Parte 1: Glucógeno y lactato de astrocitos: nuevos conocimientos sobre los mecanismos de aprendizaje y memoria

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

Centro de Ciencias Neurales, Universidad de Nueva York, Nueva York, NY, 10003

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Resumen

Memoria, la capacidad de retener la información aprendida, es necesaria para la supervivencia. Hasta ahora, las investigaciones moleculares y celulares dememoriala formación y el almacenamiento se han centrado principalmente en los mecanismos neuronales. Sin embargo, además de las neuronas, el cerebro comprende otros tipos de células y sistemas, incluidos la glía y la vasculatura. En consecuencia, el trabajo experimental reciente ha comenzado a hacer preguntas sobre el papel de las células no neuronales enmemoriaformación. Estos estudios proporcionan evidencia de que todos los tipos de células gliales (astrocitos, oligodendrocitos y microglia) realizan contribuciones importantes al procesamiento de información codificada y al almacenamiento de recuerdos. En esta revisión, resumimos y discutimos hallazgos recientes sobre el papel crítico de los astrocitos como proveedores de energía para los cambios neuronales duraderos que son necesarios para la salud a largo plazo.memoriaformación. Nos enfocamos en tres hallazgos principales: primero, el papel del metabolismo de la glucosa y el acoplamiento metabólico dependiente del aprendizaje y la actividad entre astrocitos y neuronas al servicio de la salud a largo plazo.memoriaformación; en segundo lugar, el papel del metabolismo de la glucosa astrocítica en la excitación, un estado que contribuye a la formación de recuerdos muy duraderos y detallados; y finalmente, a la luz de las altas demandas de energía del cerebro durante el desarrollo temprano, discutiremos el posible papel de los metabolismos de la glucosa neuronal y astrocítica en la formación de recuerdos de la vida temprana. Concluimos proponiendo direcciones futuras y discutiendo las implicaciones de estos hallazgos para la salud y la enfermedad del cerebro.

Palabras clave

glucosa; metabolismo; glía; glucólisis; glucogenólisis; excitacion emocional; desarrollo

A largo plazomemoriay sus mecanismos biológicos centrados en las neuronas subyacentes de sus mecanismos y circuitos biológicos subyacentes. Aunque los recuerdos a largo plazo generalmente requieren la expresión de novogenes, los recuerdos a corto plazo se basan en modificaciones de proteínas postraduccionales (Alberini 2009; Alberini y Kandel 2014; Squire y Dede 2015).

Los recuerdos también se pueden dividir en diferentes categorías según el tipo de información codificada y almacenada. Por ejemplo, una distinción importante clasifica los recuerdos como explícitos (también conocidos como declarativos en humanos) o implícitos (no declarativos) (Squire 2004). Los recuerdos explícitos retienen información sobre hechos, personas, lugares y cosas (también conocidos como recuerdos de qué, dónde, quién y cuándo, o recuerdos www), e incluyen recuerdos episódicos y semánticos. Los recuerdos implícitos, que se recuerdan de manera inconsciente/automática, retienen información sobre las respuestas automáticas aprendidas e incluyen memorias preparatorias, procedimentales (recuerdos de cómo hacer las cosas) y reflejos simples (Tulving 1972; Squire y Wixted 2011). Las memorias explícitas e implícitas reclutan distintos sistemas (red de regiones) para su codificación, consolidación y almacenamiento. Tanto estudios clínicos como en animales han revelado que los recuerdos explícitos son procesados ​​por el lóbulo temporal medio, dentro del cual una región crítica es el hipocampo, mientras que los recuerdos implícitos se procesan en otra parte y pueden operar en ausencia de un sistema explícito intacto (Eichenbaum 2006; Kim y Fanselow 1992; Scoville y Milner 1957; Squire y Wixted 2011). Por lo tanto, los recuerdos explícitos también se denominan recuerdos dependientes del hipocampo. Aunque implícito y explícitomemorialos sistemas pueden disociarse funcionalmente, en condiciones normales de salud cooperan para procesar y almacenar información compleja (Kim y Baxter 2001; McDonald et al. 2004).

Los estudios destinados a dilucidar las bases biológicas de los recuerdos a largo plazo se han centrado principalmente en los recuerdos dependientes del hipocampo. Sin embargo, la mayor parte de nuestra comprensión de los mecanismos celulares y moleculares subyacentesmemoriala formación y el almacenamiento surgieron inicialmente de investigaciones de formas simples de aprendizaje, como el reflejo de retirada branquial de Aplysia California y el aprendizaje olfativo en Drosophila melanogaster (Yin et al. 1994; Dubnau y Tully 1998; Davis 2011; Kandel 2012). En Aplysia, estos estudios descubrieron una gran cantidad de información sobre las vías moleculares y celulares activadas y reclutadas para implementar modificaciones a largo plazo de la fuerza sináptica o la plasticidad sináptica a largo plazo. Estos datos convergieron con los resultados genéticos y conductuales obtenidos en Drosophila. Guiados por este conocimiento de estos dos sistemas de invertebrados, los estudios sobre los paradigmas de la memoria de los mamíferos revelaron que también son necesarias vías moleculares similares en los mamíferos más complejos.memoria, incluidos los recuerdos dependientes del hipocampo. En última instancia, numerosos estudios en los últimos 30 años sobre muchas especies convergieron en la conclusión de que los mecanismos biológicos conservados evolutivamente subyacen a la plasticidad sináptica a largo plazo y la formación de memoria a largo plazo (Alberini 2009; Kandel 2012; Kandel et al. 2014). Un ejemplo clásico, que se ha investigado extensamente, es el papel evolutivamente conservado del monofosfato de adenosina cíclico (cAMP), una vía dependiente y la activación ligada funcionalmente de la proteína de unión al elemento de respuesta cAMP (CREB), una cascada dependiente de la expresión génica. Kida y Serita 2014, Lonze y Ginty 2002, Silva et al. 1998) (Figura 1).

Numerosos modelos de mamíferos de diferentes tipos de memoria a corto y largo plazo, particularmente en roedores, se han empleado para investigar la complejidad de los mamíferos.memoriaprocesamiento en una variedad de regiones del cerebro. Estos estudios revelaron que la expresión y la regulación postraduccional de muchas clases de genes, ARN y proteínas son necesarias para la formación y el almacenamiento de la memoria a largo plazo; estos incluyen genes tempranos inmediatos (p. ej., c-Fos, Zif268, NPAS4 y Arc/Arg3.1) (Bramham et al. 2008; Guzowski 2002; Loebrich y Nedivi 2009; Sun y Lin 2016; Veyrac et al. 2014), receptores metabotrópicos e ionotrópicos

para diversos neurotransmisores (p. ej., AMPA, NMDA, Kainato, GABA y receptores metabotrópicos de glutamato) y neuromoduladores (p. ej., receptores dopaminérgicos y serotoninérgicos), factores neurotróficos (p. ej., receptor de tirosina quinasa) (Fanselow et al. 1994; Gonzalez-Burgos y Feria -Velasco 2008; Kandel 2001; Makkar et al. 2010; Morris 2013; Purcell y Carew 2003; Riedel 1996; Riedel et al. 2003), quinasas (p. ej., ERK, CamKII, PKA, PKC, PKMζ y MAPK) (Bejar et al. 2002; Kandel 2012; Lisman et al. 2002; Mayford 2007; Patalkova et al. 2006; Rahn et al. 2013), factores de transcripción (p. ej., CREB, C/EBP, NFkB, AP1, NPAS4, Zif268, NR4a , y SRF) (Alberini 2009; Alberini y Kandel 2014; Jones et al. 2001; Sun y Lin 2016), reguladores epigenéticos (p. ej., MSK1, RSK2, NFkB, DNMT, HAT y HDAC) (Day y Sweatt 2011; de la Fuente et al. 2015; Franklin y Mansuy 2010; Rudenko y Tsai 2014), microARN (p. ej., miR-124, miR-132, miR-128b y miR{{33} }) (Bredy et al. 2011; Nudelman et al. 2010; Saab y Mansuy 2 014) y una serie de proteínas efectoras involucradas en cambios estructurales, como moléculas de adhesión celular (p. ej., neurexina y neuroligina) (Murase y Schuman 1999; Rosa 1996; Ye et al. 2017; Bailey et al. 2015) (Figura 1).

Estas investigaciones moleculares han ido acompañadas de estudios electrofisiológicos, que demostraron que los mecanismos celulares subyacentes a largo plazomemoriaimplican cambios funcionales sinápticos a largo plazo y, en particular, aumentos o disminuciones a largo plazo en la transmisión sináptica conocidos como potenciación a largo plazo (LTP) y depresión a largo plazo (LTD), respectivamente (Bliss y Collingridge 1993; Malenka y Bear 2004) . Los cambios electrofisiológicos adicionales en el cerebro que se han implicado en la formación de la memoria a largo plazo incluyen la coherencia del electroencefalograma (EEG), es decir, la sincronización de fase de las oscilaciones de potencial de campo, que coordina el tiempo de los picos neuronales para promover la plasticidad sináptica en regiones cerebrales distribuidas (Corcoran et al. 2016; Zanto et al. 2011). En particular, esta comunicación a nivel de sistema entre las regiones del cerebro está controlada por ondas de onda aguda (SPW-R) (Buzsáki 2015), un patrón de población asíncrono en el hipocampo que interactúa con una amplia área de la corteza y varios núcleos subcorticales. Los SPW-R ocurren en estados "fuera de línea" del cerebro durante la vigilia y en el sueño no REM y se cree que consolidan recuerdos episódicos en todo el sistema cortical del hipocampo (Buzsáki 2015; Inostroza y Born 2013). Estas actividades de todo el sistema proporcionan una posible explicación mecánica de por qué los recuerdos dependientes del hipocampo, que son frágiles durante el período inicial cuando se involucran en una red de regiones corticales y del hipocampo, se vuelven más estables y exclusivamente independientes del hipocampo con el tiempo. Esta redistribución de las representaciones y el almacenamiento de la memoria se conoce como consolidación a nivel del sistema (Dudai et al. 2015; Squire et al. 2015; Frankland y Bontempi 2005).

Aunque estos estudios proporcionaron mucha información sobre las bases biológicas del aprendizaje ymemoria, se centraron en los mecanismos neuronales y, en consecuencia, generaron conclusiones en su mayoría limitadas a las neuronas y las funciones neuronales. Sin embargo, además de las neuronas, el cerebro comprende muchos tipos de células y sistemas, incluidos los glía y los vasos sanguíneos.

sistemas Investigaciones recientes han comenzado a evaluar el papel de las células no neuronales en lamemoriay proporcionó evidencia clara de que todos los tipos de células gliales (es decir, astrocitos, oligodendrocitos y microglia) desempeñan un papel fundamental en el procesamiento en memoria (Adamsky y 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).

Los astrocitos están particularmente bien equipados para influir en las funciones neuronales involucradas en la formación de la memoria (Haydon y Nedergaard 2014; Moraga-Amaro et al. 2014): son excitables a través de las fluctuaciones de calcio y responden a los neurotransmisores liberados en las sinapsis; se sincronizan a través de ondas de calcio y liberan sus propios gliotransmisores, que son esenciales para la plasticidad sináptica; se comunican con los vasos sanguíneos acoplando así la circulación (flujo sanguíneo) a la actividad cerebral local; y finalmente, regulan el metabolismo energético en apoyo de las funciones neuronales, incluidas las necesarias paramemoriaformación (Henneberger et al. 2010; Pannasch y Rouach 2013; Perea et al. 2009; Bazargani y Attwell 2016). Con respecto a este papel metabólico, los astrocitos están perfectamente posicionados para equilibrar el metabolismo de la glucosa en el cerebro: por un lado, las puntas de los astrocitos contactan directamente con las capas del vaso sanguíneo que importan glucosa de la sangre a través del transportador selectivo de glucosa GLUT1, y por otro lado, estas células extienden procesos que envuelven los compartimentos pre y postsinápticos de las neuronas (Falkowska et al. 2015; Morgello et al.

1995) (Figura 2).

En esta revisión, discutiremos específicamente la contribución crítica de los astrocitos, actuando como reguladores del metabolismo de la glucosa, paramemoriaformación y almacenamiento.

El metabolismo del glucógeno y la glucosa juega un papel crítico enmemoriaformación

Los estudios de Paul Gold y colegas identificaron la glucosa sistémica como un intermediario de lamemoria-efecto potenciador de la norepinefrina (Gold y Korol 2012). Los recuerdos codificados en estados de excitación se recuerdan mejor (es decir, durante períodos más largos y con mayor detalle), y es bien sabido que la excitación regula la liberación de epinefrina de las glándulas suprarrenales. La epinefrina se une a los receptores adrenérgicos (RA) en los hepatocitos e inicia la descomposición del glucógeno, un polímero de glucosa almacenado en el hígado (Sutherland y Rall 1960), lo que conduce a la liberación de glucosa en el torrente sanguíneo. Las inyecciones sistémicas de glucosa en dosis comparables a las que se encuentran en la sangre después del tratamiento con epinefrina son suficientes para mejorarmemoria, mientras que el bajo almacenamiento de glucógeno hepático, como en ratas ancianas o privadas de alimentos, se asocia con una falta de mejora de la memoria después del tratamiento con epinefrina (Morris et al. 2010; Talley et al. 2000). Por el contrario, el bloqueo periférico de los receptores adrenérgicos bloquea la capacidad de la epinefrina para mejorarmemoriay aumentar la glucosa en sangre. En conjunto, estos estudios respaldan la conclusión de que un mecanismo importante subyacente a las acciones de la epinefrina liberada por la excitación es el aumento de la glucosa en sangre.

El efecto de la glucosa comomemoriaEl potenciador se ha observado con inyecciones tanto sistémicas como intracerebrales, y se ha relacionado con la regulación de la liberación de norepinefrina o acetilcolina. Ragozzino y sus colegas demostraron que las inyecciones de glucosa tanto sistémicas como intrahipocampales, al igual que las inyecciones de epinefrina, mejoran la alternancia espontánea, una forma de trabajo espacial.memoria, y aumentar la liberación de acetilcolina en el hipocampo (Ragozzino et al. 1998; Ragozzino et al. 1996).

La comprensión del papel de la glucosa en la modulación de la memoria avanzó considerablemente por la observación de que cuando se prueba a las ratas en una tarea de alternancia espontánea, los niveles de glucosa extracelular en el hipocampo disminuyen significativamente. Por lo tanto, se sugirió que el aprendizaje y lamemoriaconsumir glucosa, presumiblemente para apoyar las demandas de energía del cerebro mientras procesa la nueva experiencia y almacena la información importante (McNay et al.

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

De hecho, el cerebro consume altos niveles de energía: el cerebro adulto usa en promedio alrededor del 20 por ciento de la energía corporal total, a pesar de que solo representa el 2 por ciento del peso corporal total. La glucosa, la principal fuente de energía que ingresa al cerebro desde la circulación, puede metabolizarse directamente o almacenarse en forma de glucógeno. En el cerebro maduro, el glucógeno se almacena principalmente en los astrocitos (Brown et al. 2004; Brunet et al. 2010; Cali et al. 2016; Cataldo y Broadwell, 1986; Maxwell y Kruger 1965; Petersen 1969; Pfeiffer-Guglielmi et al. 2003; revisado en Waitt et al. 2017) y, en condiciones de alta demanda de energía, como privación de glucosa o actividad neuronal intensa, pueden catabolizarse para entregar rápidamente sustratos metabólicos (es decir, piruvato y lactato) (Brown y Ransom 2015). Aunque las neuronas poseen la maquinaria enzimática para almacenar y descomponer el glucógeno, en condiciones fisiológicas suprimen el almacenamiento de glucógeno a través de una serie de mecanismos. De hecho, el almacenamiento de glucógeno en las neuronas solo se observa en enfermedades neurológicas graves como la epilepsia mioclónica progresiva o la enfermedad de Lafora, un trastorno cerebral caracterizado por convulsiones recurrentes (epilepsia) y una disminución de la función intelectual (Vilchez et al. 2007). Por lo tanto, la glucosa, ya sea directamente metabolizada a través de la glucólisis o suministrada por la glucogenólisis astrocítica, puede alimentar las altas demandas de energía asociadas con los cambios celulares que subyacen al aprendizaje.memoriaformación, ymemoriaalmacenamiento.

Una pregunta largamente debatida es si las neuronas importan directamente la glucosa que ingresa al cerebro desde la sangre y la usan de inmediato para proporcionar la energía necesaria para respaldar sus funciones. Un modelo alternativo, sugerido por Pellerin y Magistretti (Pellerin y Magistretti 1994), propone que las altas demandas de energía de las neuronas estimuladas son respaldadas por astrocitos, que suministran a las neuronas el lactato producido a través de la glucólisis aeróbica, proporcionando así la energía requerida para la actividad. funciones neuronales inducidas; de ahí, en el caso del aprendizaje, por los cambios involucrados en el procesamiento y almacenamiento de los recuerdos. También es posible que se utilicen ambos mecanismos, quizás en respuesta a condiciones específicas.

El modelo propuesto por Magistretti y Pellerin ha sido muy debatido. Estos debates son complejos y probablemente reflejan la complejidad de las regulaciones metabólicas en diferentes condiciones. Dada la variedad de estas condiciones y sistemas, no podremos discutir los puntos de debate en este manuscrito, por lo que nos referiremos a varias revisiones que los reportan (Chih et al., 2001; Chih y Roberts, 2003; Dienel y Hertz, 2001). ; Pellerin y Magistretti, 2003, 2012; Aubert et al., 2005; Dienel, 2010, 2017; DiNuzzo et al., 2010; Steinman et al. 2016). Sin embargo, discutiremos la literatura importante para los hallazgos de los roles del glucógeno, la glucosa y el lactato en el aprendizaje y la memoria, así como en la plasticidad cerebral.

Varios estudios informaron que la estimulación de las áreas del cerebro aumenta la glucogenólisis y la glucólisis, así como la absorción de glucosa, en los astrocitos, de acuerdo con la idea de que el metabolismo de la glucosa y el glucógeno astrocítico son necesarios para mantener los procesos dependientes de la actividad. Por ejemplo, la espectroscopía de RMN, que permite la medición de lactato in vivo, reveló una elevación de lactato en la corteza visual humana durante la estimulación fótica fisiológica (Prichard et al. 1991), y las medidas basadas en microsensores revelaron un aumento en la concentración de lactato extracelular en el dentado. giro del hipocampo de rata después de la estimulación eléctrica de la vía perforante (Hu y Wilson 1997). Además, la estimulación de los bigotes en la rata despierta conduce a una rápida descomposición del glucógeno en la capa IV de la corteza somatosensorial (Swanson et al. 1992) y da como resultado un aumento preferencial en la captación de glucosa en los astrocitos en comparación con las neuronas en la corteza somatosensorial in vivo (Chuquet et al. al., 2010), aunque es necesario comprender más detalles mecánicos (Dienel y Cruz 2015). La posición física de los astrocitos, entre el flujo sanguíneo por un lado y las neuronas por el otro, apoya aún más la idea de que la regulación astrocítica del metabolismo de la glucosa subsidia los requerimientos energéticos de la actividad, plasticidad, aprendizaje ymemoriaformación.

De acuerdo con este punto de vista, el perfil metabólico de los astrocitos y las neuronas reveló características distintas que indican que la glucólisis ocurre principalmente en los astrocitos. Por ejemplo, las neuronas cultivadas producen CO2 a una tasa mucho más alta que los astrocitos, y sus respectivos perfiles enzimáticos son consistentes con el predominio relativo de la glucólisis en las células gliales y la oxidación en las neuronas (Bélanger et al. 2011; Hamberger and Hydén 1963; Hydén and Lange 1962). Además, los astrocitos purificados con FACS aislados de forma aguda exhiben un perfil principalmente glicolítico (Lovatt et al. 2007; Zhang et al. 2014). Finalmente, la enzima 6-fosfofructo-2- quinasa/fructosa-2,6-bisfosfatasa 3 (Pfkfb3), que promueve la glucólisis, es activa en los astrocitos pero constantemente sujeta a degradación proteasómica en neuronas (Bolaños et al. 2010; Herrero-Mendez et al. 2009), apoyando una vez más la idea de que los astrocitos son los sitios primarios de la glucólisis. Por lo tanto, una gran cantidad de evidencia converge en la conclusión de que los astrocitos son predominantemente células glicolíticas, mientras que las neuronas no lo son y, en cambio, exhiben una alta actividad oxidativa.

La primera demostración de que la glucólisis astrocítica es fundamental para el aprendizaje y la memoria provino de estudios realizados por Leif Hertz, Marie Gibbs y colegas, quienes demostraron que la glucogenólisis es necesaria para la formación de la memoria. Mediante el entrenamiento para evitar el gusto en un pollito de un día, demostraron que la inyección intracraneal de un inhibidor de la glucógeno fosforilasa, 1,4-Dideoxi-1,4-imino-d-arabinitol (DAB) , deterioro de la memoria de una manera dependiente de la dosis, y concluyó que la glucogenólisis es un requisito crítico para el largo plazomemoriaalmacenamiento (Gibbs et al. 2006). De acuerdo con esta conclusión, la descomposición del glucógeno en el cerebro aumenta significativamente durante la activación sensorial en ratas (Cruz y Dienel 2002; Swanson et al. 1992), y estudios posteriores que se detallan a continuación demostraron que el glucógeno contribuye a varios tipos de formación de memoria en ratas y ratones. Además de la glucogenólisis, la glucólisis aeróbica también puede ser necesaria paramemoriaformación, como lo revelan los experimentos en los que se inyectó el inhibidor de la glucólisis 2-desoxiglucosa en el cerebro de pollitos de 1 día de edad durante el entrenamiento, lo que resultó en un deterioro de la memoria a largo plazo (Gibbs et al. 2007). Por lo tanto, varios estudios han convergido en la conclusión de que la glucogenólisis y la glucólisis aeróbica, que dan como resultado la producción de lactato, están vinculadas de manera crítica a la formación de la memoria. Esto plantea varias preguntas: ¿Cómo se produce exactamente esta regulación? ¿Cómo se acoplan funcionalmente los astrocitos a las neuronas? ¿Cuáles son los mecanismos objetivo que consumen altos niveles de energía al aprender y permiten que se produzca la consolidación de la memoria?

La glucogenólisis astrocítica, la glucólisis aeróbica y el lactato son fundamentales para lamemoriaformación en varias regiones del cerebro

Un modelo propuesto por Pellerin y Magistretti (Pellerin y Magistretti 1994), conocido como lanzadera de lactato de astrocito-neurona (ANLS), sugiere que la glucólisis de los astrocitos y la oxidación neuronal desempeñan funciones coordinadas en la formación de la memoria a largo plazo a través del transporte de lactato. Este modelo predice que la excitación, y por lo tanto la liberación de glutamato, estimula la absorción de glutamato por parte de los astrocitos, que se convierte en glutamina (ciclo glutamato-glutamina), lo que eventualmente sostiene la liberación sináptica de glutamato. Este ciclo requiere energía de los astrocitos, que por lo tanto activarían la captación de glucosa de la sangre y la metabolizarían en lactato. El lactato, liberado por los astrocitos a través de transportadores de monocarboxilato (MCT), puede ingresar a otros tipos de células utilizando transportadores similares, que operan sobre la base de gradientes de concentración de protones y monocarboxilato a través de la membrana plasmática (Halestrap 2013; Pierre y Pellerin 2005). Los MCT son transportadores de membrana plasmática unidos a protones que transportan moléculas que contienen un grupo carboxilato (de ahí el término monocarboxilatos), como cuerpos de lactato, piruvato y cetona, a través de las membranas plasmáticas. MCT1 se expresa en astrocitos, ependimocitos, oligodendrocitos y células endoteliales de los vasos sanguíneos, mientras que MCT4 se expresa selectivamente en astrocitos y se enriquece en sitios sinápticos (Pierre y Pellerin 2005; Rinholm et al. 2011; Suzuki et al. 2011). MCT2, por otro lado, es expresado selectivamente por neuronas (Debernardi et al. 2003).

Por lo tanto, el lactato, liberado por los astrocitos a través de MCT4 y MCT1, es transportado por MCT2 a las neuronas, donde se convierte en piruvato que luego se metaboliza a través de la fosforilación oxidativa en las mitocondrias para producir 14–17 ATP por molécula de lactato (Figura 2). Este suministro de lactato de los astrocitos a las neuronas proporciona una explicación de cómo las neuronas pueden manejar los requisitos de alta energía provocados por los procesos activos en respuesta a los estímulos.

Los primeros estudios que describieron el ANLS se realizaron in vitro y surgieron dudas sobre si estos mecanismos ocurrían in vivo (Chih y Roberts 2003; Dienel y Cruz 2004; Gjedde et al. 2002). Sin embargo, los estudios realizados por Hertz y Gibbs en el pollito descrito anteriormente sugirieron que la glucogenólisis está involucrada enmemoriaformación (para una revisión ver Gibbs 2016). En estos estudios, los pollitos fueron expuestos a dos cuentas, una roja y otra azul, y se les entrenó para evitar picotear la cuenta roja por asociación con un sabor aversivo. Durante la prueba de retención, se midió la relación entre el número de picotazos de cuentas rojas y azules, revelando un aumento en la evitación de picotear cuentas rojas; el cambio en la tasa de discriminación fue indicativo de la memoria (Hertz et al. 1996). Los resultados iniciales mostraron que los niveles de glucógeno en el prosencéfalo disminuyeron 30 minutos después del aprendizaje, junto con una elevación de glutamato, lo que sugiere una denovosíntesis de glutamato a partir de glucógeno para apoyarmemoriaconsolidación (Hertz et al. 2003; O'Dowd et al. 1994). Unos años más tarde, el mismo grupo demostró que DAB afecta la memoria de aversión al gusto en pollitos de un día cuando se infunde en la región de asociación multimodal del prosencéfalo, el mesopallium medial intermedio (IMM), una región del cerebro necesaria para la consolidación de la memoria (Gibbs et al. 2006). ; Gibbs y Hertz 2008). Luego descubrieron que la glutamina era suficiente para rescatar la memoria y, por lo tanto, propusieron que la glucogenólisis era fundamental para el transbordador glutamato/glutamina, que también puede verse afectado por DAB. Un estudio posterior de los mismos autores demostró que el L-lactato también es suficiente para rescatar la memoria de aversión al gusto de los pollitos después del tratamiento con un inhibidor de la glucogenólisis (DAB) o de la glucólisis (2-desoxiglucosa) (Gibbs et al. 2007). Además, la administración de D-lactato, la forma competitiva no biológicamente activa de lactato, altera la aversión al sabor de los pollitos.memoriacon un retraso de tiempo que sugería que estaba inhibiendo el metabolismo del L-lactato y no la absorción, lo que llevó a los autores a concluir que el metabolismo astrocítico a través de la glucogenólisis y el metabolismo del lactato es fundamental para la formación de la memoria (Gibbs y Hertz 2008). Estos hallazgos respaldaron la idea de que el aprendizaje en el pollito recién nacido se basa en la descomposición del glucógeno para la síntesis de glutamato en los astrocitos (Gibbs et al. 2007).

Sin embargo, una interpretación adicional es que el lactato producido por la glucogenólisis se transporta a las neuronas para su uso, lo que contribuye a respaldar las modificaciones neuronales críticas para la formación de la memoria. Probamos esta hipótesis invivo en cerebros de mamíferos, centrándonos específicamente en si los mecanismos de glucogenólisis, la liberación de lactato astrocítico y el transporte a las neuronas están involucrados en la consolidación de la memoria, el proceso que estabiliza una memoria recién formada inicialmente frágil en una representación estable de larga duración (Alberini 2009 , Dudai 2004).

Usando ratas adultas entrenadas en una tarea de evitación inhibitoria (IA), en la que los animales aprenden a evitar un contexto previamente emparejado con un shock en el pie (una respuesta contextual a la amenaza), demostramos que el lactato transportado desde los astrocitos a las neuronas en el hipocampo juega un papel fundamental en la consolidación de la memoria a largo plazo (Suzuki et al. 2011). Específicamente, encontramos que la glucogenólisis astrocítica del hipocampo es necesaria para la consolidación de la memoria, la potenciación a largo plazo del hipocampo in vivo y los aumentos inducidos por el aprendizaje en los cambios macromoleculares sinápticos y celulares, incluida la expresión de la proteína asociada al citoesqueleto regulada por la actividad del gen temprano inmediato (IEG). (Arc o Arg3.1) y la fosforilación del factor de transcripción CREB y de la proteína de corte de actina cofilina, todos los cuales son marcadores de plasticidad sináptica a largo plazo. De hecho, DAB inyectado bilateralmente en el hipocampo dorsal antes o inmediatamente después del entrenamiento IA interrumpió persistentemente la retención de la memoria, y esta interrupción se evitó mediante la inyección conjunta de L-lactato, pero no con concentraciones equicalóricas de glucosa. Además, después del entrenamiento IA, la concentración extracelular de lactato en el hipocampo, medida por microdiálisis invivo, aumentó significativamente y permaneció elevada durante más de 1 hora, volviendo a la línea base aproximadamente 90 minutos después del entrenamiento. Este aumento de lactato se eliminó por completo mediante la inyección bilateral de DAB en el hipocampo, lo que sugiere que fue el resultado de la glucogenólisis astrocítica.

Además, encontramos que la inyección en el hipocampo del isómero inactivo D-lactato antes del entrenamiento también bloquea la retención de la memoria a largo plazo, lo que sugiere que el metabolismo del lactato es fundamental para la formación de la memoria a largo plazo. Se observaron efectos similares en la retención de la memoria después de la caída de los transportadores de lactato (MCT). En particular, aunque los deterioros de la memoria inducidos por la caída de los transportadores de lactato expresados ​​en los astrocitos (MCT1 y MCT4) fueron rescatados por la adición de L-lactato, el deterioro inducido por la caída del transportador expresado en las neuronas (MCT2) no fue, de acuerdo con la idea de que el transporte de lactato fuera de los astrocitos hacia las neuronas es fundamental para la formación de la memoria. De acuerdo con esta interpretación, recientemente se observó y caracterizó un gradiente de lactato entre los astrocitos y las neuronas en microscopía de dos fotones de alta resolución (Machler et al. 2016). Por lo tanto, concluimos que la glucogenólisis y el transporte de lactato entre astrocitos y neuronas respaldan de manera crítica las funciones neuronales necesarias para la formación de la memoria a largo plazo. Una investigación más reciente apoyó aún más el papel del lactato astrocítico en la formación de la memoria al mostrar que el entrenamiento IA induce la expresión en el hipocampo de moléculas involucradas en el transporte neuronal astrocítico, como los MCT y la expresión de lactato deshidrogenasa (LDH) A y B, las enzimas que catalizar la interconversión de lactato y piruvato (Tadi et al. 2015).

A conclusiones similares llegaron Newman et al. (2011), quienes emplearon biosondas sensibles para medir los niveles de glucosa y lactato cerebrales en el hipocampo de ratas mientras se sometían a una tarea de memoria de trabajo espacial. Descubrieron que mientras la glucosa extracelular disminuía, los niveles de lactato aumentaban durante la ejecución de la tarea, y las infusiones intrahipocampales de L-lactato mejoraban la memoria en esta tarea. Además, la inhibición farmacológica de la glucogenólisis astrocítica con DAB deterioró la memoria, y este deterioro fue revertido por L-lactato o glucosa, los cuales pueden proporcionar lactato a las neuronas en ausencia de glucogenólisis. En este estudio, como en el nuestro, el bloqueo de los MCT responsables de la captación de lactato en las neuronas perjudicó la memoria, y este deterioro no fue revertido ni por la glucosa ni por el L-lactato, lo que respalda nuevamente la idea de que la captación de lactato por las neuronas es necesaria para apoyar la formación de la memoria. . Los autores concluyeron, como lo hicimos nosotros, que los astrocitos regulan la formación de la memoria al controlar la provisión de lactato para mantener las funciones neuronales.

Estudios adicionales basados ​​en enfoques genéticos respaldan estas conclusiones. Delgado-Garcia y sus colegas encontraron que la desactivación de la glucógeno sintasa en el sistema nervioso de los ratones afecta tanto la LTP del hipocampo como el aprendizaje asociativo (Duran et al. 2013). Además, Boury-Jamot et al. (2016) y Zhang et al. (2016) informaron que la consolidación y reconsolidación del condicionamiento del apetito mediante el uso de drogas de abuso (es decir, la preferencia de lugar condicionada por la cocaína o la autoadministración) también dependen de la glucogenólisis y el transporte direccional de lactato desde los astrocitos a las neuronas a través de los MCT en la amígdala basolateral. (BLA) de ratas. Además, el lactato extracelular, medido mediante microdiálisis in vivo, está elevado en el BLA después del entrenamiento y la recuperación de IA (Sandusky et al. 2013).

De acuerdo con los resultados de estos estudios, encontramos que la glucogenólisis de BLA es crítica para la formación de la memoria IA, como lo demuestra el hecho de que la inyección bilateral de DAB en el BLA 15 minutos antes del entrenamiento IA interrumpió severa y persistentemente la retención de la memoria en ratas. Este deterioro no se rescató con una descarga de recordatorio administrada en un contexto diferente, un protocolo que restablece los recuerdos extinguidos (Inda et al. 2011), lo que sugiere que el bloqueo de la glucogenólisis en la amígdala antes del entrenamiento interrumpe el proceso de consolidación. La coadministración de L-lactato con DAB en la amígdala rescató el deterioro de la memoria, lo que confirma la importancia de las funciones de la glucogenólisis y el lactato en diversas áreas del cerebro para la consolidación de la memoria IA (Figura 3).

Las funciones diana impulsadas por el metabolismo del lactato y/o la glucosa aún se desconocen en gran medida. Se necesita energía cerebral para respaldar los pulsos eléctricos necesarios para la comunicación neuronal y para muchas actividades domésticas, incluida la síntesis de proteínas, el metabolismo de los fosfolípidos, el ciclo de los neurotransmisores y el transporte de iones a través de las membranas celulares (Du et al. 2008). Como lo muestran los estudios descritos anteriormente, el metabolismo del lactato respalda la formación de la memoria a largo plazo y el aumento dependiente del entrenamiento en la expresión de varias moléculas relacionadas con la actividad y la plasticidad, incluidas Arc, cFos y Zif268 (Gao et al. 2016; Suzuki et al. 2011;

Yang et al. 2014). Estos efectos son dependientes del receptor NMDA, lo que implica que los cambios dependientes del lactato están relacionados con la actividad y/o la plasticidad (Yang et al. 2014). In vivo, el lactato es suficiente para mantener la actividad neuronal (Wyss et al. 2011) y datos recientes mostraron que las elevaciones de K+ intersticial pueden activar un canal en la membrana de los astrocitos a través del cual el lactato astrocitario puede fluir hacia el intersticio, en paralelo con el transporte establecido a través de MCT (Sotelo-Hitschfeld et al., 2015). Esta ruta para la liberación de lactato astrocítico está acoplada al potencial de membrana y permite la liberación de lactato contra un gradiente de concentración, mientras que el MCT es electroneutro y el flujo neto está gobernado por las concentraciones transmembrana de H+ y lactato. Además, se ha demostrado un mecanismo astrocítico a través de la adenilil ciclasa soluble sensible al bicarbonato que conduce a la descomposición del glucógeno, a una mayor glucólisis y a la liberación de lactato en el espacio extracelular, que posteriormente es absorbido por las neuronas para su uso como sustrato energético (Choi et al. . 2012). En conjunto, estos estudios respaldan la conclusión de que la entrega de lactato por parte de los astrocitos a las neuronas se puede regular de muchas maneras en respuesta a la actividad y se necesitan estudios para comprender si se producen mecanismos paralelos o selectivos en el aprendizaje. Sin embargo, surge que el lactato es necesario para apoyar no solo la homeostasis de la membrana iónica después de la despolarización, sino también muchas otras funciones neuronales necesarias para las modificaciones a largo plazo asociadas con la formación y el almacenamiento de la memoria.