Parte 1: Glicogênio e Lactato de Astrócitos: Novas Percepções sobre Mecanismos de Aprendizagem e Memória

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

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

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Abstrato

Memória, a capacidade de reter informações aprendidas, é necessária para a sobrevivência. Até agora, investigações moleculares e celulares dememóriaformação e armazenamento têm focado principalmente em mecanismos neuronais. Além dos neurônios, no entanto, o cérebro compreende outros tipos de células e sistemas, incluindo glia e vasculatura. Assim, trabalhos experimentais recentes começaram a fazer perguntas sobre os papéis das células não neuronais namemóriaformação. Esses estudos fornecem evidências de que todos os tipos de células gliais (astrócitos, oligodendrócitos e microglia) fazem contribuições importantes para o processamento de informações codificadas e armazenamento de memórias. Nesta revisão, resumimos e discutimos descobertas recentes sobre o papel crítico dos astrócitos como fornecedores de energia para as mudanças neuronais duradouras que são necessárias paramemóriaformação. Nós nos concentramos em três descobertas principais: primeiro, o papel do metabolismo da glicose e o acoplamento metabólico dependente da aprendizagem e da atividade entre astrócitos e neurônios a serviço de longo prazo.memóriaformação; segundo, o papel do metabolismo astrocitário da glicose na excitação, um estado que contribui para a formação de memórias muito duradouras e detalhadas; e, finalmente, à luz das altas demandas energéticas do cérebro durante o desenvolvimento inicial, discutiremos o possível papel dos metabolismos astrocíticos e neuronais da glicose na formação das memórias do início da vida. Concluímos propondo direções futuras e discutindo as implicações dessas descobertas para a saúde e a doença do cérebro.

Palavras-chave

glicose; metabolismo; glia; glicolise; glicogenólise; excitação emocional; desenvolvimento

Longo prazomemóriae seus mecanismos biológicos neurônio-cêntricos subjacentes de seus mecanismos biológicos e circuitos subjacentes. Embora as memórias de longo prazo geralmente exijam expressão denovogene, as memórias de curto prazo dependem de modificações de proteínas pós-traducionais (Alberini 2009; Alberini e Kandel 2014; Squire e Dede 2015).

As memórias também podem ser divididas em diferentes categorias com base no tipo de informação codificada e armazenada. Por exemplo, uma distinção importante classifica as memórias como explícitas (também conhecidas como declarativas em humanos) ou implícitas (não declarativas) (Squire 2004). As memórias explícitas retêm informações sobre fatos, pessoas, lugares e coisas (também conhecidas como memórias de quê, onde, quem e quando ou memórias www) e incluem memórias episódicas e semânticas. Memórias implícitas, que são evocadas de maneira inconsciente/automática, retêm informações sobre respostas automáticas aprendidas e incluem priming, memórias processuais (memórias de como fazer as coisas) e reflexos simples (Tulving 1972; Squire e Wixted 2011). Memórias explícitas e implícitas recrutam sistemas distintos (rede de regiões) para sua codificação, consolidação e armazenamento. Estudos clínicos e animais revelaram que as memórias explícitas são processadas pelo lobo temporal medial, dentro do qual uma região crítica é o hipocampo, enquanto as memórias implícitas são processadas em outro lugar e podem operar na ausência de um sistema explícito intacto (Eichenbaum 2006; Kim e Kim et al. Fanselow 1992; Scoville e Milner 1957; Squire e Wixted 2011). Assim, as memórias explícitas também são chamadas de memórias dependentes do hipocampo. Embora implícito e explícitomemóriaos sistemas podem ser funcionalmente dissociados, em condições normais de saúde eles cooperam para processar e armazenar informações complexas (Kim e Baxter 2001; McDonald et al. 2004).

Os estudos que visam elucidar as bases biológicas das memórias de longo prazo têm se concentrado principalmente nas memórias dependentes do hipocampo. No entanto, a maior parte de nossa compreensão dos mecanismos celulares e moleculares subjacentesmemóriaa formação e o armazenamento surgiram inicialmente de investigações de formas simples de aprendizagem, como o reflexo de retirada das guelras da Aplysia California e a aprendizagem olfativa em Drosophila melanogaster (Yin et al. 1994; Dubnau e Tully 1998; Davis 2011; Kandel 2012). Na Aplysia, esses estudos descobriram uma grande quantidade de informações sobre as vias moleculares e celulares ativadas e recrutadas para implementar modificações de longo prazo da força sináptica ou plasticidade sináptica de longo prazo. Esses dados convergiram com resultados genéticos e comportamentais obtidos em Drosophila. Guiados por esse conhecimento desses dois sistemas de invertebrados, estudos sobre paradigmas de memória de mamíferos revelaram que vias moleculares semelhantes também são necessárias nos mais complexos sistemas de mamíferos.memória, incluindo memórias dependentes do hipocampo. Em última análise, numerosos estudos nos últimos 30 anos em muitas espécies convergiram para a conclusão de que os mecanismos biológicos evolutivamente conservados fundamentam a plasticidade sináptica de longo prazo e a formação da memória de longo prazo (Alberini 2009; Kandel 2012; Kandel et al. 2014). Um exemplo clássico, que tem sido extensivamente investigado, é o papel evolutivamente conservado do monofosfato de adenosina cíclico (cAMP) - uma via dependente e a ativação funcionalmente ligada da proteína de ligação ao elemento de resposta de cAMP (CREB) - uma cascata dependente de expressão gênica. Kida e Serita 2014; Lonze e Ginty 2002; Silva et al. 1998) (Figura 1).

Numerosos modelos de mamíferos de diferentes tipos de memória de curto e longo prazo, particularmente em roedores, foram empregados para investigar a complexidade da memória de mamíferos.memóriaprocessamento em uma variedade de regiões do cérebro. Esses estudos revelaram que a expressão e a regulação pós-traducional de muitas classes de genes, RNAs e proteínas são necessárias para a formação e armazenamento da memória de longo prazo; estes incluem genes precoces imediatos (por exemplo, c-Fos, Zif268, NPAS4 e Arc/Arg3.1) (Bramham et al. 2008; Guzowski 2002; Loebrich e Nedivi 2009; Sun e Lin 2016; Veyrac et al. 2014), Receptores metabotrópicos e ionotrópicos

para vários neurotransmissores (por exemplo, AMPA, NMDA, Kainato, GABA e receptores metabotrópicos de glutamato) e neuromoduladores (por exemplo, receptores dopaminérgicos e serotoninérgicos), fatores neurotróficos (por exemplo, receptor de tirosina quinase) (Fanselow et al. 1994; Gonzalez-Burgos e Feria -Velasco 2008; Kandel 2001; Makkar et al. 2010; Morris 2013; Purcell e Carew 2003; Riedel 1996; Riedel et al. 2003), quinases (por exemplo, ERK, CamKII, PKA, PKC, PKMζ e MAPK) (Bejar et al. 2002; Kandel 2012; Lisman et al. 2002; Mayford 2007; Pastalkova et al. 2006; Rahn et al. 2013), fatores de transcrição (por exemplo, CREB, C/EBP, NFkB, AP1, NPAS4, Zif268, NR4a , e SRF) (Alberini 2009; Alberini e Kandel 2014; Jones et al. 2001; Sun e Lin 2016), reguladores epigenéticos (por exemplo, MSK1, RSK2, NFkB, DNMT, HATs e HDACs) (Day e Sweatt 2011; de la Fuente et al. 2015; Franklin e Mansuy 2010; Rudenko e Tsai 2014), microRNAs (por exemplo, miR-124, miR-132, miR-128b e miR{{33}) }) (Bredy et al. 2011; Nudelman et al. 2010; Saab e Mansuy 2 014), e várias proteínas efetoras envolvidas em mudanças estruturais, como moléculas de adesão celular (por exemplo, neurexina e neuroligina) (Murase e Schuman 1999; Rosa 1996; Ye et ai. 2017; Bailey et ai. 2015) (Figura 1).

Essas investigações moleculares foram acompanhadas por estudos eletrofisiológicos, que mostraram que os mecanismos celulares subjacentes a longo prazomemóriaenvolvem alterações funcionais sinápticas de longo prazo e, em particular, aumentos ou diminuições de longo prazo na transmissão sináptica conhecidas como potenciação de longo prazo (LTP) e depressão de longo prazo (LTD), respectivamente (Bliss e Collingridge 1993; Malenka e Bear 2004) . Alterações eletrofisiológicas adicionais no cérebro que têm sido implicadas na formação da memória de longo prazo incluem a coerência do eletroencefalograma (EEG), ou seja, a sincronização de fase das oscilações do potencial de campo, que coordena o momento do pico neuronal para promover a plasticidade sináptica em regiões cerebrais distribuídas (Corcoran et. al. 2016; Zanto et al. 2011). Notavelmente, essa comunicação em nível de sistema entre as regiões do cérebro é controlada por ondulações de ondas afiadas (SPW-Rs) (Buzsáki 2015), padrão populacional assíncrono no hipocampo que se envolve em crosstalk com uma ampla área do córtex e vários núcleos subcorticais. SPW-Rs ocorrem em estados "off-line" do cérebro durante a vigília e no sono não REM e acredita-se que consolidem memórias episódicas em todo o sistema hipocampal-cortical (Buzsáki 2015; Inostroza e Born 2013). Essas atividades de todo o sistema fornecem uma possível explicação mecanicista de por que as memórias dependentes do hipocampo, que são frágeis durante o período inicial quando estão engajando uma rede de regiões hipocampais e corticais, tornam-se mais estáveis ​​e exclusivamente independentes do hipocampo ao longo do tempo. Essa redistribuição de representações de memória e armazenamento é conhecida como consolidação em nível de sistema (Dudai et al. 2015; Squire et al. 2015; Frankland e Bontempi 2005).

Embora esses estudos tenham fornecido uma grande quantidade de informações sobre as bases biológicas da aprendizagem ememória, eles se concentraram em mecanismos neuronais e, consequentemente, geraram conclusões principalmente limitadas a neurônios e funções neuronais. No entanto, além dos neurônios, o cérebro compreende muitos tipos de células e sistemas, incluindo células gliais e vasculares.

sistemas. Investigações recentes começaram a avaliar o papel das células não neuronais em longo prazo.memóriae forneceu evidências claras de que todos os tipos de células gliais (ou seja, astrócitos, oligodendrócitos e micróglia) desempenham papéis críticos no processamento da memória (Adamsky e Goshen 2017; Fields 2008; Gibbs et al. 2008; Lee et al. 2014; Moraga-Amaro et al. al. 2014; Parkhurst et al. 2013; Suzuki et al. 2011).

Os astrócitos estão particularmente bem equipados para influenciar as funções neuronais envolvidas na formação da memória (Haydon e Nedergaard 2014; Moraga-Amaro et al. 2014): são excitáveis ​​por meio de flutuações de cálcio e respondem a neurotransmissores liberados nas sinapses; eles sincronizam via ondas de cálcio e liberam seus próprios gliotransmissores, que são essenciais para a plasticidade sináptica; comunicam-se com os vasos sanguíneos, acoplando assim a circulação (fluxo sanguíneo) à atividade cerebral local; e, finalmente, regulam o metabolismo energético em apoio às funções neuronais, incluindo as necessárias paramemóriaformação (Henneberger et al. 2010; Pannasch e Rouach 2013; Perea et al. 2009; Bazargani e Attwell 2016). Em relação a esse papel metabólico, os astrócitos estão perfeitamente posicionados para equilibrar o metabolismo da glicose no cérebro: de um lado, os pés astrocitários entram em contato direto com as camadas do vaso sanguíneo que importam glicose do sangue através do transportador seletivo de glicose GLUT1, e por outro lado, essas células estendem processos que envolvem os compartimentos pré e pós-sinápticos dos neurônios (Falkowska et al. 2015; Morgello et al.

1995) (Figura 2).

Nesta revisão, discutiremos especificamente a contribuição crítica dos astrócitos, atuando como reguladores do metabolismo da glicose, paramemóriaformação e armazenamento.

Os metabolismos do glicogênio e da glicose desempenham papéis críticos namemóriaformação

Estudos de Paul Gold e colegas identificaram a glicose sistêmica como um intermediário damemória-melhorar o efeito da norepinefrina (Gold e Korol 2012). Memórias codificadas em estados de excitação são melhor lembradas (isto é, por períodos mais longos e com mais detalhes), e a excitação é bem conhecida por regular a liberação de epinefrina pelas glândulas supra-renais. A epinefrina liga-se aos receptores adrenérgicos (ARs) nos hepatócitos e inicia a quebra do glicogênio, um polímero de glicose armazenado no fígado (Sutherland e Rall, 1960), levando à liberação de glicose na corrente sanguínea. Injeções sistêmicas de glicose em doses comparáveis ​​àquelas encontradas no sangue após o tratamento com epinefrina são suficientes para aumentarmemória, enquanto o baixo armazenamento de glicogênio hepático, como em ratos privados de comida ou idosos, está associado à falta de aprimoramento da memória após o tratamento com epinefrina (Morris et al. 2010; Talley et al. 2000). Por outro lado, o bloqueio periférico dos receptores adrenérgicos bloqueia a capacidade da epinefrina de aumentarmemóriae aumentar a glicemia. Coletivamente, esses estudos suportam a conclusão de que um dos principais mecanismos subjacentes às ações da epinefrina liberada pela excitação é o aumento da glicose no sangue.

O efeito da glicose comomemóriapotencializador foi observado com injeções sistêmicas e intracerebrais, e tem sido associado à regulação da liberação de norepinefrina ou acetilcolina. Ragozzino e colegas mostraram que tanto as injeções sistêmicas quanto intra-hipocampais de glicose, como as injeções de epinefrina, aumentam a alternância espontânea, uma forma de trabalho espacial.memória, e aumentar a liberação de acetilcolina no hipocampo (Ragozzino et al. 1998; Ragozzino et al. 1996).

A compreensão do papel da glicose na modulação da memória foi consideravelmente avançada pela observação de que quando os ratos são testados em uma tarefa de alternância espontânea, os níveis de glicose extracelular no hipocampo diminuem significativamente. Assim, sugeriu-se que o aprendizado e amemóriaconsumir glicose, presumivelmente para suportar as demandas de energia do cérebro enquanto processa a nova experiência e armazena as informações importantes (McNay et al.

2000; McNay et ai. 2001; McNay e Sherwin 2004).

De fato, o cérebro consome altos níveis de energia: o cérebro adulto usa em média cerca de 20% da energia total do corpo, apesar de representar apenas 2% do peso corporal total. A glicose, a principal fonte de energia que entra no cérebro a partir da circulação, pode ser metabolizada diretamente ou armazenada na forma de glicogênio. No cérebro maduro, o glicogênio é armazenado principalmente em astrócitos (Brown et al. 2004; Brunet et al. 2010; Cali et al. 2016; Cataldo e Broadwell, 1986; Maxwell e Kruger 1965; Petersen 1969; Pfeiffer-Guglielmi et al. 2003; revisado em Waitt et al. 2017) e, sob condições de alta demanda de energia, como privação de glicose ou atividade neural intensa, pode ser catabolizada para fornecer rapidamente substratos metabólicos (ou seja, piruvato e lactato) (Brown e Ransom 2015). Embora os neurônios possuam a maquinaria enzimática para armazenar e quebrar o glicogênio, sob condições fisiológicas, eles suprimem o armazenamento de glicogênio por meio de uma série de mecanismos. De fato, o armazenamento de glicogênio nos neurônios é observado apenas em doenças neurológicas graves, como epilepsia mioclonica progressiva ou doença de Lafora, um distúrbio cerebral caracterizado por convulsões recorrentes (epilepsia) e declínio na função intelectual (Vilchez et al. 2007). Assim, a glicose, metabolizada diretamente via glicólise ou fornecida pela glicogenólise astrocítica, pode alimentar as altas demandas de energia associadas às mudanças celulares subjacentes ao aprendizado,memóriaformação, ememóriaarmazenar.

Uma questão há muito debatida é se os neurônios importam diretamente a glicose que entra no cérebro a partir do sangue e a usam imediatamente para fornecer a energia necessária para sustentar suas funções. Um modelo alternativo, sugerido por Pellerin e Magistretti (Pellerin e Magistretti 1994), propõe que as altas demandas energéticas dos neurônios estimulados são suportadas pelos astrócitos, que fornecem aos neurônios lactato produzido via glicólise aeróbica, fornecendo assim a energia necessária para a atividade. funções neuronais induzidas; daí, no caso da aprendizagem, pelas mudanças envolvidas no processamento e armazenamento de memórias. Também é possível que ambos os mecanismos sejam utilizados, talvez em resposta a condições específicas.

O modelo proposto por Magistretti e Pellerin tem sido muito debatido. Esses debates são complexos e provavelmente refletem a complexidade das regulações metabólicas em diferentes condições. Dada a variedade dessas condições e sistemas, não poderemos discutir os pontos do debate neste manuscrito, por isso nos referimos a várias revisões que os relatam (Chih et al., 2001; Chih e Roberts, 2003; Dienel e Hertz, 2001 ; Pellerin e Magistretti, 2003, 2012; Aubert et al., 2005; Dienel, 2010, 2017; DiNuzzo et al., 2010; Steinman et al. 2016). Iremos, no entanto, discutir a literatura importante para os achados dos papéis do glicogênio, glicose e lactato na aprendizagem e memória, bem como na plasticidade cerebral.

Vários estudos relataram que a estimulação de áreas cerebrais aumenta a glicogenólise e a glicólise, bem como a captação de glicose, nos astrócitos, consistente com a ideia de que o glicogênio astrocitário e o metabolismo da glicose são necessários para sustentar processos dependentes de atividade. Por exemplo, a espectroscopia de RMN, que permite a medição do lactato ao vivo, revelou uma elevação do lactato no córtex visual humano durante a estimulação fótica fisiológica (Prichard et al. 1991), e as medidas baseadas em microssensores revelaram um aumento na concentração de lactato extracelular no denteado giro do hipocampo de rato após estimulação elétrica da via perfurante (Hu e Wilson 1997). Além disso, a estimulação do bigode no rato acordado leva à rápida degradação do glicogênio na camada IV do córtex somatossensorial (Swanson et al. 1992) e resulta em um aumento preferencial na captação de glicose pelos astrócitos em comparação com os neurônios do córtex somatossensorial invivo (Chuquet et al., 1992). al., 2010), embora detalhes mais mecanicistas precisem ser entendidos (Dienel e Cruz 2015). A posição física dos astrócitos, entre o fluxo sanguíneo de um lado e os neurônios do outro, apoia ainda mais a ideia de que a regulação astrocitária do metabolismo da glicose subsidia as necessidades energéticas da atividade, plasticidade, aprendizado ememóriaformação.

De acordo com essa visão, o perfil metabólico de astrócitos e neurônios revelou características distintas indicando que a glicólise ocorre principalmente nos astrócitos. Por exemplo, os neurônios cultivados produzem CO2 a uma taxa muito maior do que os astrócitos, e seus respectivos perfis enzimáticos são consistentes com a predominância relativa da glicólise nas células gliais e oxidação nos neurônios (Bélanger et al. 2011; Hamberger e Hydén 1963; Hydén e Lange 1962). Além disso, os astrócitos purificados por FACS agudamente isolados exibem um perfil principalmente glicolítico (Lovatt et al. 2007; Zhang et al. 2014). Por fim, a enzima 6-fosfofruto-2- quinase/frutose-2,6-bisfosfatase 3 (Pfkfb3), que promove a glicólise, é ativa nos astrócitos, mas constantemente submetida à degradação proteossomal em neurônios (Bolaños et al. 2010; Herrero-Mendez et al. 2009), mais uma vez apoiando a ideia de que os astrócitos são os principais locais de glicólise. Assim, um grande corpo de evidências converge para a conclusão de que os astrócitos são células predominantemente glicolíticas, enquanto os neurônios não são, e exibem alta atividade oxidativa.

A primeira demonstração de que a glicólise astrocítica é fundamental para o aprendizado e a memória veio de estudos realizados por Leif Hertz, Marie Gibbs e colegas, que mostraram que a glicogenólise é necessária para a formação da memória. Usando o treinamento para evitar o paladar em um pintinho de um dia, eles mostraram que a injeção intracraniana de um inibidor da glicogênio fosforilase, 1,4-Dideoxi-1,4-imino-d-arabinitol (DAB) , memória prejudicada de forma dose-dependente, e concluiu que a glicogenólise é um requisito crítico para a longo prazomemóriaarmazenamento (Gibbs et al. 2006). De acordo com esta conclusão, a quebra de glicogênio no cérebro aumenta significativamente durante a ativação sensorial em ratos (Cruz e Dienel 2002; Swanson et al. 1992), e estudos posteriores detalhados abaixo demonstraram que o glicogênio contribui para vários tipos de formação de memória em ratos e ratos. Além da glicogenólise, a glicólise aeróbica também pode ser necessária paramemóriaformação, como revelado por experimentos em que o inibidor de glicólise 2-desoxiglicose foi injetado no cérebro de pintos de 1 dia de idade em treinamento, resultando em comprometimento da memória de longo prazo (Gibbs et al. 2007). Assim, vários estudos convergiram para a conclusão de que a glicogenólise e a glicólise aeróbica, resultando na produção de lactato, estão criticamente ligadas à formação da memória. Isso levanta várias questões: Como exatamente essa regulação ocorre? Como os astrócitos são acoplados funcionalmente aos neurônios? Quais são os mecanismos-alvo que consomem altos níveis de energia ao aprender e permitem que a consolidação da memória ocorra?

A glicogenólise astrocítica, a glicólise aeróbica e o lactato são críticos paramemóriaformação em várias regiões do cérebro

Um modelo proposto por Pellerin e Magistretti (Pellerin e Magistretti 1994), conhecido como astrocyte-neuron lactate shuttle (ANLS), sugere que a glicólise de astrócitos e a oxidação neuronal desempenham papéis coordenados na formação da memória de longo prazo através do transporte de lactato. Este modelo prevê que a excitação e, portanto, a liberação de glutamato, estimula a captação de glutamato pelos astrócitos, que é convertido em glutamina (ciclo glutamato-glutamina), eventualmente sustentando a liberação sináptica de glutamato. Este ciclo requer energia dos astrócitos, que, portanto, ativariam a captação de glicose do sangue e a metabolizariam em lactato. O lactato, liberado pelos astrócitos via transportadores de monocarboxilato (MCTs), pode entrar em outros tipos de células usando transportadores semelhantes, que operam com base em gradientes de concentração de prótons e monocarboxilato através da membrana plasmática (Halestrap 2013; Pierre e Pellerin 2005). Os MCTs são transportadores de membrana plasmática ligados a prótons que transportam moléculas contendo um grupo carboxilato (daí o termo monocarboxilatos), como lactato, piruvato e corpos cetônicos, através das membranas plasmáticas. O MCT1 é expresso em astrócitos, ependimócitos, oligodendrócitos e células endoteliais dos vasos sanguíneos, enquanto o MCT4 é expresso seletivamente por astrócitos e enriquecido em locais sinápticos (Pierre e Pellerin 2005; Rinholm et al. 2011; Suzuki et al. 2011). O MCT2, por outro lado, é expresso seletivamente pelos neurônios (Debernardi et al. 2003).

Assim, o lactato, liberado pelos astrócitos via MCT4 e MCT1 é transportado por MCT2 para os neurônios, onde é convertido em piruvato que é subsequentemente metabolizado através da fosforilação oxidativa nas mitocôndrias para produzir 14-17 ATPs por molécula de lactato (Figura 2). Esse suprimento de lactato dos astrócitos para os neurônios fornece uma explicação de como os neurônios podem lidar com os requisitos de alta energia evocados por processos ativos em resposta a estímulos.

Os primeiros estudos que descreveram o ANLS foram realizados in vitro, e foram levantadas questões sobre se esses mecanismos ocorriam in vivo (Chih e Roberts 2003; Dienel e Cruz 2004; Gjedde et al. 2002). No entanto, estudos de Hertz e Gibbs no pintinho descrito acima sugeriram que a glicogenólise está envolvida namemóriaformação (para revisão, ver Gibbs 2016). Nesses estudos, os pintinhos foram expostos a duas contas, uma vermelha e outra azul, e treinados para evitar bicar a conta vermelha por associação com um sabor aversivo. Durante o teste de retenção, mediu-se a razão entre o número de bicadas de contas vermelhas e azuis, revelando um aumento na evitação de bicadas de contas vermelhas; a mudança na razão de discriminação foi indicativa de memória (Hertz et al. 1996). Os resultados iniciais mostraram que os níveis de glicogênio no prosencéfalo diminuíram 30 minutos após o aprendizado, concomitante com uma elevação do glutamato, sugerindo denovossíntese de glutamato a partir de glicogênio para suportarmemóriaconsolidação (Hertz et al. 2003; O'Dowd et al. 1994). Alguns anos depois, o mesmo grupo mostrou que DAB prejudica a memória de aversão ao paladar em pintos de um dia quando infundido na região de associação multimodal do prosencéfalo, o mesopálio medial intermediário (IMM), uma região do cérebro necessária para a consolidação da memória (Gibbs et al. 2006). ; Gibbs e Hertz 2008). Eles então descobriram que a glutamina era suficiente para resgatar a memória e, portanto, propuseram que a glicogenólise era crítica para o transporte glutamato/glutamina, que também pode ser afetado pelo DAB. Um estudo subsequente dos mesmos autores demonstrou que o L-lactato também é suficiente para resgatar a memória de aversão ao sabor do pintinho após o tratamento com um inibidor de glicogenólise (DAB) ou glicólise (2-desoxiglicose) (Gibbs et al. 2007). Além disso, a administração de D-lactato, a forma competitiva não biologicamente ativa de lactato, prejudicou a aversão ao sabor do pintinhomemóriacom um atraso de tempo que sugeria que estava inibindo o metabolismo do L-lactato e não a captação, levando os autores a concluir que o metabolismo astrocitário através da glicogenólise e do metabolismo do lactato é crítico para a formação da memória (Gibbs e Hertz 2008). Essas descobertas apoiaram a ideia de que o aprendizado no pintinho neonatal depende da quebra do glicogênio para a síntese de glutamato nos astrócitos (Gibbs et al. 2007).

No entanto, uma interpretação adicional é que o lactato produzido pela glicogenólise é transportado para os neurônios para seu uso, contribuindo assim para suportar modificações neuronais críticas para a formação da memória. Testamos essa hipótese em cérebros de mamíferos, focando especificamente se os mecanismos de glicogenólise, liberação de lactato astrocitário e transporte para neurônios estão envolvidos na consolidação da memória, o processo que estabiliza uma memória recém-formada e inicialmente frágil em uma representação estável de longa duração (Alberini 2009). , Dudai 2004).

Usando ratos adultos treinados em uma tarefa de esquiva inibitória (IA), na qual os animais aprendem a evitar um contexto previamente pareado com um choque nas patas (uma resposta contextual à ameaça), demonstramos que o lactato transportado dos astrócitos para os neurônios no hipocampo atua um papel crítico na consolidação da memória de longo prazo (Suzuki et al. 2011). Especificamente, descobrimos que a glicogenólise astrocítica do hipocampo é necessária para a consolidação da memória, potencialização de longo prazo do hipocampo invivo e aumentos induzidos pelo aprendizado nas alterações macromoleculares sinápticas e celulares, incluindo a expressão da proteína associada ao citoesqueleto regulada pela atividade do gene precoce imediato (IEG) (Arc ou Arg3.1) e fosforilação do fator de transcrição CREB e da proteína separadora de actina cofilina, todos marcadores de plasticidade sináptica de longa duração. De fato, o DAB injetado bilateralmente no hipocampo dorsal antes ou imediatamente após o treinamento de IA interrompeu persistentemente a retenção de memória, e essa interrupção foi evitada pela co-injeção de L-lactato, mas não por concentrações equicalóricas de glicose. Além disso, após o treinamento de IA, a concentração extracelular de lactato hipocampal, medida por invivomicrodiálise, aumentou significativamente e permaneceu elevada por mais de 1 hora, retornando à linha de base em aproximadamente 90 minutos após o treinamento. Esse aumento no lactato foi completamente abolido pela injeção bilateral de DAB no hipocampo, sugerindo que era resultado da glicogenólise astrocítica.

Além disso, descobrimos que a injeção hipocampal do isômero inativo D-lactato antes do treino também bloqueia a retenção da memória de longo prazo, sugerindo que o metabolismo do lactato é fundamental para a formação da memória de longo prazo. Efeitos semelhantes na retenção de memória foram observados após o knockdown dos transportadores de lactato (MCTs). Notavelmente, embora os prejuízos de memória induzidos pelo knockdown de transportadores de lactato expressos em astrócitos (MCT1 e MCT4) tenham sido resgatados pela adição de L-lactato, o prejuízo induzido pelo knockdown do transportador expresso em neurônios (MCT2) não foi consistente com a ideia de que o transporte de lactato para fora dos astrócitos e para os neurônios é fundamental para a formação da memória. De acordo com essa interpretação, um gradiente de lactato entre astrócitos e neurônios foi recentemente observado e caracterizado em alta resolução em microscopia de dois fótons (Machler et al. 2016). Portanto, concluímos que a glicogenólise e o transporte de lactato astrócitos-neurônios suportam criticamente as funções neuronais necessárias para a formação da memória de longo prazo. Uma investigação mais recente apoiou ainda mais o papel do lactato astrocitário na formação da memória, mostrando que o treinamento IA induz a expressão hipocampal de moléculas envolvidas no transporte astrocitário-neuronal, como os MCTs e a expressão da lactato desidrogenase (LDH) A e B, as enzimas que catalisar a interconversão de lactato e piruvato (Tadi et al. 2015).

Conclusões semelhantes foram alcançadas por Newman et al. (2011), que empregou biosondas sensíveis para medir os níveis de glicose e lactato no hipocampo de ratos enquanto eles eram submetidos a uma tarefa de memória de trabalho espacial. Eles descobriram que, enquanto a glicose extracelular diminuiu, os níveis de lactato aumentaram durante o desempenho da tarefa e as infusões intra-hipocampais de L-lactato melhoraram a memória nessa tarefa. Além disso, a inibição farmacológica da glicogenólise astrocítica com DAB prejudicou a memória, e esse comprometimento foi revertido por L-lactato ou glicose, os quais podem fornecer lactato aos neurônios na ausência de glicogenólise. Neste estudo, como no nosso, o bloqueio dos MCTs responsáveis ​​pela captação de lactato nos neurônios prejudicou a memória, e esse comprometimento não foi revertido pela glicose ou L-lactato, novamente apoiando a ideia de que a captação de lactato pelos neurônios é necessária para apoiar a formação da memória . Os autores concluíram, como nós, que os astrócitos regulam a formação da memória controlando o fornecimento de lactato para sustentar as funções neuronais.

Estudos adicionais baseados em abordagens genéticas apoiam essas conclusões. Delgado-Garcia e colegas descobriram que o nocaute da glicogênio sintase no sistema nervoso de camundongos prejudica tanto a LTP hipocampal quanto o aprendizado associativo (Duran et al. 2013). Além disso, Boury-Jamot et al. (2016) e Zhang et al. (2016) relataram que a consolidação e reconsolidação do condicionamento apetitivo usando drogas de abuso (ou seja, preferência de lugar condicionada por cocaína ou autoadministração) também são dependentes da glicogenólise e do transporte direcional de lactato dos astrócitos para os neurônios via MCTs na amígdala basolateral (BLA) de ratos. Além disso, o lactato extracelular, medido por microdiálise in vivo, é elevado no BLA após treinamento e recuperação de IA (Sandusky et al. 2013).

Consistente com os resultados desses estudos, descobrimos que a glicogenólise do BLA é crítica para a formação da memória IA, como demonstrado pelo fato de que a injeção bilateral de DAB no BLA 15 minutos antes do treinamento IA interrompeu grave e persistentemente a retenção de memória em ratos. Essa deficiência não foi resgatada por um choque de lembrete aplicado em um contexto diferente, um protocolo que restabelece memórias extintas (Inda et al. 2011), sugerindo que o bloqueio da glicogenólise na amígdala antes do treinamento interrompe o processo de consolidação. A coadministração de L-lactato com DAB na amígdala resgatou o comprometimento da memória, confirmando a importância dos papéis da glicogenólise e do lactato em diversas áreas cerebrais para a consolidação da memória IA (Figura 3).

As funções-alvo alimentadas pelo metabolismo do lactato e/ou da glicose ainda são amplamente desconhecidas. A energia cerebral é necessária para suportar os pulsos elétricos necessários para a comunicação neuronal e para muitas atividades domésticas, incluindo síntese de proteínas, metabolismo de fosfolipídios, ciclagem de neurotransmissores e transporte de íons através das membranas celulares (Du et al. 2008). Como mostrado pelos estudos descritos acima, o metabolismo do lactato suporta a formação da memória de longo prazo e o aumento dependente do treinamento na expressão de várias moléculas relacionadas à atividade e plasticidade, incluindo Arc, cFos e Zif268 (Gao et al. 2016; Suzuki et al. . 2011;

Yang et ai. 2014). Esses efeitos são dependentes do receptor NMDA, o que implica que as alterações dependentes do lactato estão ligadas à atividade e/ou plasticidade (Yang et al. 2014). Invivo, o lactato é suficiente para manter a atividade neuronal (Wyss et al. 2011) e dados recentes mostraram que o K intersticial mais elevações podem ativar um canal na membrana dos astrócitos através do qual o lactato astrocitário pode fluir para o interstício, em paralelo com o transporte estabelecido via MCTs (Sotelo-Hitschfeld et al., 2015). Essa via de liberação de lactato astrocitário é acoplada ao potencial de membrana e permite a liberação de lactato contra um gradiente de concentração, enquanto o MCT é eletroneutro e o fluxo líquido é governado pelas concentrações transmembrana de H+ e lactato. Além disso, foi demonstrado um mecanismo astrocitário através da adenilil ciclase solúvel responsiva ao bicarbonato, levando à quebra do glicogênio, aumento da glicólise e liberação de lactato no espaço extracelular, que é posteriormente absorvido pelos neurônios para uso como substrato energético (Choi et al. . 2012). Coletivamente, esses estudos suportam a conclusão de que a entrega de lactato pelos astrócitos aos neurônios pode ser regulada de várias maneiras em resposta à atividade e são necessários estudos para entender se mecanismos paralelos ou seletivos ocorrem durante o aprendizado. No entanto, verifica-se que o lactato é necessário para suportar não apenas a homeostase da membrana iônica após a despolarização, mas também inúmeras outras funções neuronais necessárias para modificações de longo prazo associadas à formação e armazenamento da memória.