Частина 1: Глікоген і лактат астроцитів: нові погляди на механізми навчання та пам’яті

для отримання додаткової інформації:ali.ma@wecistanche.com

Натисніть тут, щоб перейти до частини 2

Крістіна М. Альберіні, Еммануель Круз, Джанніна Дескальці, Бенджамін Бессьєр та Вірджинія Гао

Центр нейронауки, Нью-Йоркський університет, Нью-Йорк, Нью-Йорк, 10003

Натисніть, щобЦистанчі і цистанчі на пам'ять

Анотація

Пам'ять, здатність зберігати вивчену інформацію, необхідна для виживання. До цього часу молекулярні та клітинні дослідженняпам'ятьформування та зберігання в основному зосереджено на нейронних механізмах. Однак, окрім нейронів, мозок містить інші типи клітин і систем, включаючи глію та судинну систему. Відповідно, нещодавня експериментальна робота почала ставити питання про роль ненейронних клітин упам'ятьформування. Ці дослідження надають докази того, що всі типи гліальних клітин (астроцити, олігодендроцити та мікроглія) роблять важливий внесок в обробку закодованої інформації та зберігання спогадів. У цьому огляді ми узагальнюємо та обговорюємо нещодавні відкриття щодо критичної ролі астроцитів як постачальників енергії для тривалих змін нейронів, необхідних для довгостроковогопам'ятьформування. Ми зосереджуємось на трьох основних висновках: по-перше, на ролі метаболізму глюкози та залежному від навчання та діяльності метаболічному зв’язку між астроцитами та нейронами в довгостроковій перспективі.пам'ятьформування; по-друге, роль астроцитарного метаболізму глюкози в збудженні, стані, який сприяє формуванню дуже тривалих і детальних спогадів; і, нарешті, у світлі високих енергетичних потреб мозку під час раннього розвитку, ми обговоримо можливу роль метаболізму глюкози астроцитів і нейронів у формуванні спогадів раннього життя. На завершення ми пропонуємо майбутні напрямки та обговорюємо наслідки цих висновків для здоров’я та захворювань мозку.

Ключові слова

глюкоза; метаболізм; глія; гліколіз; глікогеноліз; емоційне збудження; розвитку

Довготривалийпам'ятьі його основні нейроноцентричні біологічні механізми їхніх основних біологічних механізмів і схем. Хоча довгострокові спогади зазвичай вимагають експресії деногену, короткочасні спогади покладаються на посттрансляційні модифікації білка (Alberini 2009; Alberini and Kandel 2014; Squire and Dede 2015).

Спогади також можна розділити на різні категорії на основі типу закодованої та збереженої інформації. Наприклад, одна основна відмінність класифікує спогади як явні (також відомі як декларативні у людей) або неявні (недекларативні) (Squire 2004). Явні спогади зберігають інформацію про факти, людей, місця та речі (також відомі як спогади про те, що, де, хто і коли або www-спогади), і включають епізодичні та семантичні спогади. Імпліцитні спогади, які викликаються несвідомим/автоматичним способом, зберігають інформацію про вивчені автоматичні реакції та включають первинні, процедурні спогади (спогади про те, як щось робити) і прості рефлекси (Tulving 1972; Squire and Wixted 2011). Явні та неявні спогади залучають різні системи (мережу регіонів) для їх кодування, консолідації та зберігання. Як клінічні дослідження, так і дослідження на тваринах показали, що явні спогади обробляються медіальною скроневою часткою, всередині якої однією з критичних областей є гіпокамп, тоді як неявні спогади обробляються в іншому місці та можуть працювати за відсутності непошкодженої явної системи (Eichenbaum 2006; Kim and Фенселоу 1992; Сковілл і Мілнер 1957; Сквайр і Вікстед 2011). Таким чином, явні спогади також називають спогадами, залежними від гіпокампу. Хоч неявно і явнопам'ятьсистеми можуть бути функціонально роз'єднаними, за нормальних здорових умов вони співпрацюють для обробки та зберігання складної інформації (Kim and Baxter 2001; McDonald et al. 2004).

Дослідження, спрямовані на з'ясування біологічних основ довготривалої пам'яті, в основному зосереджені на спогадах, залежних від гіпокампу. Однак більшість нашого розуміння клітинних і молекулярних механізмів лежить в основіпам'ятьФормування та зберігання спочатку виникло в результаті досліджень простих форм навчання, таких як рефлекс відсування зябер у Aplysia California та нюхове навчання у Drosophila melanogaster (Yin et al. 1994; Dubnau and Tully 1998; Davis 2011; Kandel 2012). У Aplysia ці дослідження виявили багато інформації про молекулярні та клітинні шляхи, активовані та задіяні для здійснення довгострокових модифікацій синаптичної сили або довгострокової синаптичної пластичності. Ці дані зійшлися з генетичними та поведінковими результатами, отриманими у дрозофіли. Керуючись цими знаннями цих двох систем безхребетних, дослідження парадигм пам’яті ссавців показали, що подібні молекулярні шляхи також необхідні у більш складних ссавцівпам'ять, включаючи спогади, залежні від гіпокампу. Зрештою, численні дослідження багатьох видів за останні 30 років дійшли висновку, що еволюційно збережені біологічні механізми лежать в основі довготривалої синаптичної пластичності та формування довготривалої пам’яті (Альберіні 2009; Кандель 2012; Кандел та ін. 2014). Одним із класичних прикладів, який було ретельно досліджено, є еволюційно законсервована роль циклічного аденозинмонофосфату (цАМФ) - залежного шляху та функціонально пов'язаної активації цАМР відповідного елемент-зв'язуючого білка (CREB) - залежного каскаду експресії генів ( Кіда та Серіта 2014; Лонзе та Гінті 2002; Сільва та ін. 1998) (рис. 1).

Численні моделі різних типів короткочасної та довготривалої пам’яті у ссавців, особливо у гризунів, були використані для дослідження складності ссавців.пам'ятьобробки в різних областях мозку. Ці дослідження показали, що експресія та посттрансляційна регуляція багатьох класів генів, РНК і білків необхідні для формування та зберігання довгострокової пам’яті; до них належать гени негайного раннього розвитку (наприклад, c-Fos, Zif268, NPAS4 та Arc/Arg3.1) (Bramham та ін. 2008; Guzowski 2002; Loebrich та Nedivi 2009; Sun та Lin 2016; Veyrac та ін. 2014), метаботропні та іонотропні рецептори

для різних нейромедіаторів (наприклад, AMPA, NMDA, Kainate, GABA та метаботропних глутаматних рецепторів) і нейромодуляторів (наприклад, дофамінергічних і серотонінергічних рецепторів), нейротрофічних факторів (наприклад, кінази рецептора тирозину) (Fanselow et al. 1994; Gonzalez-Burgos and Feria) -Velasco 2008; Kandel 2001; Makkar et al. 2010; Morris 2013; Purcell and Carew 2003; Riedel 1996; Riedel et al. 2003), кінази (наприклад, ERK, CamKII, PKA, PKC, PKMζ і MAPK) (Bejar) та ін., 2002; Кандел, 2012; Лісман та ін., 2002; Мейфорд, 2007; Пасталькова та ін., 2006; Ран та ін., 2013), фактори транскрипції (наприклад, CREB, C/EBP, NFkB, AP1, NPAS4, Zif268, NR4a та SRF) (Alberini 2009; Alberini та Kandel 2014; Jones та ін. 2001; Sun та Lin 2016), епігенетичні регулятори (наприклад, MSK1, RSK2, NFkB, DNMT, HATs та HDAC) (Day та Sweatt 2011; de la Fuente та ін., 2015; Franklin і Mansuy, 2010; Rudenko та Tsai, 2014), мікроРНК (наприклад, miR-124, miR-132, miR-128b і miR{{33} }) (Bredy et al. 2011; Nudelman et al. 2010; Saab and Mansuy 2 014), а також низка ефекторних білків, задіяних у структурних змінах, таких як молекули клітинної адгезії (наприклад, нейрексин і нейролігін) (Murase and Schuman 1999; Роза 1996; Є та ін. 2017 рік; Бейлі та ін. 2015) (Малюнок 1).

Ці молекулярні дослідження проводилися паралельно з електрофізіологічними дослідженнями, які показали, що клітинні механізми, що лежать в основі довгостроковогопам'ятьпередбачають довгострокові синаптичні функціональні зміни, зокрема довготривале посилення або зниження синаптичної передачі, відоме як довгострокова потенціація (LTP) і довготривала депресія (LTD), відповідно (Bliss and Collingridge 1993; Malenka and Bear 2004) . Додаткові електрофізіологічні зміни в мозку, які були залучені до формування довгострокової пам’яті, включають когерентність електроенцефалограми (ЕЕГ), тобто фазову синхронізацію коливань потенціалу поля, яка координує час нейронних спайків для сприяння синаптичній пластичності в розподілених областях мозку (Corcoran et al. інші, 2016; Zanto та інші, 2011). Примітно, що ця комунікація на системному рівні між областями мозку контролюється різкими хвильовими брижами (SPW-Rs) (Buzsáki 2015), асинхронним шаблоном популяції в гіпокампі, який бере участь у перехресних перешкодах із широкою областю кори та кількома підкірковими ядрами. SPW-R виникають у «офлайнових» станах мозку під час неспання та у фазі швидкого сну та, як вважають, консолідують епізодичні спогади в гіпокампально-корковій системі (Buzsáki 2015; Inostroza and Born 2013). Ці загальносистемні дії дають можливе механістичне пояснення того, чому залежні від гіпокампу спогади, які є крихкими протягом початкового періоду, коли вони залучають мережу як гіпокампа, так і кортикальних областей, з часом стають більш стабільними та виключно незалежними від гіпокампу. Цей перерозподіл представлень пам’яті та зберігання відомий як консолідація на системному рівні (Dudai та ін. 2015; Сквайр та ін. 2015; Франкленд та Бонтемпі 2005).

Хоча ці дослідження дали багато інформації про біологічні основи навчання тапам'ять, вони зосередилися на нейронних механізмах і, отже, зробили висновки, які здебільшого обмежилися нейронами та функціями нейронів. Однак, крім нейронів, мозок містить багато типів клітин і систем, включаючи глію та судини

системи. Недавні дослідження почали оцінювати роль ненейрональних клітин у довгостроковій перспективіпам'ятьі надали чіткі докази того, що всі типи гліальних клітин (тобто астроцити, олігодендроцити та мікроглія) відіграють вирішальну роль у обробці пам’яті (Adamsky and Goshen 2017; Fields 2008; Gibbs et al. 2008; Lee et al. 2014; Moraga-Amaro et al. ін., 2014; Паркхерст та ін., 2013; Сузукі та ін., 2011).

Астроцити особливо добре обладнані, щоб впливати на функції нейронів, залучені до формування пам’яті (Haydon and Nedergaard 2014; Moraga-Amaro et al. 2014): вони збудливі через коливання кальцію та реагують на нейромедіатори, що вивільняються в синапсах; вони синхронізуються за допомогою кальцієвих хвиль і вивільняють власні гліотрансмітери, необхідні для синаптичної пластичності; вони сполучаються з кровоносними судинами, таким чином поєднуючи циркуляцію (потік крові) з місцевою мозковою активністю; і, нарешті, вони регулюють енергетичний метаболізм для підтримки функцій нейронів, у тому числі необхідних дляпам'ять(Henneberger et al. 2010; Pannasch and Rouach 2013; Perea et al. 2009; Bazargani and Attwell 2016). З огляду на цю метаболічну роль, астроцити ідеально розташовані, щоб збалансувати метаболізм глюкози в мозку: з одного боку, кінці астроцитів безпосередньо контактують із шарами кровоносної судини, яка імпортує глюкозу з крові через селективний транспортер глюкози GLUT1, і з іншого боку, ці клітини розширюють відростки, які обертаються навколо пре- та постсинаптичних відділів нейронів (Falkowska та ін. 2015; Моргелло та ін.

1995) (Малюнок 2).

У цьому огляді ми конкретно обговоримо критичний внесок астроцитів, що діють як регулятори метаболізму глюкози,пам'ятьформування та зберігання.

Метаболізм глікогену та глюкози відіграє вирішальну роль упам'ятьформування

Дослідження Пола Голда та його колег виявили системну глюкозу як посередникапам'ять-посилення ефекту норадреналіну (Gold and Korol 2012). Спогади, закодовані в стані збудження, запам’ятовуються краще (тобто на більш тривалий час і з більшою деталізацією), а добре відомо, що збудження регулює виділення адреналіну з надниркових залоз. Епінефрин зв’язує адренергічні рецептори (АР) на гепатоцитах і ініціює розпад глікогену, полімеру глюкози, що зберігається в печінці (Sutherland and Rall 1960), що призводить до викиду глюкози в кров. Для посиленняпам'ять, тоді як низький запас глікогену в печінці, як у позбавлених їжі або старих щурів, пов’язаний із відсутністю покращення пам’яті після лікування адреналіном (Morris et al. 2010; Talley et al. 2000). І навпаки, периферичне блокування адренергічних рецепторів блокує здатність адреналіну посилюватипам'ятьі підвищити рівень глюкози в крові. У сукупності ці дослідження підтверджують висновок про те, що основним механізмом, який лежить в основі дії адреналіну, який виділяється під час збудження, є підвищення рівня глюкози в крові.

Вплив глюкози як aпам'ятьенхансер спостерігався як при системних, так і при внутрішньомозкових ін’єкціях, і його було пов’язано з регуляцією вивільнення норадреналіну або ацетилхоліну. Рагозіно та його колеги показали, що як системні, так і внутрішньогіпокампальні ін’єкції глюкози, як і ін’єкції адреналіну, посилюють спонтанну альтернацію, форму просторової роботи.пам'ятьта збільшують виділення ацетилхоліну в гіпокампі (Ragozzino та ін., 1998; Ragozzino та ін., 1996).

Розуміння ролі глюкози в модуляції пам’яті було значно просунуто завдяки спостереженню, що коли щурів випробовують на спонтанне чергування, рівень позаклітинної глюкози в гіпокампі значно знижується. Звідси було висловлено припущення, що навчання іпам'ятьспоживати глюкозу, ймовірно, для забезпечення енергетичних потреб мозку, коли він обробляє новий досвід і зберігає важливу інформацію (McNay et al.

2000; Макней та ін. 2001; Макней і Шервін 2004).

Дійсно, мозок споживає велику кількість енергії: мозок дорослої людини використовує в середньому близько 20 відсотків загальної енергії тіла, хоча на нього припадає лише 2 відсотки загальної маси тіла. Глюкоза, основне джерело енергії, що надходить у мозок із кровообігу, може або безпосередньо метаболізуватися, або зберігатися у формі глікогену. У зрілому мозку глікоген зберігається переважно в астроцитах (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; огляд у Waitt та ін., 2017), і в умовах високої потреби в енергії, таких як дефіцит глюкози або інтенсивна нейронна активність, може бути катаболізовано для швидкої доставки метаболічних субстратів (тобто пірувату та лактату) (Brown and Ransom 2015). Хоча нейрони володіють ферментативним механізмом для зберігання та розщеплення глікогену, у фізіологічних умовах вони пригнічують накопичення глікогену за допомогою ряду механізмів. Насправді накопичення глікогену в нейронах спостерігається лише при важких неврологічних захворюваннях, таких як прогресуюча міоклонічна епілепсія або хвороба Лафора, розлад головного мозку, що характеризується повторюваними нападами (епілепсія) і зниженням інтелектуальних функцій (Vilchez et al. 2007). Таким чином, глюкоза, яка або безпосередньо метаболізується через гліколіз, або надходить через астроцитарний глікогеноліз, може підживлювати високі потреби в енергії, пов’язані з клітинними змінами, що лежать в основі навчання,пам'ятьформування, іпам'ятьзберігання.

Одне з тривалих обговорюваних питань полягає в тому, чи нейрони безпосередньо імпортують глюкозу, що надходить у мозок із крові, і негайно використовують її для забезпечення енергії, необхідної для підтримки своїх функцій. Альтернативна модель, запропонована Пеллеріном і Магістретті (Pellerin and Magistretti 1994), передбачає, що високі енергетичні потреби стимульованих нейронів підтримуються астроцитами, які постачають нейрони лактатом, виробленим через аеробний гліколіз, таким чином забезпечуючи енергію, необхідну для діяльності- індуковані функції нейронів; отже, у випадку навчання, для змін, пов’язаних з обробкою та збереженням спогадів. Також можливо, що обидва механізми використовуються, можливо, у відповідь на конкретні умови.

Модель, запропонована Маджісттретті та Пеллеріном, викликала широкі дискусії. Ці дебати є складними і, ймовірно, відображають складність метаболічних регуляцій у різних умовах. Враховуючи різноманітність цих умов і систем, ми не зможемо обговорити дискусійні моменти в цьому рукописі, тому ми посилаємося на кілька оглядів, які повідомляють про них (Chih et al., 2001; Chih and Roberts, 2003; Dienel and Hertz, 2001). ; Pellerin та Magistretti, 2003, 2012; Aubert та ін., 2005; Dienel, 2010, 2017; DiNuzzo та ін., 2010; Steinman та ін., 2016). Проте ми обговоримо літературу, важливу для висновків про роль глікогену, глюкози та лактату в навчанні та пам’яті, а також у пластичності мозку.

Кілька досліджень показали, що стимуляція ділянок мозку збільшує глікогеноліз і гліколіз, а також поглинання глюкози в астроцитах, що узгоджується з ідеєю, що астроцитарний метаболізм глікогену та глюкози необхідний для підтримки процесів, залежних від активності. Наприклад, ЯМР-спектроскопія, яка дозволяє вимірювати лактат in vivo, виявила підвищення рівня лактату в зоровій корі людини під час фізіологічної фотостимуляції (Prichard та ін., 1991), а вимірювання на основі мікросенсорів виявили збільшення позаклітинної концентрації лактату в зубчастій тканині. звивини гіпокампу щура після електричної стимуляції перфорантного шляху (Hu and Wilson 1997). Крім того, стимуляція вусів у неспаних щурів призводить до швидкого розпаду глікогену в шарі IV соматосенсорної кори (Swanson та ін., 1992) і призводить до переважного збільшення поглинання глюкози астроцитами порівняно з нейронами соматосенсорної кори in vivo (Chuquet et al. al., 2010), хоча необхідно зрозуміти більше механістичних деталей (Dienel and Cruz 2015). Фізичне положення астроцитів, між кровотоком з одного боку та нейронами з іншого, додатково підтверджує ідею, що астроцитарна регуляція метаболізму глюкози субсидує енергетичні потреби активності, пластичності, навчання тапам'ятьформування.

Згідно з цією точкою зору, метаболічний профіль астроцитів і нейронів виявив чіткі особливості, які вказують на те, що гліколіз відбувається переважно в астроцитах. Наприклад, культивовані нейрони виробляють CO2 зі значно вищою швидкістю, ніж астроцити, і їхні відповідні ферментативні профілі узгоджуються з відносним переважанням гліколізу в гліальних клітинах і окислення в нейронах (Bélanger та ін. 2011; Hamberger і Hydén 1963; Hydén і Lange). 1962). Крім того, гостро ізольовані астроцити, очищені за допомогою FACS, демонструють переважно гліколітичний профіль (Lovatt та ін. 2007; Zhang та ін. 2014). Нарешті, фермент 6-фосфофрукто-2- кіназа/фруктоза-2,6-бісфосфатаза 3 (Pfkfb3), який сприяє гліколізу, активний в астроцитах, але постійно піддається протеасомній деградації в нейронів (Bolaños et al. 2010; Herrero-Mendez et al. 2009), ще раз підтверджуючи ідею, що астроцити є основними місцями гліколізу. Таким чином, велика кількість доказів сходить до висновку, що астроцити є переважно гліколітичними клітинами, тоді як нейрони такими не є, а натомість демонструють високу окислювальну активність.

Перша демонстрація того, що астроцитарний гліколіз є критично важливим для навчання та пам’яті, була отримана в дослідженнях, проведених Лейфом Герцем, Марі Гіббс та їх колегами, які показали, що глікогеноліз необхідний для формування пам’яті. Використовуючи тренування щодо уникнення смаку у добового курчати, вони показали, що внутрішньочерепна ін’єкція інгібітора глікогенфосфорилази, 1,4-дідеокси-1,4-іміно-d-арабінітолу (DAB) , погіршення пам’яті залежно від дози, і дійшли висновку, що глікогеноліз є критичною умовою для тривалогопам'ятьзберігання (Gibbs et al. 2006). Згідно з цим висновком, розпад глікогену в мозку значно збільшується під час сенсорної активації у щурів (Cruz and Dienel 2002; Swanson et al. 1992), а пізніші дослідження, детально описані нижче, продемонстрували, що глікоген сприяє декільком типам формування пам’яті у щурів і миші. На додаток до глікогенолізу може також знадобитися аеробний гліколізпам'ятьяк показали експерименти, під час яких інгібітор гліколізу 2-дезоксиглюкозу вводили в мозок одноденних курчат під час навчання, що призвело до погіршення довготривалої пам’яті (Gibbs et al. 2007). Таким чином, декілька досліджень дійшли висновку, що глікогеноліз та аеробний гліколіз, що призводить до виробництва лактату, критично пов’язані з формуванням пам’яті. Це викликає кілька запитань: як саме відбувається це регулювання? Як астроцити функціонально пов'язані з нейронами? Які цільові механізми споживають високий рівень енергії під час навчання та дозволяють консолідувати пам’ять?

Астроцитарний глікогеноліз, аеробний гліколіз і лактат є критичними для тривалогопам'ятьформування в декількох областях мозку

Модель, запропонована Пеллеріном і Магістретті (Pellerin and Magistretti 1994), відома як лактатний човник астроцитів-нейронів (ANLS), припускає, що гліколіз астроцитів і окислення нейронів відіграють узгоджену роль у формуванні довгострокової пам’яті за допомогою транспорту лактату. Ця модель передбачає, що збудження, а отже, і вивільнення глутамату, стимулює поглинання глутамату астроцитами, який перетворюється на глутамін (глутамат-глутаміновий цикл), зрештою підтримуючи синаптичне вивільнення глутамату. Цей цикл вимагає енергії від астроцитів, які, отже, активують поглинання глюкози з крові та метаболізують її в лактат. Лактат, який виділяється астроцитами через монокарбоксилатні транспортери (MCT), може потрапляти в інші типи клітин за допомогою подібних транспортерів, які діють на основі градієнтів концентрації протонів і монокарбоксилату через плазматичну мембрану (Halestrap 2013; Pierre and Pellerin 2005). МСТ є протонно-пов’язаними переносниками плазматичної мембрани, які переносять молекули, що містять одну карбоксилатну групу (звідси термін монокарбоксилати), такі як лактат, піруват і кетонові тіла, через плазматичні мембрани. MCT1 експресується в астроцитах, епендимоцитах, олігодендроцитах та ендотеліальних клітинах кровоносних судин, тоді як MCT4 вибірково експресується астроцитами та збагачується в синаптичних ділянках (Pierre and Pellerin 2005; Rinholm et al. 2011; Suzuki et al. 2011). MCT2, з іншого боку, вибірково експресується нейронами (Debernardi et al. 2003).

Таким чином, лактат, вивільнений астроцитами через MCT4 і MCT1, транспортується MCT2 в нейрони, де він перетворюється на піруват, який згодом метаболізується шляхом окисного фосфорилювання в мітохондріях з утворенням 14–17 АТФ на молекулу лактату (рис. 2). Це надходження лактату від астроцитів до нейронів дає пояснення того, як нейрони можуть справлятися з високими потребами в енергії, викликаними активними процесами у відповідь на подразники.

Перші дослідження, які описували ANLS, проводилися in vitro, і були підняті питання про те, чи відбуваються ці механізми in vivo (Chih and Roberts 2003; Dienel and Cruz 2004; Gjedde et al. 2002). Проте дослідження Герца і Гіббса на курчаті, описані вище, показали, що глікогеноліз бере участь упам'ятьформування (огляд див. Gibbs 2016). У цих дослідженнях курчата піддавалися впливу двох кульок, однієї червоної та іншої синьої, і їх навчали уникати клювання червоної кульки через асоціацію з неприємним смаком. Під час тесту на утримування вимірювали співвідношення між кількістю клювань червоних і синіх бус, що виявило збільшення уникнення клювання червоних бус; зміна коефіцієнта розрізнення вказувала на пам'ять (Hertz та ін., 1996). Початкові результати показали, що рівень глікогену в передньому мозку знизився через 30 хвилин після навчання, одночасно з підвищенням глутамату, що свідчить про деновосинтез глютамату з глікогену для підтримкипам'ятьконсолідація (Герц та ін. 2003; О'Дауд та ін. 1994). Кілька років потому та ж група показала, що DAB погіршує пам’ять про відразу до смаку у одноденних курчат, коли його вводять у мультимодальну асоціативну область переднього мозку, проміжний медіальний мезопалій (IMM), область мозку, необхідну для консолідації пам’яті (Gibbs et al. 2006). ; Гіббс і Герц 2008). Потім вони виявили, що глютаміну достатньо для збереження пам’яті, і тому припустили, що глікогеноліз є критичним для човника глутамат/глутамін, на який також може впливати DAB. Подальше дослідження, проведене тими ж авторами, продемонструвало, що L-лактату також достатньо, щоб врятувати пам’ять про відразу до курчат після лікування інгібітором глікогенолізу (DAB) або гліколізу (2-дезоксиглюкоза) (Gibbs et al. 2007). Крім того, введення D-лактату, конкурентоспроможної біологічно неактивної форми лактату, порушило смакову огиду курчатпам'ятьіз затримкою в часі, яка свідчить про те, що він пригнічує метаболізм L-лактату, а не поглинання, що спонукало авторів до висновку, що астроцитарний метаболізм через глікогеноліз і метаболізм лактату є критичними для формування пам’яті (Gibbs and Hertz 2008). Ці знахідки підтверджують ідею, що навчання у новонароджених курчат залежить від розпаду глікогену для синтезу глутамату в астроцитах (Gibbs et al. 2007).

Однак додаткова інтерпретація полягає в тому, що лактат, який виробляється в результаті глікогенолізу, транспортується в нейрони для їх використання, таким чином сприяючи підтримці модифікацій нейронів, критичних для формування пам’яті. Ми перевірили цю гіпотезу в мозку ссавців, зосередившись конкретно на тому, чи механізми глікогенолізу, вивільнення астроцитарного лактату та транспорту в нейрони залучені до консолідації пам’яті, процесу, який стабілізує новосформовану, спочатку крихку пам’ять у довгострокову стабільну репрезентацію (Alberini 2009). , Дудай 2004).

Використовуючи дорослих щурів, навчених виконанню завдання з уникнення гальмування (ІА), під час якого тварини вчаться уникати контексту, який раніше був поєднаний із ударом стопи (контекстуальна реакція на загрозу), ми продемонстрували, що лактат, який транспортується з астроцитів до нейронів у гіпокампі, грає критично важливу роль у консолідації довгострокової пам’яті (Suzuki et al. 2011). Зокрема, ми виявили, що астроцитарний глікогеноліз гіпокампа необхідний для консолідації пам’яті, довготривалої потенціації гіпокампа invivo та індукованого навчанням збільшення синаптичних і клітинних макромолекулярних змін, включаючи експресію регульованого активністю цитоскелету білка негайного раннього гена (IEG). (Arc або Arg3.1) і фосфорилювання фактора транскрипції CREB і білка кофіліну, що розриває актин, усі вони є маркерами довготривалої синаптичної пластичності. Насправді DAB, введений двосторонньо в дорсальний гіпокамп до або відразу після тренування IA, постійно порушував збереження пам’яті, і це порушення було запобігти спільною ін’єкцією L-лактату, але не еквікалорійних концентрацій глюкози. Крім того, після тренування IA позаклітинна концентрація лактату в гіпокампі, виміряна мікродіалізом invivo, значно зросла та залишалася підвищеною протягом більше ніж 1 години, повернувшись до вихідного рівня приблизно через 90 хвилин після тренування. Це збільшення лактату було повністю скасовано двосторонньою ін’єкцією DAB у гіпокамп, що свідчить про те, що це було результатом астроцитарного глікогенолізу.

Крім того, ми виявили, що ін’єкція неактивного ізомеру D-лактату в гіпокамп перед тренуванням також блокує збереження довгострокової пам’яті, що свідчить про те, що метаболізм лактату є критичним для формування довгострокової пам’яті. Подібні ефекти на збереження пам’яті спостерігалися після нокдауну транспортерів лактату (MCT). Примітно, що хоча порушення пам’яті, викликані нокдауном транспортерів лактату, експресованого в астроцитах (MCT1 і MCT4), було врятовано додаванням L-лактату, порушення, викликане нокдауном транспортера, експресованого в нейронах (MCT2), не відповідало ідея про те, що транспорт лактату з астроцитів до нейронів є критичним для формування пам’яті. Згідно з цією інтерпретацією, лактатний градієнт між астроцитами та нейронами нещодавно спостерігали та характеризували з високою роздільною здатністю за допомогою двофотонної мікроскопії (Machler et al. 2016). Таким чином, ми дійшли висновку, що глікогеноліз і транспорт лактату астроцитів-нейронів критично підтримують функції нейронів, необхідні для формування довготривалої пам’яті. Нещодавнє дослідження додатково підтвердило роль астроцитарного лактату у формуванні пам’яті, показавши, що тренування IA індукує експресію в гіпокампі молекул, залучених до астроцитарно-нейронального транспорту, таких як МСТ та експресію лактатдегідрогенази (LDH) A і B, ферментів, які каталізують взаємоперетворення лактату та пірувату (Tadi et al. 2015).

Подібних висновків дійшли Newman et al. (2011), який використовував чутливі біозонди для вимірювання рівнів глюкози та лактату в мозку в гіпокампі щурів під час виконання завдання просторової робочої пам’яті. Вони виявили, що в той час як рівень позаклітинної глюкози знижувався, рівень лактату підвищувався під час виконання завдання, а інтрагіппокампальне вливання L-лактату покращувало пам’ять у цьому завданні. Крім того, фармакологічне інгібування астроцитарного глікогенолізу за допомогою DAB погіршувало пам’ять, і це порушення було скасовано або L-лактатом, або глюкозою, обидва з яких можуть забезпечити лактат нейронам за відсутності глікогенолізу. У цьому дослідженні, як і в нашому, блокада MCT, відповідальних за поглинання лактату нейронами, погіршувала пам’ять, і це порушення не було скасовано ні глюкозою, ні L-лактатом, що знову підтверджує ідею про те, що поглинання лактату нейронами є необхідним для підтримки формування пам’яті. . Автори дійшли висновку, як і ми, що астроцити регулюють формування пам’яті, контролюючи надходження лактату для підтримки функцій нейронів.

Додаткові дослідження, засновані на генетичних підходах, підтверджують ці висновки. Дельгадо-Гарсія та його колеги виявили, що нокаут глікогенсинтази в нервовій системі мишей погіршує як LTP гіпокампу, так і асоціативне навчання (Duran et al. 2013). Крім того, Boury-Jamot et al. (2016) та Zhang et al. (2016) повідомили, що консолідація та повторна консолідація апетитного кондиціонування за допомогою наркотиків (тобто кокаїну, зумовленого перевагою місця або самостійного прийому) також залежить від глікогенолізу та спрямованого транспорту лактату від астроцитів до нейронів через MCTs у базолатеральній мигдалині. (BLA) щурів. Крім того, позаклітинний лактат, виміряний за допомогою мікродіалізу in vivo, підвищується в BLA після навчання та відновлення IA (Sandusky et al. 2013).

У відповідності з результатами цих досліджень ми виявили, що глікогеноліз BLA є критичним для формування пам’яті IA, про що свідчить той факт, що двостороння ін’єкція DAB у BLA за 15 хвилин до тренування IA серйозно та наполегливо порушувала збереження пам’яті у щурів. Це порушення не було врятовано шоком нагадування, виконаним в іншому контексті, протоколом, який відновлює згаслі спогади (Інда та ін. 2011), припускаючи, що блокування глікогенолізу в мигдалині перед тренуванням порушує процес консолідації. Спільне введення L-лактату з DAB в мигдалеподібне тіло врятувало порушення пам’яті, підтверджуючи важливість ролі глікогенолізу та лактату в різних областях мозку для консолідації пам’яті IA (рис. 3).

Цільові функції, що підживлюються метаболізмом лактату та/або глюкози, досі в основному невідомі. Енергія мозку необхідна для підтримки електричних імпульсів, необхідних для комунікації нейронів, а також для багатьох господарських дій, включаючи синтез білка, метаболізм фосфоліпідів, цикл нейромедіаторів і транспортування іонів через клітинні мембрани (Du et al. 2008). Як показали дослідження, описані вище, метаболізм лактату підтримує формування довготривалої пам’яті та залежне від тренувань підвищення експресії кількох молекул, пов’язаних з активністю та пластичністю, включаючи Arc, cFos і Zif268 (Gao та ін. 2016; Сузукі та ін. 2011;

Ян та ін. 2014). Ці ефекти залежать від рецептора NMDA, що означає, що залежні від лактату зміни пов’язані з активністю та/або пластичністю (Yang et al. 2014). Invivo лактату достатньо для підтримки активності нейронів (Wyss et al. 2011), а останні дані показали, що інтерстиціальний K плюс підвищення може активувати канал на мембрані астроцита, через який астроцитний лактат може надходити в інтерстицій, паралельно з встановленим транспортом через MCT (Сотело-Хітшфельд та ін., 2015). Цей шлях вивільнення астроцитарного лактату пов’язаний з мембранним потенціалом і дозволяє вивільняти лактат проти градієнта концентрації, тоді як MCT є електронейтральним, а чистий потік регулюється трансмембранними концентраціями H plus і лактату. Крім того, було продемонстровано астроцитарний механізм через бікарбонат-чутливу розчинну аденілітциклазу, що призводить до розпаду глікогену, посиленого гліколізу та вивільнення лактату в позаклітинний простір, який згодом поглинається нейронами для використання в якості енергетичного субстрату (Choi et al. 2012). Разом ці дослідження підтверджують висновок про те, що доставку лактату астроцитами до нейронів можна регулювати багатьма способами у відповідь на активність, і необхідні дослідження, щоб зрозуміти, чи відбуваються паралельні чи вибіркові механізми invivoupon навчання. Тим не менш, виявилося, що лактат необхідний не тільки для підтримки гомеостазу іонної мембрани після деполяризації, але й для багатьох інших функцій нейронів, необхідних для довготривалих модифікацій, пов’язаних із формуванням і зберіганням пам’яті.