Část 1: Astrocytový glykogen a laktát: Nové pohledy do mechanismů učení a paměti

další informace:ali.ma@wecistanche.com

Pls klikněte sem pro část 2

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

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

Klikněte naCistanches a cistanche pro paměť

Abstraktní

Paměť, schopnost uchovávat naučené informace, je nezbytná pro přežití. Dosud molekulární a buněčné výzkumyPaměťtvorba a ukládání se soustředily hlavně na neuronální mechanismy. Kromě neuronů však mozek obsahuje další typy buněk a systémů, včetně glií a vaskulatury. Nedávná experimentální práce proto začala klást otázky o rolích neneuronových buněk vPaměťformace. Tyto studie poskytují důkaz, že všechny typy gliových buněk (astrocyty, oligodendrocyty a mikroglie) významně přispívají ke zpracování zakódovaných informací a ukládání vzpomínek. V tomto přehledu shrnujeme a diskutujeme nedávné poznatky o kritické úloze astrocytů jako poskytovatelů energie pro dlouhodobé neuronální změny, které jsou nezbytné pro dlouhodobéPaměťformace. Zaměřujeme se na tři hlavní poznatky: za prvé, roli metabolismu glukózy a metabolické spojení mezi astrocyty a neurony závislé na učení a aktivitě ve službách dlouhodobéhoPaměťformace; za druhé, úloha astrocytárního metabolismu glukózy při vzrušení, což je stav, který přispívá k vytváření velmi dlouhodobých a detailních vzpomínek; a nakonec, ve světle vysokých energetických nároků mozku během raného vývoje, budeme diskutovat o možné roli astrocytárního a neuronálního metabolismu glukózy při vytváření časných vzpomínek. Na závěr navrhujeme budoucí směry a diskutujeme o důsledcích těchto zjištění pro zdraví a nemoci mozku.

Klíčová slova

glukóza; metabolismus; glia; glykolýza; glykogenolýza; emoční vzrušení; rozvoj

DlouhodobýPaměťa jeho základní neuron-centrické biologické mechanismy jejich základních biologických mechanismů a obvodů. Přestože dlouhodobé paměti obecně vyžadují expresi denovogenu, krátkodobé paměti se spoléhají na posttranslační proteinové modifikace (Alberini 2009; Alberini a Kandel 2014; Squire a Dede 2015).

Vzpomínky lze také rozdělit do různých kategorií na základě typu zakódovaných a uložených informací. Například jeden hlavní rozdíl klasifikuje vzpomínky jako explicitní (u lidí také známé jako deklarativní) nebo implicitní (nedeklarativní) (Squire 2004). Explicitní vzpomínky uchovávají informace o faktech, lidech, místech a věcech (také známé jako vzpomínky na co, kde, kdo a kdy nebo www vzpomínky) a zahrnují epizodické a sémantické vzpomínky. Implicitní vzpomínky, které jsou vyvolány nevědomým/automatickým způsobem, uchovávají informace o naučených automatických reakcích a zahrnují primární aktivaci, procedurální vzpomínky (vzpomínky na to, jak věci dělat) a jednoduché reflexy (Tulving 1972; Squire a Wixted 2011). Explicitní a implicitní paměti rekrutují odlišné systémy (síť regionů) pro jejich kódování, konsolidaci a ukládání. Klinické studie i studie na zvířatech odhalily, že explicitní vzpomínky jsou zpracovávány mediálním temporálním lalokem, v jehož rámci je jednou kritickou oblastí hipokampus, zatímco implicitní vzpomínky jsou zpracovávány jinde a mohou fungovat v nepřítomnosti neporušeného explicitního systému (Eichenbaum 2006; Kim and Fanselow 1992; Scoville a Milner 1957; Squire a Wixted 2011). Explicitní vzpomínky jsou tedy také označovány jako vzpomínky závislé na hippocampu. I když implicitní a explicitníPaměťsystémy mohou být funkčně disociované, za normálních zdravých podmínek spolupracují na zpracování a ukládání komplexních informací (Kim a Baxter 2001; McDonald et al. 2004).

Studie zaměřené na objasnění biologických základů dlouhodobých vzpomínek se zaměřily především na vzpomínky závislé na hippocampu. Většina našich znalostí o buněčných a molekulárních mechanismech, které jsou základemPaměťformování a ukládání původně pocházelo ze zkoumání jednoduchých forem učení, jako je reflex stažení žáber u Aplysia California a čichové učení u Drosophila melanogaster (Yin et al. 1994; Dubnau a Tully 1998; Davis 2011; Kandel 2012). V Aplysii tyto studie odhalily velké množství informací o molekulárních a buněčných drahách aktivovaných a rekrutovaných k realizaci dlouhodobých modifikací synaptické síly nebo dlouhodobé synaptické plasticity. Tyto údaje se shodovaly s genetickými a behaviorálními výsledky získanými u Drosophila. Vedené těmito znalostmi z těchto dvou systémů bezobratlých, studie pamětových paradigmat savců odhalily, že podobné molekulární dráhy jsou nezbytné také u složitějších savců.Paměťvčetně vzpomínek závislých na hipokampu. Četné studie za posledních 30 let na mnoha druzích nakonec dospěly k závěru, že evolučně konzervované biologické mechanismy jsou základem dlouhodobé synaptické plasticity a tvorby dlouhodobé paměti (Alberini 2009; Kandel 2012; Kandel et al. 2014). Jedním klasickým příkladem, který byl rozsáhle zkoumán, je evolučně konzervovaná úloha cyklického adenosinmonofosfátu (cAMP) – závislé dráhy a funkčně spojená aktivace cAMP responzivního elementu vázajícího proteinu (CREB) – závislé kaskády genové exprese ( Kida a Serita 2014; Lonze a Ginty 2002; Silva a kol. 1998) (obrázek 1).

Ke zkoumání složitosti savců bylo použito mnoho savčích modelů různých typů krátkodobé a dlouhodobé paměti, zejména u hlodavců.Paměťzpracování v různých oblastech mozku. Tyto studie odhalily, že exprese a posttranslační regulace mnoha tříd genů, RNA a proteinů jsou nutné pro tvorbu a ukládání dlouhodobé paměti; patří mezi ně bezprostředně rané geny (např. 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), metabotropní a ionotropní receptory

pro různé neurotransmitery (např. AMPA, NMDA, Kainate, GABA a metabotropní glutamátové receptory) a neuromodulátory (např. dopaminergní a serotoninergní receptory), neurotrofické faktory (např. tyrosin receptor kináza) (Fanselow et al. 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 (např. ERK, CamKII, PKA, PKC a MAPKMζ, et al. 2002; Kandel 2012; Lisman et al. 2002; Mayford 2007; Pastalková et al. 2006; Rahn et al. 2013), transkripční faktory (např. 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 (např. 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 (např. miR-124, miR-132, miR-128b a miR{{33} }) (Bredy a kol. 2011; Nudelman a kol. 2010; Saab a Mansuy 2 014) a řada efektorových proteinů zapojených do strukturálních změn, jako jsou molekuly buněčné adheze (např. neurexin a neuroligin) (Murase a Schuman 1999; Rose 1996; Ye a kol. 2017; Bailey a kol. 2015) (obrázek 1).

Tyto molekulární výzkumy byly paralelní s elektrofyziologickými studiemi, které ukázaly, že buněčné mechanismy jsou základem dlouhodobéhoPaměťzahrnují dlouhodobé synaptické funkční změny, a zejména dlouhodobé zvýšení nebo snížení synaptického přenosu známého jako dlouhodobá potenciace (LTP) a dlouhodobá deprese (LTD) (Bliss a Collingridge 1993; Malenka a Bear 2004) . Mezi další elektrofyziologické změny v mozku, které se podílejí na tvorbě dlouhodobé paměti, patří koherence elektroencefalogramu (EEG), tj. fázová synchronizace oscilací potenciálu pole, která koordinuje načasování neuronových špiček k podpoře synaptické plasticity napříč distribuovanými oblastmi mozku (Corcoran et al. 2016; Zanto et al. 2011). Je pozoruhodné, že tato komunikace na úrovni systému mezi oblastmi mozku je řízena vlněním ostrých vln (SPW-R) (Buzsáki 2015), asynchronním vzorem populace v hippocampu, který se zapojuje do přeslechů s širokou oblastí kůry a několika subkortikálních jader. SPW-R se vyskytují v „off-line“ stavech mozku během bdění a v non-REM spánku a má se za to, že konsolidují epizodické vzpomínky napříč hipokampálně-kortikálním systémem (Buzsáki 2015; Inostroza a Born 2013). Tyto celosystémové aktivity poskytují možné mechanické vysvětlení, proč se vzpomínky závislé na hipokampu, které jsou křehké během počátečního období, kdy zapojují síť hipokampálních i kortikálních oblastí, časem stávají stabilnějšími a výlučně nezávislými na hipokampu. Tato redistribuce paměťových reprezentací a úložiště je známá jako konsolidace na systémové úrovni (Dudai et al. 2015; Squire et al. 2015; Frankland a Bontempi 2005).

Přestože tyto studie poskytly velké množství informací o biologických základech učení aPaměťzaměřili se na neuronální mechanismy a následně vytvořili závěry většinou omezené na neurony a neuronální funkce. Nicméně, kromě neuronů, mozek obsahuje mnoho typů buněk a systémů, včetně glií a cév

systémy. Nedávné výzkumy začaly hodnotit roli neneuronálních buněk v dlouhodobém horizontuPaměťa poskytl jasný důkaz, že všechny typy gliových buněk (tj. astrocyty, oligodendrocyty a mikroglie) hrají kritickou roli při zpracování v paměti (Adamsky a Goshen 2017; Fields 2008; Gibbs a kol. 2008; Lee a kol. 2014; Moraga-Amaro a kol. 2014; Parkhurst a kol. 2013; Suzuki a kol. 2011).

Astrocyty jsou zvláště dobře vybaveny k ovlivňování neuronových funkcí zapojených do tvorby paměti (Haydon a Nedergaard 2014; Moraga-Amaro et al. 2014): jsou excitabilní prostřednictvím fluktuací vápníku a reagují na neurotransmitery uvolňované v synapsích; synchronizují se prostřednictvím kalciových vln a uvolňují své vlastní gliotransmitery, které jsou nezbytné pro synaptickou plasticitu; komunikují s krevními cévami, čímž spojují cirkulaci (průtok krve) s místní mozkovou aktivitou; a konečně regulují energetický metabolismus na podporu neuronálních funkcí, včetně těch, které jsou pro ně nezbytnéPaměťformace (Henneberger et al. 2010; Pannasch a Rouach 2013; Perea et al. 2009; Bazargani a Attwell 2016). S ohledem na tuto metabolickou roli jsou astrocyty dokonale umístěny tak, aby vyvážily metabolismus glukózy v mozku: na jedné straně astrocytární koncové nohy přímo kontaktují vrstvy krevní cévy, které importují glukózu z krve prostřednictvím selektivního transportéru glukózy GLUT1, a na druhé straně tyto buňky rozšiřují procesy, které se obalují kolem pre- a postsynaptických kompartmentů neuronů (Falkowska et al. 2015; Morgello et al.

1995) (obrázek 2).

V tomto přehledu budeme konkrétně diskutovat o kritickém příspěvku astrocytů, které působí jako regulátory metabolismu glukózyPaměťformování a skladování.

Metabolismus glykogenu a glukózy hraje zásadní roliPaměťformace

Studie Paula Golda a kolegů identifikovaly systémovou glukózu jako prostředníkaPaměť-zesilující účinek norepinefrinu (Gold a Korol 2012). Vzpomínky zakódované ve stavech vzrušení se pamatují lépe (tj. po delší dobu a s většími detaily) a je dobře známo, že vzrušení reguluje uvolňování adrenalinu z nadledvinek. Epinefrin váže adrenergní receptory (AR) na hepatocytech a iniciuje rozklad glykogenu, polymeru glukózy uloženého v játrech (Sutherland a Rall 1960), což vede k uvolnění glukózy do krevního řečiště. Systémové injekce glukózy v dávkách srovnatelných s těmi, které byly nalezeny v krvi po léčbě epinefrinem, jsou dostatečné k posíleníPaměť, zatímco nízké ukládání glykogenu v játrech, jako u potkanů ​​zbavených potravy nebo starých potkanů, je spojeno s nedostatečným zlepšením paměti po léčbě adrenalinem (Morris a kol. 2010; Talley a kol. 2000). Naopak periferní blokování adrenergních receptorů blokuje schopnost epinefrinu posilovatPaměťa zvýšit hladinu glukózy v krvi. Tyto studie společně podporují závěr, že hlavním mechanismem, který je základem působení adrenalinu uvolněného vzrušením, je zvýšení hladiny glukózy v krvi.

Účinek glukózy jako aPaměťEnhancer byl pozorován u systémových i intracerebrálních injekcí a byl spojován s regulací uvolňování buď norepinefrinu nebo acetylcholinu. Ragozzino a kolegové ukázali, že jak systémové, tak intrahipokampální injekce glukózy, stejně jako injekce adrenalinu, zesilují spontánní střídání, formu prostorové práce.Paměťa zvýšit uvolňování acetylcholinu v hippocampu (Ragozzino et al. 1998; Ragozzino et al. 1996).

Pochopení úlohy glukózy na modulaci paměti značně pokročilo pozorováním, že když jsou potkani testováni na úkol spontánní alternace, hladiny extracelulární glukózy v hippocampu významně klesají. Proto bylo navrženo, že učení aPaměťkonzumovat glukózu, pravděpodobně k podpoře energetických požadavků mozku, který zpracovává novou zkušenost a ukládá důležité informace (McNay et al.

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

Mozek skutečně spotřebovává velké množství energie: mozek dospělého spotřebovává v průměru asi 20 procent celkové tělesné energie, přestože tvoří pouze 2 procenta celkové tělesné hmotnosti. Glukóza, hlavní zdroj energie vstupující do mozku z oběhu, může být buď přímo metabolizována, nebo uložena ve formě glykogenu. Ve zralém mozku je glykogen uložen převážně v astrocytech (Brown et al. 2004; Brunet et al. 2010; Cali et al. 2016; Cataldo a Broadwell, 1986; Maxwell a Kruger 1965; Petersen 1969; Pfeiffer-Guglielmi 2003, přezkoumáno ve Waitt et al. 2017), a za podmínek vysoké energetické náročnosti, jako je deprivace glukózy nebo intenzivní nervová aktivita, může být katabolizován, aby rychle dodal metabolické substráty (tj. pyruvát a laktát) (Brown a Ransom 2015). Ačkoli neurony mají enzymatický aparát pro ukládání a rozkládání glykogenu, za fyziologických podmínek potlačují ukládání glykogenu řadou mechanismů. Ve skutečnosti je ukládání glykogenu v neuronech pozorováno pouze u závažných neurologických onemocnění, jako je progresivní myoklonální epilepsie nebo Laforova choroba, mozková porucha charakterizovaná opakovanými záchvaty (epilepsie) a poklesem intelektuálních funkcí (Vilchez et al. 2007). Glukóza, buď přímo metabolizovaná glykolýzou nebo dodávaná astrocytickou glykogenolýzou, tedy může podporovat vysoké energetické nároky spojené s buněčnými změnami, které jsou základem učení,Paměťformace aPaměťúložný prostor.

Jednou dlouho diskutovanou otázkou je, zda neurony přímo importují glukózu vstupující do mozku z krve a okamžitě ji využívají k poskytnutí energie potřebné k podpoře jejich funkcí. Alternativní model navržený Pellerinem a Magistretti (Pellerin a Magistretti 1994) navrhuje, aby vysoké energetické nároky stimulovaných neuronů byly podporovány astrocyty, které dodávají neuronům laktát produkovaný aerobní glykolýzou, čímž poskytují energii potřebnou pro aktivitu- indukované neuronální funkce; tedy v případě učení pro změny spojené se zpracováním a ukládáním vzpomínek. Je také možné, že jsou využity oba mechanismy, možná v reakci na specifické podmínky.

Model navržený Magistretti a Pellerinem byl velmi diskutovaný. Tyto debaty jsou složité a pravděpodobně odrážejí složitost metabolických regulací v různých podmínkách. Vzhledem k rozmanitosti těchto podmínek a systémů nebudeme moci diskutovat o bodech debaty v tomto rukopise, proto se odvoláváme na několik recenzí, které je popisují (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 diskutovat o literatuře důležité pro zjištění úlohy glykogenu, glukózy a laktátu v učení a paměti a také v plasticitě mozku.

Několik studií uvádí, že stimulace oblastí mozku zvyšuje glykogenolýzu a glykolýzu, stejně jako příjem glukózy, v astrocytech, což je v souladu s myšlenkou, že astrocytární glykogen a metabolismus glukózy jsou potřebné k udržení procesů závislých na aktivitě. Například NMR spektroskopie, která umožňuje měření laktátu invivo, odhalila zvýšení laktátu v lidské zrakové kůře během fyziologické fototické stimulace (Prichard et al. 1991) a měření založená na mikrosenzorech odhalila zvýšení extracelulární koncentrace laktátu v zubaté kosti. gyrus krysího hipokampu po elektrické stimulaci perforační dráhy (Hu a Wilson 1997). Navíc stimulace vousů u bdělého potkana vede k rychlému rozkladu glykogenu ve vrstvě IV somatosenzorického kortexu (Swanson et al. 1992) a vede k preferenčnímu zvýšení příjmu glukózy do astrocytů ve srovnání s neurony v somatosenzorickém kortexu invivo (Chuquet et al. al., 2010), i když je třeba porozumět více mechanistickým detailům (Dienel a Cruz 2015). Fyzická poloha astrocytů mezi průtokem krve na jedné straně a neurony na straně druhé dále podporuje myšlenku, že astrocytární regulace metabolismu glukózy dotuje energetické požadavky na aktivitu, plasticitu, učení aPaměťformace.

V souladu s tímto názorem odhalilo metabolické profilování astrocytů a neuronů odlišné rysy, které naznačují, že glykolýza se vyskytuje hlavně v astrocytech. Například kultivované neurony produkují CO2 mnohem vyšší rychlostí než astrocyty a jejich příslušné enzymatické profily jsou v souladu s relativní převahou glykolýzy v gliových buňkách a oxidace v neuronech (Bélanger et al. 2011; Hamberger a Hydén 1963; Hydén a Lange 1962). Navíc akutně izolované astrocyty purifikované FACS vykazují primárně glykolytický profil (Lovatt et al. 2007; Zhang et al. 2014). A konečně, enzym 6-fosfofrukto-2-kináza/fruktóza-2,6-bisfosfatáza 3 (Pfkfb3), který podporuje glykolýzu, je aktivní v astrocytech, ale neustále podléhá proteasomální degradaci v neurony (Bolaños et al. 2010; Herrero-Mendez et al. 2009), což opět podporuje myšlenku, že astrocyty jsou primárními místy glykolýzy. Velké množství důkazů tedy konverguje k závěru, že astrocyty jsou převážně glykolytické buňky, zatímco neurony nikoli, a místo toho vykazují vysokou oxidační aktivitu.

První důkaz, že astrocytická glykolýza je kritická pro učení a paměť, pochází ze studií Leifa Hertze, Marie Gibbsové a kolegů, kteří prokázali, že glykogenolýza je nezbytná pro tvorbu paměti. Pomocí tréninku vyhýbání se chuti u jednodenního kuřátka ukázali, že intrakraniální injekce inhibitoru glykogen fosforylázy, 1,4-dideoxy-1,4-imino-d-arabinitolu (DAB) , narušila paměť způsobem závislým na dávce a dospěla k závěru, že glykogenolýza je kritickým požadavkem pro dlouhodobou léčbuPaměťúložiště (Gibbs et al. 2006). V souladu s tímto závěrem se rozpad glykogenu v mozku významně zvyšuje během senzorické aktivace u potkanů ​​(Cruz a Dienel 2002; Swanson et al. 1992) a pozdější studie podrobně uvedené níže prokázaly, že glykogen přispívá k několika typům tvorby paměti u potkanů ​​a myši. Kromě glykogenolýzy může být nezbytná také aerobní glykolýzaPaměťJak ukázaly experimenty, při kterých byl inhibitor glykolýzy 2-deoxyglukóza injikován do mozku jednodenních kuřat při tréninku, což vedlo k dlouhodobému poškození paměti (Gibbs et al. 2007). Několik studií tedy dospělo k závěru, že glykogenolýza a aerobní glykolýza, vedoucí k produkci laktátu, jsou kriticky spojeny s tvorbou paměti. To vyvolává několik otázek: Jak přesně k tomuto nařízení dochází? Jak jsou astrocyty funkčně spojeny s neurony? Jaké jsou cílové mechanismy, které spotřebovávají vysokou hladinu energie při učení a umožňují konsolidaci paměti?

Z dlouhodobého hlediska jsou rozhodující astrocytární glykogenolýza, aerobní glykolýza a laktátPaměťtvorba v několika oblastech mozku

Model navržený Pellerinem a Magistretti (Pellerin a Magistretti 1994), známý jako astrocyt-neuron laktátový raketoplán (ANLS), naznačuje, že glykolýza astrocytů a neuronální oxidace hrají koordinovanou roli při tvorbě dlouhodobé paměti prostřednictvím transportu laktátu. Tento model předpovídá, že excitace, a tedy uvolňování glutamátu, stimuluje vychytávání glutamátu astrocyty, který se přeměňuje na glutamin (cyklus glutamát-glutamin), případně udržuje synaptické uvolňování glutamátu. Tento cyklus vyžaduje energii z astrocytů, které by proto aktivovaly příjem glukózy z krve a metabolizovaly ji na laktát. Laktát, uvolňovaný astrocyty prostřednictvím monokarboxylátových transportérů (MCT), může vstupovat do jiných typů buněk pomocí podobných transportérů, které fungují na bázi koncentračních gradientů protonů a monokarboxylátů přes plazmatickou membránu (Halestrap 2013; Pierre a Pellerin 2005). MCT jsou protonově spojené plazmatické membránové transportéry, které přenášejí molekuly obsahující jednu karboxylátovou skupinu (odtud termín monokarboxyláty), jako jsou laktát, pyruvát a ketolátky, přes plazmatické membrány. MCT1 je exprimován v astrocytech, ependymocytech, oligodendrocytech a endoteliálních buňkách krevních cév, zatímco MCT4 je selektivně exprimován astrocyty a obohacen na synaptických místech (Pierre a Pellerin 2005; Rinholm et al. 2011; Suzuki et al. 2011). MCT2 je na druhé straně selektivně exprimován neurony (Debernardi et al. 2003).

Laktát, uvolněný astrocyty prostřednictvím MCT4 a MCT1, je tedy transportován MCT2 do neuronů, kde je přeměněn na pyruvát, který je následně metabolizován oxidativní fosforylací v mitochondriích za vzniku 14–17 ATP na molekulu laktátu (obrázek 2). Tento přísun laktátu z astrocytů do neuronů poskytuje vysvětlení, jak mohou neurony zvládat požadavky na vysokou energii vyvolané aktivními procesy v reakci na podněty.

První studie, které popisovaly ANLS, byly provedeny in vitro a byly vzneseny otázky, zda k těmto mechanismům dochází in vivo (Chih a Roberts 2003; Dienel a Cruz 2004; Gjedde et al. 2002). Studie Hertze a Gibbse na výše popsaném kuřeti však naznačovaly, že se na tom podílí glykogenolýzaPaměťformace (přehled viz Gibbs 2016). V těchto studiích byla kuřata vystavena dvěma korálkům, jedné červené a jedné modré, a trénována, aby se vyhnula klování červené kuličky v souvislosti s averzivní chutí. Během retenčního testu byl měřen poměr mezi počtem klování červených a modrých kuliček, což odhalilo zvýšení zamezení klování červených kuliček; změna v diskriminačním poměru svědčila o paměti (Hertz et al. 1996). Počáteční výsledky ukázaly, že hladiny glykogenu v předním mozku klesly 30 minut po učení, současně se zvýšením glutamátu, což naznačuje denovosyntézu glutamátu z glykogenu na podporuPaměťkonsolidace (Hertz et al. 2003; O'Dowd et al. 1994). O několik let později stejná skupina ukázala, že DAB zhoršuje paměť averze k chuti u jednodenních kuřat, když je infuzí podávána do multimodální asociační oblasti předního mozku, intermediálního mediálního mezopalia (IMM), což je oblast mozku potřebná pro konsolidaci paměti (Gibbs et al. 2006 Gibbs a Hertz 2008). Poté zjistili, že glutamin je dostatečný k záchraně paměti, a proto navrhli, že glykogenolýza je kritická pro glutamát/glutaminový raketoplán, který může být také ovlivněn DAB. Následná studie od stejných autorů prokázala, že L-laktát je také dostatečný k záchraně paměti averzní chuti kuřete po léčbě inhibitorem buď glykogenolýzy (DAB) nebo glykolýzy (2-deoxyglukóza) (Gibbs et al. 2007). Dále podávání D-laktátu, kompetitivní biologicky neaktivní formy laktátu, zhoršená chuťová averze kuřatPaměťs časovým zpožděním, které naznačovalo, že inhibuje metabolismus L-laktátu a nikoli jeho vychytávání, což vedlo autory k závěru, že metabolismus astrocytů prostřednictvím glykogenolýzy a metabolismu laktátu je rozhodující pro tvorbu paměti (Gibbs a Hertz 2008). Tato zjištění podpořila myšlenku, že učení u novorozeného kuřátka závisí na rozkladu glykogenu pro syntézu glutamátu v astrocytech (Gibbs et al. 2007).

Další interpretací však je, že laktát produkovaný glykogenolýzou je transportován do neuronů pro jejich použití, čímž přispívá k podpoře neuronových modifikací kritických pro tvorbu paměti. Tuto hypotézu jsme testovali invivoin savčí mozky, konkrétně jsme se zaměřili na to, zda se mechanismy glykogenolýzy, uvolňování astrocytárního laktátu a transportu do neuronů podílejí na konsolidaci paměti, procesu, který stabilizuje nově vytvořenou, zpočátku křehkou paměť do dlouhotrvající stabilní reprezentace (Alberini 2009 , Dudai 2004).

Pomocí dospělých potkanů ​​trénovaných v úloze inhibičního vyhýbání se (IA), ve které se zvířata učí vyhýbat se kontextu, který byl dříve spárován s šokem do nohy (kontextová reakce na hrozbu), jsme prokázali, že laktát transportovaný z astrocytů do neuronů v hippocampu hraje zásadní roli v dlouhodobé konsolidaci paměti (Suzuki et al. 2011). Konkrétně jsme zjistili, že hipokampální astrocytární glykogenolýza je nutná pro konsolidaci paměti, invivo hipokampální dlouhodobou potenciaci a učením indukované zvýšení synaptických a buněčných makromolekulárních změn, včetně exprese proteinu asociovaného s cytoskeletem regulovaného aktivitou bezprostředního raného genu (IEG). (Arc nebo Arg3.1) a fosforylace transkripčního faktoru CREB a aktin-oddělujícího proteinu kofilinu, což jsou všechny markery dlouhodobé synaptické plasticity. Ve skutečnosti DAB injekce bilaterálně do dorzálního hipokampu před nebo bezprostředně po IA tréninku trvale narušovala retenci paměti a tomuto narušení bylo zabráněno společnou injekcí L-laktátu, ale ne ekvikalorickými koncentracemi glukózy. Navíc po tréninku IA se hipokampální extracelulární koncentrace laktátu, měřená invivomikrodialýzou, významně zvýšila a zůstala zvýšená po dobu více než 1 hodiny, přičemž se vrátila na výchozí hodnotu přibližně 90 minut po tréninku. Toto zvýšení laktátu bylo zcela zrušeno bilaterální injekcí DAB do hipokampu, což naznačuje, že šlo o výsledek astrocytární glykogenolýzy.

Dále jsme zjistili, že hipokampální injekce neaktivního izomeru D-laktátu před tréninkem také blokuje dlouhodobou paměť, což naznačuje, že metabolismus laktátu je rozhodující pro tvorbu dlouhodobé paměti. Podobné účinky na retenci paměti byly pozorovány po knockdownu laktátových transportérů (MCT). Je pozoruhodné, že i když poruchy paměti vyvolané knockdownem laktátových transportérů exprimovaných v astrocytech (MCT1 a MCT4) byly zachráněny přidáním L-laktátu, poškození vyvolané knockdownem transportéru exprimovaného v neuronech (MCT2) nebylo, v souladu s myšlenka, že transport laktátu z astrocytů do neuronů je rozhodující pro tvorbu paměti. V souladu s touto interpretací byl nedávno pozorován laktátový gradient mezi astrocyty a neurony a charakterizován invivouzní dvoufotonovou mikroskopií s vysokým rozlišením (Machler et al. 2016). Proto jsme došli k závěru, že glykogenolýza a transport laktátu astrocyt-neuron kriticky podporuje neuronální funkce potřebné pro tvorbu dlouhodobé paměti. Novější výzkum dále podpořil roli astrocytárního laktátu při tvorbě paměti tím, že ukázal, že IA trénink indukuje hipokampální expresi molekul zapojených do astrocyticko-neuronového transportu, jako jsou MCT a exprese laktátdehydrogenázy (LDH) A a B, enzymů, které katalyzovat vzájemnou konverzi laktátu a pyruvátu (Tadi et al. 2015).

K podobným závěrům dospěli Newman et al. (2011), kteří použili citlivé biosondy k měření hladin glukózy a laktátu v mozku v hipokampu krys, když podstoupili úkol prostorové pracovní paměti. Zjistili, že zatímco extracelulární glukóza klesla, hladiny laktátu se během plnění úkolu zvýšily a intrahippokampální infuze L-laktátu zlepšily paměť v tomto úkolu. Kromě toho farmakologická inhibice astrocytární glykogenolýzy s DAB zhoršila paměť a toto poškození bylo zvráceno buď L-laktátem nebo glukózou, z nichž oba mohou poskytnout laktát neuronům v nepřítomnosti glykogenolýzy. V této studii, stejně jako v naší, blokáda MCT odpovědných za vychytávání laktátu do neuronů zhoršila paměť a toto poškození nebylo zvráceno ani glukózou, ani L-laktátem, což opět podporuje myšlenku, že vychytávání laktátu neurony je nezbytné pro podporu tvorby paměti. . Autoři dospěli k závěru, stejně jako my, že astrocyty regulují tvorbu paměti řízením poskytování laktátu k udržení neuronálních funkcí.

Další studie založené na genetických přístupech tyto závěry podporují. Delgado-Garcia a kolegové zjistili, že knockout glykogensyntázy v nervovém systému myší narušuje jak hipokampální LTP, tak asociativní učení (Duran et al. 2013). Navíc Boury-Jamot a spol. (2016) a Zhang et al. (2016) uvedli, že konsolidace a opětovné upevnění apetitivního podmiňování pomocí návykových látek (tj. preference místa podmíněného kokainem nebo autoaplikace) jsou také závislé na glykogenolýze a směrovém transportu laktátu z astrocytů do neuronů prostřednictvím MCT v bazolaterální amygdale. (BLA) krys. Kromě toho je extracelulární laktát, jak bylo měřeno invivo mikrodialýzou, zvýšený v BLA po tréninku a vyhledávání IA (Sandusky et al. 2013).

V souladu s výsledky těchto studií jsme zjistili, že glykogenolýza BLA je kritická pro tvorbu paměti IA, jak dokazuje skutečnost, že bilaterální injekce DAB do BLA 15 minut před tréninkem IA vážně a trvale narušila uchování paměti u potkanů. Toto poškození nebylo zachráněno připomenutím šoku dodaného v jiném kontextu, protokolem, který obnovuje vyhaslé vzpomínky (Inda et al. 2011), což naznačuje, že blokování glykogenolýzy v amygdale před tréninkem narušuje proces konsolidace. Současné podávání L-laktátu s DAB v amygdale zachránilo poruchu paměti, což potvrdilo důležitost úlohy glykogenolýzy a laktátu v různých oblastech mozku pro konsolidaci paměti IA (obrázek 3).

Cílové funkce poháněné metabolismem laktátu a/nebo glukózy jsou stále z velké části neznámé. Energie mozku je potřebná k podpoře elektrických pulzů nezbytných pro komunikaci neuronů a pro mnoho činností spojených s úklidem, včetně syntézy proteinů, metabolismu fosfolipidů, cyklování neurotransmiterů a transportu iontů přes buněčné membrány (Du et al. 2008). Jak ukazují výše popsané studie, metabolismus laktátu podporuje tvorbu dlouhodobé paměti a na tréninku závislé zvýšení exprese několika molekul souvisejících s aktivitou a plasticitou, včetně Arc, cFos a Zif268 (Gao et al. 2016; Suzuki et al. 2011;

Yang a kol. 2014). Tyto účinky jsou závislé na NMDA receptoru, což znamená, že změny závislé na laktátu jsou spojeny s aktivitou a/nebo plasticitou (Yang et al. 2014). Invivo je laktát dostatečný k udržení neuronální aktivity (Wyss et al. 2011) a nedávné údaje ukázaly, že intersticiální zvýšení K plus může aktivovat kanál na membráně astrocytů, přes který může astrocytární laktát proudit do intersticia, paralelně se zavedeným transportem přes MCT (Sotelo-Hitschfeld et al., 2015). Tato cesta pro astrocytické uvolňování laktátu je spojena s membránovým potenciálem a umožňuje uvolňování laktátu proti koncentračnímu gradientu, zatímco MCT je elektroneutrální a čistý tok je řízen transmembránovými koncentracemi H plus a laktátu. Dále byl prokázán astrocytární mechanismus prostřednictvím rozpustné adenylylcyklázy reagující na hydrogenuhličitan vedoucí k rozkladu glykogenu, zvýšené glykolýze a uvolňování laktátu do extracelulárního prostoru, který je následně vychytáván neurony pro použití jako energetický substrát (Choi et al. 2012). Souhrnně tyto studie podporují závěr, že dodávání laktátu astrocyty do neuronů může být regulováno mnoha způsoby v reakci na aktivitu a jsou zapotřebí studie, aby bylo možné pochopit, zda dochází k paralelním nebo selektivním mechanismům invivoupo učení. Přesto se ukazuje, že laktát je potřebný nejen k podpoře homeostázy iontové membrány po depolarizaci, ale také mnoha dalších neuronových funkcí, které jsou nutné pro dlouhodobé modifikace spojené s tvorbou a ukládáním paměti.