1. daļa: Astrocītu glikogēns un laktāts: jauni ieskati mācīšanās un atmiņas mehānismos

lai iegūtu plašāku informāciju:ali.ma@wecistanche.com

Lūdzu, noklikšķiniet šeit, lai skatītu 2. daļu

Kristīna M. Alberīni, Emanuels Krūzs, Džanīna Dekalci, Bendžamins Besjērs un Virdžīnija Gao

Neironu zinātnes centrs, Ņujorkas Universitāte, Ņujorka, NY, 10003

Noklikšķiniet, laiCistančas un cistanča atmiņai

Abstrakts

Atmiņa, spēja saglabāt apgūto informāciju, ir nepieciešama izdzīvošanai. Līdz šim molekulārie un šūnu pētījumi paratmiņaveidošanās un uzglabāšana galvenokārt ir vērsta uz neironu mehānismiem. Tomēr papildus neironiem smadzenēs ir arī cita veida šūnas un sistēmas, tostarp glia un asinsvadu sistēma. Attiecīgi nesenais eksperimentālais darbs ir sācis uzdot jautājumus par neneironu šūnu lomuatmiņaveidošanās. Šie pētījumi sniedz pierādījumus tam, ka visu veidu glia šūnas (astrocīti, oligodendrocīti un mikroglia) sniedz nozīmīgu ieguldījumu kodētās informācijas apstrādē un atmiņu uzglabāšanā. Šajā pārskatā mēs apkopojam un apspriežam jaunākos atklājumus par astrocītu kritisko lomu kā enerģijas nodrošinātājiem ilgstošām neironu izmaiņām, kas ir nepieciešamas ilgtermiņā.atmiņaveidošanās. Mēs koncentrējamies uz trim galvenajiem atklājumiem: pirmkārt, glikozes metabolisma loma un no mācīšanās un aktivitātes atkarīgā vielmaiņas saite starp astrocītiem un neironiem ilgtermiņa kalpošanā.atmiņaveidošanās; otrkārt, astrocītiskās glikozes metabolisma loma uzbudināšanā, stāvoklis, kas veicina ļoti ilgstošu un detalizētu atmiņu veidošanos; un visbeidzot, ņemot vērā smadzeņu lielo enerģijas pieprasījumu agrīnās attīstības laikā, mēs apspriedīsim astrocītu un neironu glikozes metabolisma iespējamo lomu agrīnās dzīves atmiņu veidošanā. Noslēgumā mēs piedāvājam turpmākos virzienus un apspriežam šo atklājumu ietekmi uz smadzeņu veselību un slimībām.

Atslēgvārdi

glikoze; vielmaiņa; glia; glikolīze; glikogenolīze; emocionāls uzbudinājums; attīstību

Ilgtermiņaatmiņaun to pamatā esošie neironcentriskie bioloģiskie mehānismi un to pamatā esošie bioloģiskie mehānismi un shēmas. Lai gan ilgtermiņa atmiņām parasti nepieciešama denovogēna izteiksme, īstermiņa atmiņas balstās uz proteīnu pēctranslācijas modifikācijām (Alberini 2009; Alberini un Kandel 2014; Squire un Dede 2015).

Atmiņas var arī iedalīt dažādās kategorijās, pamatojoties uz kodētās un saglabātās informācijas veidu. Piemēram, viena būtiska atšķirība klasificē atmiņas kā tiešās (cilvēkiem pazīstamas arī kā deklaratīvas) vai netiešas (nedeklaratīvas) (Squire 2004). Skaidrās atmiņas saglabā informāciju par faktiem, cilvēkiem, vietām un lietām (pazīstamas arī kā atmiņas par to, kas, kur, kurš un kad, vai www atmiņas), un ietver epizodiskās un semantiskās atmiņas. Netiešās atmiņas, kas tiek atsauktas bezsamaņā/automātiski, saglabā informāciju par apgūtajām automātiskajām atbildēm, un tajās ietilpst sākotnējās, procesuālās atmiņas (atmiņas par to, kā rīkoties) un vienkārši refleksi (Tulving 1972; Squire un Wixted 2011). Skaidrās un netiešās atmiņas izmanto atšķirīgas sistēmas (reģionu tīklu) to kodēšanai, konsolidācijai un glabāšanai. Gan klīniskie, gan pētījumi ar dzīvniekiem atklāja, ka skaidras atmiņas apstrādā mediālā temporālā daiva, kurā viens no kritiskajiem apgabaliem ir hipokamps, turpretim netiešās atmiņas tiek apstrādātas citur un var darboties, ja nav neskartas skaidras sistēmas (Eichenbaum 2006; Kim un Fanselovs, 1992; Skvils un Milners, 1957; Skvairs un Viksteds, 2011). Tādējādi skaidras atmiņas tiek sauktas arī par no hipokampa atkarīgām atmiņām. Kaut arī netieši un skaidriatmiņasistēmas var būt funkcionāli atdalītas, normālos veselīgos apstākļos tās sadarbojas, lai apstrādātu un uzglabātu sarežģītu informāciju (Kim un Baxter 2001; McDonald et al. 2004).

Pētījumi, kuru mērķis ir noskaidrot ilgtermiņa atmiņu bioloģiskos pamatus, galvenokārt ir vērsti uz atmiņām, kas atkarīgas no hipokampa. Tomēr lielākā daļa mūsu izpratnes par pamatā esošajiem šūnu un molekulārajiem mehānismiematmiņaveidošanās un uzglabāšana sākotnēji radās, pētot vienkāršas mācīšanās formas, piemēram, Kalifornijas Aplysia žaunu izņemšanas refleksu un ožas mācīšanos Drosophila melanogaster (Yin et al. 1994; Dubnau un Tully 1998; Davis 2011; Kandel 2012). Aplysia šie pētījumi atklāja daudz informācijas par molekulārajiem un šūnu ceļiem, kas aktivizēti un pieņemti darbā, lai īstenotu sinaptiskā spēka vai ilgtermiņa sinaptiskās plastiskuma ilgtermiņa modifikācijas. Šie dati saplūda ar ģenētiskajiem un uzvedības rezultātiem, kas iegūti Drosofilā. Vadoties no šīm zināšanām no šīm divām bezmugurkaulnieku sistēmām, pētījumi par zīdītāju atmiņas paradigmām atklāja, ka līdzīgi molekulārie ceļi ir nepieciešami arī sarežģītākiem zīdītājiem.atmiņa, tostarp no hipokampa atkarīgas atmiņas. Galu galā daudzi pētījumi, kas veikti pēdējos 30 gados par daudzām sugām, ir nonākuši pie secinājuma, ka evolucionāri konservēti bioloģiskie mehānismi ir ilgtermiņa sinaptiskās plastiskuma un ilgtermiņa atmiņas veidošanās pamatā (Alberini 2009; Kandel 2012; Kandel et al. 2014). Viens klasisks piemērs, kas ir plaši pētīts, ir cikliskā adenozīna monofosfāta (cAMP) evolucionāri saglabātā loma - atkarīgais ceļš un funkcionāli saistītā cAMP atbildes elementu saistošā proteīna (CREB) aktivizēšana - atkarīga gēnu ekspresijas kaskāde. Kida un Serita 2014; Lonze un Ginty 2002; Silva et al. 1998) (1. attēls).

Lai izpētītu zīdītāju sarežģītību, ir izmantoti daudzi zīdītāju modeļi ar dažāda veida īstermiņa un ilgtermiņa atmiņu, īpaši grauzējiem.atmiņaapstrāde dažādos smadzeņu reģionos. Šie pētījumi atklāja, ka daudzu gēnu klašu, RNS un proteīnu ekspresija un pēctranslācijas regulēšana ir nepieciešama ilgstošai atmiņas veidošanai un uzglabāšanai; tajos ietilpst tūlītēji agrīnie gēni (piemēram, c-Fos, Zif268, NPAS4 un Arc/Arg3.1) (Bramham et al. 2008; Guzowski 2002; Loebrich un Nedivi 2009; Sun un Lin 2016; Veyrac et al. 2014), metabotropiskie un jonotropie receptori

dažādiem neirotransmiteriem (piemēram, AMPA, NMDA, Kainate, GABA un metabotropiem glutamāta receptoriem) un neiromodulatoriem (piemēram, dopamīnerģiskiem un serotonīnerģiskiem receptoriem), neirotrofiskiem faktoriem (piemēram, tirozīna receptoru kināzei) (Fanselow et al. 1994; Gonzaleria-Burgos un F. -Velasco 2008; Kandel 2001; Makkar et al. 2010; Morris 2013; Purcell un Carew 2003; Riedel 1996; Riedel et al. 2003), kināzes (piemēram, ERK, CamKII, PKA, PKC un MAPKMα) et al. 2002; Kandel 2012; Lisman et al. 2002; Mayford 2007; Pastalkova et al. 2006; Rahn et al. 2013), transkripcijas faktoriem (piemēram, CREB, C/EBP, NFkB, AP1, NPAS4, NR468 , un SRF) (Alberini 2009; Alberini un Kandel 2014; Jones et al. 2001; Sun un Lin 2016), epiģenētiskie regulatori (piemēram, MSK1, RSK2, NFkB, DNMT, HAT un HDAC) (Day and Sweatt de 2011; la Fuente et al. 2015; Franklin un Mansuy 2010; Rudenko un Tsai 2014), mikroRNS (piemēram, miR-124, miR-132, miR-128b un miR{{33} }) (Bredy et al. 2011; Nudelman et al. 2010; Saab un Mansuy 2 014), un vairāki efektorproteīni, kas iesaistīti strukturālās izmaiņās, piemēram, šūnu adhēzijas molekulas (piemēram, neireksīns un neiroligīns) (Murase un Schuman 1999; Roze 1996; Ye et al. 2017. gads; Beilija et al. 2015) (1. attēls).

Šiem molekulārajiem pētījumiem ir paralēli elektrofizioloģiskie pētījumi, kas parādīja, ka šūnu mehānismi, kas ir ilgtermiņa pamatāatmiņaietver ilgtermiņa sinaptiskās funkcionālās izmaiņas un jo īpaši sinaptiskās transmisijas ilgtermiņa palielināšanos vai samazināšanos, kas attiecīgi pazīstama kā ilgtermiņa potenciācija (LTP) un ilgtermiņa depresija (LTD) (Bliss un Collingridge 1993; Malenka un Bear 2004). . Papildu elektrofizioloģiskas izmaiņas smadzenēs, kas ir saistītas ar ilgtermiņa atmiņas veidošanos, ietver elektroencefalogrammas (EEG) koherenci, ti, lauka potenciālu svārstību fāzes sinhronizāciju, kas koordinē neironu palielināšanās laiku, lai veicinātu sinaptisko plastiskumu sadalītajos smadzeņu reģionos (Corcoran et al. al., 2016; Zanto et al., 2011). Proti, šo sistēmas līmeņa saziņu starp smadzeņu reģioniem kontrolē asi viļņu viļņi (SPW-R) (Buzsáki 2015), asinhrons populācijas modelis hipokampā, kas iesaistās šķērsrunā ar plašu garozas apgabalu un vairākiem subkortikālajiem kodoliem. SPW-R rodas smadzeņu "bezsaistes" stāvokļos nomoda laikā un ne-REM miegā, un tiek uzskatīts, ka tie nostiprina epizodiskās atmiņas visā hipokampu un garozas sistēmā (Buzsáki 2015; Inostroza and Born 2013). Šīs visas sistēmas darbības sniedz iespējamu mehānisku skaidrojumu tam, kāpēc no hipokampa atkarīgās atmiņas, kas ir trauslas sākotnējā periodā, kad tās iesaistās gan hipokampu, gan kortikālo reģionu tīklā, laika gaitā kļūst stabilākas un vienīgi no hipokampa neatkarīgas. Šī atmiņas attēlojumu un uzglabāšanas pārdale ir pazīstama kā sistēmas līmeņa konsolidācija (Dudai et al. 2015; Squire et al. 2015; Frankland un Bontempi 2005).

Lai gan šie pētījumi sniedza ļoti daudz informācijas par mācīšanās bioloģiskajiem pamatiem unatmiņa, viņi koncentrējās uz neironu mehānismiem un līdz ar to radīja secinājumus, kas galvenokārt attiecās tikai uz neironiem un neironu funkcijām. Tomēr papildus neironiem smadzenēs ir daudzu veidu šūnas un sistēmas, tostarp glia un asinsvadu

sistēmas. Nesenie pētījumi ir sākuši novērtēt neneironu šūnu lomu ilgtermiņāatmiņaun sniedza skaidrus pierādījumus tam, ka visiem glia šūnu veidiem (ti, astrocītiem, oligodendrocītiem un mikroglijām) ir būtiska nozīme atmiņas apstrādē (Adamsky un 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).

Astrocīti ir īpaši labi sagatavoti, lai ietekmētu atmiņas veidošanā iesaistītās neironu funkcijas (Haydon and Nedergaard 2014; Moraga-Amaro et al. 2014): tie ir uzbudināmi caur kalcija svārstībām un reaģē uz neirotransmiteriem, kas izdalās sinapsēs; tie sinhronizējas caur kalcija viļņiem un atbrīvo savus gliotransmiterus, kas ir būtiski sinaptiskajai plastiskumam; tie sazinās ar asinsvadiem, tādējādi savienojot cirkulāciju (asins plūsmu) ar vietējo smadzeņu darbību; un visbeidzot, tie regulē enerģijas metabolismu, atbalstot neironu funkcijas, tostarp tās, kas nepieciešamasatmiņaveidošanās (Henneberger et al. 2010; Pannasch un Rouach 2013; Perea et al. 2009; Bazargani un Attwell 2016). Ņemot vērā šo vielmaiņas lomu, astrocīti ir lieliski novietoti, lai līdzsvarotu glikozes metabolismu smadzenēs: no vienas puses, astrocītu gala pēdas tieši saskaras ar asinsvadu slāņiem, kas importē glikozi no asinīm, izmantojot selektīvo glikozes transportētāju GLUT1, un no otras puses, šīs šūnas paplašina procesus, kas aptver neironu pirms- un postsinaptiskos nodalījumus (Falkowska et al. 2015; Morgello et al.

1995) (2. attēls).

Šajā pārskatā mēs īpaši apspriedīsim astrocītu, kas darbojas kā glikozes metabolisma regulatori, kritisko ieguldījumu.atmiņaveidošanās un uzglabāšana.

Glikogēna un glikozes vielmaiņai ir svarīga lomaatmiņaveidošanās

Pola Golda un kolēģu pētījumos sistēmiskā glikoze tika identificēta kā starpnieksatmiņa-norepinefrīna pastiprinošā iedarbība (Gold and Korol 2012). Uzbudinājuma stāvokļos iekodētās atmiņas tiek atcerētas labāk (ti, ilgāk un detalizētāk), un ir labi zināms, ka uzbudinājums regulē epinefrīna izdalīšanos no virsnieru dziedzeriem. Epinefrīns saista adrenerģiskos receptorus (AR) uz hepatocītiem un ierosina glikogēna, aknās uzglabātā glikozes polimēra, sadalīšanos (Sutherland and Rall 1960), izraisot glikozes izdalīšanos asinsritē. Sistēmiskas glikozes injekcijas devās, kas ir salīdzināmas ar tām, kas konstatētas asinīs pēc epinefrīna terapijas, ir pietiekamas, lai uzlabotuatmiņa, tā kā zema glikogēna uzkrāšanās aknās, tāpat kā žurkām, kurām trūkst pārtikas vai novecojušas, ir saistīta ar atmiņas uzlabošanās trūkumu pēc epinefrīna terapijas (Morris et al. 2010; Talley et al. 2000). Un otrādi, adrenerģisko receptoru perifēra bloķēšana bloķē epinefrīna spēju uzlabotatmiņaun palielināt glikozes līmeni asinīs. Kopumā šie pētījumi apstiprina secinājumu, ka galvenais mehānisms, kas ir pamatā epinefrīna iedarbībai, ko izdala uzbudinājums, ir glikozes līmeņa paaugstināšanās asinīs.

Glikozes iedarbība kā aatmiņapastiprinātājs ir novērots gan ar sistēmiskām, gan intracerebrālām injekcijām, un tas ir saistīts ar norepinefrīna vai acetilholīna izdalīšanās regulēšanu. Ragozzino un kolēģi parādīja, ka gan sistēmiskas, gan intrahipokampālas glikozes injekcijas, piemēram, epinefrīna injekcijas, uzlabo spontānu maiņu, kas ir telpiskā darba forma.atmiņa, un palielināt acetilholīna izdalīšanos hipokampā (Ragozzino et al. 1998; Ragozzino et al. 1996).

Izpratni par glikozes lomu atmiņas modulācijā ievērojami uzlaboja novērojums, ka, pārbaudot žurkām spontānas maiņas uzdevumā, ekstracelulārās glikozes līmenis hipokampā ievērojami samazinās. Līdz ar to tika ierosināts mācīties unatmiņapatērē glikozi, iespējams, lai apmierinātu smadzeņu enerģijas pieprasījumu, jo tās apstrādā jauno pieredzi un uzglabā svarīgo informāciju (McNay et al.

2000; McNay et al. 2001. gads; Maknejs un Šervins 2004).

Patiešām, smadzenes patērē daudz enerģijas: pieaugušā smadzenes izmanto vidēji aptuveni 20 procentus no kopējās ķermeņa enerģijas, lai gan tās veido tikai 2 procentus no kopējā ķermeņa svara. Glikoze, galvenais enerģijas avots, kas nonāk smadzenēs no asinsrites, var tikt tieši metabolizēts vai uzglabāts glikogēna veidā. Nobriedušajās smadzenēs glikogēns tiek uzglabāts galvenokārt astrocītos (Brown et al. 2004; Brunet et al. 2010; Cali et al. 2016; Cataldo un Broadwell, 1986; Maxwell un Kruger 1965; Petersen 1969; Pfeiffer-Guglielmi et al. 2003; pārskatīts Waitt et al. 2017), un augsta enerģijas pieprasījuma apstākļos, piemēram, glikozes trūkuma vai intensīvas nervu darbības apstākļos, to var katabolizēt, lai ātri piegādātu vielmaiņas substrātus (ti, piruvātu un laktātu) (Brown and Ransom 2015). Lai gan neironiem ir fermentatīvās iekārtas glikogēna uzglabāšanai un sadalīšanai, fizioloģiskos apstākļos tie nomāc glikogēna uzglabāšanu, izmantojot virkni mehānismu. Faktiski glikogēna uzkrāšanos neironos novēro tikai smagu neiroloģisku slimību, piemēram, progresējošas mioklonusa epilepsijas vai Lafora slimības, smadzeņu darbības traucējumu gadījumā, kam raksturīgas atkārtotas krampju lēkmes (epilepsija) un intelektuālās funkcijas samazināšanās (Vilchez et al. 2007). Tādējādi glikoze, kas tiek tieši metabolizēta ar glikolīzi vai tiek piegādāta ar astrocītu glikogenolīzi, var veicināt lielo enerģijas pieprasījumu, kas saistīts ar šūnu izmaiņām, kas ir pamatā mācībām,atmiņaveidošanās unatmiņauzglabāšana.

Viens ilgi apspriests jautājums ir par to, vai neironi tieši importē glikozi, kas nonāk smadzenēs no asinīm, un izmanto to nekavējoties, lai nodrošinātu enerģiju, kas nepieciešama to funkciju nodrošināšanai. Alternatīvs modelis, ko ierosināja Pellerin un Magistretti (Pellerin and Magistretti 1994), ierosina, ka stimulēto neironu augstās enerģijas prasības atbalsta astrocīti, kas apgādā neironus ar laktātu, kas ražots aerobās glikolīzes rezultātā, tādējādi nodrošinot darbībai nepieciešamo enerģiju. inducētās neironu funkcijas; tātad, mācīšanās gadījumā, par izmaiņām, kas saistītas ar atmiņu apstrādi un uzglabāšanu. Ir arī iespējams, ka tiek izmantoti abi mehānismi, iespējams, reaģējot uz īpašiem apstākļiem.

Magistretti un Pellerīna piedāvātais modelis ir bijis ļoti apspriests. Šīs debates ir sarežģītas un, iespējams, atspoguļo vielmaiņas noteikumu sarežģītību dažādos apstākļos. Ņemot vērā šo nosacījumu un sistēmu daudzveidību, šajā manuskriptā mēs nevarēsim apspriest debašu punktus, tāpēc mēs atsaucamies uz vairākiem pārskatiem, kuros tie ir aprakstīti (Chih et al., 2001; Chih and Roberts, 2003; Dienel and Hertz, 2001). Pellerin un Magistretti, 2003, 2012; Aubert et al., 2005; Dienel, 2010, 2017; DiNuzzo et al., 2010; Steinman et al. 2016). Tomēr mēs apspriedīsim literatūru, kas ir svarīga, lai noskaidrotu glikogēna, glikozes un laktāta lomu mācībās un atmiņā, kā arī smadzeņu plastiskumā.

Vairāki pētījumi ziņoja, ka smadzeņu zonu stimulēšana palielina glikogenolīzi un glikolīzi, kā arī glikozes uzņemšanu astrocītos, kas atbilst idejai, ka astrocītu glikogēna un glikozes metabolisms ir nepieciešams, lai uzturētu no aktivitātes atkarīgos procesus. Piemēram, KMR spektroskopija, kas ļauj izmērīt laktāta līmeni invivo, atklāja laktāta līmeņa paaugstināšanos cilvēka redzes garozā fizioloģiskas fotostimulācijas laikā (Prichard et al. 1991), un uz mikrosensoriem balstīti mērījumi atklāja ekstracelulārā laktāta koncentrācijas palielināšanos dentātā. žurku hipokampa gyrus pēc perforējošā ceļa elektriskās stimulācijas (Hu un Wilson 1997). Turklāt ūsu stimulēšana nomodā žurkām izraisa strauju glikogēna sadalīšanos somatosensorās garozas IV slānī (Swanson et al. 1992) un dod priekšroku glikozes uzņemšanas palielināšanai astrocītos, salīdzinot ar neironiem somatosensorajā garozā invivo (Chuquet et al. al., 2010), lai gan ir jāsaprot vairāk mehāniskas detaļas (Dienel un Cruz 2015). Astrocītu fiziskais stāvoklis starp asins plūsmu vienā pusē un neironiem, no otras puses, vēl vairāk apstiprina domu, ka glikozes metabolisma astrocītiskā regulēšana subsidē aktivitātes, plastiskuma, mācīšanās un enerģijas vajadzības.atmiņaveidošanās.

Saskaņā ar šo viedokli astrocītu un neironu metaboliskā profilēšana atklāja atšķirīgas iezīmes, kas norāda, ka glikolīze notiek galvenokārt astrocītos. Piemēram, kultivētie neironi ražo CO2 daudz ātrāk nekā astrocīti, un to attiecīgie fermentatīvie profili atbilst glikolīzes relatīvajam pārsvaram glia šūnās un oksidācijas pārsvaram neironos (Bélanger et al. 2011; Hamberger and Hydén 1963; Hydén and Lange 1962). Turklāt akūti izolētiem, ar FACS attīrītiem astrocītiem galvenokārt ir glikolītisks profils (Lovatt et al. 2007; Zhang et al. 2014). Visbeidzot, enzīms 6-fosfofrukto-2- kināze/fruktoze-2,6-bisfosfatāze 3 (Pfkfb3), kas veicina glikolīzi, ir aktīvs astrocītos, bet pastāvīgi tiek pakļauts proteasomu degradācijai. neironiem (Bolaños et al. 2010; Herrero-Mendez et al. 2009), vēlreiz apstiprinot domu, ka astrocīti ir galvenās glikolīzes vietas. Tādējādi liels pierādījumu kopums sakrīt ar secinājumu, ka astrocīti pārsvarā ir glikolītiskas šūnas, bet neironi nav, un tā vietā tiem ir augsta oksidatīvā aktivitāte.

Pirmais pierādījums, ka astrocītiskā glikolīze ir ļoti svarīga mācībām un atmiņai, tika iegūta no Leif Hertz, Marie Gibbs un kolēģu veiktajiem pētījumiem, kas parādīja, ka glikogenolīze ir nepieciešama atmiņas veidošanai. Izmantojot apmācību par izvairīšanos no garšas diennakti vecam cālim, viņi parādīja, ka glikogēna fosforilāzes inhibitora 1,4-dideoksi-1, 4-imino-d-arabinitola (DAB) intrakraniāla injekcija , traucēta atmiņa atkarībā no devas, un secināja, ka glikogenolīze ir būtiska prasība ilgtermiņā.atmiņauzglabāšana (Gibbs et al. 2006). Saskaņā ar šo secinājumu, glikogēna sadalīšanās smadzenēs ievērojami palielinās sensorās aktivācijas laikā žurkām (Cruz un Dienel 2002; Swanson et al. 1992), un vēlāk sīkāk aprakstītie pētījumi parādīja, ka glikogēns veicina vairāku veidu atmiņas veidošanos žurkām un pelēm. Papildus glikogenolīzei var būt nepieciešama arī aerobā glikolīzeatmiņaveidošanās, kā atklāja eksperimenti, kuros 1 dienu vecu cāļu smadzenēs treniņa laikā tika ievadīts glikolīzes inhibitors 2-deoksiglikoze, izraisot ilgtermiņa atmiņas traucējumus (Gibbs et al. 2007). Tādējādi vairāki pētījumi ir nonākuši pie secinājuma, ka glikogenolīze un aerobā glikolīze, kā rezultātā veidojas laktāts, ir kritiski saistītas ar atmiņas veidošanos. Tas rada vairākus jautājumus: kā tieši notiek šī regula? Kā astrocīti ir funkcionāli saistīti ar neironiem? Kādi ir mērķa mehānismi, kas mācoties patērē augstu enerģijas līmeni un ļauj konsolidēt atmiņu?

Astrocītiskā glikogenolīze, aerobā glikolīze un laktāts ir kritiski svarīgi ilgtermiņāatmiņaveidošanās vairākos smadzeņu reģionos

Pellerīna un Magistretti piedāvātais modelis (Pellerin and Magistretti 1994), kas pazīstams kā astrocītu-neironu laktāta atspole (ANLS), liecina, ka astrocītu glikolīzei un neironu oksidācijai ir saskaņota loma ilgtermiņa atmiņas veidošanā, izmantojot laktāta transportēšanu. Šis modelis paredz, ka ierosme un līdz ar to glutamāta izdalīšanās stimulē glutamāta uzņemšanu astrocītos, kas tiek pārveidots par glutamīnu (glutamāta-glutamīna cikls), galu galā uzturot glutamāta sinaptisko izdalīšanos. Šim ciklam ir nepieciešama enerģija no astrocītiem, kas tādējādi aktivizētu glikozes uzņemšanu no asinīm un metabolizētu to laktātā. Laktāts, ko astrocīti izdala, izmantojot monokarboksilāta transportētājus (MCT), var iekļūt cita veida šūnās, izmantojot līdzīgus transportētājus, kas darbojas, pamatojoties uz protonu un monokarboksilāta koncentrācijas gradientiem pāri plazmas membrānai (Halestrap 2013; Pierre un Pellerin 2005). MCT ir ar protoniem saistīti plazmas membrānas transportētāji, kas pārvadā molekulas, kas satur vienu karboksilātu grupu (tātad termins monokarboksilāti), piemēram, laktātu, piruvātu un ketonu ķermeņus, cauri plazmas membrānām. MCT1 tiek ekspresēts astrocītos, ependimocītos, oligodendrocītos un asinsvadu endotēlija šūnās, savukārt MCT4 selektīvi ekspresē astrocīti un bagātinās sinaptiskās vietās (Pierre un Pellerin 2005; Rinholm et al. 2011; Suzuki et al. 2011). Savukārt MCT2 selektīvi ekspresē neironi (Debernardi et al. 2003).

Tādējādi laktātu, ko astrocīti atbrīvo caur MCT4 un MCT1, MCT2 transportē neironos, kur tas tiek pārveidots par piruvātu, kas pēc tam tiek metabolizēts oksidatīvās fosforilēšanas ceļā mitohondrijās, veidojot 14–17 ATP katrā laktāta molekulā (2. attēls). Šī laktāta piegāde no astrocītiem uz neironiem sniedz skaidrojumu tam, kā neironi var tikt galā ar augstas enerģijas prasībām, ko izraisa aktīvi procesi, reaģējot uz stimuliem.

Pirmie pētījumi, kas aprakstīja ANLS, tika veikti in vitro, un tika izvirzīti jautājumi par to, vai šie mehānismi radās invivo (Chih un Roberts 2003; Dienel un Cruz 2004; Gjedde et al. 2002). Tomēr Herca un Gibsa pētījumi ar cāli, kas aprakstīti iepriekš, liecina, ka glikogenolīze ir iesaistītaatmiņaveidošanās (pārskatu sk. Gibbs 2016). Šajos pētījumos cāļi tika pakļauti divām pērlītēm, vienai sarkanai un otrai zilai, un tika apmācītas, lai izvairītos no sarkanās lodītes knābšanas, jo to saistīja ar nepatīkamu garšu. Aiztures testa laikā tika izmērīta attiecība starp sarkano un zilo lodīšu knābīšanu, atklājot sarkano kreļļu knābīšanas palielināšanos; diskriminācijas koeficienta izmaiņas liecināja par atmiņu (Hertz et al. 1996). Sākotnējie rezultāti parādīja, ka glikogēna līmenis priekšsmadzenēs samazinājās 30 minūtes pēc mācīšanās, vienlaikus ar glutamāta līmeņa paaugstināšanos, kas liecina par glutamāta denovosintēzi no glikogēna, lai atbalstītu.atmiņakonsolidācija (Hertz et al. 2003; O'Dowd et al. 1994). Dažus gadus vēlāk tā pati grupa parādīja, ka DAB pasliktina atmiņu par nepatiku pret garšu diennakti veciem cāļiem, ja to ievada multimodālajā priekšsmadzeņu asociācijas reģionā, starpposma mediālajā mezopalijā (IMM), smadzeņu reģionā, kas nepieciešams atmiņas konsolidācijai (Gibbs et al. 2006). Gibbs un Hertz 2008). Pēc tam viņi atklāja, ka glutamīns ir pietiekams, lai glābtu atmiņu, un tāpēc ierosināja, ka glikogenolīze ir kritiska glutamāta/glutamīna atspole, ko var ietekmēt arī DAB. Turpmākais šo pašu autoru pētījums parādīja, ka L-laktāts ir pietiekams arī, lai glābtu cāļu nepatiku pret garšu pēc apstrādes ar glikogenolīzes (DAB) vai glikolīzes inhibitoru (2-deoksiglikoze) (Gibbs et al. 2007). Turklāt D-laktāta, konkurējošās nebioloģiski aktīvās laktāta formas, ievadīšana mazināja cāļu nepatiku pret garšu.atmiņaar laika aizkavēšanos, kas liecināja, ka tas kavē L-laktāta metabolismu, nevis uzņemšanu, liekot autoriem secināt, ka astrocītu metabolisms glikogenolīzes un laktāta metabolisma ceļā ir ļoti svarīgs atmiņas veidošanai (Gibbs un Hertz 2008). Šie atklājumi apstiprināja domu, ka jaundzimušo cāļu mācīšanās ir atkarīga no glikogēna sadalīšanās glutamāta sintēzei astrocītos (Gibbs et al. 2007).

Tomēr papildu interpretācija ir tāda, ka glikogenolīzes rezultātā iegūtais laktāts tiek transportēts neironos to izmantošanai, tādējādi palīdzot atbalstīt neironu modifikācijas, kas ir būtiskas atmiņas veidošanai. Mēs pārbaudījām šo hipotēzi invivo zīdītāju smadzenēs, īpašu uzmanību pievēršot tam, vai glikogenolīzes mehānismi, astrocītiskā laktāta izdalīšanās un transportēšana neironos ir iesaistīti atmiņas konsolidācijā, procesā, kas stabilizē jaunizveidoto, sākotnēji trauslo atmiņu ilgstoši stabilā reprezentācijā (Alberini 2009). , Dudai 2004).

Izmantojot pieaugušas žurkas, kas apmācītas inhibējošā izvairīšanās (IA) uzdevumā, kurā dzīvnieki mācās izvairīties no konteksta, kas iepriekš bija saistīts ar pēdu triecienu (kontekstuāla reakcija uz draudiem), mēs parādījām, ka laktāts, kas tiek transportēts no astrocītiem uz neironiem hipokampā, spēlē. izšķiroša loma ilgtermiņa atmiņas konsolidācijā (Suzuki et al. 2011). Konkrēti, mēs noskaidrojām, ka hipokampu astrocītu glikogenolīze ir nepieciešama atmiņas konsolidācijai, invivo hipokampu ilgtermiņa potencēšanai un mācīšanās izraisītu sinaptisko un šūnu makromolekulāro izmaiņu palielināšanos, tostarp tūlītējas agrīnas gēnu (IEG) aktivitātes regulētas citoskeleta proteīna ekspresiju. (Arc vai Arg3.1) un transkripcijas faktora CREB un aktīnu sadalošā proteīna kofilīna fosforilēšana, kas visi ir ilgtermiņa sinaptiskās plastiskuma marķieri. Faktiski DAB, kas tika injicēts divpusēji muguras hipokampā pirms vai tūlīt pēc IA treniņa, pastāvīgi traucēja atmiņas saglabāšanu, un šie traucējumi tika novērsti, vienlaikus injicējot L-laktātu, bet ne līdzvērtīgas glikozes koncentrācijas. Turklāt pēc IA treniņa hipokampu ekstracelulārā laktāta koncentrācija, ko mēra ar invivomikrodialīzi, ievērojami palielinājās un saglabājās paaugstināta vairāk nekā 1 stundu, atgriežoties sākotnējā stāvoklī aptuveni 90 minūtes pēc treniņa. Šis laktāta pieaugums tika pilnībā atcelts ar divpusēju DAB injekciju hipokampā, kas liecina, ka tas bija astrocītiskās glikogenolīzes rezultāts.

Turklāt mēs noskaidrojām, ka neaktīvā izomēra D-laktāta injekcija hipokampā pirms treniņa arī bloķē ilgtermiņa atmiņas saglabāšanu, kas liecina, ka laktāta metabolisms ir kritisks ilgtermiņa atmiņas veidošanai. Līdzīga ietekme uz atmiņas saglabāšanu tika novērota pēc laktāta transportētāju (MCT) iznīcināšanas. Jo īpaši, lai gan atmiņas traucējumi, ko izraisīja astrocītos (MCT1 un MCT4) ekspresēto laktāta transportētāju notriekšana, tika izglābti, pievienojot L-laktātu, traucējumi, ko izraisīja neironos ekspresētā transportētāja (MCT2) notriekšana, neatbilda ideja, ka laktāta transportēšana no astrocītiem neironos ir būtiska atmiņas veidošanai. Saskaņā ar šo interpretāciju nesen tika novērots laktāta gradients starp astrocītiem un neironiem, un tas tika raksturots ar augstu izšķirtspēju, izmantojot divu fotonu mikroskopiju (Machler et al. 2016). Tāpēc mēs secinājām, ka glikogenolīze un astrocītu-neironu laktāta transportēšana kritiski atbalsta neironu funkcijas, kas nepieciešamas ilgstošai atmiņas veidošanai. Jaunāki pētījumi vēl vairāk apstiprināja astrocītu laktāta lomu atmiņas veidošanā, parādot, ka IA treniņš inducē astrocītu-neironu transportā iesaistīto molekulu, piemēram, MCT un laktātdehidrogenāzes (LDH) A un B, enzīmu, ekspresiju hipokampā. katalizē laktāta un piruvāta savstarpējo konversiju (Tadi et al. 2015).

Līdzīgus secinājumus izdarīja Ņūmens et al. (2011), kuri izmantoja jutīgas biozondes, lai izmērītu smadzeņu glikozes un laktāta līmeni žurku hipokampā, kamēr tām tika veikts telpiskās darba atmiņas uzdevums. Viņi atklāja, ka, lai gan ārpusšūnu glikoze samazinājās, laktāta līmenis uzdevuma izpildes laikā palielinājās, un L-laktāta intrahipokampālās infūzijas uzlaboja atmiņu šajā uzdevumā. Turklāt astrocītiskās glikogenolīzes farmakoloģiskā inhibīcija ar DAB pasliktināja atmiņu, un šo traucējumu mainīja vai nu L-laktāts, vai glikoze, kas abi var nodrošināt laktātu neironiem, ja nav glikogenolīzes. Šajā pētījumā, tāpat kā mūsējā, MCT, kas ir atbildīgi par laktāta uzņemšanu neironos, bloķēšana traucēja atmiņu, un šo traucējumu nemainīja ne glikoze, ne L-laktāts, vēlreiz apstiprinot domu, ka laktāta uzņemšana neironos ir nepieciešama, lai atbalstītu atmiņas veidošanos. . Autori secināja, tāpat kā mēs, ka astrocīti regulē atmiņas veidošanos, kontrolējot laktāta nodrošināšanu, lai uzturētu neironu funkcijas.

Papildu pētījumi, kuru pamatā ir ģenētiskās pieejas, apstiprina šos secinājumus. Delgado-Garcia un kolēģi atklāja, ka glikogēna sintāzes izslēgšana peļu nervu sistēmā pasliktina gan hipokampu LTP, gan asociatīvo mācīšanos (Duran et al. 2013). Turklāt Boury-Jamot et al. (2016) un Zhang et al. (2016) ziņoja, ka ēstgribas kondicionēšanas konsolidācija un atkārtota konsolidācija, izmantojot ļaunprātīgas narkotikas (ti, kokaīna kondicionēta vietas izvēle vai pašpārvaldīšana), ir atkarīga arī no glikogenolīzes un laktāta virziena transportēšanas no astrocītiem uz neironiem caur MCT bazolaterālajā amigdalā. (BLA) žurkām. Turklāt ekstracelulārais laktāts, ko mēra ar invivo mikrodialīzi, ir paaugstināts BLA pēc IA apmācības un iegūšanas (Sandusky et al. 2013).

Saskaņā ar šo pētījumu rezultātiem mēs atklājām, ka BLA glikogenolīze ir kritiska IA atmiņas veidošanai, par ko liecina fakts, ka divpusēja DAB injekcija BLA 15 minūtes pirms IA treniņa nopietni un pastāvīgi traucēja žurkām atmiņas saglabāšanu. Šo traucējumu neglāba atgādinājuma šoks, kas tika piegādāts citā kontekstā, protokols, kas atjauno dzēstās atmiņas (Inda et al. 2011), kas liecina, ka glikogenolīzes bloķēšana amigdalā pirms treniņa izjauc konsolidācijas procesu. L-laktāta vienlaicīga ievadīšana ar DAB amigdalā izglāba atmiņas traucējumus, apstiprinot glikogenolīzes un laktāta lomu nozīmi dažādās smadzeņu zonās IA atmiņas konsolidācijā (3. attēls).

Mērķa funkcijas, ko veicina laktāta un/vai glikozes metabolisms, joprojām lielā mērā nav zināmas. Smadzeņu enerģija ir nepieciešama, lai atbalstītu elektriskos impulsus, kas nepieciešami neironu komunikācijai un daudzām mājsaimniecības darbībām, tostarp olbaltumvielu sintēzei, fosfolipīdu metabolismam, neirotransmiteru ciklam un jonu transportēšanai cauri šūnu membrānām (Du et al. 2008). Kā liecina iepriekš aprakstītie pētījumi, laktāta metabolisms atbalsta ilgtermiņa atmiņas veidošanos un vairāku ar aktivitāti un plastiskumu saistītu molekulu, tostarp Arc, cFos un Zif268, ekspresijas pieaugumu, kas ir atkarīgs no treniņa (Gao et al. 2016; Suzuki et al. 2011. gads;

Yang et al. 2014). Šie efekti ir atkarīgi no NMDA receptoriem, kas nozīmē, ka no laktāta atkarīgas izmaiņas ir saistītas ar aktivitāti un/vai plastiskumu (Yang et al. 2014). Invivo laktāts ir pietiekams, lai uzturētu neironu aktivitāti (Wyss et al. 2011), un jaunākie dati liecina, ka intersticiāls K plus paaugstinājums var aktivizēt kanālu uz astrocītu membrānas, caur kuru astrocītiskais laktāts var ieplūst intersticijā paralēli noteiktajam transportam caur MCT (Sotelo-Hitschfeld et al., 2015). Šis astrocītiskā laktāta izdalīšanās ceļš ir saistīts ar membrānas potenciālu un nodrošina laktāta izdalīšanos pret koncentrācijas gradientu, turpretim MCT ir elektroneitrāls, un neto plūsmu regulē H plus un laktāta transmembrānas koncentrācija. Turklāt ir pierādīts astrocītu mehānisms, izmantojot uz bikarbonātiem reaģējošu šķīstošo adenililciklāzi, kas izraisa glikogēna sadalīšanos, pastiprinātu glikolīzi un laktāta izdalīšanos ekstracelulārajā telpā, ko pēc tam uztver neironi, lai to izmantotu kā enerģijas substrātu (Choi et al. . 2012). Kopumā šie pētījumi apstiprina secinājumu, ka laktāta piegādi no astrocītiem neironiem var regulēt daudzos veidos, reaģējot uz aktivitāti, un ir nepieciešami pētījumi, lai saprastu, vai mācīšanās laikā rodas paralēli vai selektīvi mehānismi. Tomēr izrādās, ka laktāts ir nepieciešams, lai atbalstītu ne tikai jonu membrānas homeostāzi pēc depolarizācijas, bet arī daudzas citas neironu funkcijas, kas nepieciešamas ilgtermiņa modifikācijām, kas saistītas ar atmiņas veidošanos un uzglabāšanu.