Part 1: glicogen i lactat d'astròcits: nous coneixements sobre els mecanismes d'aprenentatge i memòria

per a més informació:ali.ma@wecistanche.com

Si us plau, feu clic aquí per a la part 2

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

Center for Neural Science, Universitat de Nova York, Nova York, NY, 10003

Feu clic aCistanches i cistanche per a la memòria

Resum

Memòria, la capacitat de retenir la informació apresa, és necessària per a la supervivència. Fins ara, les investigacions moleculars i cel·lulars dememòriala formació i l'emmagatzematge s'han centrat principalment en els mecanismes neuronals. Tanmateix, a més de les neurones, el cervell inclou altres tipus de cèl·lules i sistemes, com ara la glia i la vasculatura. En conseqüència, un treball experimental recent ha començat a fer preguntes sobre el paper de les cèl·lules no neuronalsmemòriaformació. Aquests estudis proporcionen evidència que tot tipus de cèl·lules glials (astròcits, oligodendròcits i microglia) fan contribucions importants al processament de la informació codificada i a l'emmagatzematge de memòries. En aquesta revisió, resumim i discutim les troballes recents sobre el paper crític dels astròcits com a proveïdors d'energia per als canvis neuronals duradors que són necessaris a llarg termini.memòriaformació. Ens centrem en tres descobriments principals: primer, el paper del metabolisme de la glucosa i l'acoblament metabòlic depenent de l'aprenentatge i l'activitat entre astròcits i neurones al servei del llarg termini.memòriaformació; segon, el paper del metabolisme de la glucosa astrocítica en l'excitació, un estat que contribueix a la formació de records molt duradors i detallats; i finalment, a la llum de les altes demandes energètiques del cervell durant el desenvolupament primerenc, parlarem del possible paper dels metabolismes de la glucosa astrocític i neuronal en la formació de records de la vida primerenca. Concloem proposant direccions futures i discutint les implicacions d'aquestes troballes per a la salut i la malaltia del cervell.

Paraules clau

glucosa; metabolisme; glia; glucòlisi; glucogenòlisi; excitació emocional; desenvolupament

Llarg terminimemòriai els seus mecanismes biològics subjacents centrats en les neurones dels seus mecanismes i circuits biològics subjacents. Tot i que les memòries a llarg termini generalment requereixen expressió denovogene, les memòries a curt termini es basen en modificacions de proteïnes post-traduccionals (Alberini 2009; Alberini i Kandel 2014; Squire i Dede 2015).

Els records també es poden dividir en diferents categories en funció del tipus d'informació codificada i emmagatzemada. Per exemple, una distinció important classifica els records com a explícits (també coneguts com a declaratius en humans) o implícits (no declaratius) (Squire 2004). Els records explícits conserven informació sobre fets, persones, llocs i coses (també coneguts com a records de què, on, qui i quan, o memòries www), i inclouen records episòdics i semàntics. Els records implícits, que es recorden d'una manera inconscient/automàtica, retenen informació sobre les respostes automàtiques apreses i inclouen records d'amor, de procediment (memòries de com fer les coses) i reflexos simples (Tulving 1972; Squire i Wixted 2011). Les memòries explícites i implícites recluten sistemes diferents (xarxa de regions) per a la seva codificació, consolidació i emmagatzematge. Tant els estudis clínics com els animals han revelat que els records explícits són processats pel lòbul temporal medial, dins del qual una regió crítica és l'hipocamp, mentre que els records implícits es processen en altres llocs i poden funcionar en absència d'un sistema explícit intacte (Eichenbaum 2006; Kim i Fanselow 1992; Scoville i Milner 1957; Squire i Wixted 2011). Així, els records explícits també es coneixen com a memòries dependents de l'hipocamp. Encara que implícit i explícitmemòriaels sistemes es poden dissociar funcionalment, en condicions normals de salut cooperen per processar i emmagatzemar informació complexa (Kim i Baxter 2001; McDonald et al. 2004).

Els estudis dirigits a dilucidar les bases biològiques de les memòries a llarg termini s'han centrat principalment en les memòries dependents de l'hipocamp. Tanmateix, la major part de la nostra comprensió dels mecanismes cel·lulars i moleculars subjacentsmemòriaLa formació i l'emmagatzematge van sorgir inicialment a partir d'investigacions de formes simples d'aprenentatge, com ara el reflex de retirada branquial d'Aplysia California i l'aprenentatge olfactiu a Drosophila melanogaster (Yin et al. 1994; Dubnau i Tully 1998; Davis 2011; Kandel 2012). A Aplysia, aquests estudis van descobrir una gran quantitat d'informació sobre les vies moleculars i cel·lulars activades i reclutades per implementar modificacions a llarg termini de la força sinàptica o la plasticitat sinàptica a llarg termini. Aquestes dades van convergir amb els resultats genètics i de comportament obtinguts a Drosophila. Guiats per aquest coneixement d'aquests dos sistemes d'invertebrats, els estudis sobre paradigmes de memòria dels mamífers van revelar que les vies moleculars similars també són necessàries en els mamífers més complexos.memòria, incloent memòries dependents de l'hipocamp. En última instància, nombrosos estudis realitzats durant els darrers 30 anys sobre moltes espècies van convergir en la conclusió que els mecanismes biològics conservats evolutivament són la base de la plasticitat sinàptica a llarg termini i la formació de memòria a llarg termini (Alberini 2009; Kandel 2012; Kandel et al. 2014). Un exemple clàssic, que s'ha investigat àmpliament, és el paper conservat evolutivament de l'adenosina monofosfat cíclica (AMPc), una via dependent i l'activació enllaçada funcionalment de la proteïna d'unió a l'element de resposta de cAMP (CREB), una cascada dependent d'expressió gènica. Kida i Serita 2014; Lonze i Ginty 2002; Silva et al. 1998) (Figura 1).

S'han utilitzat nombrosos models de mamífers de diferents tipus de memòria a curt i llarg termini, especialment en rosegadors, per investigar la complexitat dels mamífers.memòriaprocessament en diverses regions del cervell. Aquests estudis van revelar que l'expressió i la regulació post-traduccional de moltes classes de gens, ARN i proteïnes són necessàries per a la formació i l'emmagatzematge de la memòria a llarg termini; aquests inclouen gens primerencs immediats (per exemple, c-Fos, Zif268, NPAS4 i Arc/Arg3.1) (Bramham et al. 2008; Guzowski 2002; Loebrich i Nedivi 2009; Sun i Lin 2016; Veyrac et al. 2014), receptors metabotròpics i ionotròpics

per a diversos neurotransmissors (per exemple, AMPA, NMDA, Kainate, GABA i receptors metabotròpics de glutamat) i neuromoduladors (p. ex., receptors dopaminèrgics i serotoninèrgics), factors neurotròfics (per exemple, receptor cinasa de tirosina) (Fanselow et al. 1994; Gonzalez-Burgos i Feria -Velasco 2008; Kandel 2001; Makkar et al. 2010; Morris 2013; Purcell i Carew 2003; Riedel 1996; Riedel et al. 2003), cinases (per exemple, ERK, CamKII, PKA, PKC, PKMζBe i MAPK) et al. 2002; Kandel 2012; Lisman et al. 2002; Mayford 2007; Pastalkova et al. 2006; Rahn et al. 2013), factors de transcripció (per exemple, CREB, C/EBP, NFkB, AP1, NPAS4, Zif268, NR4a). i SRF) (Alberini 2009; Alberini i Kandel 2014; Jones et al. 2001; Sun i Lin 2016), reguladors epigenètics (per exemple, MSK1, RSK2, NFkB, DNMT, HAT i HDAC) (Day i Sweatt 2011; de la Fuente et al 2015; Franklin i Mansuy 2010; Rudenko i Tsai 2014), microARN (p. ex., miR-124, miR{-132, miR-128b i miR{{33} }) (Bredy et al. 2011; Nudelman et al. 2010; Saab i Mansuy 2 014), i una sèrie de proteïnes efectores implicades en canvis estructurals, com ara molècules d'adhesió cel·lular (per exemple, neurexina i neuroligina) (Murase i Schuman 1999; Rosa 1996; Ye et al. 2017; Bailey et al. 2015) (Figura 1).

Aquestes investigacions moleculars han estat paral·leles a estudis electrofisiològics, que van demostrar que els mecanismes cel·lulars subjacents a llarg terminimemòriaimpliquen canvis funcionals sinàptics a llarg termini, i en particular augments o disminucions a llarg termini de la transmissió sinàptica coneguda com a potenciació a llarg termini (LTP) i depressió a llarg termini (LTD), respectivament (Bliss i Collingridge 1993; Malenka i Bear 2004). . Els canvis electrofisiològics addicionals al cervell que s'han implicat en la formació de la memòria a llarg termini inclouen la coherència de l'electroencefalograma (EEG), és a dir, la sincronització de fases d'oscil·lacions potencials de camp, que coordina el moment de l'encreuament neuronal per promoure la plasticitat sinàptica a través de les regions cerebrals distribuïdes (Corcoran et al. al. 2016; Zanto et al. 2011). En particular, aquesta comunicació a nivell de sistema entre les regions cerebrals està controlada per ondulacions d'ones agudes (SPW-Rs) (Buzsáki 2015), patró de població asíncron a l'hipocamp que s'entrecruta amb una àmplia àrea de l'escorça i diversos nuclis subcorticals. Els SPW-R es produeixen en estats "fora de línia" del cervell durant la vigília i en el son no REM i es creu que consoliden els records episòdics a tot el sistema cortical-hipocamp (Buzsáki 2015; Inostroza i Born 2013). Aquestes activitats a tot el sistema proporcionen una possible explicació mecanicista de per què els records dependents de l'hipocamp, que són fràgils durant el període inicial en què estan involucrant una xarxa de regions tant de l'hipocamp com de la cortical, es tornen més estables i exclusivament independents de l'hipocamp al llarg del temps. Aquesta redistribució de les representacions de memòria i l'emmagatzematge es coneix com a consolidació a nivell de sistema (Dudai et al. 2015; Squire et al. 2015; Frankland i Bontempi 2005).

Tot i que aquests estudis van aportar una gran quantitat d'informació sobre les bases biològiques de l'aprenentatge imemòria, es van centrar en els mecanismes neuronals i, en conseqüència, van generar conclusions majoritàriament limitades a neurones i funcions neuronals. Tanmateix, a més de les neurones, el cervell comprèn molts tipus de cèl·lules i sistemes, incloses les cèl·lules glials i vasculars.

sistemes. Investigacions recents han començat per avaluar el paper de les cèl·lules no neuronals a llarg terminimemòriai va proporcionar una evidència clara que tots els tipus de cèl·lules glials (és a dir, astròcits, oligodendròcits i microglia) tenen un paper crític en el processament de la memòria (Adamsky i Goshen 2017; Fields 2008; Gibbs et al. 2008; Lee et al. 2014; Moraga-Amaro et al. 2014; Moraga-Amaro et al. al. 2014; Parkhurst et al. 2013; Suzuki et al. 2011).

Els astròcits estan especialment ben equipats per influir en les funcions neuronals implicades en la formació de la memòria (Haydon i Nedergaard 2014; Moraga-Amaro et al. 2014): són excitables a través de les fluctuacions del calci i responen als neurotransmissors alliberats a les sinapsis; es sincronitzen mitjançant ones de calci i alliberen els seus propis gliotransmissors, essencials per a la plasticitat sinàptica; es comuniquen amb els vasos sanguinis acoblant així la circulació (flux sanguini) a l'activitat cerebral local; i finalment, regulen el metabolisme energètic en suport de les funcions neuronals, incloses les necessàriesmemòriaformació (Henneberger et al. 2010; Pannasch i Rouach 2013; Perea et al. 2009; Bazargani i Attwell 2016). Pel que fa a aquest paper metabòlic, els astròcits estan perfectament posicionats per equilibrar el metabolisme de la glucosa al cervell: d'una banda, els extrems astròcits contacten directament amb les capes del vas sanguini que importen glucosa de la sang mitjançant el transportador selectiu de glucosa GLUT1, i d'altra banda, aquestes cèl·lules estenen processos que envolten els compartiments pre i postsinàptics de les neurones (Falkowska et al. 2015; Morgello et al.

1995) (Figura 2).

En aquesta revisió, parlarem específicament de la contribució crítica dels astròcits, que actuen com a reguladors del metabolisme de la glucosa, amemòriaformació i emmagatzematge.

Els metabolismes del glicogen i la glucosa tenen un paper fonamentalmemòriaformació

Els estudis de Paul Gold i els seus col·legues van identificar la glucosa sistèmica com a intermediari de lamemòria-Efecte potenciador de la norepinefrina (Gold i Korol 2012). Els records codificats en estats d'excitació es recorden millor (és a dir, durant períodes més llargs i amb més detall), i és ben conegut que l'excitació regula l'alliberament d'adrenalina de les glàndules suprarenals. L'epinefrina s'uneix als receptors adrenèrgics (AR) als hepatòcits i inicia la descomposició del glicogen, un polímer de glucosa emmagatzemat al fetge (Sutherland i Rall 1960), donant lloc a l'alliberament de glucosa al torrent sanguini. Les injeccions sistèmiques de glucosa a dosis comparables a les que es troben a la sang després del tractament amb epinefrina són suficients per millorarmemòria, mentre que l'emmagatzematge baix de glicogen hepàtic, com en les rates privades d'aliments o envellides, s'associa amb una manca de millora de la memòria després del tractament amb epinefrina (Morris et al. 2010; Talley et al. 2000). Per contra, el bloqueig perifèric dels receptors adrenèrgics bloqueja la capacitat de l'adrenalina per millorarmemòriai augmentar la glucosa en sang. En conjunt, aquests estudis donen suport a la conclusió que un mecanisme important subjacent a les accions de l'epinefrina alliberada per excitació és l'augment de la glucosa en sang.

L'efecte de la glucosa com amemòriaS'ha observat un potenciador tant amb injeccions sistèmiques com intracerebrals, i s'ha relacionat amb la regulació de l'alliberament de norepinefrina o acetilcolina. Ragozzino i els seus col·legues van demostrar que les injeccions tant sistèmiques com intrahipocampals de glucosa, com les injeccions d'epinefrina, milloren l'alternança espontània, una forma de treball espacial.memòria, i augmentar l'alliberament d'acetilcolina a l'hipocamp (Ragozzino et al. 1998; Ragozzino et al. 1996).

La comprensió del paper de la glucosa en la modulació de la memòria es va avançar considerablement amb l'observació que quan les rates es posen a prova en una tasca d'alternança espontània, els nivells de glucosa extracel·lular a l'hipocamp disminueixen significativament. Per tant, es va suggerir que l'aprenentatge imemòriaconsumeix glucosa, presumiblement per donar suport a les demandes energètiques del cervell mentre processa la nova experiència i emmagatzema la informació important (McNay et al.

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

De fet, el cervell consumeix alts nivells d'energia: el cervell adult utilitza de mitjana al voltant del 20 per cent de l'energia corporal total, tot i que només representa el 2 per cent del pes corporal total. La glucosa, la principal font d'energia que entra al cervell des de la circulació, es pot metabolitzar directament o emmagatzemar-se en forma de glucogen. Al cervell madur, el glicogen s'emmagatzema principalment en astròcits (Brown et al. 2004; Brunet et al. 2010; Cali et al. 2016; Cataldo i Broadwell, 1986; Maxwell i Kruger 1965; Petersen 1969; Pfeiffer et al. Guglielmi; 2003; revisat a Waitt et al. 2017) i, en condicions d'alta demanda energètica, com ara la privació de glucosa o l'activitat neuronal intensa, es pot catabolitzar per lliurar ràpidament substrats metabòlics (és a dir, piruvat i lactat) (Brown i Ransom 2015). Tot i que les neurones posseeixen la maquinària enzimàtica per emmagatzemar i descompondre el glicogen, en condicions fisiològiques, suprimeixen l'emmagatzematge de glicogen mitjançant una sèrie de mecanismes. De fet, l'emmagatzematge de glucogen a les neurones només s'observa en malalties neurològiques greus com l'epilèpsia mioclònica progressiva o la malaltia de Lafora, un trastorn cerebral caracteritzat per convulsions recurrents (epilèpsia) i una disminució de la funció intel·lectual (Vilchez et al. 2007). Així, la glucosa, metabolitzada directament mitjançant la glucòlisi o subministrada per la glicogenòlisi astrocítica, pot alimentar les elevades demandes energètiques associades als canvis cel·lulars subjacents a l'aprenentatge.memòriaformació, imemòriaemmagatzematge.

Una pregunta llargament debatuda és si les neurones importen directament la glucosa que entra al cervell des de la sang i l'utilitzen immediatament per proporcionar l'energia necessària per donar suport a les seves funcions. Un model alternatiu, suggerit per Pellerin i Magistretti (Pellerin i Magistretti 1994), proposa que les elevades demandes energètiques de les neurones estimulades són suportades pels astròcits, que subministren a les neurones el lactat produït mitjançant la glucòlisi aeròbica, proporcionant així l'energia necessària per a l'activitat. funcions neuronals induïdes; per tant, en el cas de l'aprenentatge, pels canvis que comporta el processament i l'emmagatzematge de les memòries. També és possible que s'utilitzin tots dos mecanismes, potser com a resposta a condicions específiques.

El model proposat per Magistretti i Pellerin ha estat molt debatut. Aquests debats són complexos i probablement reflecteixen la complexitat de les regulacions metabòliques en diferents condicions. Donada la varietat d'aquestes condicions i sistemes, no podrem discutir els punts del debat en aquest manuscrit, per tant ens referim a diverses revisions que els informen (Chih et al., 2001; Chih i Roberts, 2003; Dienel i Hertz, 2001). ; Pellerin i Magistretti, 2003, 2012; Aubert et al., 2005; Dienel, 2010, 2017; DiNuzzo et al., 2010; Steinman et al. 2016). Tanmateix, discutirem la literatura important per a les troballes del paper del glicogen, la glucosa i el lactat en l'aprenentatge i la memòria, així com en la plasticitat cerebral.

Diversos estudis van informar que l'estimulació de les àrees del cervell augmenta la glicogenòlisi i la glicòlisi, així com la captació de glucosa, en els astròcits, d'acord amb la idea que el glicogen astrocític i el metabolisme de la glucosa són necessaris per mantenir els processos dependents de l'activitat. Per exemple, l'espectroscòpia de RMN, que permet mesurar el lactat invivo, va revelar una elevació del lactat a l'escorça visual humana durant l'estimulació fòtica fisiològica (Prichard et al. 1991), i les mesures basades en microsensors van revelar un augment de la concentració de lactat extracel·lular al dentat. gir de l'hipocamp de rata després de l'estimulació elèctrica de la via perforant (Hu i Wilson 1997). A més, l'estimulació dels bigotis a la rata desperta condueix a una ràpida degradació del glicogen a la capa IV de l'escorça somatosensorial (Swanson et al. 1992) i dóna lloc a un augment preferent de la captació de glucosa als astròcits en comparació amb les neurones de l'escorça somatosensorial invivo (Chuquet et al., 1992). al., 2010), tot i que cal entendre més detalls mecanicistes (Dienel i Cruz 2015). La posició física dels astròcits, entre el flux sanguini d'un costat i les neurones de l'altre, recolza encara més la idea que la regulació astròcítica del metabolisme de la glucosa subvenciona els requisits energètics de l'activitat, la plasticitat, l'aprenentatge i l'aprenentatge.memòriaformació.

D'acord amb aquesta visió, el perfil metabòlic dels astròcits i les neurones va revelar característiques diferents que indiquen que la glucòlisi es produeix principalment als astròcits. Per exemple, les neurones cultivades produeixen CO2 a un ritme molt més elevat que els astròcits, i els seus respectius perfils enzimàtics són coherents amb el predomini relatiu de la glucòlisi a les cèl·lules glials i l'oxidació a les neurones (Bélanger et al. 2011; Hamberger i Hydén 1963; Hydén i Lange). 1962). A més, els astròcits purificats amb FACS aïllats agudament presenten un perfil principalment glicolític (Lovatt et al. 2007; Zhang et al. 2014). Finalment, l'enzim 6-fosfofructo-2- quinasa/fructosa{-2,6-bisfosfatasa 3 (Pfkfb3), que promou la glucòlisi, és actiu als astròcits però està constantment sotmès a degradació proteasòmica en neurones (Bolaños et al. 2010; Herrero-Mendez et al. 2009), donant suport una vegada més a la idea que els astròcits són els llocs primaris de la glucòlisi. Així, una gran quantitat d'evidències convergeix en la conclusió que els astròcits són predominantment cèl·lules glicolítices, mentre que les neurones no, i en canvi presenten una alta activitat oxidativa.

La primera demostració que la glicòlisi astrocítica és fonamental per a l'aprenentatge i la memòria prové d'estudis realitzats per Leif Hertz, Marie Gibbs i col·legues, que van demostrar que la glicogenòlisi és necessària per a la formació de la memòria. Utilitzant l'entrenament per evitar el gust en un pollet d'un dia, van demostrar que la injecció intracranial d'un inhibidor de la glicogen fosforilasa, 1,4-Didesoxi-1,4-imino-d-arabinitol (DAB) , va deteriorar la memòria de manera dependent de la dosi i va concloure que la glicogenòlisi és un requisit crític per a llarg termini.memòriaemmagatzematge (Gibbs et al. 2006). D'acord amb aquesta conclusió, la degradació del glicogen al cervell augmenta significativament durant l'activació sensorial en rates (Cruz i Dienel 2002; Swanson et al. 1992), i estudis posteriors detallats a continuació van demostrar que el glicogen contribueix a diversos tipus de formació de memòria en rates i ratolins. A més de la glicogenòlisi, també pot ser necessària la glicòlisi aeròbicamemòriaformació, tal com van revelar experiments en què l'inhibidor de la glucòlisi 2-desoxiglucosa es va injectar al cervell de pollets d'1 dia durant l'entrenament, donant lloc a un deteriorament de la memòria a llarg termini (Gibbs et al. 2007). Així, diversos estudis han convergit en la conclusió que la glicogenòlisi i la glicòlisi aeròbica, que resulta en la producció de lactat, estan crítiques relacionades amb la formació de memòria. Això planteja diverses preguntes: com es produeix exactament aquesta regulació? Com s'acoblen funcionalment els astròcits a les neurones? Quins són els mecanismes objectiu que consumeixen alts nivells d'energia en l'aprenentatge i permeten que es produeixi la consolidació de la memòria?

La glicogenòlisi astrocítica, la glicòlisi aeròbica i el lactat són crítics a llarg termini.memòriaformació en diverses regions del cervell

Un model proposat per Pellerin i Magistretti (Pellerin i Magistretti 1994), conegut com a llançadora de lactat astròcits-neurones (ANLS), suggereix que la glucòlisi dels astròcits i l'oxidació neuronal tenen un paper coordinat en la formació de memòria a llarg termini mitjançant el transport de lactat. Aquest model prediu que l'excitació, i per tant l'alliberament de glutamat, estimula l'absorció de glutamat pels astròcits, que es converteix en glutamina (cicle glutamat-glutamina), mantenint finalment l'alliberament sinàptic de glutamat. Aquest cicle requereix energia dels astròcits, que per tant activarien la captació de glucosa de la sang i la metabolitzarien en lactat. El lactat, alliberat pels astròcits mitjançant transportadors de monocarboxilats (MCT), pot entrar en altres tipus de cèl·lules mitjançant transportadors similars, que operen sobre la base dels gradients de concentració de protons i monocarboxilats a través de la membrana plasmàtica (Halestrap 2013; Pierre i Pellerin 2005). Els MCT són transportadors de membrana plasmàtica lligats a protons que transporten molècules que contenen un grup carboxilat (d'aquí el terme monocarboxilats), com el lactat, el piruvat i els cossos cetònics, a través de les membranes plasmàtiques. MCT1 s'expressa en astròcits, ependimòcits, oligodendròcits i cèl·lules endotelials dels vasos sanguinis, mentre que MCT4 s'expressa selectivament pels astròcits i s'enriqueix als llocs sinàptics (Pierre i Pellerin 2005; Rinholm et al. 2011; Suzuki et al.). MCT2, en canvi, és expressat selectivament per neurones (Debernardi et al. 2003).

Així, el lactat, alliberat pels astròcits mitjançant MCT4 i MCT1, és transportat per MCT2 a les neurones, on es converteix en piruvat que es metabolitza posteriorment mitjançant la fosforilació oxidativa als mitocondris per produir 14-17 ATP per molècula de lactat (figura 2). Aquest subministrament de lactat dels astròcits a les neurones proporciona una explicació de com les neurones podrien gestionar els requeriments d'alta energia evocats pels processos actius en resposta als estímuls.

Els primers estudis que van descriure l'ANLS es van realitzar in vitro i es van plantejar preguntes sobre si aquests mecanismes es van produir invivo (Chih i Roberts 2003; Dienel i Cruz 2004; Gjedde et al. 2002). Tanmateix, els estudis de Hertz i Gibbs en el pollet descrit anteriorment van suggerir que la glucogenòlisi està implicada enmemòriaformació (per a una revisió vegeu Gibbs 2016). En aquests estudis, els pollets van ser exposats a dues perles, una vermella i una blava, i es van entrenar per evitar picotejar la perla vermella per associació amb un gust aversiu. Durant la prova de retenció, es va mesurar la relació entre el nombre de picades de perles vermelles i blaves, revelant un augment en l'evitació de picotejar perles vermelles; el canvi en la relació de discriminació era indicatiu de la memòria (Hertz et al. 1996). Els resultats inicials van mostrar que els nivells de glucogen al cervell anterior van disminuir 30 minuts després de l'aprenentatge, de manera concomitant amb una elevació del glutamat, cosa que suggereix la denovosíntesi del glutamat del glucogen per donar suport.memòriaconsolidació (Hertz et al. 2003; O'Dowd et al. 1994). Uns anys més tard, el mateix grup va demostrar que el DAB perjudica la memòria de l'aversió al gust en els pollets d'un dia quan s'infusió a la regió d'associació multimodal del prosencèfal, el mesopal·li medial intermedi (IMM), una regió cerebral necessària per a la consolidació de la memòria (Gibbs et al. 2006). ; Gibbs i Hertz 2008). Aleshores van trobar que la glutamina era suficient per rescatar la memòria i, per tant, van proposar que la glicogenòlisi era fonamental per a la llançadora de glutamat/glutamina, que també es pot veure afectada pel DAB. Un estudi posterior dels mateixos autors va demostrar que el L-lactat també és suficient per rescatar la memòria de l'aversió al gust dels pollets després del tractament amb un inhibidor de la glicogenòlisi (DAB) o la glucòlisi (2-desoxiglucosa) (Gibbs et al. 2007). A més, l'administració de D-lactat, la forma competitiva no biològicament activa de lactat, alteració de l'aversió al gust dels pollets.memòriaamb un retard de temps que va suggerir que estava inhibint el metabolisme del L-lactat i no la captació, el que va portar els autors a concloure que el metabolisme astrocític mitjançant la glicogenòlisi i el metabolisme del lactat és fonamental per a la formació de memòria (Gibbs i Hertz 2008). Aquestes troballes van donar suport a la idea que l'aprenentatge en el pollet neonatal es basa en la descomposició del glicogen per a la síntesi de glutamat als astròcits (Gibbs et al. 2007).

Tanmateix, una interpretació addicional és que el lactat produït per la glucogenòlisi es transporta a les neurones per al seu ús, contribuint així a donar suport a les modificacions neuronals crítiques per a la formació de la memòria. Vam provar aquesta hipòtesi en cervells de mamífers, centrant-nos específicament en si els mecanismes de glicogenòlisi, l'alliberament de lactat astrocític i el transport a les neurones estan implicats en la consolidació de la memòria, el procés que estabilitza una memòria inicialment fràgil de nova formació en una representació estable de llarga durada (Alberini 2009). , Dudai 2004).

Utilitzant rates adultes entrenades en una tasca d'evitació inhibitòria (IA), en què els animals aprenen a evitar un context prèviament emparellat amb un cop de peu (una resposta contextual a l'amenaça), vam demostrar que el lactat transportat dels astròcits a les neurones a l'hipocamp juga. un paper crític en la consolidació de la memòria a llarg termini (Suzuki et al. 2011). Concretament, vam trobar que la glicogenòlisi astrocítica de l'hipocamp és necessària per a la consolidació de la memòria, la potenciació a llarg termini de l'hipocamp invivo i els augments induïts per l'aprenentatge en els canvis macromoleculars sinàptics i cel·lulars, inclosa l'expressió de la proteïna associada al citoesquelet regulada per l'activitat del gen immediat (IEG). (Arc o Arg3.1) i la fosforilació del factor de transcripció CREB i de la cofilina proteïna que separa l'actina, tots ells marcadors de plasticitat sinàptica a llarg termini. De fet, la DAB injectada bilateralment a l'hipocamp dorsal abans o immediatament després de l'entrenament amb IA va alterar persistentment la retenció de memòria, i aquesta interrupció es va evitar mitjançant la co-injecció de L-lactat, però no concentracions equicalòriques de glucosa. A més, després de l'entrenament IA, la concentració extracel·lular de lactat a l'hipocamp, mesurada per invivomicrodiàlisi, va augmentar significativament i es va mantenir elevada durant més d'1 hora, tornant a la línia de base aproximadament 90 minuts després de l'entrenament. Aquest augment del lactat es va abolir completament mitjançant la injecció bilateral de DAB a l'hipocamp, cosa que suggereix que va ser el resultat de la glicogenòlisi astrocítica.

A més, vam trobar que la injecció a l'hipocamp de l'isòmer inactiu D-lactat abans de l'entrenament també bloqueja la retenció de memòria a llarg termini, cosa que suggereix que el metabolisme del lactat és fonamental per a la formació de memòria a llarg termini. Es van observar efectes similars sobre la retenció de memòria després de la derrota dels transportadors de lactat (MCT). Notablement, encara que els deterioraments de memòria induïts per la derrota dels transportadors de lactat expressats en astròcits (MCT1 i MCT4) es van rescatar mitjançant l'addició de L-lactat, el deteriorament induït per la derrota del transportador expressat en neurones (MCT2) no va ser coherent amb la idea que el transport de lactat fora dels astròcits i cap a les neurones és fonamental per a la formació de la memòria. D'acord amb aquesta interpretació, recentment s'ha observat un gradient de lactat entre astròcits i neurones i es va caracteritzar amb microscòpia de dos fotons d'alta resolució (Machler et al. 2016). Per tant, vam concloure que la glicogenòlisi i el transport de lactat d'astròcits-neurones donen suport de manera crítica a les funcions neuronals necessàries per a la formació de memòria a llarg termini. Una investigació més recent va donar suport encara més al paper del lactat astrocític en la formació de la memòria demostrant que l'entrenament amb IA indueix l'expressió hipocampal de molècules implicades en el transport neuronal astrocític, com ara els MCT i l'expressió de la lactat deshidrogenasa (LDH) A i B, els enzims que catalitzar la interconversió de lactat i piruvat (Tadi et al. 2015).

Newman et al van arribar a conclusions similars. (2011), que van emprar biosondes sensibles per mesurar els nivells de glucosa i lactat cerebrals a l'hipocamp de rates mentre es sotmetien a una tasca de memòria de treball espacial. Van trobar que, mentre que la glucosa extracel·lular va disminuir, els nivells de lactat van augmentar durant la realització de la tasca i les infusions intrahipocampals de L-lactat van millorar la memòria en aquesta tasca. A més, la inhibició farmacològica de la glicogenòlisi astrocítica amb DAB va deteriorar la memòria, i aquest deteriorament es va revertir amb L-lactat o glucosa, tots dos poden proporcionar lactat a les neurones en absència de glicogenòlisi. En aquest estudi, com en el nostre, el bloqueig dels MCT responsables de la captació de lactat a les neurones va alterar la memòria, i aquest deteriorament no es va revertir ni amb la glucosa ni amb el L-lactat, donant suport de nou a la idea que la captació de lactat per part de les neurones és necessària per donar suport a la formació de memòria. . Els autors van concloure, com vam fer nosaltres, que els astròcits regulen la formació de memòria controlant el subministrament de lactat per mantenir les funcions neuronals.

Estudis addicionals basats en enfocaments genètics donen suport a aquestes conclusions. Delgado-Garcia i els seus col·legues van trobar que l'eliminació de la glicogen sintasa al sistema nerviós dels ratolins perjudica tant la LTP de l'hipocamp com l'aprenentatge associatiu (Duran et al. 2013). A més, Boury-Jamot et al. (2016) i Zhang et al. (2016) van informar que la consolidació i reconsolidació del condicionament apetitiu mitjançant drogues d'abús (és a dir, la preferència de llocs condicionats per la cocaïna o l'autoadministració) també depenen de la glicogenòlisi i el transport direccional de lactat des dels astròcits a les neurones mitjançant MCT a l'amígdala basolateral. (BLA) de rates. A més, el lactat extracel·lular, mesurat per microdiàlisi invivo, s'eleva a la BLA després de l'entrenament i la recuperació d'IA (Sandusky et al. 2013).

D'acord amb els resultats d'aquests estudis, vam trobar que la glicogenòlisi de BLA és fonamental per a la formació de memòria IA, com ho demostra el fet que la injecció bilateral de DAB al BLA 15 minuts abans de l'entrenament amb IA va alterar de manera severa i persistent la retenció de memòria a les rates. Aquest deteriorament no va ser rescatat per un xoc recordatori lliurat en un context diferent, un protocol que restableix els records extingits (Inda et al. 2011), cosa que suggereix que bloquejar la glicogenòlisi a l'amígdala abans de l'entrenament altera el procés de consolidació. La coadministració de L-lactat amb DAB a l'amígdala va rescatar el deteriorament de la memòria, confirmant la importància dels papers de la glicogenòlisi i el lactat en diverses àrees del cervell per a la consolidació de la memòria IA (figura 3).

Les funcions diana alimentades pel metabolisme del lactat i/o de la glucosa encara són en gran part desconegudes. L'energia cerebral és necessària per donar suport als polsos elèctrics necessaris per a la comunicació neuronal i per a moltes activitats domèstiques, com ara la síntesi de proteïnes, el metabolisme dels fosfolípids, el cicle dels neurotransmissors i el transport d'ions a través de les membranes cel·lulars (Du et al. 2008). Tal com mostren els estudis descrits anteriorment, el metabolisme del lactat admet la formació de memòria a llarg termini i l'augment depenent de l'entrenament en l'expressió de diverses molècules relacionades amb l'activitat i la plasticitat, incloent Arc, cFos i Zif268 (Gao et al. 2016; Suzuki et al. 2011;

Yang et al. 2014). Aquests efectes depenen del receptor NMDA, la qual cosa implica que els canvis dependents del lactat estan relacionats amb l'activitat i/o la plasticitat (Yang et al. 2014). Invivo, el lactat és suficient per mantenir l'activitat neuronal (Wyss et al. 2011) i dades recents van demostrar que les elevacions intersticials de K més poden activar un canal a la membrana de l'astròcit a través del qual el lactat astròcit pot fluir a l'interstici, en paral·lel amb el transport establert per via. MCTs (Sotelo-Hitschfeld et al., 2015). Aquesta ruta d'alliberament de lactat astrocític s'acobla al potencial de membrana i permet l'alliberament de lactat contra un gradient de concentració, mentre que el MCT és electroneutre i el flux net es regeix per les concentracions transmembrana de H plus i lactat. A més, s'ha demostrat un mecanisme astrocític mitjançant adenilil ciclasa soluble sensible al bicarbonat que condueix a la degradació del glucogen, la glucòlisi millorada i l'alliberament de lactat a l'espai extracel·lular, que posteriorment és absorbit per les neurones per utilitzar-lo com a substrat energètic (Choi et al. .2012). En conjunt, aquests estudis donen suport a la conclusió que el lliurament de lactat per part dels astròcits a les neurones es pot regular de moltes maneres en resposta a l'activitat i es necessiten estudis per entendre si es produeixen mecanismes paral·lels o selectius en l'aprenentatge. No obstant això, es desprèn que el lactat és necessari per suportar no només l'homeòstasi de la membrana iònica després de la despolarització, sinó també moltes altres funcions neuronals necessàries per a modificacions a llarg termini associades a la formació i l'emmagatzematge de la memòria.