Frankland and Bontempi 2005).

Въпреки че тези изследвания предоставиха много информация за биологичните основи на обучението ипамет, те се фокусираха върху невронните механизми и впоследствие генерираха заключения, ограничени предимно до неврони и невронни функции. Въпреки това, в допълнение към невроните, мозъкът включва много видове клетки и системи, включително глия и съдови

системи. Последните изследвания започнаха да оценяват ролята на не-невронните клетки в дългосрочен планпамети предоставя ясни доказателства, че всички типове глиални клетки (т.е. астроцити, олигодендроцити и микроглия) играят критична роля в обработката на паметта (Adamsky and Goshen 2017; Fields 2008; Gibbs et al. 2008; Lee et al. 2014; Moraga-Amaro et др., 2014 г.; Паркхърст и др., 2013 г.; Сузуки и др., 2011 г.).

Астроцитите са особено добре подготвени да влияят върху невронните функции, участващи във формирането на паметта (Haydon and Nedergaard 2014; Moraga-Amaro et al. 2014): те са възбудими чрез калциеви флуктуации и реагират на невротрансмитерите, освободени в синапсите; те се синхронизират чрез калциеви вълни и освобождават свои собствени глиотрансмитери, които са от съществено значение за синаптичната пластичност; те комуникират с кръвоносните съдове, като по този начин свързват циркулацията (кръвотока) с локалната мозъчна активност; и накрая, те регулират енергийния метаболизъм в подкрепа на невронните функции, включително тези, необходими запаметобразуване (Henneberger et al. 2010; Pannasch and Rouach 2013; Perea et al. 2009; Bazargani and Attwell 2016). По отношение на тази метаболитна роля, астроцитите са идеално позиционирани, за да балансират метаболизма на глюкозата в мозъка: от една страна астроцитните крайни крака контактуват директно със слоевете на кръвоносния съд, които внасят глюкоза от кръвта чрез селективния глюкозен транспортер GLUT1, и от друга страна, тези клетки разширяват процеси, които обвиват пре- и постсинаптичните отделения на невроните (Falkowska et al. 2015; Morgello et al.

1995) (Фигура 2).

В този преглед ще обсъдим конкретно критичния принос на астроцитите, действащи като регулатори на метаболизма на глюкозата, запаметобразуване и съхранение.

Метаболизмите на гликоген и глюкоза играят критична роля впаметобразуване

Проучванията на Пол Голд и колеги идентифицираха системната глюкоза като посредник напамет-усилващ ефект на норепинефрин (Gold and Korol 2012). Спомените, кодирани в състояния на възбуда, се помнят по-добре (т.е. за по-дълги периоди и с по-големи детайли), а е добре известно, че възбудата регулира освобождаването на епинефрин от надбъбречните жлези. Епинефринът свързва адренергичните рецептори (AR) на хепатоцитите и инициира разграждането на гликоген, полимер на глюкоза, съхраняван в черния дроб (Sutherland and Rall 1960), което води до освобождаване на глюкоза в кръвния поток. Системни инжекции с глюкоза в дози, сравними с тези, открити в кръвта след лечение с епинефрин, са достатъчни за подобряване напамет, докато ниското складиране на гликоген в черния дроб, както при лишените от храна или възрастните плъхове, е свързано с липса на подобряване на паметта след лечение с епинефрин (Morris et al. 2010; Talley et al. 2000). Обратно, периферното блокиране на адренергичните рецептори блокира способността на епинефрина да усилвапамети повишаване на кръвната глюкоза. Взети заедно, тези проучвания подкрепят заключението, че основен механизъм, лежащ в основата на действието на епинефрина, освободен при възбуда, е повишаването на кръвната глюкоза.

Ефектът на глюкозата катопаметусилвател е наблюдаван както при системни, така и при интрацеребрални инжекции и е свързан с регулирането на освобождаването на норепинефрин или ацетилхолин. Ragozzino и колеги показаха, че както системните, така и интрахипокампалните инжекции на глюкоза, подобно на инжекциите на епинефрин, засилват спонтанното редуване, форма на пространствена работапамети увеличават освобождаването на ацетилхолин в хипокампуса (Ragozzino et al. 1998; Ragozzino et al. 1996).

Разбирането на ролята на глюкозата върху модулацията на паметта беше значително напреднало от наблюдението, че когато плъховете се тестват върху задача за спонтанно редуване, нивата на извънклетъчната глюкоза в хипокампуса намаляват значително. Следователно се предполага, че обучението ипаметконсумират глюкоза, вероятно за да поддържат енергийните нужди на мозъка, докато обработва новия опит и съхранява важната информация (McNay et al.

2000 г.; McNay и др. 2001 г.; McNay и Sherwin 2004).

Наистина, мозъкът консумира високи нива на енергия: мозъкът на възрастен използва средно около 20 процента от общата телесна енергия, въпреки че представлява само 2 процента от общото телесно тегло. Глюкозата, основният източник на енергия, навлизаща в мозъка от кръвообращението, може или да се метаболизира директно, или да се съхранява под формата на гликоген. В зрелия мозък гликогенът се съхранява предимно в астроцити (Brown et al. 2004; Brunet et al. 2010; Cali et al. 2016; Cataldo and Broadwell, 1986; Maxwell and Kruger 1965; Petersen 1969; Pfeiffer-Guglielmi et al. 2003; прегледано в Waitt et al. 2017) и при условия на високо енергийно търсене, като лишаване от глюкоза или интензивна невронна активност, може да се катаболизира, за да достави бързо метаболитни субстрати (т.е. пируват и лактат) (Brown and Ransom 2015). Въпреки че невроните притежават ензимната машина за съхранение и разграждане на гликоген, при физиологични условия те потискат съхранението на гликоген чрез серия от механизми. Всъщност съхранението на гликоген в невроните се наблюдава само при тежки неврологични заболявания като прогресивна миоклонична епилепсия или болест на Lafora, мозъчно разстройство, характеризиращо се с повтарящи се припадъци (епилепсия) и намаляване на интелектуалната функция (Vilchez et al. 2007). По този начин глюкозата, или директно метаболизирана чрез гликолиза, или доставяна чрез астроцитна гликогенолиза, може да подхранва високите енергийни нужди, свързани с клетъчните промени, лежащи в основата на обучението,паметобразуване ипаметсъхранение.

Един отдавна обсъждан въпрос е дали невроните директно внасят глюкоза, влизаща в мозъка от кръвта, и я използват незабавно, за да осигурят енергията, необходима за поддържане на техните функции. Алтернативен модел, предложен от Pellerin и Magistretti (Pellerin and Magistretti 1994), предполага, че високите енергийни нужди на стимулираните неврони се поддържат от астроцити, които доставят на невроните лактат, произведен чрез аеробна гликолиза, като по този начин осигуряват енергията, необходима за дейността- индуцирани невронни функции; следователно, в случай на учене, за промените, включени в обработката и съхраняването на спомени. Възможно е също и двата механизма да се използват, може би в отговор на специфични условия.

Моделът, предложен от Magistretti и Pellerin, е силно обсъждан. Тези дебати са сложни и вероятно отразяват сложността на метаболитните регулации при различни условия. Като се има предвид разнообразието от тези условия и системи, ние няма да можем да обсъдим точките на дебата в този ръкопис, затова се позоваваме на няколко рецензии, които ги докладват (Chih et al., 2001; Chih и Roberts, 2003; Dienel и Hertz, 2001 ; Pellerin и Magistretti, 2003, 2012; Aubert и др., 2005; Dienel, 2010, 2017; DiNuzzo и др., 2010; Steinman и др., 2016). Ние обаче ще обсъдим литературата, важна за констатациите за ролята на гликогена, глюкозата и лактата в ученето и паметта, както и в пластичността на мозъка.

Няколко проучвания съобщават, че стимулирането на мозъчни зони увеличава гликогенолизата и гликолизата, както и усвояването на глюкоза в астроцитите, в съответствие с идеята, че астроцитният гликоген и метаболизъм на глюкозата са необходими за поддържане на зависими от активността процеси. Например, ЯМР спектроскопия, която позволява измерване на лактат in vivo, разкри повишение на лактат в човешкия зрителен кортекс по време на физиологична фототична стимулация (Prichard et al. 1991), а измерванията, базирани на микросензори, разкриха повишаване на извънклетъчната концентрация на лактат в зъбната кост гирус на хипокампуса на плъх след електрическа стимулация на перфорантния път (Hu and Wilson 1997). Нещо повече, стимулацията на мустаците при будни плъхове води до бързо разграждане на гликоген в слой IV на соматосензорния кортекс (Swanson et al. 1992) и води до преференциално увеличаване на усвояването на глюкоза в астроцитите в сравнение с невроните в соматосензорния кортекс invivo (Chuquet et al. al., 2010), въпреки че трябва да се разберат повече механични подробности (Dienel and Cruz 2015). Физическата позиция на астроцитите, между кръвния поток от едната страна и невроните от другата, допълнително подкрепя идеята, че астроцитната регулация на глюкозния метаболизъм субсидира енергийните нужди на активността, пластичността, ученето ипаметобразуване.

В съответствие с тази гледна точка, метаболитното профилиране на астроцити и неврони разкрива различни характеристики, показващи, че гликолизата се среща главно в астроцитите. Например, култивираните неврони произвеждат CO2 с много по-висока скорост от астроцитите и техните съответни ензимни профили са в съответствие с относителното преобладаване на гликолизата в глиалните клетки и окислението в невроните (Bélanger et al. 2011; Hamberger and Hydén 1963; Hydén and Lange 1962). В допълнение, остро изолирани, FACS-пречистени астроцити показват предимно гликолитичен профил (Lovatt et al. 2007; Zhang et al. 2014). И накрая, ензимът 6-фосфофрукто-2- киназа/фруктоза-2,6-бифосфатаза 3 (Pfkfb3), който насърчава гликолизата, е активен в астроцитите, но постоянно е подложен на протеазомно разграждане в неврони (Bolaños et al. 2010; Herrero-Mendez et al. 2009), отново подкрепяйки идеята, че астроцитите са основните места на гликолизата. По този начин голям брой доказателства се сближават със заключението, че астроцитите са предимно гликолитични клетки, докато невроните не са и вместо това проявяват висока окислителна активност.

Първата демонстрация, че астроцитната гликолиза е критична за ученето и паметта, идва от проучвания, извършени от Лейф Херц, Мари Гибс и колеги, които показват, че гликогенолизата е необходима за формирането на паметта. Използвайки обучение за избягване на вкуса при еднодневно пиле, те показаха, че интракраниалното инжектиране на инхибитор на гликоген фосфорилаза, 1,4-дидеокси-1,4-имино-d-арабинитол (DAB) , нарушена памет в зависимост от дозата и заключи, че гликогенолизата е критично изискване за дългосрочнопаметсъхранение (Gibbs et al. 2006). В съгласие с това заключение, разграждането на гликогена в мозъка се увеличава значително по време на сензорна активация при плъхове (Cruz and Dienel 2002; Swanson et al. 1992), а по-късните проучвания, описани подробно по-долу, демонстрират, че гликогенът допринася за няколко вида формиране на памет при плъхове и мишки. В допълнение към гликогенолизата може да е необходима и аеробна гликолизапаметобразуване, както е разкрито от експерименти, при които инхибиторът на гликолизата 2-дезоксиглюкоза е инжектиран в мозъците на еднодневни пилета по време на обучение, което води до дълготрайно увреждане на паметта (Gibbs et al. 2007). По този начин няколко проучвания се обединиха около заключението, че гликогенолизата и аеробната гликолиза, водещи до производството на лактат, са критично свързани с формирането на паметта. Това повдига няколко въпроса: Как точно се осъществява това регулиране? Как астроцитите са функционално свързани с невроните? Какви са целевите механизми, които консумират високи нива на енергия при учене и позволяват консолидирането на паметта?

Астроцитната гликогенолиза, аеробната гликолиза и лактатът са критични за дългосрочнопаметобразуване в няколко области на мозъка

Модел, предложен от Pellerin и Magistretti (Pellerin and Magistretti 1994), известен като астроцитно-невронна лактатна совалка (ANLS), предполага, че астроцитната гликолиза и невроналното окисление играят координирани роли в формирането на дългосрочна памет чрез транспорт на лактат. Този модел прогнозира, че възбуждането, а оттам и освобождаването на глутамат, стимулира усвояването на глутамат от астроцитите, който се превръща в глутамин (глутамат-глутаминов цикъл), в крайна сметка поддържайки синаптичното освобождаване на глутамат. Този цикъл изисква енергия от астроцитите, които следователно биха активирали усвояването на глюкозата от кръвта и я метаболизирали в лактат. Лактатът, освободен от астроцитите чрез монокарбоксилатни транспортери (MCTs), може да навлезе в други видове клетки, използвайки подобни транспортери, които работят на базата на концентрационни градиенти на протони и монокарбоксилат през плазмената мембрана (Halestrap 2013; Pierre и Pellerin 2005). МСТ са свързани с протони плазмени мембранни транспортери, които пренасят молекули, съдържащи една карбоксилатна група (оттук и терминът монокарбоксилати), като лактат, пируват и кетонни тела, през плазмените мембрани. MCT1 се експресира в астроцити, епендимоцити, олигодендроцити и ендотелни клетки на кръвоносните съдове, докато MCT4 се експресира селективно от астроцити и се обогатява в синаптичните места (Pierre and Pellerin 2005; Rinholm et al. 2011; Suzuki et al. 2011). MCT2, от друга страна, се експресира селективно от неврони (Debernardi et al. 2003).

По този начин лактатът, освободен от астроцитите чрез MCT4 и MCT1, се транспортира от MCT2 в неврони, където се превръща в пируват, който впоследствие се метаболизира чрез окислително фосфорилиране в митохондриите, за да произведе 14–17 ATP на молекула лактат (Фигура 2). Това снабдяване с лактат от астроцитите към невроните дава обяснение за това как невроните могат да се справят с високите енергийни изисквания, предизвикани от активни процеси в отговор на стимули.

Първите проучвания, които описват ANLS, са извършени in vitro и бяха повдигнати въпроси относно това дали тези механизми се появяват in vivo (Chih и Roberts 2003; Dienel и Cruz 2004; Gjedde et al. 2002). Въпреки това, проучванията на Херц и Гибс върху пилето, описано по-горе, предполагат, че гликогенолизата е включена впаметформация (за преглед вижте Gibbs 2016). В тези проучвания пилетата са били изложени на две зърна, едно червено и едно синьо, и са били обучени да избягват кълването на червеното зърно поради асоцииране с неприятен вкус. По време на теста за задържане беше измерено съотношението между броя на кълването на червени и сини перли, което разкрива увеличаване на избягването на кълване на червени перли; промяната в коефициента на дискриминация е показателна за паметта (Hertz et al. 1996). Първоначалните резултати показват, че нивата на гликоген в предния мозък намаляват 30 минути след обучението, съпътстващо повишаване на глутамата, което предполага деновосинтеза на глутамат от гликоген за поддържанепаметконсолидация (Hertz et al. 2003; O'Dowd et al. 1994). Няколко години по-късно същата група показа, че DAB уврежда паметта за отвращение към вкуса при еднодневни пилета, когато се влива в мултимодалната област на асоцииране на предния мозък, междинния медиален мезопалиум (IMM), мозъчна област, необходима за консолидиране на паметта (Gibbs et al. 2006 ; Гибс и Херц 2008). След това те откриха, че глутаминът е достатъчен за спасяване на паметта и следователно предположиха, че гликогенолизата е критична за совалката глутамат/глутамин, която също може да бъде повлияна от DAB. Последващо проучване от същите автори демонстрира, че L-лактатът също е достатъчен, за да спаси паметта за неприятен вкус на пилета след лечение с инхибитор на гликогенолизата (DAB) или гликолизата (2-дезоксиглюкоза) (Gibbs et al. 2007). Освен това, прилагането на D-лактат, конкурентната небиологично активна форма на лактат, влошава отвращението към вкуса на пилетопаметсъс забавяне във времето, което предполага, че инхибира метаболизма на L-лактат, а не поглъщането, което води авторите до заключението, че астроцитният метаболизъм чрез гликогенолиза и метаболизмът на лактат е критичен за формирането на паметта (Gibbs and Hertz 2008). Тези констатации подкрепят идеята, че обучението при новородените пиленца разчита на разграждането на гликогена за синтеза на глутамат в астроцитите (Gibbs et al. 2007).

Въпреки това, допълнителна интерпретация е, че лактатът, произведен от гликогенолиза, се транспортира в неврони за тяхното използване, като по този начин допринася за поддържане на невронни модификации, критични за формирането на паметта. Тествахме тази хипотеза в мозъци на бозайници, като се съсредоточихме конкретно върху това дали механизмите на гликогенолиза, освобождаване на астроцитен лактат и транспортиране в невроните участват в консолидацията на паметта, процесът, който стабилизира новоформираната, първоначално крехка памет в дълготрайно стабилно представяне (Alberini 2009 , Дудай 2004).

Използвайки възрастни плъхове, обучени в задача за избягване на инхибиторите (IA), при която животните се научават да избягват контекст, който преди това е съчетан с шок на крака (контекстуален отговор на заплаха), ние демонстрирахме, че лактатът, транспортиран от астроцитите до невроните в хипокампуса, играе критична роля в консолидирането на дългосрочната памет (Suzuki et al. 2011). По-конкретно, ние открихме, че астроцитната гликогенолиза на хипокампа е необходима за консолидиране на паметта, invivo хипокампално дългосрочно потенциране и индуцирано от обучението увеличаване на синаптичните и клетъчни макромолекулни промени, включително експресия на незабавно ранния ген (IEG), регулиран от активността на цитоскелетно-асоцииран протеин (Arc или Arg3.1) и фосфорилиране на транскрипционния фактор CREB и на актин-разделящия протеин кофилин, всички от които са маркери за дългосрочна синаптична пластичност. Всъщност, DAB, инжектиран двустранно в дорзалния хипокампус преди или непосредствено след IA тренировка, постоянно нарушава задържането на паметта и това прекъсване е предотвратено чрез съвместно инжектиране на L-лактат, но не и на еквикалорични концентрации на глюкоза. В допълнение, след IA тренировка хипокампалната екстрацелуларна концентрация на лактат, измерена чрез инвивомикродиализа, значително се повишава и остава повишена за повече от 1 час, връщайки се към изходното ниво приблизително 90 минути след тренировка. Това увеличение на лактата беше напълно премахнато чрез двустранно инжектиране на DAB в хипокампуса, което предполага, че е резултат от астроцитна гликогенолиза.

Освен това открихме, че хипокампалното инжектиране на неактивния изомер D-лактат преди тренировка също блокира дългосрочното задържане на паметта, което предполага, че метаболизмът на лактат е критичен за формирането на дългосрочна памет. Подобни ефекти върху задържането на паметта са наблюдавани след нокдаун на транспортерите на лактат (MCT). Трябва да се отбележи, че въпреки че уврежданията на паметта, предизвикани от нокдауна на лактатните транспортери, експресирани в астроцити (MCT1 и MCT4), бяха спасени чрез добавянето на L-лактат, увреждането, предизвикано от нокдауна на транспортера, експресиран в неврони (MCT2), не беше в съответствие с идеята, че транспортирането на лактат от астроцитите и в невроните е критично за формирането на паметта. В съответствие с тази интерпретация, лактатен градиент между астроцити и неврони наскоро беше наблюдаван и характеризиран при висока разделителна способност, инвивираща двуфотонна микроскопия (Machler et al. 2016). Следователно заключихме, че гликогенолизата и транспортът на астроцит-невронен лактат критично поддържат невронните функции, необходими за формирането на дългосрочна памет. По-скорошно изследване допълнително подкрепи ролята на астроцитния лактат във формирането на паметта, като показа, че IA обучението индуцира хипокампална експресия на молекули, участващи в астроцитно-невронен транспорт, като MCTs и експресията на лактат дехидрогеназа (LDH) A и B, ензимите, които катализират взаимното преобразуване на лактат и пируват (Tadi et al. 2015).

Подобни заключения са достигнали от Newman et al. (2011), които са използвали чувствителни биопроби за измерване на нивата на мозъчна глюкоза и лактат в хипокампуса на плъхове, докато са били подложени на задача за пространствена работна памет. Те откриха, че докато извънклетъчната глюкоза намалява, нивата на лактат се повишават по време на изпълнение на задачата и интрахипокампалните инфузии на L-лактат подобряват паметта при тази задача. В допълнение, фармакологичното инхибиране на астроцитната гликогенолиза с DAB уврежда паметта и това увреждане се обръща или от L-лактат, или от глюкоза, като и двете могат да осигурят лактат на невроните в отсъствието на гликогенолиза. В това проучване, както и в нашето, блокадата на МСТ, отговорни за усвояването на лактат в невроните, влоши паметта и това увреждане не беше обърнато нито от глюкоза, нито от L-лактат, което отново подкрепя идеята, че усвояването на лактат от невроните е необходимо за поддържане на формирането на паметта . Авторите заключават, както и ние, че астроцитите регулират формирането на паметта чрез контролиране на осигуряването на лактат за поддържане на невронните функции.

Допълнителни проучвания, базирани на генетични подходи, подкрепят тези заключения. Делгадо-Гарсия и колеги откриха, че нокаутът на гликоген синтазата в нервната система на мишки уврежда както хипокампалния LTP, така и асоциативното обучение (Duran et al. 2013). В допълнение, Boury-Jamot et al. (2016) и Zhang et al. (2016) съобщават, че консолидирането и повторното консолидиране на апетитното кондициониране с помощта на наркотици за злоупотреба (т.е. предпочитание на място, обусловено от кокаин или самоприлагане) също зависи от гликогенолизата и насочения транспорт на лактат от астроцитите към невроните чрез MCTs в базолатералната амигдала (BLA) на плъхове. Освен това, извънклетъчният лактат, измерен чрез инвиво микродиализа, е повишен в BLA след IA обучение и извличане (Sandusky et al. 2013).

В съответствие с резултатите от тези проучвания, ние открихме, че BLA гликогенолизата е критична за формирането на паметта на IA, както се вижда от факта, че двустранното инжектиране на DAB в BLA 15 минути преди обучението на IA сериозно и постоянно нарушава задържането на паметта при плъхове. Това увреждане не беше спасено от шок за напомняне, доставен в различен контекст, протокол, който възстановява угасналите спомени (Inda et al. 2011), което предполага, че блокирането на гликогенолизата в амигдалата преди тренировка нарушава процеса на консолидация. Съвместното приложение на L-лактат с DAB в амигдалата спасява увреждането на паметта, потвърждавайки важността на ролите на гликогенолизата и лактата в различни области на мозъка за консолидиране на паметта на IA (Фигура 3).

Целевите функции, захранвани от метаболизма на лактат и/или глюкоза, все още са до голяма степен неизвестни. Мозъчната енергия е необходима за поддържане на електрическите импулси, необходими за невронална комуникация и за много домакински дейности, включително протеинов синтез, метаболизъм на фосфолипиди, цикъл на невротрансмитери и транспорт на йони през клетъчните мембрани (Du et al. 2008). Както е показано от проучванията, описани по-горе, метаболизмът на лактат поддържа формирането на дългосрочна памет и зависимото от обучението увеличаване на експресията на няколко молекули, свързани с активността и пластичността, включително Arc, cFos и Zif268 (Gao et al. 2016; Suzuki et al. 2011 г.;

Yang и др. 2014 г.). Тези ефекти са зависими от NMDA рецептора, което предполага, че зависимите от лактат промени са свързани с активността и/или пластичността (Yang et al. 2014). Invivo, лактатът е достатъчен за поддържане на невронната активност (Wyss et al. 2011) и последните данни показват, че интерстициалните K плюс повишения могат да активират канал на астроцитната мембрана, през който астроцитният лактат може да тече в интерстициума, успоредно с установения транспорт чрез MCTs (Sotelo-Hitschfeld et al., 2015). Този път за освобождаване на астроцитен лактат е свързан с мембранния потенциал и позволява освобождаване на лактат срещу концентрационен градиент, докато MCT е електронеутрален и нетният поток се управлява от трансмембранните концентрации на Н плюс и лактат. Освен това е демонстриран астроцитен механизъм чрез реагираща на бикарбонат разтворима аденилил циклаза, водеща до разграждане на гликоген, засилена гликолиза и освобождаване на лактат в извънклетъчното пространство, което впоследствие се поема от неврони за използване като енергиен субстрат (Choi et al. 2012). Колективно тези проучвания подкрепят заключението, че доставянето на лактат от астроцитите към невроните може да се регулира по много начини в отговор на активността и са необходими проучвания, за да се разбере дали паралелни или селективни механизми възникват invivoupon обучение. Въпреки това се оказва, че лактатът е необходим за поддържане не само на хомеостазата на йонната мембрана след деполяризация, но и на много други невронни функции, необходими за дългосрочни модификации, свързани с формирането и съхранението на паметта.