Rhan 1: Glycogen Astrocyte A Lactate: Mewnwelediadau Newydd I Fecanweithiau Dysgu A Chof

am ragor o wybodaeth:ali.ma@wecistanche.com

Pls cliciwch yma i Rhan 2

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

Canolfan Gwyddoniaeth Niwral, Prifysgol Efrog Newydd, Efrog Newydd, NY, 10003

Cliciwch iCistanches a cistanche er cof

Haniaethol

Cof, y gallu i gadw gwybodaeth ddysgedig, yn angenrheidiol ar gyfer goroesi. Hyd yn hyn, mae ymchwiliadau moleciwlaidd a cellog ocofmae ffurfio a storio wedi canolbwyntio'n bennaf ar fecanweithiau niwronaidd. Yn ogystal â niwronau, fodd bynnag, mae'r ymennydd yn cynnwys mathau eraill o gelloedd a systemau, gan gynnwys glia a fasgwleidd. Yn unol â hynny, mae gwaith arbrofol diweddar wedi dechrau i ofyn cwestiynau am rolau celloedd nad ydynt yn niwronaucofffurfiad. Mae'r astudiaethau hyn yn darparu tystiolaeth bod pob math o gelloedd glial (astrocytes, oligodendrocytes, a microglia) yn gwneud cyfraniadau pwysig at brosesu gwybodaeth wedi'i hamgodio a storio atgofion. Yn yr adolygiad hwn, rydym yn crynhoi ac yn trafod canfyddiadau diweddar ar rôl hanfodol astrocytes fel darparwyr ynni ar gyfer y newidiadau niwronol hirdymor sy'n angenrheidiol ar gyfer y tymor hir.cofffurfiad. Rydym yn canolbwyntio ar dri phrif ganfyddiad: yn gyntaf, rôl metaboledd glwcos a'r cyplu metabolaidd sy'n dibynnu ar ddysgu a gweithgaredd rhwng astrocytes a niwronau yn y gwasanaeth tymor hircofffurfio; yn ail, rôl metaboledd glwcos astrocytig mewn cyffro, cyflwr sy'n cyfrannu at ffurfio atgofion hir-barhaol a manwl iawn; ac yn olaf, yng ngoleuni gofynion ynni uchel yr ymennydd yn ystod datblygiad cynnar, byddwn yn trafod rôl bosibl metaboleddau glwcos astrocytig a niwronaidd wrth ffurfio atgofion bywyd cynnar. Terfynwn drwy gynnig cyfeiriadau at y dyfodol a thrafod goblygiadau’r canfyddiadau hyn ar gyfer iechyd yr ymennydd a chlefydau.

Geiriau allweddol

glwcos; metaboledd; glia; glycolysis; glycogenolysis; cyffro emosiynol; datblygiad

Hirdymorcofa'i fecanweithiau biolegol niwron-ganolog sylfaenol o'u mecanweithiau biolegol a chylchedau gwaelodol. Er bod atgofion tymor hir yn gyffredinol yn gofyn am fynegiant denovogene, mae atgofion tymor byr yn dibynnu ar addasiadau protein ôl-gyfieithu (Alberini 2009; Alberini and Kandel 2014; Squire and Dede 2015).

Gellir rhannu atgofion hefyd yn gategorïau gwahanol ar sail y math o wybodaeth sy'n cael ei hamgodio a'i storio. Er enghraifft, mae un prif wahaniaeth yn dosbarthu atgofion fel rhai amlwg (a elwir hefyd yn ddatganiadol mewn bodau dynol) neu ymhlyg (anddatganol) (Squire 2004). Mae atgofion eglur yn cadw gwybodaeth am ffeithiau, pobl, lleoedd, a phethau (a elwir hefyd yn atgofion o beth, ble, pwy, a phryd, neu atgofion www), ac yn cynnwys atgofion episodig a semantig. Mae atgofion ymhlyg, sy’n cael eu cofio mewn modd anymwybodol/awtomatig, yn cadw gwybodaeth am ymatebion awtomatig a ddysgwyd, ac yn cynnwys preimio, atgofion gweithdrefnol (atgofion o sut i wneud pethau), ac atgyrchau syml (Tulving 1972; Squire a Wixted 2011). Mae atgofion eglur ac ymhlyg yn recriwtio systemau gwahanol (rhwydwaith o ranbarthau) ar gyfer eu hamgodio, eu cydgrynhoi a'u storio. Mae astudiaethau clinigol ac anifeiliaid ill dau wedi datgelu bod atgofion penodol yn cael eu prosesu gan y llabed amserol ganolig, ac o fewn yr hwn un rhanbarth hollbwysig yw'r hippocampus, tra bod atgofion ymhlyg yn cael eu prosesu mewn mannau eraill a gallant weithredu yn absenoldeb system benodol gyflawn (Eichenbaum 2006; Kim a Fanselow 1992; Scoville a Milner 1957; Squire a Wixted 2011). Felly, cyfeirir at atgofion penodol hefyd fel atgofion dibynnol ar hippocampus. Er ei fod yn ymhlyg ac yn eglurcofgall systemau fod yn swyddogaethol ddatgysylltu, o dan amodau iach arferol maent yn cydweithredu i brosesu a storio gwybodaeth gymhleth (Kim a Baxter 2001; McDonald et al. 2004).

Mae astudiaethau sydd â'r nod o egluro seiliau biolegol atgofion hirdymor wedi canolbwyntio'n bennaf ar atgofion sy'n dibynnu ar hippocampus. Fodd bynnag, mae'r rhan fwyaf o'n dealltwriaeth o'r mecanweithiau cellog a moleciwlaidd sy'n sail iddyntcofdeilliodd ffurfio a storio i ddechrau o ymchwiliadau i ffurfiau syml o ddysgu, megis atgyrch tagell tynnu'n ôl Aplysia California a dysgu arogleuol yn Drosophila melanogaster (Yin et al. 1994; Dubnau a Tully 1998; Davis 2011; Kandel 2012). Yn Aplysia, datgelodd yr astudiaethau hyn lawer iawn o wybodaeth am y llwybrau moleciwlaidd a cellog a weithredwyd ac a recriwtiwyd i weithredu addasiadau hirdymor o gryfder synaptig neu blastigrwydd synaptig hirdymor. Roedd y data hyn yn cydgyfeirio â chanlyniadau genetig ac ymddygiadol a gafwyd yn Drosophila. Wedi'u harwain gan y wybodaeth hon o'r ddwy system infertebrat hyn, datgelodd astudiaethau ar baradeimau cof mamalaidd fod llwybrau moleciwlaidd tebyg hefyd yn angenrheidiol yn y mamaliaid mwy cymhleth.cof, gan gynnwys atgofion dibynnol ar hippocampus. Yn y pen draw, roedd astudiaethau niferus yn ystod y 30 mlynedd diwethaf ar lawer o rywogaethau yn cydgyfarfod â'r casgliad bod mecanweithiau biolegol a warchodwyd yn esblygiadol yn sail i blastigrwydd synaptig hirdymor a ffurfio cof hirdymor (Alberini 2009; Kandel 2012; Kandel et al. 2014). Un enghraifft glasurol, sydd wedi'i hymchwilio'n helaeth, yw rôl esblygiadol y monoffosffad adenosine cylchol (cAMP) - llwybr dibynnol ac actifadu'r protein sy'n rhwymo elfen ymateb cAMP (CREB) sy'n gysylltiedig yn swyddogaethol - rhaeadru dibynnol o fynegiant genynnau. Kida a Serita 2014; Lonze a Ginty 2002; Silva et al. 1998) (Ffigur 1).

Mae nifer o fodelau mamalaidd o wahanol fathau o gof tymor byr a thymor hir, yn enwedig mewn cnofilod, wedi'u defnyddio i ymchwilio i gymhlethdod mamaliaid.cofprosesu mewn amrywiaeth o ranbarthau ymennydd. Datgelodd yr astudiaethau hyn fod angen mynegiant a rheoleiddio ôl-gyfieithu llawer o ddosbarthiadau o enynnau, RNAs, a phroteinau ar gyfer ffurfio a storio cof hirdymor; mae'r rhain yn cynnwys genynnau uniongyrchol-cynnar (ee, c- Fos, Zif268, NPAS4 ac Arc/Arg3.1) (Bramam et al. 2008; Guzowski 2002; Loebrich a Nedivi 2009; Sun a Lin 2016; Veyrac et al. 2014), derbynyddion metabotropig ac ionotropig

ar gyfer niwrodrosglwyddyddion amrywiol (ee, AMPA, NMDA, Kainate, GABA, a derbynyddion glwtamad metabotropig) a neuromodulators (ee, derbynyddion dopaminergic a serotoninergic), ffactorau niwrotroffig (ee kinase derbynnydd tyrosine) (Fanselow et al. 1994; Gonzalez a Fergosez-Burgosez-Burgosez -Velasco 2008; Kandel 2001; Makkar et al. 2010; Morris 2013; Purcell a Carew 2003; Riedel 1996; Riedel et al. 2003), kinases (e.e., ERK, CamKII , PKA, PKC, PKζ a MAMPK) 2002; Kandel 2012; Lisman et al. 2002; Mayford 2007; Pastalkova et al. 2006; Rahn et al. 2013), ffactorau trawsgrifio (ee, CREB, C/EBP, NFkB, AP1, NPAS4, NFkB, AP1, NPAS4, Zif24, , a SRF) (Alberini 2009; Alberini a Kandel 2014; Jones et al. 2001; Sun a Lin 2016), rheolyddion epigenetig (ee, MSK1, RSK2, NFkB, DNMT, HATs, a HDACs) (Day and Sweatt 2011; de; la Fuente et al. 2015; Franklin a Mansuy 2010; Rudenko a Tsai 2014), microRNAs (ee, miR-124, miR-132, miR-128b, a miR{{33} }) (Bredy et al. 2011; Nudelman et al. 2010; Saab a Mansuy 2 014), a nifer o broteinau effeithydd sy'n ymwneud â newidiadau strwythurol, megis moleciwlau adlyniad celloedd (ee, niwroexin a niwroligin) (Murase a Schuman 1999; Rhosyn 1996; Ye et al. 2017; Mae Bailey et al. 2015) (Ffigur 1).

Mae astudiaethau electroffisiolegol wedi cyd-fynd â'r ymchwiliadau moleciwlaidd hyn, a ddangosodd fod y mecanweithiau cellog sy'n sail i'r tymor hircofcynnwys newidiadau swyddogaethol synaptig hirdymor, ac yn arbennig cynnydd neu ostyngiadau hirdymor mewn trosglwyddiad synaptig a elwir yn potentiation hirdymor (LTP) ac iselder hirdymor (LTD), yn y drefn honno (Bliss a Collingridge 1993; Malenka ac Bear 2004) . Mae newidiadau electroffisiolegol ychwanegol yn yr ymennydd sydd wedi'u cysylltu â ffurfio cof hirdymor yn cynnwys cydlyniad electroenseffalogram (EEG), hy, cydamseriad cyfnod o osgiliadau potensial maes, sy'n cydlynu amseriad pigiad niwronaidd i hyrwyddo plastigrwydd synaptig ar draws rhanbarthau gwasgaredig yr ymennydd (Corcoran et al. 2016; Zanto et al. 2011). Yn nodedig, mae'r cyfathrebu hwn ar lefel system ymhlith rhanbarthau'r ymennydd yn cael ei reoli gan crychdonnau tonnau miniog (SPW-Rs) (Buzsáki 2015), patrwm poblogaeth asyncronaidd yn yr hippocampws sy'n cymryd rhan mewn crosstalk ag ardal eang o'r cortecs a sawl cnewyllyn isgortigol. Mae SPW-Rs yn digwydd mewn cyflwr “all-lein” o'r ymennydd wrth ddeffro ac mewn cwsg nad yw'n REM a chredir eu bod yn cydgrynhoi atgofion episodig ar draws y system hippocampal-cortical (Buzsáki 2015; Inostroza a Born 2013). Mae'r gweithgareddau system gyfan hyn yn darparu esboniad mecanistig posibl pam mae atgofion sy'n ddibynnol ar hippocampus, sy'n fregus yn ystod y cyfnod cychwynnol pan fyddant yn ymgysylltu â rhwydwaith o ranbarthau hippocampal a cortigol, yn dod yn fwy sefydlog ac yn annibynnol ar hippocampus dros amser. Gelwir yr ailddosbarthiad hwn o gynrychioliadau cof a storio yn gydgrynhoi ar lefel system (Dudai et al. 2015; Squire et al. 2015; Frankland a Bontempi 2005).

Er bod yr astudiaethau hyn wedi darparu llawer iawn o wybodaeth am seiliau biolegol dysgu acof, roeddent yn canolbwyntio ar fecanweithiau niwronaidd ac o ganlyniad yn cynhyrchu casgliadau wedi'u cyfyngu'n bennaf i niwronau a swyddogaethau niwronaidd. Fodd bynnag, yn ogystal â niwronau, mae'r ymennydd yn cynnwys llawer o fathau o gelloedd a systemau, gan gynnwys glia a fasgwlaidd

systemau. Mae ymchwiliadau diweddar wedi dechrau i asesu rôl celloedd nad ydynt yn niwronau yn y tymor hircofa darparodd dystiolaeth glir bod pob math o gelloedd glial (hy astrocytes, oligodendrocytes, a microglia) yn chwarae rolau hanfodol mewn prosesu cof (Adamsky a 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).

Mae astrocytes yn arbennig o gymwys i ddylanwadu ar swyddogaethau niwronaidd sy'n ymwneud â ffurfio cof (Haydon a Nedergaard 2014; Moraga-Amaro et al. 2014): maent yn gyffrous trwy amrywiadau calsiwm ac yn ymateb i niwrodrosglwyddyddion a ryddhawyd mewn synapsau; maent yn cydamseru trwy donnau calsiwm ac yn rhyddhau eu trosglwyddyddion glio eu hunain, sy'n hanfodol ar gyfer plastigrwydd synaptig; maent yn cyfathrebu â phibellau gwaed gan gysylltu cylchrediad (llif gwaed) â gweithgaredd lleol yr ymennydd; ac yn olaf, maent yn rheoleiddio metaboledd ynni i gefnogi swyddogaethau niwronaidd, gan gynnwys y rhai sy'n ofynnol ar gyfercofffurfio (Henneberger et al. 2010; Pannasch a Rouach 2013; Perea et al. 2009; Bazargani a Attwell 2016). O ran y rôl metabolig hon, mae astrocytes mewn sefyllfa berffaith i gydbwyso metaboledd glwcos yn yr ymennydd: ar un ochr, mae'r traed pen astrocytig yn cysylltu'n uniongyrchol â haenau'r bibell waed sy'n mewnforio glwcos o'r gwaed trwy'r cludwr glwcos dethol GLUT1, a ar yr ochr arall, mae'r celloedd hyn yn ymestyn prosesau sy'n lapio o amgylch adrannau cyn ac ôl-synaptig niwronau (Falkowska et al. 2015; Morgello et al.

1995) (Ffigur 2).

Yn yr adolygiad hwn, byddwn yn trafod yn benodol gyfraniad hanfodol astrocytes, gan weithredu fel rheolyddion metaboledd glwcos, icofffurfio a storio.

Mae metaboledd glycogen a glwcos yn chwarae rhan hanfodol mewncofffurfiad

Nododd astudiaethau gan Paul Gold a chydweithwyr glwcos systemig fel cyfryngwr ycof- effaith gwella norepinephrine (Aur a Korol 2012). Mae atgofion sydd wedi'u hamgodio mewn cyflyrau cyffro yn cael eu cofio'n well (hy, am gyfnodau hirach a gyda mwy o fanylion), ac mae cyffro yn hysbys iawn i reoleiddio rhyddhau epineffrîn o'r chwarennau adrenal. Mae epinephrine yn rhwymo derbynyddion adrenergig (ARs) ar hepatocytes ac yn cychwyn dadelfennu glycogen, polymer o glwcos sy'n cael ei storio yn yr afu (Sutherland a Rall 1960), gan arwain at ryddhau glwcos i'r llif gwaed. Mae pigiadau glwcos systemig mewn dosau tebyg i'r rhai a geir yn y gwaed ar ôl triniaeth epineffrîn yn ddigon i wellacof, tra bod storio glycogen isel yn yr iau, fel mewn llygod mawr sy'n amddifad o fwyd neu lygod mawr mewn oed, yn gysylltiedig â diffyg gwella cof yn dilyn triniaeth epineffrîn (Morris et al. 2010; Talley et al. 2000). I'r gwrthwyneb, mae blocio derbynyddion adrenergig yn ymylol yn rhwystro gallu epineffrîn i wellacofa chynyddu glwcos yn y gwaed. Gyda'i gilydd, mae'r astudiaethau hyn yn cefnogi'r casgliad mai un o'r prif fecanweithiau sy'n sail i weithredoedd epineffrîn a ryddhawyd trwy gyffro yw'r cynnydd mewn glwcos yn y gwaed.

Effaith glwcos fel acofmae pigiadau systemig ac intracerebral wedi'u harsylwi ar y cyffur, ac mae wedi'i gysylltu â rheoleiddio rhyddhau norepinephrine neu acetylcholine. Dangosodd Ragozzino a chydweithwyr fod pigiadau systemig ac mewnhippocampal o glwcos, fel pigiadau o epineffrîn, yn gwella newid digymell, math o weithio gofodol.cof, a chynyddu rhyddhau acetylcholine yn yr hippocampus (Ragozzino et al. 1998; Ragozzino et al. 1996).

Cafodd y ddealltwriaeth o rôl glwcos ar fodiwleiddio cof ei datblygu'n sylweddol gan yr arsylwad, pan fydd llygod mawr yn cael eu profi ar dasg arall yn ddigymell, bod lefelau glwcos allgellog yn yr hipocampws yn gostwng yn sylweddol. Gan hyny, awgrymwyd fod dysgu acofbwyta glwcos, yn ôl pob tebyg i gefnogi gofynion egni'r ymennydd wrth iddo brosesu'r profiad newydd a storio'r wybodaeth bwysig (McNay et al.

2000; Roedd McNay et al. 2001; McNay a Sherwin 2004).

Yn wir, mae'r ymennydd yn defnyddio lefelau uchel o egni: mae'r ymennydd oedolyn yn defnyddio tua 20 y cant o gyfanswm egni'r corff ar gyfartaledd, er ei fod yn cyfrif am ddim ond 2 y cant o gyfanswm pwysau'r corff. Gall glwcos, y brif ffynhonnell ynni sy'n dod i mewn i'r ymennydd o'r cylchrediad, naill ai gael ei fetaboli'n uniongyrchol neu ei storio ar ffurf glycogen. Yn yr ymennydd aeddfed, mae glycogen yn cael ei storio'n bennaf mewn astrocytes (Brown et al. 2004; Brunet et al. 2010; Cali et al. 2016; Cataldo a Broadwell, 1986; Maxwell a Kruger 1965; Petersen 1969; Pfeiffer-Gualglielmi et al. 2003; adolygwyd yn Waitt et al. 2017), ac, o dan amodau galw uchel am ynni megis amddifadedd glwcos neu weithgaredd niwral dwys, gellir ei gataboleiddio i gyflenwi swbstradau metabolaidd yn gyflym (hy, pyrwfad a lactad) (Brown a Ransom 2015). Er bod gan niwronau'r peiriannau ensymatig i storio a dadelfennu glycogen, o dan amodau ffisiolegol, maent yn atal storio glycogen trwy gyfres o fecanweithiau. Mewn gwirionedd, dim ond mewn clefydau niwrolegol difrifol y gwelir storio glycogen mewn niwronau megis epilepsi myoclonws cynyddol neu glefyd Lafora, anhwylder ar yr ymennydd a nodweddir gan drawiadau rheolaidd (epilepsi) a dirywiad mewn swyddogaeth ddeallusol (Vilchez et al. 2007). Felly, gall glwcos, naill ai'n cael ei fetaboli'n uniongyrchol trwy glycolysis neu'n cael ei gyflenwi gan glycogenolysis astrocytig, danio'r gofynion egni uchel sy'n gysylltiedig â'r newidiadau cellog sy'n sail i ddysgu,cofffurfiant, acofstorfa.

Un cwestiwn sydd wedi’i drafod ers tro yw a yw niwronau’n mewnforio glwcos sy’n mynd i mewn i’r ymennydd o’r gwaed yn uniongyrchol a’i ddefnyddio ar unwaith i ddarparu’r egni sydd ei angen i gynnal eu swyddogaethau. Mae model amgen, a awgrymwyd gan Pellerin a Magistretti (Pellerin a Magistretti 1994), yn cynnig bod galwadau egni uchel niwronau a symbylir yn cael eu cefnogi gan astrocytes, sy'n cyflenwi'r niwronau â lactad a gynhyrchir trwy glycolysis aerobig, a thrwy hynny ddarparu'r egni sydd ei angen ar gyfer y gweithgaredd- swyddogaethau niwronaidd a achosir; felly, yn achos dysgu, am y newidiadau sy'n gysylltiedig â phrosesu a storio atgofion. Mae hefyd yn bosibl bod y ddau fecanwaith yn cael eu defnyddio, efallai mewn ymateb i amodau penodol.

Mae'r model a gynigiwyd gan Magistretti a Pellerin wedi bod yn destun dadlau mawr. Mae'r dadleuon hyn yn gymhleth ac yn debygol o adlewyrchu cymhlethdod rheoliadau metabolaidd o dan amodau gwahanol. O ystyried amrywiaeth yr amodau a’r systemau hyn, ni fyddwn yn gallu trafod pwyntiau’r ddadl yn y llawysgrif hon, felly cyfeiriwn at sawl adolygiad yn adrodd amdanynt (Chih et al., 2001; Chih a Roberts, 2003; Dienel a Hertz, 2001 ; Pellerin a Magistretti, 2003, 2012; Aubert et al., 2005; Dienel, 2010, 2017; DiNuzzo et al., 2010; Steinman et al. 2016). Fodd bynnag, byddwn yn trafod y llenyddiaeth sy'n bwysig ar gyfer canfyddiadau rolau glycogen, glwcos, a lactad mewn dysgu a chof yn ogystal â phlastigrwydd yr ymennydd.

Nododd sawl astudiaeth fod ysgogiad ardaloedd yr ymennydd yn cynyddu glycogenolysis a glycolysis, yn ogystal â chymryd glwcos, mewn astrocytes, yn gyson â'r syniad bod angen glycogen astrocytig a metaboledd glwcos i gynnal prosesau sy'n dibynnu ar weithgaredd. Er enghraifft, datgelodd sbectrosgopeg NMR, sy'n caniatáu mesur invivo lactad, ddrychiad o lactad yn y cortecs gweledol dynol yn ystod ysgogiad ffotig ffisiolegol (Prichard et al. 1991), a datgelodd mesurau seiliedig ar ficrosynhwyrydd gynnydd mewn crynodiad lactad allgellog yn y dentate. gyrus yr hippocampus llygod mawr ar ôl ysgogiad trydanol y llwybr trydyllog (Hu a Wilson 1997). Ar ben hynny, mae symbyliad whisger yn y llygoden fawr effro yn arwain at ddadelfennu glycogen cyflym yn haen IV o'r cortecs somatosensory (Swanson et al. 1992) ac yn arwain at gynnydd ffafriol yn y cymeriant glwcos i astrocytes o'i gymharu â niwronau yn y cortecs somatosensory invivo (Chuquet et al. al., 2010), er bod angen deall mwy o fanylion mecanistig (Dienel a Cruz 2015). Mae safle corfforol astrocytes, rhwng llif y gwaed ar un ochr a niwronau ar y llall, yn cefnogi ymhellach y syniad bod rheoleiddio astrocytig metaboledd glwcos yn cymhorthdal ​​​​i ofynion egni gweithgaredd, plastigrwydd, dysgu, acofffurfiad.

Yn unol â'r farn hon, datgelodd proffilio metabolaidd astrocytes a niwronau nodweddion penodol sy'n nodi bod glycolysis yn digwydd yn bennaf mewn astrocytes. Er enghraifft, mae niwronau diwylliedig yn cynhyrchu CO2 ar gyfradd llawer uwch nag astrocytes, ac mae eu proffiliau ensymatig priodol yn gyson â goruchafiaeth gymharol glycolysis mewn celloedd glial ac ocsidiad mewn niwronau (Bélanger et al. 2011; Hamberger a Hydén 1963; Hydén a Lange 1962). Yn ogystal, mae astrocytes wedi'u hynysu'n ddifrifol ac wedi'u puro gan FACS yn arddangos proffil glycolytig yn bennaf (Lovatt et al. 2007; Zhang et al. 2014). Yn olaf, mae'r ensym 6-phosphofructo-2- kinase/fructose-2,6-bisphosphatase 3 (Pfkfb3), sy'n hybu glycolysis, yn weithredol mewn astrocytes ond yn destun diraddio proteasomal yn gyson yn niwronau (Bolaños et al. 2010; Herrero-Mendez et al. 2009), unwaith eto yn cefnogi'r syniad mai astrocytes yw prif safleoedd glycolysis. Felly, mae corff mawr o dystiolaeth yn dod i'r casgliad bod astrocytes yn gelloedd glycolytig yn bennaf, tra nad yw niwronau, ac yn hytrach yn arddangos gweithgaredd ocsideiddiol uchel.

Daeth yr arddangosiad cyntaf bod glycolysis astrocytig yn hanfodol ar gyfer dysgu a chof o astudiaethau a gynhaliwyd gan Leif Hertz, Marie Gibbs, a chydweithwyr, a ddangosodd fod glycogenolysis yn angenrheidiol ar gyfer ffurfio cof. Gan ddefnyddio hyfforddiant osgoi blas mewn cyw diwrnod oed, dangoswyd bod chwistrelliad mewngreuanol o atalydd glycogen ffosfforylase, 1,4-Dideoxy-1,4-imino-d-arabinitol (DAB) , cof nam mewn modd sy'n dibynnu ar ddos, a daeth i'r casgliad bod glycogenolysis yn ofyniad hanfodol ar gyfer hirdymorcofstorio (Gibbs et al. 2006). Mewn cytundeb â'r casgliad hwn, mae dadansoddiad o glycogen yn yr ymennydd yn cynyddu'n sylweddol yn ystod gweithrediad synhwyraidd llygod mawr (Cruz a Dienel 2002; Swanson et al. 1992), a dangosodd astudiaethau diweddarach y manylir arnynt isod fod glycogen yn cyfrannu at sawl math o ffurfiant cof mewn llygod mawr a llygod. Yn ogystal â glycogenolysis, efallai y bydd angen glycolysis aerobig hefydcofffurfiant, fel y datgelwyd gan arbrofion lle chwistrellwyd yr atalydd glycolysis 2-deoxyglucose i ymennydd cywion 1 diwrnod oed pan oeddent yn hyfforddi, gan arwain at nam hirdymor ar y cof (Gibbs et al. 2007). Felly, mae sawl astudiaeth wedi dod i'r casgliad bod glycogenolysis a glycolysis aerobig, sy'n arwain at gynhyrchu lactad, yn gysylltiedig yn hanfodol â ffurfio cof. Mae hyn yn codi sawl cwestiwn: Sut yn union mae'r rheoliad hwn yn digwydd? Sut mae astrocytes yn cael eu cysylltu'n swyddogaethol â niwronau? Beth yw'r mecanweithiau targed sy'n defnyddio lefelau uchel o egni wrth ddysgu ac sy'n caniatáu atgyfnerthu cof?

Mae glycogenolysis astrocytig, glycolysis aerobig, a lactad yn hanfodol ar gyfer y tymor hircofffurfio mewn sawl rhanbarth ymennydd

Mae model a gynigiwyd gan Pellerin a Magistretti (Pellerin a Magistretti 1994), a elwir yn wennol lactad astrocyte-niwron (ANLS), yn awgrymu bod glycolysis astrocyte ac ocsidiad niwronaidd yn chwarae rolau cydgysylltiedig wrth ffurfio cof hirdymor trwy gludo lactad. Mae'r model hwn yn rhagweld bod cyffro, ac felly rhyddhau glwtamad, yn ysgogi cymeriant glwtamad gan astrocytes, sy'n cael ei drawsnewid yn glutamine (cylch glwtamad-glwtamin), gan gynnal rhyddhau glwtamad synaptig yn y pen draw. Mae'r cylch hwn yn gofyn am egni o astrocytes, a fyddai felly'n ysgogi cymeriant glwcos o'r gwaed a'i fetaboli i lactad. Gall lactad, a ryddheir gan astrocytes trwy gludwyr monocarboxylate (MCTs), fynd i mewn i fathau eraill o gelloedd gan ddefnyddio cludwyr tebyg, sy'n gweithredu ar sail graddiannau crynodiad protonau a monocarboxylate ar draws y bilen plasma (Halestrap 2013; Pierre and Pellerin 2005). Mae MCTs yn gludwyr pilenni plasma sy'n gysylltiedig â phroton sy'n cario moleciwlau sy'n cynnwys un grŵp carbocsylad (a dyna pam y term monocarboxylates), megis cyrff lactad, pyrwfad, a ceton, ar draws pilenni plasma. Mynegir MCT1 mewn astrocytes, ependymocytes, oligodendrocytes, a chelloedd endothelaidd pibellau gwaed, tra bod MCT4 yn cael ei fynegi'n ddetholus gan astrocytes a'i gyfoethogi mewn safleoedd synaptig (Pierre a Pellerin 2005; Rinholm et al. 2011; Suzuki et al. 2011). Mae MCT2, ar y llaw arall, yn cael ei fynegi'n ddetholus gan niwronau (Debernardi et al. 2003).

Felly, mae lactad, sy'n cael ei ryddhau gan astrocytes trwy MCT4 a MCT1 yn cael ei gludo gan MCT2 i niwronau, lle caiff ei drawsnewid yn pyruvate sy'n cael ei fetaboli wedyn trwy ffosfforyleiddiad ocsideiddiol mewn mitocondria i gynhyrchu 14-17 ATP fesul moleciwl lactad (Ffigur 2). Mae'r cyflenwad lactad hwn o astrocytes i niwronau yn rhoi esboniad o sut y gallai niwronau drin y gofynion ynni uchel a ddaw i'r amlwg gan brosesau gweithredol mewn ymateb i ysgogiadau.

Perfformiwyd yr astudiaethau cyntaf a ddisgrifiodd yr ANLS in-vitro, a chodwyd cwestiynau ynghylch a oedd y mecanweithiau hyn yn digwydd invivo (Chih a Roberts 2003; Dienel a Cruz 2004; Gjedde et al. 2002). Fodd bynnag, awgrymodd astudiaethau gan Hertz a Gibbs yn y cyw a ddisgrifiwyd uchod fod glycogenolysis yn rhan ohonocofffurfiant (i'w adolygu gweler Gibbs 2016). Yn yr astudiaethau hyn, roedd y cywion yn agored i ddau lain, un coch ac un glas, ac wedi'u hyfforddi i osgoi pigo'r glain coch trwy gysylltiad â blas anffafriol. Yn ystod y prawf cadw, mesurwyd y gymhareb rhwng nifer y pigau o gleiniau coch a glas, gan ddatgelu cynnydd mewn osgoi pigo gleiniau coch; roedd y newid yn y gymhareb gwahaniaethu yn arwydd o gof (Hertz et al. 1996). Dangosodd y canlyniadau cychwynnol fod lefelau glycogen yn y fforebrain wedi gostwng 30 munud ar ôl dysgu, yn cyd-fynd â chynnydd o glutamad, sy'n awgrymu denovosynthesis glwtamad o glycogen i gynhaliaeth.cofcydgrynhoi (Hertz et al. 2003; O'Dowd et al. 1994). Ychydig flynyddoedd yn ddiweddarach, dangosodd yr un grŵp fod DAB yn amharu ar y cof atgasedd blas mewn cywion diwrnod oed pan gânt eu trwytho i'r rhanbarth cymdeithasu blaenebion amlfodd, y mesopallium canolraddol canolraddol (IMM), rhanbarth ymennydd sydd ei angen ar gyfer cydgrynhoi cof (Gibbs et al. 2006). ; Gibbs a Hertz 2008). Yna canfuwyd bod glutamin yn ddigonol i achub y cof, ac felly cynigiodd fod glycogenolysis yn hanfodol ar gyfer y wennol glwtamad / glwtamin, a allai hefyd gael ei effeithio gan DAB. Dangosodd astudiaeth ddilynol gan yr un awduron fod L-lactate hefyd yn ddigon i achub cof atgasedd blas y cyw ar ôl triniaeth ag atalydd naill ai glycogenolysis (DAB) neu glycolysis (2-deoxyglucose) (Gibbs et al. 2007). Ymhellach, mae gweinyddu D-lactad, y ffurf gystadleuol anweithredol o lactad, sef diffyg blas y cyw â nam arno.cofgydag oedi a awgrymodd ei fod yn llesteirio metaboledd L-lactad ac nid cymeriant, gan arwain yr awduron i'r casgliad bod metaboledd astrocytig trwy glycogenolysis a metaboledd lactad yn hanfodol ar gyfer ffurfio cof (Gibbs a Hertz 2008). Roedd y canfyddiadau hyn yn cefnogi'r syniad bod dysgu yn y cyw newyddenedigol yn dibynnu ar ddadelfennu glycogen ar gyfer synthesis glwtamad mewn astrocytes (Gibbs et al. 2007).

Fodd bynnag, dehongliad ychwanegol yw bod lactad a gynhyrchir gan glycogenolysis yn cael ei gludo i niwronau i'w ddefnyddio, gan gyfrannu at gefnogi addasiadau niwronau sy'n hanfodol ar gyfer ffurfio cof. Fe wnaethon ni brofi'r ddamcaniaeth hon yn ymwneud ag ymennydd mamaliaid, gan ganolbwyntio'n benodol ar a yw mecanweithiau glycogenolysis, rhyddhau lactad astrocytig a chludo i niwronau yn rhan o gydgrynhoi cof, y broses sy'n sefydlogi cof newydd, bregus i ddechrau, yn gynrychiolaeth sefydlog hirhoedlog (Alberini 2009 , Dudai 2004).

Gan ddefnyddio llygod mawr sy’n oedolion wedi’u hyfforddi mewn tasg atal ataliaeth (IA), lle mae’r anifeiliaid yn dysgu i osgoi cyd-destun a oedd wedi’i baru’n flaenorol â sioc traed (ymateb cyd-destunol i fygythiad), fe wnaethom ddangos bod lactad yn cael ei gludo o astrocytes i niwronau yn y dramâu hippocampus. rôl hanfodol mewn cydgrynhoi cof hirdymor (Suzuki et al. 2011). Yn benodol, canfuom fod angen glycogenolysis astrocytig hippocampal ar gyfer cydgrynhoi cof, nerth hirdymor hippocampal invivo, a chynnydd a achosir gan ddysgu mewn newidiadau macromoleciwlaidd synaptig a cellog, gan gynnwys mynegiant protein sy'n gysylltiedig â cytoskeleton a reoleiddir gan weithgaredd a reoleiddir gan weithgaredd genyn cynnar ar unwaith. (Arc neu Arg3.1) a ffosfforyleiddiad y ffactor trawsgrifio CREB a'r cofilin protein sy'n torri actin, sydd i gyd yn arwydd o blastigrwydd synaptig hirdymor. Mewn gwirionedd, roedd DAB wedi'i chwistrellu'n ddwyochrog yn yr hippocampus dorsal cyn neu'n syth ar ôl hyfforddiant IA yn tarfu'n barhaus ar gadw cof, ac ataliwyd yr aflonyddwch hwn trwy gyd-chwistrellu L-lactad, ond nid crynodiadau eccalorig o glwcos. Yn ogystal, ar ôl hyfforddiant IA, cynyddodd y crynodiad allgellog hippocampal o lactad, a fesurwyd gan invivomicrodialysis, yn sylweddol ac arhosodd yn uchel am fwy nag 1 awr, gan ddychwelyd i'r llinell sylfaen tua 90 munud ar ôl yr hyfforddiant. Diddymwyd y cynnydd hwn mewn lactad yn llwyr gan chwistrelliad DAB dwyochrog i'r hippocampus, gan awgrymu ei fod yn ganlyniad glycogenolysis astrocytig.

At hynny, canfuom fod chwistrelliad hippocampal o'r isomer D-lactate anactif cyn hyfforddiant hefyd yn rhwystro cadw cof hirdymor, gan awgrymu bod metaboledd lactad yn hanfodol ar gyfer ffurfio cof hirdymor. Gwelwyd effeithiau tebyg ar gadw cof yn dilyn dymchweliad y cludwyr lactad (MCTs). Yn nodedig, er bod y namau cof a achoswyd gan ddymchwel cludwyr lactad a fynegwyd mewn astrocytes (MCT1 a MCT4) wedi'u hachub trwy ychwanegu L-lactad, nid oedd y nam a achosir gan ddymchwel y cludwr a fynegir mewn niwronau (MCT2), yn gyson â y syniad bod cludo lactad allan o astrocytes ac i niwronau yn hanfodol ar gyfer ffurfio cof. Yn unol â'r dehongliad hwn, yn ddiweddar arsylwyd graddiant lactad rhwng astrocytes a niwronau a nodweddwyd ar cydraniad uchel microsgopeg invivousing dau ffoton (Machler et al. 2016). Felly, daethom i'r casgliad bod glycogenolysis a chludiant lactad astrocyte-niwron yn cefnogi'n feirniadol swyddogaethau niwronaidd sy'n ofynnol ar gyfer ffurfio cof hirdymor. Cefnogodd ymchwiliad mwy diweddar rôl lactad astrocytig wrth ffurfio cof trwy ddangos bod hyfforddiant IA yn ysgogi mynegiant hippocampal o foleciwlau sy'n ymwneud â chludiant astrocytig-niwronaidd, megis MCTs a mynegiant lactad dehydrogenase (LDH) A a B, yr ensymau sy'n cataleiddio rhyng-drosi lactad a pyruvate (Tadi et al. 2015).

Daeth Newman et al i gasgliadau tebyg. (2011), a gyflogodd bioprobau sensitif i fesur lefelau glwcos yn yr ymennydd a lactad yn hippocampus llygod mawr wrth iddynt gyflawni tasg cof gwaith gofodol. Canfuwyd, er bod glwcos allgellog wedi gostwng, cynyddodd lefelau lactad yn ystod perfformiad tasg, a bod arllwysiadau intrahippocampal o L-lactad yn gwella cof yn y dasg hon. Yn ogystal, roedd ataliad ffarmacolegol o glycogenolysis astrocytig â chof nam DAB, a'r nam hwn yn cael ei wrthdroi naill ai gan L-lactad neu glwcos, y gall y ddau ohonynt ddarparu lactad i niwronau yn absenoldeb glycogenolysis. Yn yr astudiaeth hon, fel yn ein hastudiaeth ni, gwarchae ar yr MCTs sy'n gyfrifol am y nifer sy'n cymryd lactad i niwronau â nam ar y cof, ac ni chafodd y nam hwn ei wrthdroi gan naill ai glwcos neu L- lactad, sydd eto'n cefnogi'r syniad bod angen cymryd lactad gan niwronau i gefnogi ffurfio cof. . Daeth yr awduron i'r casgliad, fel y gwnaethom ni, bod astrocytes yn rheoleiddio ffurfiant cof trwy reoli'r ddarpariaeth o lactad i gynnal swyddogaethau niwronaidd.

Mae astudiaethau ychwanegol yn seiliedig ar ddulliau genetig yn cefnogi'r casgliadau hyn. Darganfu Delgado-Garcia a chydweithwyr fod cnocio glycogen synthase yn system nerfol llygod yn amharu ar CTLl hippocampal a dysgu cysylltiadol (Duran et al. 2013). Yn ogystal, mae Boury-Jamot et al. (2016) a Zhang et al. (2016) fod cydgrynhoi ac ailgyfnerthu cyflyru archwaeth gan ddefnyddio cyffuriau cam-drin (hy, dewis lle â chyflwr cocên neu hunan-weinyddu) hefyd yn dibynnu ar glycogenolysis a chludo lactad yn gyfeiriadol o astrocytes i niwronau trwy MCTs yn yr amygdala gwaelodol. (BLA) o lygod mawr. At hynny, mae lactad allgellog, fel y'i mesurir gan ficrodialysis invivo, yn cael ei ddyrchafu yn y BLA ar ôl hyfforddi ac adalw IA (Sandusky et al. 2013).

Yn gyson â chanlyniadau'r astudiaethau hyn, canfuom fod glycogenolysis BLA yn hanfodol ar gyfer ffurfio cof IA, fel y dangosir gan y ffaith bod chwistrelliad dwyochrog o DAB i'r BLA 15 munud cyn hyfforddiant IA yn amharu'n ddifrifol ac yn barhaus ar gadw cof mewn llygod mawr. Ni achubwyd y nam hwn gan sioc atgoffa a gyflwynwyd mewn cyd-destun gwahanol, protocol sy'n ailsefydlu atgofion sydd wedi'u diffodd (Inda et al. 2011), sy'n awgrymu bod blocio glycogenolysis yn yr amygdala cyn hyfforddiant yn amharu ar y broses gyfuno. Achubodd cyd-weinyddu L-lactad â DAB yn yr amygdala y nam cof, gan gadarnhau pwysigrwydd rolau glycogenolysis a lactad mewn ardaloedd ymennydd amrywiol ar gyfer cydgrynhoi cof IA (Ffigur 3).

Mae'r swyddogaethau targed sy'n cael eu hysgogi gan lactad a/neu metaboledd glwcos yn anhysbys i raddau helaeth o hyd. Mae angen egni'r ymennydd i gefnogi'r corbys trydanol sydd eu hangen ar gyfer cyfathrebu niwronaidd, ac ar gyfer llawer o weithgareddau cadw tŷ, gan gynnwys synthesis protein, metaboledd ffosffolipid, seiclo niwrodrosglwyddyddion, a chludo ïonau ar draws pilenni cellog (Du et al. 2008). Fel y dangosir gan yr astudiaethau a ddisgrifir uchod, mae metaboledd lactad yn cefnogi ffurfio cof hirdymor a'r cynnydd sy'n dibynnu ar hyfforddiant mewn mynegiant sawl moleciwl sy'n gysylltiedig â gweithgaredd a phlastigrwydd, gan gynnwys Arc, cFos, a Zif268 (Gao et al. 2016; Suzuki et al. .2011;

Roedd Yang et al. 2014). Mae'r effeithiau hyn yn ddibynnol ar dderbynyddion NMDA, sy'n awgrymu bod newidiadau sy'n ddibynnol ar lactad yn gysylltiedig â gweithgaredd a/neu blastigrwydd (Yang et al. 2014). Invivo, mae lactad yn ddigon i gynnal gweithgaredd niwronaidd (Wyss et al. 2011) a dangosodd data diweddar y gall drychiadau interstitial K plus actifadu sianel ar y bilen astrocyte lle gall lactad astrocytig lifo i'r interstitiwm, ochr yn ochr â'r cludiant sefydledig trwy MCTs (Sotelo-Hitschfeld et al., 2015). Mae'r llwybr hwn ar gyfer rhyddhau lactad astrocytig wedi'i gyplysu â photensial y bilen ac mae'n caniatáu rhyddhau lactad yn erbyn graddiant crynodiad, tra bod yr MCT yn electro-niwtral ac mae fflwcs net yn cael ei reoli gan grynodiadau traws-bilen H plws a lactad. Ar ben hynny, dangoswyd mecanwaith astrocytig trwy adenylyl cyclase hydawdd hydawdd sy'n ymateb i ddeucarbonad sy'n arwain at ddadelfennu glycogen, gwell glycolysis, a rhyddhau lactad i'r gofod allgellog, a gymerir wedyn gan niwronau i'w ddefnyddio fel swbstrad egni (Choi et al .2012). Gyda'i gilydd mae'r astudiaethau hyn yn cefnogi'r casgliad y gellir rheoleiddio'r cyflenwad lactad gan astrocytes i niwronau mewn sawl ffordd mewn ymateb i weithgaredd ac mae angen astudiaethau i ddeall a yw mecanweithiau cyfochrog neu ddetholus yn digwydd yn ystod dysgu. Serch hynny, mae'n dod i'r amlwg bod angen lactad i gefnogi nid yn unig homeostasis pilen ïonig ar ôl dadbolaru, ond hefyd nifer o swyddogaethau niwronaidd eraill sy'n ofynnol ar gyfer addasiadau hirdymor sy'n gysylltiedig â ffurfio a storio cof.