Del 1: Astrocytglykogen och laktat: Nya insikter i inlärnings- och minnesmekanismer

för mer information:ali.ma@wecistanche.com

Snälla klicka här till del 2

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

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

Klicka tillCistancher och cistanche för minnet

Abstrakt

Minne, förmågan att behålla lärd information, är nödvändig för att överleva. Hittills har molekylära och cellulära undersökningar avminnebildning och lagring har främst fokuserat på neuronala mekanismer. Förutom neuroner består hjärnan av andra typer av celler och system, inklusive glia och kärl. Följaktligen har nyligen experimentellt arbete börjat ställa frågor om rollerna för icke-neuronala celler iminnebildning. Dessa studier ger bevis för att alla typer av gliaceller (astrocyter, oligodendrocyter och mikroglia) ger viktiga bidrag till bearbetningen av kodad information och lagring av minnen. I den här recensionen sammanfattar och diskuterar vi de senaste rönen om astrocyternas kritiska roll som energiförsörjare för de långvariga neuronala förändringarna som är nödvändiga på lång siktminnebildning. Vi fokuserar på tre huvudrön: för det första rollen av glukosmetabolism och den inlärnings- och aktivitetsberoende metaboliska kopplingen mellan astrocyter och neuroner i tjänsten på lång siktminnebildning; för det andra, den roll som astrocytisk glukosmetabolism spelar i upphetsning, ett tillstånd som bidrar till bildandet av mycket långvariga och detaljerade minnen; och slutligen, i ljuset av hjärnans höga energibehov under tidig utveckling, kommer vi att diskutera den möjliga rollen av astrocytiska och neuronala glukosmetabolismer i bildandet av tidiga minnen. Vi avslutar med att föreslå framtida riktningar och diskutera konsekvenserna av dessa fynd för hjärnans hälsa och sjukdomar.

Nyckelord

glukos; ämnesomsättning; glia; glykolys; glykogenolys; känslomässig upphetsning; utveckling

Långsiktigtminneoch dess underliggande neuroncentrerade biologiska mekanismer av deras underliggande biologiska mekanismer och kretsar. Även om långtidsminnen i allmänhet kräver denovogent uttryck, är korttidsminnen beroende av posttranslationella proteinmodifieringar (Alberini 2009; Alberini och Kandel 2014; Squire och Dede 2015).

Minnen kan också delas in i olika kategorier utifrån vilken typ av information som kodas och lagras. Till exempel klassificerar en stor distinktion minnen som explicita (även känd som deklarativa hos människor) eller implicita (icke-deklarativa) (Squire 2004). Explicita minnen behåller information om fakta, människor, platser och saker (även kända som minnen av vad, var, vem och när, eller www-minnen), och inkluderar episodiska och semantiska minnen. Implicita minnen, som återkallas på ett omedvetet/automatiskt sätt, behåller information om inlärda automatiska svar och inkluderar priming, procedurminnen (minnen av hur man gör saker) och enkla reflexer (Tulving 1972; Squire och Wixted 2011). Explicita och implicita minnen rekryterar distinkta system (nätverk av regioner) för deras kodning, konsolidering och lagring. Både kliniska och djurstudier har visat att explicita minnen bearbetas av den mediala tinningloben, inom vilken en kritisk region är hippocampus, medan implicita minnen bearbetas någon annanstans och kan fungera i frånvaro av ett intakt explicit system (Eichenbaum 2006; Kim och Fanselow 1992; Scoville och Milner 1957; Squire och Wixted 2011). Således kallas explicita minnen också som hippocampusberoende minnen. Även om det är implicit och explicitminnesystem kan vara funktionellt dissocierade, under normala hälsosamma förhållanden samarbetar de för att bearbeta och lagra komplex information (Kim och Baxter 2001; McDonald et al. 2004).

Studier som syftar till att belysa de biologiska grunderna för långtidsminnen har främst fokuserat på hippocampusberoende minnen. Men det mesta av vår förståelse av de cellulära och molekylära mekanismerna bakomminnebildning och lagring uppstod initialt från undersökningar av enkla former av inlärning, såsom gäl-återdragningsreflexen från Aplysia California och luktinlärning i Drosophila melanogaster (Yin et al. 1994; Dubnau och Tully 1998; Davis 2011; Kandel 2012). I Aplysia avslöjade dessa studier en hel del information om de molekylära och cellulära vägarna aktiverade och rekryterade för att implementera långsiktiga modifieringar av synaptisk styrka eller långvarig synaptisk plasticitet. Dessa data konvergerade med genetiska och beteendemässiga resultat erhållna i Drosophila. Guidad av denna kunskap från dessa två ryggradslösa system, visade studier på minnesparadigm för däggdjur att liknande molekylära vägar också är nödvändiga i det mer komplexa däggdjuretminne, inklusive hippocampusberoende minnen. I slutändan konvergerade många studier under de senaste 30 åren på många arter till slutsatsen att evolutionärt konserverade biologiska mekanismer ligger till grund för långtidssynaptisk plasticitet och bildning av långtidsminne (Alberini 2009; Kandel 2012; Kandel et al. 2014). Ett klassiskt exempel, som har undersökts omfattande, är den evolutionärt konserverade rollen av det cykliska adenosinmonofosfatet (cAMP) - en beroende väg och den funktionellt kopplade aktiveringen av cAMP-responselementbindande proteinet (CREB) - en beroende kaskad av genuttryck ( Kida och Serita 2014; Lonze och Ginty 2002; Silva et al. 1998) (Figur 1).

Många däggdjursmodeller av olika typer av kort- och långtidsminne, särskilt hos gnagare, har använts för att undersöka komplexiteten hos däggdjurminnebearbetning i en mängd olika hjärnregioner. Dessa studier avslöjade att uttrycket och post-translationell reglering av många klasser av gener, RNA och proteiner krävs för bildning och lagring av långtidsminne; dessa inkluderar omedelbart-tidiga gener (t.ex. c-Fos, Zif268, NPAS4 och Arc/Arg3.1) (Bramham et al. 2008; Guzowski 2002; Loebrich och Nedivi 2009; Sun och Lin 2016; Veyrac et al. 2014), metabotropa och jonotropa receptorer

för olika signalsubstanser (t.ex. AMPA, NMDA, Kainate, GABA och metabotropa glutamatreceptorer) och neuromodulatorer (t.ex. dopaminerga och serotonerga receptorer), neurotrofiska faktorer (t.ex. tyrosinreceptorkinas) (Fanselow et al. 1994; Gonzalezia and Ferurgos-Burgia) -Velasco 2008; Kandel 2001; Makkar et al. 2010; Morris 2013; Purcell och Carew 2003; Riedel 1996; Riedel et al. 2003), kinaser (t.ex. ERK, CamKII, PKA, PKC, PKM)ζ (Bejar och MAPK) et al. 2002; Kandel 2012; Lisman et al. 2002; Mayford 2007; Pastalkova et al. 2006; Rahn et al. 2013), transkriptionsfaktorer (t.ex. CREB, C/EBP, NFkB, AP1, NPAS4, NR468 , och SRF) (Alberini 2009; Alberini och Kandel 2014; Jones et al. 2001; Sun och Lin 2016), epigenetiska regulatorer (t.ex. MSK1, RSK2, NFkB, DNMT, HATs och HDACs) (Day and Sweatt 2011; de la Fuente et al. 2015; Franklin och Mansuy 2010; Rudenko och Tsai 2014), mikroRNA (t.ex. miR-124, miR-132, miR-128b och miR{{33} }) (Bredy et al. 2011; Nudelman et al. 2010; Saab och Mansuy 2 014), och ett antal effektorproteiner som är engagerade i strukturella förändringar, såsom celladhesionsmolekyler (t.ex. neurexin och neuroligin) (Murase och Schuman 1999; Rose 1996; Ye et al. 2017; Bailey et al. 2015) (Figur 1).

Dessa molekylära undersökningar har parallelltats med elektrofysiologiska studier, som visade att de cellulära mekanismerna som ligger till grund för långsiktigaminneinvolverar långsiktiga synaptiska funktionsförändringar, och i synnerhet långsiktiga ökningar eller minskningar av synaptisk överföring, känd som långtidspotentiering (LTP) respektive långtidsdepression (LTD) (Bliss och Collingridge 1993; Malenka och Bear 2004) . Ytterligare elektrofysiologiska förändringar i hjärnan som har varit inblandade i bildning av långtidsminne inkluderar elektroencefalogram (EEG) koherens, dvs fassynkronisering av fältpotentialoscillationer, som koordinerar tidpunkten för neuronal spikning för att främja synaptisk plasticitet över distribuerade hjärnregioner (Corcoran et al. al. 2016; Zanto et al. 2011). Noterbart är att denna kommunikation på systemnivå mellan hjärnregioner kontrolleras av skarpa vågvågor (SPW-Rs) (Buzsáki 2015), asynkront populationsmönster i hippocampus som deltar i överhörning med ett brett område av cortex och flera subkortikala kärnor. SPW-R förekommer i "off-line" tillstånd i hjärnan under vaken och i icke-REM-sömn och tros konsolidera episodiska minnen över hippocampus-kortikala systemet (Buzsáki 2015; Inostroza och Born 2013). Dessa systemomfattande aktiviteter ger en möjlig mekanistisk förklaring till varför hippocampus-beroende minnen, som är ömtåliga under den initiala perioden när de engagerar ett nätverk av både hippocampus och kortikala regioner, blir mer stabila och uteslutande hippocampus-oberoende med tiden. Denna omfördelning av minnesrepresentationer och lagring är känd som konsolidering på systemnivå (Dudai et al. 2015; Squire et al. 2015; Frankland och Bontempi 2005).

Även om dessa studier gav en hel del information om de biologiska grunderna för lärande ochminne, fokuserade de på neuronala mekanismer och genererade följaktligen slutsatser mestadels begränsade till neuroner och neuronala funktioner. Men förutom neuroner består hjärnan av många typer av celler och system, inklusive glia och vaskulära

system. Nyligen genomförda undersökningar har börjat bedöma icke-neuronala cellers roll på lång siktminneoch gav tydliga bevis för att alla gliacelltyper (dvs. astrocyter, oligodendrocyter och mikroglia) spelar avgörande roller i minnesbehandling (Adamsky och Goshen 2017; Fields 2008; Gibbs et al. 2008; Lee et al. 2014; Moraga-Amaro et al. al. 2014; Parkhurst et al. 2013; Suzuki et al. 2011).

Astrocyter är särskilt väl utrustade för att påverka neuronala funktioner som är involverade i minnesbildning (Haydon och Nedergaard 2014; Moraga-Amaro et al. 2014): de är exciterbara genom kalciumfluktuationer och svarar på neurotransmittorer som frigörs vid synapser; de synkroniserar via kalciumvågor och frigör sina egna gliotransmittorer, som är väsentliga för synaptisk plasticitet; de kommunicerar med blodkärl och kopplar sålunda cirkulation (blodflöde) till lokal hjärnaktivitet; och slutligen reglerar de energimetabolism till stöd för neuronala funktioner, inklusive de som krävs förminnebildning (Henneberger et al. 2010; Pannasch och Rouach 2013; Perea et al. 2009; Bazargani och Attwell 2016). När det gäller denna metaboliska roll är astrocyter perfekt positionerade för att balansera metabolismen av glukos i hjärnan: på ena sidan kommer de astrocytiska ändfötterna i direkt kontakt med skikten i blodkärlet som importerar glukos från blodet via den selektiva glukostransportören GLUT1, och å andra sidan förlänger dessa celler processer som sveper sig runt de pre- och postsynaptiska avdelningarna av neuroner (Falkowska et al. 2015; Morgello et al.

1995) (Figur 2).

I denna recension kommer vi specifikt att diskutera det kritiska bidraget från astrocyter, som fungerar som regulatorer av glukosmetabolism, för attminnebildning och lagring.

Glykogen och glukosmetabolismer spelar avgörande roller iminnebildning

Studier av Paul Gold och kollegor identifierade systemisk glukos som en mellanhand avminne-förstärkande effekt av noradrenalin (Gold och Korol 2012). Minnen kodade i upphetsningstillstånd kommer ihåg bättre (dvs. under längre perioder och med större detalj), och upphetsning är välkänt för att reglera frisättningen av epinefrin från binjurarna. Epinefrin binder adrenerga receptorer (AR) på hepatocyter och initierar nedbrytningen av glykogen, en polymer av glukos som lagras i levern (Sutherland och Rall 1960), vilket leder till frisättning av glukos i blodomloppet. Systemiska glukosinjektioner i doser som är jämförbara med de som finns i blodet efter behandling med adrenalin är tillräckliga för att förbättraminne, medan låg lagring av leverglykogen, som hos råttor som saknar mat eller åldras, är associerad med brist på minnesförbättring efter behandling med adrenalin (Morris et al. 2010; Talley et al. 2000). Omvänt blockerar perifert blockerande adrenerga receptorer epinefrins förmåga att förbättraminneoch öka blodsockret. Sammantaget stöder dessa studier slutsatsen att en viktig mekanism bakom verkningarna av adrenalin som frisätts vid upphetsning är ökningen av blodsocker.

Effekten av glukos som enminneförstärkare har observerats med både systemiska och intracerebrala injektioner, och det har kopplats till regleringen av antingen noradrenalin eller acetylkolinfrisättning. Ragozzino och kollegor visade att både systemiska och intra-hippocampala injektioner av glukos, som injektioner av adrenalin, förstärker spontan växling, en form av rumslig arbeteminneoch öka frisättningen av acetylkolin i hippocampus (Ragozzino et al. 1998; Ragozzino et al. 1996).

Förståelsen av glukosens roll för minnesmodulering förbättrades avsevärt av observationen att när råttor testas på en spontan alterneringsuppgift, minskar nivåerna av extracellulärt glukos i hippocampus signifikant. Därför föreslogs att lärande ochminnekonsumera glukos, förmodligen för att stödja hjärnans energibehov när den bearbetar den nya upplevelsen och lagrar viktig information (McNay et al.

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

Faktum är att hjärnan förbrukar höga nivåer av energi: den vuxna hjärnan använder i genomsnitt cirka 20 procent av den totala kroppsenergin, trots att den bara står för 2 procent av den totala kroppsvikten. Glukos, den huvudsakliga energikällan som kommer in i hjärnan från cirkulationen, kan antingen metaboliseras direkt eller lagras i form av glykogen. I den mogna hjärnan lagras glykogen mestadels i astrocyter (Brown et al. 2004; Brunet et al. 2010; Cali et al. 2016; Cataldo och Broadwell, 1986; Maxwell och Kruger 1965; Petersen 1969; Pfeiffer-Guglielmi et al. 2003; granskad i Waitt et al. 2017), och under förhållanden med hög energibehov såsom glukosbrist eller intensiv neural aktivitet, kan kataboliseras för att snabbt leverera metaboliska substrat (dvs. pyruvat och laktat) (Brown och Ransom 2015). Även om neuroner har det enzymatiska maskineriet att lagra och bryta ner glykogen, under fysiologiska förhållanden, undertrycker de glykogenlagring genom en rad mekanismer. Faktum är att glykogenlagring i neuroner endast observeras vid svåra neurologiska sjukdomar som progressiv myoklonus epilepsi eller Laforas sjukdom, en hjärnsjukdom som kännetecknas av återkommande anfall (epilepsi) och en nedgång i intellektuell funktion (Vilchez et al. 2007). Således kan glukos, antingen direkt metaboliserat via glykolys eller tillfört genom astrocytisk glykogenolys, underblåsa de höga energikraven som är förknippade med de cellulära förändringarna som ligger till grund för inlärning,minnebildning, ochminnelagring.

En länge omdebatterad fråga är om neuroner direkt importerar glukos som kommer in i hjärnan från blodet och använder det omedelbart för att ge den energi som krävs för att stödja deras funktioner. En alternativ modell, föreslagen av Pellerin och Magistretti (Pellerin och Magistretti 1994), föreslår att det höga energibehovet hos stimulerade neuroner stöds av astrocyter, som förser neuronerna med laktat som produceras via aerob glykolys, och därmed tillhandahåller den energi som krävs för aktiviteten. inducerade neuronala funktioner; därför, i fallet med inlärning, för förändringarna som är involverade i bearbetningen och lagringen av minnen. Det är också möjligt att båda mekanismerna används, kanske som svar på specifika förhållanden.

Den modell som föreslagits av Magistretti och Pellerin har varit mycket omdiskuterad. Dessa debatter är komplexa och återspeglar sannolikt den invecklade metaboliska regleringen under olika förhållanden. Med tanke på mångfalden av dessa tillstånd och system kommer vi inte att kunna diskutera poängerna i debatten i detta manuskript, så vi hänvisar till flera recensioner som rapporterar dem (Chih et al., 2001; Chih och Roberts, 2003; Dienel och Hertz, 2001 ; Pellerin och Magistretti, 2003, 2012; Aubert et al., 2005; Dienel, 2010, 2017; DiNuzzo et al., 2010; Steinman et al. 2016). Vi kommer dock att diskutera den litteratur som är viktig för resultaten av glykogen, glukos och laktats roller i inlärning och minne samt i hjärnans plasticitet.

Flera studier rapporterade att stimulering av hjärnområden ökar glykogenolys och glykolys, såväl som glukosupptag, i astrocyter, i överensstämmelse med tanken att astrocytisk glykogen och glukosmetabolism behövs för att upprätthålla aktivitetsberoende processer. Till exempel avslöjade NMR-spektroskopi, som möjliggör mätning av laktat invivo, en förhöjning av laktat i den mänskliga visuella cortexen under fysiologisk fotografisk stimulering (Prichard et al. 1991), och mikrosensorbaserade mätningar avslöjade en ökning av extracellulär laktatkoncentration i dentatet gyrus hos råtthippocampus efter elektrisk stimulering av den perforerande vägen (Hu och Wilson 1997). Dessutom leder morrhårsstimulering i den vakna råttan till snabb glykogennedbrytning i lager IV av den somatosensoriska cortex (Swanson et al. 1992) och resulterar i en preferentiell ökning av glukosupptaget i astrocyter jämfört med neuroner i den somatosensoriska cortex invivo (Chuquet et al. al., 2010), även om fler mekanistiska detaljer måste förstås (Dienel och Cruz 2015). Astrocyternas fysiska position, mellan blodflödet på ena sidan och nervceller på den andra, stödjer ytterligare tanken att astrocytisk reglering av glukosmetabolism subventionerar energikraven för aktivitet, plasticitet, inlärning ochminnebildning.

I enlighet med detta synsätt avslöjade metabolisk profilering av astrocyter och neuroner distinkta egenskaper som indikerar att glykolys huvudsakligen förekommer i astrocyter. Till exempel producerar odlade neuroner CO2 i mycket högre hastighet än astrocyter, och deras respektive enzymatiska profiler överensstämmer med den relativa dominansen av glykolys i gliaceller och oxidation i neuroner (Bélanger et al. 2011; Hamberger och Hydén 1963; Hydén och Lange 1962). Dessutom uppvisar akut isolerade, FACS-renade astrocyter en primärt glykolytisk profil (Lovatt et al. 2007; Zhang et al. 2014). Slutligen är enzymet 6-fosfofrukto-2- kinas/fruktos-2,6-bisfosfatas 3 (Pfkfb3), som främjar glykolys, aktivt i astrocyter men ständigt utsatt för proteasomal nedbrytning i neuroner (Bolaños et al. 2010; Herrero-Mendez et al. 2009), vilket återigen stöder tanken att astrocyter är de primära platserna för glykolys. Således konvergerar en stor mängd bevis på slutsatsen att astrocyter övervägande är glykolytiska celler, medan neuroner inte är det och istället uppvisar hög oxidativ aktivitet.

Den första demonstrationen att astrocytisk glykolys är avgörande för inlärning och minne kom från studier utförda av Leif Hertz, Marie Gibbs och kollegor, som visade att glykogenolys är nödvändigt för minnesbildning. Med hjälp av träning för att undvika smak hos en daggammal kyckling visade de att intrakraniell injektion av en hämmare av glykogenfosforylas, 1,4-dideoxi-1,4-imino-d-arabinitol (DAB) , försämrade minnet på ett dosberoende sätt och drog slutsatsen att glykogenolys är ett kritiskt krav för långsiktighetminnelagring (Gibbs et al. 2006). I överensstämmelse med denna slutsats ökar nedbrytningen av glykogen i hjärnan signifikant under sensorisk aktivering hos råttor (Cruz och Dienel 2002; Swanson et al. 1992), och senare studier som beskrivs i detalj nedan visade att glykogen bidrar till flera typer av minnesbildning hos råttor och möss. Förutom glykogenolys kan även aerob glykolys vara nödvändig förminnebildning, vilket avslöjats av experiment där glykolyshämmaren 2-deoxiglukos injicerades i hjärnan på 1 dag gamla kycklingar vid träning, vilket resulterade i långtidsminnesförsämring (Gibbs et al. 2007). Således har flera studier konvergerat på slutsatsen att glykogenolys och aerob glykolys, vilket resulterar i produktion av laktat, är kritiskt kopplade till minnesbildning. Detta väcker flera frågor: Hur exakt sker denna reglering? Hur är astrocyter funktionellt kopplade till neuroner? Vilka är målmekanismerna som förbrukar höga nivåer av energi vid inlärning och tillåter minneskonsolidering att ske?

Astrocytisk glykogenolys, aerob glykolys och laktat är avgörande för långsiktigminnebildning i flera hjärnregioner

En modell som föreslagits av Pellerin och Magistretti (Pellerin och Magistretti 1994), känd som astrocyte-neuron lactate shuttle (ANLS), antyder att astrocytglykolys och neuronal oxidation spelar samordnade roller i bildning av långtidsminne via transport av laktat. Denna modell förutsäger att excitation, och därmed glutamatfrisättning, stimulerar upptaget av glutamat av astrocyter, som omvandlas till glutamin (glutamat-glutamin-cykeln), vilket så småningom upprätthåller synaptisk frisättning av glutamat. Denna cykel kräver energi från astrocyter, vilket därför skulle aktivera glukosupptaget från blodet och metabolisera det till laktat. Laktat, som frisätts av astrocyter via monokarboxylattransportörer (MCT), kan komma in i andra typer av celler med hjälp av liknande transportörer, som fungerar på basis av koncentrationsgradienter av protoner och monokarboxylat över plasmamembranet (Halestrap 2013; Pierre och Pellerin 2005). MCT är protonkopplade plasmamembrantransportörer som bär molekyler som innehåller en karboxylatgrupp (därav termen monokarboxylater), såsom laktat, pyruvat och ketonkroppar, över plasmamembranen. MCT1 uttrycks i astrocyter, ependymocyter, oligodendrocyter och endotelceller i blodkärl, medan MCT4 uttrycks selektivt av astrocyter och anrikas på synaptiska platser (Pierre och Pellerin 2005; Rinholm et al. 2011; Suzuki et al. 2011). MCT2, å andra sidan, uttrycks selektivt av neuroner (Debernardi et al. 2003).

Således transporteras laktat, frigjort av astrocyter via MCT4 och MCT1 av MCT2 till neuroner, där det omvandlas till pyruvat som sedan metaboliseras genom oxidativ fosforylering i mitokondrier för att producera 14–17 ATP per laktatmolekyl (Figur 2). Denna laktattillförsel från astrocyter till neuroner ger en förklaring till hur neuroner kan hantera de höga energikraven som framkallas av aktiva processer som svar på stimuli.

De första studierna som beskrev ANLS utfördes in vitro och frågor ställdes om huruvida dessa mekanismer inträffade invivo (Chih och Roberts 2003; Dienel och Cruz 2004; Gjedde et al. 2002). Studier av Hertz och Gibbs på kycklingen som beskrivs ovan antydde dock att glykogenolys är involverad iminneformation (för granskning se Gibbs 2016). I dessa studier exponerades kycklingarna för två pärlor, en röd och en blå, och tränades för att undvika att hacka den röda pärlan genom associering med en motbjudande smak. Under retentionstestet mättes förhållandet mellan antalet hack av röda och blå pärlor, vilket avslöjade en ökning i undvikande av hackande röda pärlor; förändringen i diskrimineringsförhållandet var ett tecken på minne (Hertz et al. 1996). De initiala resultaten visade att glykogennivåerna i framhjärnan minskade 30 minuter efter inlärning, samtidigt med en höjning av glutamat, vilket tyder på denovosyntes av glutamat från glykogen för att stödjaminnekonsolidering (Hertz et al. 2003; O'Dowd et al. 1994). Några år senare visade samma grupp att DAB försämrar smakaversionsminnet hos dagsgamla kycklingar när det infunderas i den multimodala framhjärnans associationsregion, intermediate mediala mesopallium (IMM), en hjärnregion som krävs för minneskonsolidering (Gibbs et al. 2006) ; Gibbs och Hertz 2008). De fann då att glutamin var tillräckligt för att rädda minnet, och föreslog därför att glykogenolys var avgörande för glutamat/glutamin-skytteln, som också kan påverkas av DAB. En efterföljande studie från samma författare visade att L-laktat också är tillräckligt för att rädda minnet för smakaversion av kycklingar efter behandling med en hämmare av antingen glykogenolys (DAB) eller glykolys (2-deoxiglukos) (Gibbs et al. 2007). Dessutom administrering av D-laktat, den konkurrerande icke-biologiskt aktiva formen av laktat, nedsatt smakaversion av kycklingarminnemed en tidsfördröjning som antydde att det hämmade L-laktatmetabolismen och inte upptaget, vilket fick författarna att dra slutsatsen att astrocytisk metabolism genom glykogenolys och laktatmetabolism är avgörande för minnesbildning (Gibbs och Hertz 2008). Dessa fynd stödde idén att inlärning hos nyfödda kycklingar är beroende av nedbrytningen av glykogen för glutamatsyntes i astrocyter (Gibbs et al. 2007).

En ytterligare tolkning är dock att laktat som produceras genom glykogenolys transporteras in i neuroner för deras användning, vilket bidrar till att stödja neuronala modifieringar som är avgörande för minnesbildning. Vi testade denna hypotes invivoin däggdjurshjärnor, med fokus specifikt på huruvida mekanismer för glykogenolys, astrocytiskt laktatfrisättning och transport till neuroner är involverade i minneskonsolidering, processen som stabiliserar ett nybildat, initialt bräckligt minne till en långvarig stabil representation (Alberini 2009) , Dudai 2004).

Med hjälp av vuxna råttor tränade i en uppgift för hämmande undvikande (IA), där djuren lär sig att undvika ett sammanhang som tidigare parats med en fotchock (en kontextuell reaktion på hot), visade vi att laktat som transporteras från astrocyter till neuroner i hippocampus spelar en avgörande roll vid konsolidering av långtidsminnet (Suzuki et al. 2011). Specifikt fann vi att hippocampus astrocytisk glykogenolys krävs för minneskonsolidering, invivo hippocampal långsiktig potentiering och inlärningsinducerade ökningar av synaptiska och cellulära makromolekylära förändringar, inklusive uttryck av den omedelbara tidiga genen (IEG) aktivitetsreglerade cytoskelettassocierade proteinet (Arc eller Arg3.1) och fosforylering av transkriptionsfaktorn CREB och av det aktinavskiljande proteinet cofilin, som alla är markörer för långvarig synaptisk plasticitet. Faktum är att DAB injicerat bilateralt i dorsala hippocampus före eller omedelbart efter IA-träning störde ihållande minnesretention, och denna störning förhindrades genom samtidig injektion av L-laktat, men inte ekvikalorikoncentrationer av glukos. Dessutom, efter IA-träning, ökade den hippocampala extracellulära koncentrationen av laktat, mätt med invivomikrodialys, signifikant och förblev förhöjd i mer än 1 timme, och återgick till baslinjen cirka 90 minuter efter träning. Denna ökning av laktat avskaffades fullständigt genom bilateral DAB-injektion i hippocampus, vilket tyder på att det var resultatet av astrocytisk glykogenolys.

Dessutom fann vi att hippocampusinjektion av den inaktiva isomeren D-laktat före träning också blockerar långtidsminne, vilket tyder på att laktatmetabolism är avgörande för bildning av långtidsminne. Liknande effekter på minnesretention observerades efter nedbrytningen av laktattransportörerna (MCT). Noterbart, även om minnesförsämringar som inducerades av nedbrytningen av laktattransportörer uttryckta i astrocyter (MCT1 och MCT4) räddades genom tillsats av L-laktat, var försämringen som inducerades av knockdown av transportören uttryckt i neuroner (MCT2) inte i överensstämmelse med tanken att transporten av laktat ut ur astrocyter och in i neuroner är avgörande för minnesbildning. I enlighet med denna tolkning observerades nyligen en laktatgradient mellan astrocyter och neuroner och karakteriserades vid högupplöst tvåfotonmikroskopi (Machler et al. 2016). Därför drog vi slutsatsen att glykogenolys och transport av astrocyt-neuronlaktat kritiskt stöder neuronala funktioner som krävs för långtidsminnesbildning. En nyare undersökning stödde ytterligare rollen av astrocytiskt laktat i minnesbildningen genom att visa att IA-träning inducerar hippocampus uttryck av molekyler involverade i astrocytisk-neuronal transport, såsom MCT och uttrycket av laktatdehydrogenas (LDH) A och B, de enzymer som katalysera omvandlingen av laktat och pyruvat (Tadi et al. 2015).

Liknande slutsatser drogs av Newman et al. (2011), som använde känsliga biosonder för att mäta hjärnans glukos- och laktatnivåer i hippocampus hos råttor medan de genomgick en rumslig arbetsminnesuppgift. De fann att medan extracellulärt glukos minskade, ökade laktatnivåerna under uppgiftsutförande, och intrahippocampala infusioner av L-laktat förbättrade minnet i denna uppgift. Dessutom försämrade farmakologisk hämning av astrocytisk glykogenolys med DAB minnet, och denna försämring vändes av antingen L-laktat eller glukos, som båda kan ge laktat till neuroner i frånvaro av glykogenolys. I denna studie, liksom i vår, försämrade blockaden av MCT:er som är ansvariga för laktatupptag i neuroner minnet, och denna försämring reverserades inte av vare sig glukos eller L-laktat, vilket återigen stöder tanken att laktatupptag av neuroner är nödvändigt för att stödja minnesbildning . Författarna drog slutsatsen, som vi gjorde, att astrocyter reglerar minnesbildning genom att kontrollera tillhandahållandet av laktat för att upprätthålla neuronala funktioner.

Ytterligare studier baserade på genetiska metoder stödjer dessa slutsatser. Delgado-Garcia och kollegor fann att knockout av glykogensyntas i nervsystemet hos möss försämrar både hippocampus LTP och associativ inlärning (Duran et al. 2013). Dessutom har Boury-Jamot et al. (2016) och Zhang et al. (2016) rapporterade att konsolidering och återkonsolidering av aptitlig konditionering med användning av missbruksdroger (dvs kokainkonditionerad platspreferens eller självadministration) också är beroende av glykogenolys och den riktade transporten av laktat från astrocyter till neuroner via MCTs i basolateral amygdala (BLA) av råttor. Dessutom är extracellulärt laktat, mätt med invivo mikrodialys, förhöjt i BLA efter IA-träning och apportering (Sandusky et al. 2013).

I enlighet med resultaten av dessa studier fann vi att BLA-glykogenolys är avgörande för IA-minnesbildning, vilket visas av det faktum att bilateral injektion av DAB i BLA 15 minuter före IA-träning allvarligt och ihållande störde minnesretention hos råttor. Denna funktionsnedsättning räddades inte av en påminnelseschock som levererades i ett annat sammanhang, ett protokoll som återställer släckta minnen (Inda et al. 2011), vilket tyder på att blockering av glykogenolys i amygdala före träning stör konsolideringsprocessen. Samtidig administrering av L-laktat med DAB i amygdala räddade minnesförsämringen, vilket bekräftar betydelsen av rollerna för glykogenolys och laktat i olika hjärnområden för IA-minneskonsolidering (Figur 3).

Målfunktionerna som drivs av laktat- och/eller glukosmetabolism är fortfarande i stort sett okända. Hjärnenergi behövs för att stödja de elektriska pulser som krävs för neuronal kommunikation, och för många hushållsaktiviteter, inklusive proteinsyntes, fosfolipidmetabolism, neurotransmittorcykling och transport av joner över cellulära membran (Du et al. 2008). Som framgår av de ovan beskrivna studierna, stödjer laktatmetabolism långtidsminnesbildning och den träningsberoende ökningen av uttrycket av flera molekyler relaterade till aktivitet och plasticitet, inklusive Arc, cFos och Zif268 (Gao et al. 2016; Suzuki et al. 2011;

Yang et al. 2014). Dessa effekter är NMDA-receptorberoende, vilket innebär att laktatberoende förändringar är kopplade till aktivitet och/eller plasticitet (Yang et al. 2014). Invivo är laktat tillräckligt för att upprätthålla neuronal aktivitet (Wyss et al. 2011) och nyare data visade att interstitiell K plus förhöjningar kan aktivera en kanal på astrocytmembranet genom vilken astrocytiskt laktat kan strömma in i interstitium, parallellt med den etablerade transporten via MCTs (Sotelo-Hitschfeld et al., 2015). Denna väg för astrocytisk laktatfrisättning är kopplad till membranpotentialen och tillåter laktatfrisättning mot en koncentrationsgradient, medan MCT är elektroneutral och nettoflödet styrs av transmembrankoncentrationerna av H plus och laktat. Dessutom har en astrocytisk mekanism via bikarbonatkänsligt lösligt adenylylcyklas som leder till glykogennedbrytning, förbättrad glykolys och frisättning av laktat i det extracellulära utrymmet, som därefter tas upp av neuroner för användning som energisubstrat, visats (Choi et al. . 2012). Tillsammans stöder dessa studier slutsatsen att laktatleverans av astrocyter till neuroner kan regleras på många sätt som svar på aktivitet och studier behövs för att förstå om parallella eller selektiva mekanismer uppstår vid inlärning. Icke desto mindre framkommer det att laktat behövs för att stödja inte bara jonmembranhomeostas efter depolarisering, utan även många andra neuronala funktioner som krävs för långsiktiga modifieringar i samband med minnesbildning och lagring.