Teil 1: Astrozyten-Glykogen und Laktat: Neue Einblicke in Lern- und Gedächtnismechanismen

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

Zentrum für Neurowissenschaften, New York University, New York, NY, 10003

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Abstrakt

Erinnerung, die Fähigkeit, gelernte Informationen zu behalten, ist überlebensnotwendig. Bisher wurden molekulare und zelluläre Untersuchungen vonErinnerungBildung und Speicherung haben sich hauptsächlich auf neuronale Mechanismen konzentriert. Zusätzlich zu Neuronen umfasst das Gehirn jedoch andere Arten von Zellen und Systemen, einschließlich Glia und Gefäßsystem. Dementsprechend haben neuere experimentelle Arbeiten begonnen, Fragen zur Rolle nicht-neuronaler Zellen in zu stellenErinnerungFormation. Diese Studien belegen, dass alle Arten von Gliazellen (Astrozyten, Oligodendrozyten und Mikroglia) wichtige Beiträge zur Verarbeitung verschlüsselter Informationen und zur Speicherung von Erinnerungen leisten. In diesem Übersichtsartikel fassen wir aktuelle Erkenntnisse zur entscheidenden Rolle von Astrozyten als Energielieferanten für die langfristig notwendigen neuronalen Veränderungen zusammen und diskutieren sieErinnerungFormation. Wir konzentrieren uns auf drei Haupterkenntnisse: Erstens die Rolle des Glukosestoffwechsels und der lern- und aktivitätsabhängigen metabolischen Kopplung zwischen Astrozyten und Neuronen im Dienst der LangzeitforschungErinnerungFormation; zweitens die Rolle des astrozytären Glukosestoffwechsels bei der Erregung, einem Zustand, der zur Bildung sehr lang anhaltender und detaillierter Erinnerungen beiträgt; und schließlich werden wir angesichts des hohen Energiebedarfs des Gehirns während der frühen Entwicklung die mögliche Rolle des astrozytären und neuronalen Glukosestoffwechsels bei der Bildung von Erinnerungen im frühen Leben diskutieren. Abschließend schlagen wir zukünftige Richtungen vor und diskutieren die Auswirkungen dieser Ergebnisse auf die Gesundheit und Krankheit des Gehirns.

Schlüsselwörter

Glucose; Stoffwechsel; Glia; Glykolyse; Glykogenolyse; emotionale Erregung; Entwicklung

LangfristigErinnerungund seine zugrunde liegenden neuronenzentrischen biologischen Mechanismen ihrer zugrunde liegenden biologischen Mechanismen und Schaltkreise. Obwohl das Langzeitgedächtnis im Allgemeinen eine denovogene Expression erfordert, sind die Kurzzeitgedächtnisse auf posttranslationale Proteinmodifikationen angewiesen (Alberini 2009; Alberini und Kandel 2014; Squire und Dede 2015).

Erinnerungen können auch auf der Grundlage der Art der verschlüsselten und gespeicherten Informationen in verschiedene Kategorien eingeteilt werden. Zum Beispiel klassifiziert eine Hauptunterscheidung Erinnerungen als explizit (bei Menschen auch als deklarativ bekannt) oder implizit (nicht deklarativ) (Squire 2004). Explizite Erinnerungen speichern Informationen über Fakten, Personen, Orte und Dinge (auch bekannt als Erinnerungen an was, wo, wer und wann oder WWW-Erinnerungen) und schließen episodische und semantische Erinnerungen ein. Implizite Erinnerungen, die auf unbewusste/automatische Weise abgerufen werden, speichern Informationen über erlernte automatische Reaktionen und umfassen Priming, prozedurale Erinnerungen (Erinnerungen daran, wie man Dinge tut) und einfache Reflexe (Tulving 1972; Squire und Wixted 2011). Explizite und implizite Erinnerungen rekrutieren unterschiedliche Systeme (Netzwerk von Regionen) für ihre Kodierung, Konsolidierung und Speicherung. Sowohl klinische als auch tierexperimentelle Studien haben gezeigt, dass explizite Erinnerungen vom medialen Temporallappen verarbeitet werden, in dem eine kritische Region der Hippocampus ist, während implizite Erinnerungen anderswo verarbeitet werden und in Abwesenheit eines intakten expliziten Systems funktionieren können (Eichenbaum 2006; Kim et al Fanselow 1992; Scoville und Milner 1957; Squire und Wixted 2011). Explizite Erinnerungen werden daher auch als Hippocampus-abhängige Erinnerungen bezeichnet. Obwohl implizit und explizitErinnerungSysteme können funktional dissoziiert sein, unter normalen gesunden Bedingungen kooperieren sie, um komplexe Informationen zu verarbeiten und zu speichern (Kim und Baxter 2001; McDonald et al. 2004).

Studien, die darauf abzielen, die biologischen Grundlagen des Langzeitgedächtnisses aufzuklären, haben sich hauptsächlich auf Hippocampus-abhängige Erinnerungen konzentriert. Der größte Teil unseres Verständnisses liegt jedoch in den zugrunde liegenden zellulären und molekularen MechanismenErinnerungEntstehung und Speicherung ergaben sich zunächst aus Untersuchungen einfacher Lernformen, wie dem Kiemenrückzugsreflex bei Aplysia California und dem olfaktorischen Lernen bei Drosophila melanogaster (Yin et al. 1994; Dubnau und Tully 1998; Davis 2011; Kandel 2012). Bei Aplysia deckten diese Studien viele Informationen über die molekularen und zellulären Signalwege auf, die aktiviert und rekrutiert wurden, um langfristige Modifikationen der synaptischen Stärke oder langfristigen synaptischen Plastizität zu implementieren. Diese Daten konvergierten mit genetischen und verhaltensbezogenen Ergebnissen, die bei Drosophila erhalten wurden. Geleitet von diesem Wissen aus diesen beiden wirbellosen Systemen, zeigten Studien zu Säugetier-Gedächtnisparadigmen, dass ähnliche molekulare Signalwege auch bei den komplexeren Säugetieren notwendig sindErinnerung, einschließlich Hippocampus-abhängiger Erinnerungen. Letztendlich kamen zahlreiche Studien in den letzten 30 Jahren an vielen Arten zu dem Schluss, dass evolutionär konservierte biologische Mechanismen der langfristigen synaptischen Plastizität und der Bildung des Langzeitgedächtnisses zugrunde liegen (Alberini 2009; Kandel 2012; Kandel et al. 2014). Ein klassisches Beispiel, das ausführlich untersucht wurde, ist die evolutionär konservierte Rolle des zyklischen Adenosinmonophosphats (cAMP) – ein abhängiger Signalweg – und die funktionell verknüpfte Aktivierung des cAMP-Response-Element-bindenden Proteins (CREB) – eine abhängige Kaskade der Genexpression ( Kida und Serita 2014, Lonze und Ginty 2002, Silva et al. 1998) (Abbildung 1).

Zahlreiche Säugetiermodelle verschiedener Arten von Kurz- und Langzeitgedächtnis, insbesondere bei Nagetieren, wurden eingesetzt, um die Komplexität von Säugetieren zu untersuchenErinnerungVerarbeitung in verschiedenen Gehirnregionen. Diese Studien zeigten, dass die Expression und posttranslationale Regulation vieler Klassen von Genen, RNAs und Proteinen für die Bildung und Speicherung des Langzeitgedächtnisses erforderlich sind; dazu gehören unmittelbar frühe Gene (z. B. c-Fos, Zif268, NPAS4 und Arc/Arg3.1) (Bramham et al. 2008; Guzowski 2002; Loebrich und Nedivi 2009; Sun und Lin 2016; Veyrac et al. 2014), metabotrope und ionotrope Rezeptoren

für verschiedene Neurotransmitter (z. B. AMPA, NMDA, Kainate, GABA und metabotrope Glutamatrezeptoren) und Neuromodulatoren (z. B. dopaminerge und serotoninerge Rezeptoren), neurotrophe Faktoren (z. B. Tyrosinrezeptorkinase) (Fanselow et al. 1994; Gonzalez-Burgos und Feria -Velasco 2008; Kandel 2001; Makkar et al. 2010; Morris 2013; Purcell und Carew 2003; Riedel 1996; Riedel et al. 2003), Kinasen (z. B. ERK, CamKII, PKA, PKC, PKMζ und MAPK) (Bejar et al., 2002, Kandel, 2012, Lisman et al., 2002, Mayford, 2007, Pastalkova et al., 2006, Rahn et al., 2013), Transkriptionsfaktoren (z. B. CREB, C/EBP, NFkB, AP1, NPAS4, Zif268, NR4a). , und SRF) (Alberini 2009; Alberini und Kandel 2014; Jones et al. 2001; Sun und Lin 2016), epigenetische Regulatoren (z. B. MSK1, RSK2, NFkB, DNMT, HATs und HDACs) (Day und Sweatt 2011; de la Fuente et al. 2015; Franklin und Mansuy 2010; Rudenko und Tsai 2014), microRNAs (z. B. miR-124, miR{-132), miR-128b und miR{{33} }) (Bredy et al. 2011; Nudelman et al. 2010; Saab und Mansuy 2 014) und eine Reihe von Effektorproteinen, die an strukturellen Veränderungen beteiligt sind, wie z. B. Zelladhäsionsmoleküle (z. B. Neurexin und Neuroligin) (Murase und Schuman 1999; Rosa 1996; Ye et al. 2017; Baileyet al. 2015) (Abbildung 1).

Diese molekularen Untersuchungen wurden von elektrophysiologischen Studien begleitet, die zeigten, dass die zellulären Mechanismen langfristig zugrunde liegenErinnerungbeinhalten langfristige synaptische Funktionsänderungen und insbesondere langfristige Zunahmen oder Abnahmen der synaptischen Übertragung, die als Langzeitpotenzierung (LTP) bzw. Langzeitdepression (LTD) bekannt sind (Bliss und Collingridge 1993; Malenka und Bear 2004). . Zusätzliche elektrophysiologische Veränderungen im Gehirn, die mit der Bildung des Langzeitgedächtnisses in Verbindung gebracht wurden, umfassen die Kohärenz des Elektroenzephalogramms (EEG), dh die Phasensynchronisation von Feldpotentialoszillationen, die das Timing des neuronalen Spikings koordiniert, um die synaptische Plastizität über verteilte Gehirnregionen hinweg zu fördern (Corcoran et al. 2016; Zanto et al. 2011). Bemerkenswerterweise wird diese Kommunikation auf Systemebene zwischen Gehirnregionen durch Sharp Wave Ripples (SPW-Rs) (Buzsáki 2015) gesteuert, ein asynchrones Populationsmuster im Hippocampus, das mit einem weiten Bereich des Kortex und mehreren subkortikalen Kernen in Wechselwirkung tritt. SPW-Rs treten in „Offline“-Zuständen des Gehirns während des Wachzustands und im Nicht-REM-Schlaf auf und es wird angenommen, dass sie episodische Erinnerungen im Hippocampus-kortikalen System festigen (Buzsáki 2015; Inostroza und Born 2013). Diese systemweiten Aktivitäten liefern eine mögliche mechanistische Erklärung dafür, warum Hippocampus-abhängige Erinnerungen, die in der Anfangsphase zerbrechlich sind, wenn sie ein Netzwerk aus hippocampalen und kortikalen Regionen in Anspruch nehmen, mit der Zeit stabiler und ausschließlich Hippocampus-unabhängig werden. Diese Umverteilung von Speicherdarstellungen und -speicherung wird als Konsolidierung auf Systemebene bezeichnet (Dudai et al. 2015; Squire et al. 2015; Frankland und Bontempi 2005).

Obwohl diese Studien viele Informationen über die biologischen Grundlagen des Lernens lieferten undErinnerungkonzentrierten sie sich auf neuronale Mechanismen und generierten folglich Schlussfolgerungen, die sich meist auf Neuronen und neuronale Funktionen beschränkten. Zusätzlich zu Neuronen umfasst das Gehirn jedoch viele Arten von Zellen und Systemen, einschließlich Gliazellen und Gefäßen

Systeme. Jüngste Untersuchungen haben begonnen, die Rolle nicht-neuronaler Zellen langfristig zu bewertenErinnerungund lieferten klare Beweise dafür, dass alle Gliazelltypen (dh Astrozyten, Oligodendrozyten und Mikroglia) eine entscheidende Rolle bei der Verarbeitung im Gedächtnis spielen (Adamsky und Goshen 2017; Fields 2008; Gibbs et al. 2008; Lee et al. 2014; Moraga-Amaro et al. 2014; Parkhurst et al. 2013; Suzuki et al. 2011).

Astrozyten sind besonders gut gerüstet, um neuronale Funktionen zu beeinflussen, die an der Gedächtnisbildung beteiligt sind (Haydon und Nedergaard 2014; Moraga-Amaro et al. 2014): Sie sind durch Kalziumschwankungen erregbar und reagieren auf Neurotransmitter, die an Synapsen freigesetzt werden; sie synchronisieren sich über Kalziumwellen und setzen ihre eigenen Gliotransmitter frei, die für die synaptische Plastizität unerlässlich sind; sie kommunizieren mit Blutgefäßen und koppeln so den Kreislauf (Blutfluss) an die lokale Gehirnaktivität; und schließlich regulieren sie den Energiestoffwechsel zur Unterstützung neuronaler Funktionen, einschließlich der fürErinnerung(Henneberger et al. 2010; Pannasch und Rouach 2013; Perea et al. 2009; Bazargani und Attwell 2016). In Bezug auf diese metabolische Rolle sind Astrozyten perfekt positioniert, um den Glukosestoffwechsel im Gehirn auszugleichen: Auf der einen Seite stehen die Astrozyten-Endfüße in direktem Kontakt mit den Schichten der Blutgefäße, die über den selektiven Glukosetransporter GLUT1 Glukose aus dem Blut importieren, und auf der anderen Seite erweitern diese Zellen Prozesse, die sich um die prä- und postsynaptischen Kompartimente von Neuronen wickeln (Falkowska et al. 2015; Morgello et al.

1995) (Abbildung 2).

In dieser Übersicht werden wir speziell den entscheidenden Beitrag von Astrozyten diskutieren, die als Regulatoren des Glukosestoffwechsels fungierenErinnerungBildung und Speicherung.

Glykogen- und Glukosestoffwechsel spielen dabei eine entscheidende RolleErinnerungFormation

Studien von Paul Gold und Kollegen identifizierten systemische Glukose als Vermittler derErinnerung-verstärkende Wirkung von Noradrenalin (Gold und Korol 2012). Erinnerungen, die in Erregungszuständen kodiert sind, werden besser erinnert (dh für längere Zeiträume und mit mehr Details), und Erregung reguliert bekanntlich die Freisetzung von Epinephrin aus den Nebennieren. Epinephrin bindet adrenerge Rezeptoren (ARs) auf Hepatozyten und initiiert den Abbau von Glykogen, einem in der Leber gespeicherten Glukosepolymer (Sutherland und Rall 1960), was zur Freisetzung von Glukose in den Blutkreislauf führt. Systemische Glukose-Injektionen in Dosen, die mit denen vergleichbar sind, die im Blut nach einer Epinephrin-Behandlung gefunden werden, reichen aus, um die Wirkung zu steigernErinnerung, während eine niedrige Glykogenspeicherung in der Leber, wie bei Ratten mit Nahrungsmangel oder im Alter, mit einem Mangel an Gedächtnisverbesserung nach einer Adrenalinbehandlung verbunden ist (Morris et al. 2010; Talley et al. 2000). Umgekehrt blockiert die periphere Blockierung adrenerger Rezeptoren die Fähigkeit von Epinephrin zur VerstärkungErinnerungund den Blutzucker erhöhen. Insgesamt stützen diese Studien die Schlussfolgerung, dass ein Hauptmechanismus, der den Wirkungen von Epinephrin zugrunde liegt, das durch Erregung freigesetzt wird, der Anstieg des Blutzuckerspiegels ist.

Die Wirkung von Glukose als aErinnerungEnhancer wurde sowohl bei systemischen als auch bei intrazerebralen Injektionen beobachtet und wurde mit der Regulierung von entweder Norepinephrin- oder Acetylcholin-Freisetzung in Verbindung gebracht. Ragozzino und Kollegen zeigten, dass sowohl systemische als auch intrahippocampale Injektionen von Glukose, wie Injektionen von Epinephrin, den spontanen Wechsel, eine Form der räumlichen Arbeit, verbessernErinnerung, und erhöhen die Freisetzung von Acetylcholin im Hippocampus (Ragozzino et al. 1998; Ragozzino et al. 1996).

Das Verständnis der Rolle von Glukose bei der Gedächtnismodulation wurde durch die Beobachtung erheblich vorangebracht, dass, wenn Ratten bei einer spontanen Wechselaufgabe getestet werden, die Spiegel an extrazellulärer Glukose im Hippocampus signifikant abfallen. Daher wurde vorgeschlagen, dass Lernen undErinnerungGlukose verbrauchen, vermutlich um den Energiebedarf des Gehirns zu decken, während es die neue Erfahrung verarbeitet und die wichtigen Informationen speichert (McNay et al.

2000; McNayet al. 2001; McNay und Sherwin 2004).

Tatsächlich verbraucht das Gehirn viel Energie: Das erwachsene Gehirn verbraucht im Durchschnitt etwa 20 Prozent der gesamten Körperenergie, obwohl es nur 2 Prozent des gesamten Körpergewichts ausmacht. Glukose, die wichtigste Energiequelle, die aus dem Kreislauf in das Gehirn gelangt, kann entweder direkt verstoffwechselt oder in Form von Glykogen gespeichert werden. Im reifen Gehirn wird Glykogen hauptsächlich in Astrozyten gespeichert (Brown et al. 2004; Brunet et al. 2010; Cali et al. 2016; Cataldo und Broadwell, 1986; Maxwell und Kruger 1965; Petersen 1969; Pfeiffer-Guglielmi et al. 2003; überprüft in Waitt et al. 2017) und kann unter Bedingungen mit hohem Energiebedarf wie Glukoseentzug oder intensiver neuraler Aktivität katabolisiert werden, um schnell metabolische Substrate (dh Pyruvat und Laktat) zu liefern (Brown und Ransom 2015). Obwohl Neuronen die enzymatische Maschinerie besitzen, um Glykogen zu speichern und abzubauen, unterdrücken sie unter physiologischen Bedingungen die Glykogenspeicherung durch eine Reihe von Mechanismen. Tatsächlich wird eine Glykogenspeicherung in Neuronen nur bei schweren neurologischen Erkrankungen wie der progressiven Myoklonus-Epilepsie oder der Lafora-Krankheit beobachtet, einer Gehirnerkrankung, die durch wiederkehrende Anfälle (Epilepsie) und einen Rückgang der intellektuellen Funktion gekennzeichnet ist (Vilchez et al. 2007). Daher kann Glukose, die entweder direkt über Glykolyse metabolisiert oder durch astrozytische Glykogenolyse bereitgestellt wird, den hohen Energiebedarf antreiben, der mit den zellulären Veränderungen verbunden ist, die dem Lernen zugrunde liegen.ErinnerungBildung undErinnerungLagerung.

Eine lange diskutierte Frage ist, ob Neuronen Glukose, die aus dem Blut in das Gehirn gelangt, direkt importieren und sofort verwenden, um die Energie bereitzustellen, die zur Unterstützung ihrer Funktionen erforderlich ist. Ein alternatives Modell, vorgeschlagen von Pellerin und Magistretti (Pellerin und Magistretti 1994), schlägt vor, dass der hohe Energiebedarf stimulierter Neuronen durch Astrozyten unterstützt wird, die die Neuronen mit Laktat versorgen, das durch aerobe Glykolyse produziert wird, wodurch die für die Aktivität erforderliche Energie bereitgestellt wird. induzierte neuronale Funktionen; daher im Falle des Lernens für die Veränderungen, die mit der Verarbeitung und Speicherung von Erinnerungen einhergehen. Es ist auch möglich, dass beide Mechanismen genutzt werden, vielleicht als Reaktion auf spezifische Bedingungen.

Das von Magistretti und Pellerin vorgeschlagene Modell wurde heftig diskutiert. Diese Debatten sind komplex und spiegeln wahrscheinlich die Komplexität der Stoffwechselregulationen unter verschiedenen Bedingungen wider. Angesichts der Vielfalt dieser Bedingungen und Systeme können wir die Punkte der Debatte in diesem Manuskript nicht erörtern, daher verweisen wir auf mehrere Übersichtsartikel, die darüber berichten (Chih et al., 2001; Chih und Roberts, 2003; Dienel und Hertz, 2001 ; Pellerin und Magistretti, 2003, 2012; Aubert et al., 2005; Dienel, 2010, 2017; DiNuzzo et al., 2010; Steinman et al., 2016). Wir werden jedoch die Literatur diskutieren, die für die Ergebnisse der Rolle von Glykogen, Glukose und Laktat beim Lernen und Gedächtnis sowie bei der Plastizität des Gehirns wichtig ist.

Mehrere Studien berichteten, dass die Stimulation von Gehirnbereichen die Glykogenolyse und Glykolyse sowie die Glukoseaufnahme in Astrozyten erhöht, was mit der Idee übereinstimmt, dass der astrozytische Glykogen- und Glukosestoffwechsel benötigt wird, um aktivitätsabhängige Prozesse aufrechtzuerhalten. Beispielsweise zeigte die NMR-Spektroskopie, die eine In-vivo-Messung von Laktat ermöglicht, eine Erhöhung des Laktats im menschlichen visuellen Kortex während der physiologischen Lichtstimulation (Prichard et al. 1991), und mikrosensorbasierte Messungen zeigten eine Erhöhung der extrazellulären Laktatkonzentration im Dentat Gyrus des Hippocampus der Ratte nach elektrischer Stimulation der perforanten Bahn (Hu und Wilson 1997). Darüber hinaus führt die Whisker-Stimulation in der wachen Ratte zu einem schnellen Glykogenabbau in Schicht IV des somatosensorischen Kortex (Swanson et al. 1992) und führt zu einer bevorzugten Erhöhung der Glukoseaufnahme in Astrozyten im Vergleich zu Neuronen im somatosensorischen Kortex in vivo (Chuquet et al., 2010), obwohl weitere mechanistische Details verstanden werden müssen (Dienel und Cruz 2015). Die physische Position der Astrozyten zwischen dem Blutfluss auf der einen Seite und den Neuronen auf der anderen Seite stützt weiter die Idee, dass die astrozytäre Regulierung des Glukosestoffwechsels den Energiebedarf für Aktivität, Plastizität, Lernen und mehr subventioniertErinnerungFormation.

In Übereinstimmung mit dieser Ansicht zeigte die metabolische Profilerstellung von Astrozyten und Neuronen unterschiedliche Merkmale, die darauf hindeuten, dass die Glykolyse hauptsächlich in Astrozyten stattfindet. Beispielsweise produzieren kultivierte Neuronen CO2 mit einer viel höheren Rate als Astrozyten, und ihre jeweiligen enzymatischen Profile stimmen mit der relativen Dominanz der Glykolyse in Gliazellen und der Oxidation in Neuronen überein (Bélanger et al. 2011; Hamberger und Hydén 1963; Hydén und Lange 1962). Darüber hinaus weisen akut isolierte, FACS-gereinigte Astrozyten ein primär glykolytisches Profil auf (Lovatt et al. 2007; Zhang et al. 2014). Schließlich ist das Enzym 6-Phosphofructo-2--Kinase/Fructose-2,6-Bisphosphatase 3 (Pfkfb3), das die Glykolyse fördert, in Astrozyten aktiv, aber ständig einem proteasomalen Abbau unterworfen Neuronen (Bolaños et al. 2010; Herrero-Mendez et al. 2009), was wiederum die Idee unterstützt, dass Astrozyten die primären Orte der Glykolyse sind. Daher konvergiert eine Vielzahl von Beweisen zu der Schlussfolgerung, dass Astrozyten überwiegend glykolytische Zellen sind, während Neuronen dies nicht sind und stattdessen eine hohe oxidative Aktivität aufweisen.

Die erste Demonstration, dass die astrozytäre Glykolyse für das Lernen und das Gedächtnis entscheidend ist, stammt aus Studien von Leif Hertz, Marie Gibbs und Kollegen, die zeigten, dass die Glykogenolyse für die Gedächtnisbildung notwendig ist. Mit einem Geschmacksvermeidungstraining bei einem Eintagsküken zeigten sie, dass die intrakranielle Injektion eines Inhibitors der Glykogenphosphorylase, 1,4-Dideoxy-1,4-imino-d-arabinitol (DAB) , beeinträchtigte das Gedächtnis in dosisabhängiger Weise und kam zu dem Schluss, dass die Glykogenolyse eine entscheidende Voraussetzung für eine langfristige Behandlung istErinnerungLagerung (Gibbs et al. 2006). In Übereinstimmung mit dieser Schlussfolgerung nimmt der Abbau von Glykogen im Gehirn während der sensorischen Aktivierung bei Ratten signifikant zu (Cruz und Dienel 2002; Swanson et al. 1992). Mäuse. Neben der Glykogenolyse kann auch eine aerobe Glykolyse erforderlich seinErinnerungwie Experimente zeigten, in denen der Glykolyse-Hemmer 2-Deoxyglucose in das Gehirn von 1 Tag alten Küken beim Training injiziert wurde, was zu einer Beeinträchtigung des Langzeitgedächtnisses führte (Gibbs et al. 2007). Daher kamen mehrere Studien zu dem Schluss, dass Glykogenolyse und aerobe Glykolyse, die zur Produktion von Laktat führen, kritisch mit der Gedächtnisbildung verbunden sind. Dies wirft mehrere Fragen auf: Wie genau kommt diese Regulierung zustande? Wie sind Astrozyten funktionell an Neuronen gekoppelt? Was sind die Zielmechanismen, die beim Lernen viel Energie verbrauchen und eine Gedächtniskonsolidierung ermöglichen?

Astrozyten-Glykogenolyse, aerobe Glykolyse und Laktat sind langfristig kritischErinnerungBildung in mehreren Hirnregionen

Ein von Pellerin und Magistretti (Pellerin und Magistretti 1994) vorgeschlagenes Modell, das als Astrozyten-Neuron-Laktat-Shuttle (ANLS) bekannt ist, legt nahe, dass Astrozyten-Glykolyse und neuronale Oxidation koordinierte Rollen bei der Bildung des Langzeitgedächtnisses über den Transport von Laktat spielen. Dieses Modell sagt voraus, dass die Erregung und damit die Glutamatfreisetzung die Aufnahme von Glutamat durch Astrozyten stimuliert, das in Glutamin umgewandelt wird (Glutamat-Glutamin-Zyklus) und schließlich die synaptische Freisetzung von Glutamat aufrechterhält. Dieser Zyklus benötigt Energie von Astrozyten, die daher die Glukoseaufnahme aus dem Blut aktivieren und zu Laktat umwandeln würden. Laktat, das von Astrozyten über Monocarboxylat-Transporter (MCTs) freigesetzt wird, kann mit ähnlichen Transportern, die auf der Grundlage von Konzentrationsgradienten von Protonen und Monocarboxylat über die Plasmamembran arbeiten, in andere Zelltypen gelangen (Halestrap 2013; Pierre und Pellerin 2005). MCTs sind protonengebundene Plasmamembrantransporter, die Moleküle, die eine Carboxylatgruppe enthalten (daher der Begriff Monocarboxylate), wie Laktat-, Pyruvat- und Ketonkörper, durch Plasmamembranen transportieren. MCT1 wird in Astrozyten, Ependymozyten, Oligodendrozyten und Endothelzellen von Blutgefäßen exprimiert, während MCT4 selektiv von Astrozyten exprimiert und an synaptischen Stellen angereichert wird (Pierre und Pellerin 2005; Rinholm et al. 2011; Suzuki et al. 2011). MCT2 hingegen wird selektiv von Neuronen exprimiert (Debernardi et al. 2003).

So wird Laktat, das von Astrozyten über MCT4 und MCT1 freigesetzt wird, von MCT2 in Neuronen transportiert, wo es in Pyruvat umgewandelt wird, das anschließend durch oxidative Phosphorylierung in Mitochondrien metabolisiert wird, um 14–17 ATPs pro Laktatmolekül zu produzieren (Abbildung 2). Diese Laktatzufuhr von Astrozyten zu Neuronen liefert eine Erklärung dafür, wie Neuronen mit dem hohen Energiebedarf umgehen könnten, der durch aktive Prozesse als Reaktion auf Reize hervorgerufen wird.

Die ersten Studien, die das ANLS beschrieben, wurden in vitro durchgeführt, und es wurden Fragen aufgeworfen, ob diese Mechanismen in vivo auftraten (Chih und Roberts 2003; Dienel und Cruz 2004; Gjedde et al. 2002). Studien von Hertz und Gibbs bei dem oben beschriebenen Küken deuteten jedoch darauf hin, dass die Glykogenolyse daran beteiligt istErinnerungFormation (zur Übersicht siehe Gibbs 2016). In diesen Studien wurden die Küken zwei Perlen ausgesetzt, einer roten und einer blauen, und darauf trainiert, das Picken der roten Perle in Verbindung mit einem aversiven Geschmack zu vermeiden. Während des Retentionstests wurde das Verhältnis zwischen der Anzahl der Picks von roten und blauen Perlen gemessen, was eine Zunahme der Vermeidung des Pickens von roten Perlen zeigte; die Änderung des Diskriminationsverhältnisses war ein Hinweis auf das Gedächtnis (Hertz et al. 1996). Die ersten Ergebnisse zeigten, dass die Glykogenspiegel im Vorderhirn 30 Minuten nach dem Lernen abnahmen, einhergehend mit einer Erhöhung von Glutamat, was darauf hindeutet, dass die Denovosynthese von Glutamat aus Glykogen unterstützt wirdErinnerungKonsolidierung (Hertz et al. 2003; O'Dowd et al. 1994). Ein paar Jahre später zeigte dieselbe Gruppe, dass DAB das Geschmacksaversionsgedächtnis bei Eintagsküken beeinträchtigt, wenn es in die multimodale Assoziationsregion des Vorderhirns, das intermediäre mediale Mesopallium (IMM), eine Gehirnregion, die für die Gedächtniskonsolidierung erforderlich ist, infundiert wird (Gibbs et al. 2006 ; Gibbs und Hertz 2008). Sie fanden dann heraus, dass Glutamin ausreichte, um das Gedächtnis zu retten, und schlugen daher vor, dass die Glykogenolyse für das Glutamat/Glutamin-Shuttle entscheidend sei, das auch durch DAB beeinflusst werden könnte. Eine spätere Studie derselben Autoren zeigte, dass L-Lactat auch ausreicht, um das Geschmacksaversionsgedächtnis von Küken nach einer Behandlung mit einem Inhibitor der Glykogenolyse (DAB) oder der Glykolyse (2-Desoxyglucose) zu retten (Gibbs et al. 2007). Darüber hinaus beeinträchtigte die Verabreichung von D-Lactat, der kompetitiven, biologisch nicht aktiven Form von Lactat, die Abneigung gegen KükengeschmackErinnerungmit einer Zeitverzögerung, die darauf hindeutete, dass es den L-Laktat-Stoffwechsel und nicht die Aufnahme hemmte, was die Autoren zu dem Schluss veranlasste, dass der Astrozytenstoffwechsel durch Glykogenolyse und der Laktatstoffwechsel entscheidend für die Gedächtnisbildung ist (Gibbs und Hertz 2008). Diese Ergebnisse unterstützten die Idee, dass das Lernen bei neugeborenen Küken auf dem Abbau von Glykogen für die Glutamatsynthese in Astrozyten beruht (Gibbs et al. 2007).

Eine zusätzliche Interpretation ist jedoch, dass durch Glykogenolyse produziertes Laktat in Neuronen für deren Verwendung transportiert wird und somit dazu beiträgt, neuronale Modifikationen zu unterstützen, die für die Gedächtnisbildung entscheidend sind. Wir testeten diese Hypothese in vivo in Gehirnen von Säugetieren und konzentrierten uns speziell darauf, ob Mechanismen der Glykogenolyse, der astrozytären Laktatfreisetzung und des Transports in Neuronen an der Gedächtniskonsolidierung beteiligt sind, dem Prozess, der ein neu gebildetes, anfänglich fragiles Gedächtnis in eine lang anhaltende stabile Repräsentation stabilisiert (Alberini 2009 , Dudai 2004).

An erwachsenen Ratten, die in einer inhibitorischen Vermeidungsaufgabe (IA) trainiert wurden, bei der die Tiere lernen, einen Kontext zu vermeiden, der zuvor mit einem Fußschock (einer kontextuellen Reaktion auf eine Bedrohung) verbunden war, haben wir gezeigt, dass Laktat, das von Astrozyten zu Neuronen im Hippocampus transportiert wird, spielt eine entscheidende Rolle bei der Konsolidierung des Langzeitgedächtnisses (Suzuki et al. 2011). Insbesondere fanden wir heraus, dass die astrozytische Glykogenolyse des Hippocampus für die Gedächtniskonsolidierung, die Langzeitpotenzierung des Hippocampus in vivo und die lerninduzierte Zunahme synaptischer und zellulärer makromolekularer Veränderungen, einschließlich der Expression des durch die Aktivität des unmittelbaren frühen Gens (IEG) regulierten Zytoskelett-assoziierten Proteins, erforderlich ist (Arc oder Arg3.1) und Phosphorylierung des Transkriptionsfaktors CREB und des Aktin-trennenden Proteins Cofilin, die alle Marker für langfristige synaptische Plastizität sind. Tatsächlich störte DAB, das vor oder unmittelbar nach dem IA-Training bilateral in den dorsalen Hippocampus injiziert wurde, die Gedächtniserhaltung nachhaltig, und diese Störung wurde durch die Co-Injektion von L-Lactat, aber nicht durch äquikalorische Konzentrationen von Glucose verhindert. Darüber hinaus stieg nach dem IA-Training die extrazelluläre Laktatkonzentration im Hippocampus, gemessen durch Invivomikrodialyse, signifikant an und blieb für mehr als 1 Stunde erhöht, um etwa 90 Minuten nach dem Training auf die Grundlinie zurückzukehren. Dieser Laktatanstieg wurde durch bilaterale DAB-Injektion in den Hippocampus vollständig aufgehoben, was darauf hindeutet, dass er das Ergebnis einer astrozytären Glykogenolyse war.

Darüber hinaus fanden wir heraus, dass die Hippocampus-Injektion des inaktiven Isomers D-Laktat vor dem Training auch die Beibehaltung des Langzeitgedächtnisses blockiert, was darauf hindeutet, dass der Laktatstoffwechsel entscheidend für die Bildung des Langzeitgedächtnisses ist. Ähnliche Wirkungen auf die Gedächtnisleistung wurden nach dem Knockdown der Laktattransporter (MCTs) beobachtet. Obwohl die durch den Knockdown von in Astrozyten exprimierten Laktattransportern (MCT1 und MCT4) induzierten Gedächtnisstörungen durch die Zugabe von L-Lactat gerettet wurden, war die durch den Knockdown des in Neuronen exprimierten Transporters (MCT2) induzierte Beeinträchtigung bemerkenswerterweise nicht konsistent mit die Vorstellung, dass der Transport von Laktat aus Astrozyten in Neuronen entscheidend für die Gedächtnisbildung ist. In Übereinstimmung mit dieser Interpretation wurde kürzlich ein Laktatgradient zwischen Astrozyten und Neuronen beobachtet und mit hoher Auflösung in der Zwei-Photonen-Mikroskopie charakterisiert (Machler et al. 2016). Daher kamen wir zu dem Schluss, dass die Glykogenolyse und der Astrozyten-Neuron-Laktattransport die neuronalen Funktionen, die für die Bildung des Langzeitgedächtnisses erforderlich sind, entscheidend unterstützen. Eine neuere Untersuchung unterstützte die Rolle von astrozytischem Laktat bei der Gedächtnisbildung weiter, indem sie zeigte, dass IA-Training die hippocampale Expression von Molekülen induziert, die am astrozytisch-neuronalen Transport beteiligt sind, wie MCTs und die Expression von Laktatdehydrogenase (LDH) A und B, den Enzymen, die katalysieren die Umwandlung von Laktat und Pyruvat (Tadi et al. 2015).

Zu ähnlichen Schlussfolgerungen kamen Newman et al. (2011), die empfindliche Biosonden einsetzten, um den Glukose- und Laktatspiegel im Gehirn von Ratten zu messen, während sie sich einer räumlichen Arbeitsgedächtnisaufgabe unterzogen. Sie fanden heraus, dass, während die extrazelluläre Glukose abnahm, die Laktatspiegel während der Ausführung der Aufgabe anstiegen und intrahippocampale Infusionen von L-Laktat das Gedächtnis bei dieser Aufgabe verbesserten. Darüber hinaus beeinträchtigte die pharmakologische Hemmung der astrozytären Glykogenolyse mit DAB das Gedächtnis, und diese Beeinträchtigung wurde entweder durch L-Lactat oder Glucose rückgängig gemacht, die beide Laktat für Neuronen in Abwesenheit von Glykogenolyse bereitstellen können. In dieser wie auch in unserer Studie beeinträchtigte die Blockade der MCTs, die für die Laktataufnahme in Neuronen verantwortlich sind, das Gedächtnis, und diese Beeinträchtigung wurde weder durch Glukose noch durch L-Laktat rückgängig gemacht, was wiederum die Idee stützt, dass die Laktataufnahme durch Neuronen notwendig ist, um die Gedächtnisbildung zu unterstützen . Die Autoren kamen wie wir zu dem Schluss, dass Astrozyten die Gedächtnisbildung regulieren, indem sie die Bereitstellung von Laktat steuern, um neuronale Funktionen aufrechtzuerhalten.

Zusätzliche Studien, die auf genetischen Ansätzen basieren, stützen diese Schlussfolgerungen. Delgado-Garcia und Kollegen fanden heraus, dass ein Knockout der Glykogensynthase im Nervensystem von Mäusen sowohl die hippocampale LTP als auch das assoziative Lernen beeinträchtigt (Duran et al. 2013). Darüber hinaus haben Boury-Jamot et al. (2016) und Zhang et al. (2016) berichteten, dass die Konsolidierung und Rekonsolidierung der appetitlichen Konditionierung durch Missbrauchsdrogen (d. h. kokainbedingte Platzpräferenz oder Selbstverabreichung) auch von der Glykogenolyse und dem gerichteten Transport von Laktat von Astrozyten zu Neuronen über MCTs in der basolateralen Amygdala abhängig sind (BLA) von Ratten. Darüber hinaus ist das extrazelluläre Laktat, gemessen durch In-vivo-Mikrodialyse, in der BLA nach IA-Training und -Abruf erhöht (Sandusky et al. 2013).

In Übereinstimmung mit den Ergebnissen dieser Studien stellten wir fest, dass die BLA-Glykogenolyse entscheidend für die IA-Gedächtnisbildung ist, wie die Tatsache zeigt, dass die bilaterale Injektion von DAB in die BLA 15 Minuten vor dem IA-Training die Gedächtniserhaltung bei Ratten ernsthaft und anhaltend störte. Diese Beeinträchtigung wurde nicht durch einen Erinnerungsschock behoben, der in einem anderen Kontext verabreicht wurde, einem Protokoll, das gelöschte Erinnerungen wiederherstellt (Inda et al. 2011), was darauf hindeutet, dass das Blockieren der Glykogenolyse in der Amygdala vor dem Training den Konsolidierungsprozess stört. Die gleichzeitige Verabreichung von L-Laktat mit DAB in die Amygdala rettete die Gedächtnisstörung und bestätigte die Bedeutung der Rolle von Glykogenolyse und Laktat in verschiedenen Gehirnbereichen für die IA-Gedächtniskonsolidierung (Abbildung 3).

Die vom Laktat- und/oder Glukosestoffwechsel angetriebenen Zielfunktionen sind noch weitgehend unbekannt. Gehirnenergie wird benötigt, um die elektrischen Impulse zu unterstützen, die für die neuronale Kommunikation und für viele Haushaltsaktivitäten erforderlich sind, einschließlich der Proteinsynthese, des Phospholipidstoffwechsels, des Neurotransmitterzyklus und des Transports von Ionen durch Zellmembranen (Du et al. 2008). Wie die oben beschriebenen Studien zeigen, unterstützt der Laktatstoffwechsel die Bildung des Langzeitgedächtnisses und die trainingsabhängige Zunahme der Expression mehrerer Moleküle, die mit Aktivität und Plastizität in Verbindung stehen, darunter Arc, cFos und Zif268 (Gao et al. 2016; Suzuki et al 2011;

Yanget al. 2014). Diese Wirkungen sind vom NMDA-Rezeptor abhängig, was bedeutet, dass laktatabhängige Veränderungen mit Aktivität und/oder Plastizität zusammenhängen (Yang et al. 2014). In vivo ist Laktat ausreichend, um die neuronale Aktivität aufrechtzuerhalten (Wyss et al. 2011) und neuere Daten zeigten, dass interstitielle K-plus-Erhöhungen einen Kanal auf der Astrozytenmembran aktivieren können, durch den astrozytisches Laktat parallel zum etablierten Transport via in das Interstitium fließen kann MCTs (Sotelo-Hitschfeld et al., 2015). Dieser Weg zur astrozytischen Laktatfreisetzung ist an das Membranpotential gekoppelt und ermöglicht die Laktatfreisetzung gegen einen Konzentrationsgradienten, während MCT elektroneutral ist und der Nettofluss von den Transmembrankonzentrationen von H plus und Laktat bestimmt wird. Darüber hinaus wurde ein astrozytischer Mechanismus über Bicarbonat-responsive lösliche Adenylylcyclase nachgewiesen, der zu Glykogenabbau, verstärkter Glykolyse und der Freisetzung von Laktat in den extrazellulären Raum führt, das anschließend von Neuronen zur Verwendung als Energiesubstrat aufgenommen wird (Choi et al . 2012). Insgesamt stützen diese Studien die Schlussfolgerung, dass die Laktatabgabe von Astrozyten an Neuronen in Reaktion auf Aktivität auf viele Arten reguliert werden kann und dass Studien erforderlich sind, um zu verstehen, ob beim Lernen parallele oder selektive Mechanismen auftreten. Dennoch zeigt sich, dass Laktat nicht nur zur Unterstützung der Ionenmembran-Homöostase nach der Depolarisation benötigt wird, sondern auch für zahlreiche andere neuronale Funktionen, die für langfristige Modifikationen im Zusammenhang mit der Gedächtnisbildung und -speicherung erforderlich sind.