חלק 1: אסטרוציטים גליקוגן ולקטאט: תובנות חדשות על מנגנוני למידה וזיכרון

למידע נוסף:ali.ma@wecistanche.com

בבקשה, לחץ כאן לחלק 2

כריסטינה מ. אלבריני, עמנואל קרוז, ג'אנינה דסקלזי, בנג'מין בסייר ווירג'יניה גאו

המרכז למדעי העצבים, אוניברסיטת ניו יורק, ניו יורק, ניו יורק, 10003

לחץ כדיציסטנץ' וציסטאנצ'ה לזיכרון

תַקצִיר

זיכרון, היכולת לשמור מידע נלמד, הכרחית להישרדות. עד כה, חקירות מולקולריות ותאיות שלזיכרוןהיווצרות ואחסון התמקדו בעיקר במנגנונים נוירונים. עם זאת, בנוסף לנוירונים, המוח כולל סוגים אחרים של תאים ומערכות, כולל גליה וכלי דם. בהתאם לכך, עבודת ניסוי אחרונה החלה לשאול שאלות על התפקידים של תאים שאינם נוירונים בזיכרוןהיווצרות. מחקרים אלו מספקים הוכחות לכך שכל סוגי תאי הגליה (אסטרוציטים, אוליגודנדרוציטים ומיקרוגליה) תורמים תרומה חשובה לעיבוד המידע המקודד ואחסון זיכרונות. בסקירה זו, אנו מסכמים ודנים בממצאים אחרונים על התפקיד הקריטי של אסטרוציטים כספקי אנרגיה לשינויים עצביים ארוכי טווח הנחוצים לטווח ארוך.זיכרוןהיווצרות. אנו מתמקדים בשלושה ממצאים עיקריים: ראשית, תפקידו של חילוף החומרים של גלוקוז והצימוד המטבולי תלוי הלמידה והפעילות בין אסטרוציטים ונוירונים בשירות לטווח ארוך.זיכרוןהיווצרות; שנית, תפקידו של חילוף החומרים של גלוקוז אסטרוציטי בעוררות, מצב התורם ליצירת זיכרונות ארוכי טווח ומפורטים מאוד; ולבסוף, לאור דרישות האנרגיה הגבוהות של המוח במהלך ההתפתחות המוקדמת, נדון בתפקיד האפשרי של מטבוליזם של גלוקוז אסטרוציטי ונוירוני ביצירת זיכרונות מהחיים המוקדמים. אנו מסכמים בהצעת כיוונים עתידיים ובדיון בהשלכות של ממצאים אלה על בריאות המוח ומחלות.

מילות מפתח

גלוקוז; חילוף חומרים; גליה; גליקוליזה; גליקוגנוליזה; עוררות רגשית; התפתחות

טווח ארוךזיכרוןוהמנגנונים הביולוגיים הבסיסיים של נוירונים מרכזיים של המנגנונים הביולוגיים והמעגלים הבסיסיים שלהם. למרות שזכרונות ארוכי טווח דורשים בדרך כלל ביטוי דנובוגני, זיכרונות לטווח קצר מסתמכים על שינויים של חלבון לאחר תרגום (Alberini 2009; Alberini and Kandel 2014; Squire and Dede 2015).

ניתן גם לחלק זיכרונות לקטגוריות שונות על בסיס סוג המידע המקודד והמאוחסן. לדוגמה, הבחנה מרכזית אחת מסווגת זיכרונות כמפורשים (הידועים גם כדקלרטיביים בבני אדם) או כמרומזים (לא הצהרתיים) (Squire 2004). זיכרונות מפורשים שומרים מידע על עובדות, אנשים, מקומות ודברים (הידועים גם בתור זיכרונות של מה, איפה, מי ומתי, או זיכרונות www), וכוללים זיכרונות אפיזודיים וסמנטיים. זיכרונות מרומזים, הנזכרים באופן לא מודע/אוטומטי, שומרים על מידע על תגובות אוטומטיות שנלמדו, וכוללים פרימינג, זיכרונות פרוצדורליים (זיכרונות של איך לעשות דברים), ורפלקסים פשוטים (Tulving 1972; Squire and Wixted 2011). זיכרונות גלויים ומרומזים מגייסים מערכות נפרדות (רשת של אזורים) לקידוד, איחוד ואחסון שלהן. מחקרים קליניים ובעלי חיים חשפו שזיכרונות מפורשים מעובדים על ידי האונה הטמפורלית המדיאלית, שבתוכה אזור קריטי אחד הוא ההיפוקמפוס, בעוד שזיכרונות מרומזים מעובדים במקום אחר ויכולים לפעול בהיעדר מערכת מפורשת שלמה (Eichenbaum 2006; Kim and Fanselow 1992; Scoville and Milner 1957; Squire and Wixted 2011). לפיכך, זיכרונות מפורשים מכונים גם זיכרונות תלויי היפוקמפוס. אם כי מרומז ומפורשזיכרוןמערכות ניתנות לניתוק תפקודי, בתנאים בריאים רגילים הן משתפות פעולה כדי לעבד ולאחסן מידע מורכב (Kim and Baxter 2001; McDonald et al. 2004).

מחקרים שמטרתם להבהיר את הבסיסים הביולוגיים של זיכרונות ארוכי טווח התמקדו בעיקר בזיכרונות התלויים בהיפוקמפוס. עם זאת, רוב ההבנה שלנו לגבי המנגנונים התאיים והמולקולריים שבבסיסםזיכרוןהיווצרות ואחסון נבעו בתחילה מחקירות של צורות פשוטות של למידה, כמו רפלקס נסיגת הזימים של Aplysia California ולמידת חוש הריח ב- Drosophila melanogaster (Yin et al. 1994; Dubnau and Tully 1998; Davis 2011; Kandel 2012). ב-Aplysia, מחקרים אלה חשפו מידע רב על המסלולים המולקולריים והתאיים שהופעלו וגויסו ליישום שינויים ארוכי טווח של חוזק סינפטי או פלסטיות סינפטית ארוכת טווח. נתונים אלה התכנסו לתוצאות גנטיות והתנהגותיות שהתקבלו ב-Drosophila. בהנחיית ידע זה משתי מערכות חסרי חוליות אלו, מחקרים על פרדיגמות זיכרון של יונקים גילו שמסלולים מולקולריים דומים נחוצים גם ביונק המורכב יותרזיכרון, כולל זיכרונות התלויים בהיפוקמפוס. בסופו של דבר, מחקרים רבים ב-30 השנים האחרונות על מינים רבים התכנסו למסקנה שמנגנונים ביולוגיים שנשמרו מבחינה אבולוציונית עומדים בבסיס הפלסטיות הסינפטית ארוכת הטווח ויצירת זיכרון לטווח ארוך (Alberini 2009; Kandel 2012; Kandel et al. 2014). דוגמה קלאסית אחת, שנחקרה בהרחבה, היא התפקיד השמור מבחינה אבולוציונית של האדנוזין מונופוספט המחזורי (cAMP) - מסלול תלוי והפעלה מקושרת פונקציונלית של חלבון cAMP-response element-binding (CREB) - מפל תלוי של ביטוי גנים ( Kida and Serita 2014; Lonze and Ginty 2002; Silva et al. 1998) (איור 1).

מודלים רבים של יונקים של סוגים שונים של זיכרון לטווח קצר וארוך, במיוחד במכרסמים, הופעלו כדי לחקור את המורכבות של יונקיםזיכרוןעיבוד במגוון אזורי מוח. מחקרים אלו גילו כי הביטוי והוויסות שלאחר התרגום של מחלקות רבות של גנים, RNA וחלבונים נדרשים ליצירת זיכרון ואחסון לטווח ארוך; אלה כוללים גנים מיידיים-מוקדמים (למשל, c- Fos, Zif268, NPAS4 ו-Arg/Arg3.1) (Bramham et al. 2008; Guzowski 2002; Loebrich and Nedivi 2009; Sun and Lin 2016; Veyrac et al. 2014), קולטנים מטבוטרופיים ואיונוטרופיים

עבור נוירוטרנסמיטורים שונים (כגון, AMPA, NMDA, Kainate, GABA וקולטנים מטאבוטרופיים לגלוטמט) ונוירומודולטורים (לדוגמה, קולטנים דופמינרגיים וסרוטונינרגים), גורמים נוירוטרופיים (כגון קולטן טירוזין קינאז) (Fanselow et al. 1994; Gonzalez and Ferb. -Velasco 2008; Kandel 2001; Makkar et al. 2010; Morris 2013; Purcell and Carew 2003; Riedel 1996; Riedel et al. 2003), קינאזות (למשל, ERK, CamKII, PKA, PKC, PKM)ζ (Bejar ו-MAPK) et al. 2002; Kandel 2012; Lisman et al. 2002; Mayford 2007; Pastalkova et al. 2006; Rahn et al. 2013), גורמי שעתוק (למשל, CREB, C/EBP, NFkB, AP1, NPAS4, NR468 , ו-SRF) (Alberini 2009; Alberini and Kandel 2014; Jones et al. 2001; Sun and Lin 2016), מווסתים אפיגנטיים (למשל, MSK1, RSK2, NFkB, DNMT, HATs ו-HDACs) (Day and Sweatt 2011; de la Fuente et al. 2015; Franklin and Mansuy 2010; Rudenko and Tsai 2014), microRNAs (למשל, miR-124, miR-132, miR-128b ו-miR{{33} }) (Bredy et al. 2011; Nudelman et al. 2010; Saab and Mansuy 2 014), ומספר חלבוני אפקטור העוסקים בשינויים מבניים, כגון מולקולות היצמדות לתאים (למשל, neurexin ונוירוליגין) (Murase and Schuman 1999; ורד 1996; Ye et al. 2017; ביילי וחב'. 2015) (איור 1).

מחקרים מולקולריים אלו עברו במקביל למחקרים אלקטרו-פיזיולוגיים, שהראו כי המנגנונים התאיים העומדים בבסיסם לטווח ארוךזיכרוןכרוכים בשינויים תפקודיים סינפטיים ארוכי טווח, ובמיוחד עליות או ירידה ארוכות טווח בהעברה הסינפטית הידועה כפוטנציאל ארוך טווח (LTP) ודיכאון ארוך טווח (LTD), בהתאמה (Bliss and Collingridge 1993; Malenka and Bear 2004) . שינויים אלקטרו-פיזיולוגיים נוספים במוח שהיו מעורבים ביצירת זיכרון לטווח ארוך כוללים קוהרנטיות אלקטרואנצפלוגרמה (EEG), כלומר סנכרון פאזה של תנודות פוטנציאל שדה, אשר מתאם את תזמון הזינוק העצבי כדי לקדם פלסטיות סינפטית על פני אזורי מוח מבוזרים (Corcoran et al. al. 2016; Zanto et al. 2011). יש לציין שתקשורת זו ברמת המערכת בין אזורי מוח נשלטת על ידי אדוות גל חדות (SPW-Rs) (Buzsáki 2015), דפוס אוכלוסייה אסינכרוני בהיפוקמפוס העוסק בדיבור צולב עם שטח רחב של קליפת המוח וכמה גרעינים תת-קליפתיים. SPW-Rs מתרחשים במצבים "לא מקוונים" של המוח בזמן ערות ובשנת REM, והם מאמינים שהם מגבשים זיכרונות אפיזודיים על פני מערכת ההיפוקמפוס-קליפת המוח (Buzsáki 2015; Inostroza and Born 2013). פעילויות כלל-מערכתיות אלו מספקות הסבר מכניסטי אפשרי מדוע זיכרונות התלויים בהיפוקמפוס, שהם שבירים במהלך התקופה הראשונית כאשר הם מעורבים ברשת של אזורי היפוקמפוס וקליפת המוח, הופכים ליציבים יותר ובלתי תלויים בהיפוקמפוס באופן בלעדי עם הזמן. חלוקה מחדש זו של ייצוגי זיכרון ואחסון ידועה כקונסולידציה ברמת המערכת (Dudai et al. 2015; Squire et al. 2015; Frankland and Bontempi 2005).

למרות שמחקרים אלה סיפקו מידע רב על הבסיסים הביולוגיים של למידה וזיכרון, הם התמקדו במנגנונים נוירונים ובעקבות כך הפיקו מסקנות מוגבלות בעיקר לנוירונים ותפקודים נוירונים. עם זאת, בנוסף לנוירונים, המוח מורכב מסוגים רבים של תאים ומערכות, כולל גליה וכלי דם

מערכות. חקירות אחרונות החלו להעריך את תפקידם של תאים שאינם נוירונים בטווח הארוךזיכרוןוסיפק ראיות ברורות לכך שכל סוגי תאי הגליה (כלומר אסטרוציטים, אוליגודנדרוציטים ומיקרוגליה) ממלאים תפקידים קריטיים בעיבוד הזיכרון (Adamsky and 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).

אסטרוציטים מצוידים במיוחד להשפיע על תפקודים עצביים המעורבים ביצירת זיכרון (Haydon and Nedergaard 2014; Moraga-Amaro et al. 2014): הם מעוררים באמצעות תנודות סידן ומגיבים לנוירוטרנסמיטורים המשתחררים בסינפסות; הם מסתנכרנים באמצעות גלי סידן ומשחררים את הגליוטרנסמיטרים של עצמם, החיוניים לפלסטיות הסינפטית; הם מתקשרים עם כלי דם ובכך מצמידים את זרימת הדם (זרימת הדם) לפעילות מוחית מקומית; ולבסוף, הם מווסתים את חילוף החומרים האנרגיה לתמיכה בתפקודים עצביים, כולל אלה הנדרשים עבורזיכרוןהיווצרות (Henneberger et al. 2010; Pannasch and Rouach 2013; Perea et al. 2009; Bazargani and Attwell 2016). בהתייחס לתפקיד מטבולי זה, אסטרוציטים ממוקמים בצורה מושלמת כדי לאזן את חילוף החומרים של גלוקוז במוח: בצד אחד, כפות הרגליים האסטרוציטיות מתקשרות ישירות עם שכבות כלי הדם המייבאות גלוקוז מהדם באמצעות טרנספורטר הגלוקוז הסלקטיבי GLUT1, ו מצד שני, תאים אלה מאריכים תהליכים העוטפים את התאים הפרה-ופוסט-סינפטיים של נוירונים (Falkowska et al. 2015; Morgello et al.

1995) (איור 2).

בסקירה זו, נדון ספציפית בתרומתם הקריטית של אסטרוציטים, הפועלים כמווסתים של חילוף החומרים של גלוקוז,זיכרוןהיווצרות ואחסון.

מטבוליזם של גליקוגן וגלוקוז ממלא תפקידים קריטיים בזיכרוןהיווצרות

מחקרים של פול גולד ועמיתיו זיהו גלוקוז מערכתי כמתווך שלזיכרון-השפעה משפרת של נוראדרנלין (Gold and Korol 2012). זיכרונות המקודדים במצבי עוררות זכורים טוב יותר (כלומר, לתקופות ארוכות יותר ועם פירוט רב יותר), וידוע כי עוררות מווסתת את שחרור האפינפרין מבלוטות האדרנל. אפינפרין קושר קולטנים אדרנרגיים (ARs) על הפטוציטים ומתחיל את פירוק הגליקוגן, פולימר של גלוקוז המאוחסן בכבד (Sutherland and Rall 1960), המוביל לשחרור גלוקוז לזרם הדם. זריקות גלוקוז סיסטמיות במינונים דומים לאלו שנמצאו בדם לאחר טיפול באפינפרין מספיקות להגברתזיכרון, בעוד שמאגר נמוך של גליקוגן בכבד, כמו בחולדות חסרות מזון או מבוגר, קשור לחוסר שיפור זיכרון בעקבות טיפול באפינפרין (Morris et al. 2010; Talley et al. 2000). לעומת זאת, קולטנים אדרנרגיים חוסמים באופן היקפי חוסם את יכולתו של אפינפרין לשפרזיכרוןולהעלות את רמת הגלוקוז בדם. יחד, מחקרים אלו תומכים במסקנה שמנגנון עיקרי העומד בבסיס הפעולות של אפינפרין המשתחרר מעוררות הוא העלייה ברמת הגלוקוז בדם.

השפעת הגלוקוז בתור אזיכרוןמשפר נצפה הן בזריקות מערכתיות והן בזריקות תוך מוחיות, והוא נקשר לוויסות של שחרור נוראפינפרין או אצטילכולין. רגוצינו ועמיתיו הראו שגם זריקות סיסטמיות וגם תוך-היפוקמפוס של גלוקוז, כמו זריקות של אפינפרין, משפרות חילופין ספונטני, צורה של עבודה מרחבית.זיכרון, ולהגביר את שחרור אצטילכולין בהיפוקמפוס (Ragozzino et al. 1998; Ragozzino et al. 1996).

ההבנה של תפקידו של גלוקוז על אפנון זיכרון התקדמה במידה ניכרת על ידי התצפית שכאשר חולדות נבדקות במשימת חילופין ספונטנית, רמות הגלוקוז החוץ-תאי בהיפוקמפוס יורדות באופן משמעותי. לפיכך, הוצע כי למידה וזיכרוןלצרוך גלוקוז, ככל הנראה כדי לתמוך בדרישות האנרגיה של המוח בזמן שהוא מעבד את החוויה החדשה ומאחסן את המידע החשוב (McNay et al.

2000; McNay et al. 2001; מקני ושרווין 2004).

ואכן, המוח צורך רמות גבוהות של אנרגיה: המוח הבוגר משתמש בממוצע בכ-20% מכלל אנרגיית הגוף, למרות שהוא מהווה רק 2% ממשקל הגוף הכולל. גלוקוז, המקור העיקרי לאנרגיה הנכנסת למוח ממחזור הדם, יכול לעבור חילוף חומרים ישירות או לאחסן בצורה של גליקוגן. במוח הבוגר, גליקוגן מאוחסן בעיקר באסטרוציטים (Brown et al. 2004; Brunet et al. 2010; Cali et al. 2016; Cataldo and Broadwell, 1986; Maxwell and Kruger 1965; Petersen 1969; Pfeiffer-Guglielmi et al. 2003; נסקר ב-Waitt וחב' משנת 2017), ובתנאים של דרישת אנרגיה גבוהה כמו מניעת גלוקוז או פעילות עצבית אינטנסיבית, ניתן לקטבול אותם כדי לספק במהירות מצעים מטבוליים (כלומר, פירובט ולקטאט) (Brown and Ransom 2015). למרות שלנוירונים יש את המנגנון האנזימטי לאחסן ולפרק גליקוגן, בתנאים פיזיולוגיים, הם מדכאים אגירה של גליקוגן באמצעות שורה של מנגנונים. למעשה, אגירת גליקוגן בנוירונים נצפה רק במחלות נוירולוגיות קשות כמו אפילפסיה מתקדמת של מיוקלונוס או מחלת לאפורה, הפרעה מוחית המאופיינת בהתקפים חוזרים (אפילפסיה) וירידה בתפקוד האינטלקטואלי (Vilchez et al. 2007). לפיכך, גלוקוז, בין אם עובר חילוף חומרים ישירות באמצעות גליקוליזה או מסופק על ידי גליקוגנוליזה אסטרוציטית, עשוי לתדלק את דרישות האנרגיה הגבוהות הקשורות לשינויים התאיים שבבסיס הלמידה,זיכרוןהיווצרות, וזיכרוןאִחסוּן.

שאלה אחת של ויכוחים ארוכות היא האם נוירונים מייבאים ישירות גלוקוז הנכנס למוח מהדם ומשתמשים בו באופן מיידי כדי לספק את האנרגיה הנדרשת לתמיכה בתפקודיהם. מודל חלופי, שהוצע על ידי Pellerin and Magistretti (Pellerin and Magistretti 1994), מציע שדרישות האנרגיה הגבוהות של נוירונים מגורים נתמכים על ידי אסטרוציטים, המספקים לנוירונים לקטט המיוצר באמצעות גליקוליזה אירובית, ובכך מספקים את האנרגיה הדרושה לפעילות- תפקודים עצביים המושרים; מכאן, במקרה של למידה, על השינויים הכרוכים בעיבוד ואחסון זיכרונות. ייתכן גם ששני המנגנונים מנוצלים, אולי בתגובה לתנאים ספציפיים.

המודל שהוצע על ידי Magistretti ו-Pellerin זכה לוויכוח רב. ויכוחים אלה מורכבים וסביר להניח שמשקפים את מורכבות הרגולציות המטבוליות בתנאים שונים. בהתחשב במגוון התנאים והמערכות הללו, לא נוכל לדון בנקודות הדיון בכתב יד זה, ולכן אנו מתייחסים למספר סקירות המדווחות עליהן (Chih et al., 2001; Chih and Roberts, 2003; Dienel and Hertz, 2001 ; Pellerin and Magistretti, 2003, 2012; Aubert et al., 2005; Dienel, 2010, 2017; DiNuzzo et al., 2010; Steinman et al. 2016). עם זאת, נדון בספרות החשובה לממצאי התפקידים של גליקוגן, גלוקוז ולקטט בלמידה ובזיכרון וכן בפלסטיות המוח.

מספר מחקרים דיווחו שגירוי של אזורי מוח מגביר את הגליקוגנוליזה והגליקוליזה, כמו גם את ספיגת הגלוקוז, באסטרוציטים, בהתאם לרעיון שחילוף החומרים של גליקוגן וגלוקוז אסטרוציטי נחוצים כדי לקיים תהליכים תלויי פעילות. לדוגמה, ספקטרוסקופיה של NMR, המאפשרת מדידה של לקטאט אינוויו, חשפה עלייה של לקטט בקליפת הראייה האנושית במהלך גירוי פוטי פיזיולוגי (Prichard et al. 1991), ומדדים מבוססי מיקרו-חיישן גילו עלייה בריכוז הלקטט החוץ-תאי בשיניים. gyrus של ההיפוקמפוס של חולדה לאחר גירוי חשמלי של המסלול הנקב (Hu and Wilson 1997). יתר על כן, גירוי שפם בחולדה ערה מוביל לפירוק גליקוגן מהיר בשכבה IV של הקורטקס הסומטוסנסורי (Swanson et al. 1992) וגורם לעלייה מועדפת בספיגת הגלוקוז לאסטרוציטים בהשוואה לנוירונים בקליפת המוח הסומטו-סנסורית (Chuket et al. al., 2010), אם כי יש להבין פרטים מכניסטיים יותר (Dienel and Cruz 2015). המיקום הפיזי של אסטרוציטים, בין זרימת הדם מצד אחד לנוירונים מצד שני, תומך עוד יותר ברעיון שהוויסות האסטרוציטי של חילוף החומרים של הגלוקוז מסבסד את דרישות האנרגיה של פעילות, פלסטיות, למידה וזיכרוןהיווצרות.

בהתאם לתפיסה זו, פרופיל מטבולי של אסטרוציטים ונוירונים חשף מאפיינים ברורים המצביעים על כך שהגליקוליזה מתרחשת בעיקר באסטרוציטים. לדוגמה, נוירונים מתורבתים מייצרים CO2 בקצב גבוה בהרבה מאסטרוציטים, והפרופילים האנזימטיים שלהם תואמים את הדומיננטיות היחסית של גליקוליזה בתאי גליה וחמצון בנוירונים (Bélanger et al. 2011; Hamberger and Hydén 1963; Hydén and Lange 1962). בנוסף, אסטרוציטים מבודדים בצורה חריפה מטוהרים ב-FACS מציגים פרופיל גליקוליטי בעיקרו (Lovatt et al. 2007; Zhang et al. 2014). לבסוף, האנזים 6-phosphofructo-2- kinase/fructose-2,6-bisphosphatase 3 (Pfkfb3), המעודד גליקוליזה, פעיל באסטרוציטים אך נתון כל הזמן לפירוק פרוטאזומלי ב נוירונים (Bolaños et al. 2010; Herrero-Mendez et al. 2009), שוב תומכים ברעיון שהאסטרוציטים הם האתרים העיקריים של הגליקוליזה. לפיכך, מספר רב של ראיות מתכנס למסקנה שאסטרוציטים הם בעיקר תאים גליקוליטים, בעוד נוירונים אינם, ובמקום זאת מציגים פעילות חמצונית גבוהה.

ההדגמה הראשונה שגליקוליזה אסטרוציטית היא קריטית ללמידה ולזיכרון הגיעה ממחקרים שבוצעו על ידי ליף הרץ, מארי גיבס ועמיתיו, שהראו שגליקוגנוליזה הכרחית ליצירת זיכרון. באמצעות אימוני הימנעות מטעם בגוזל בן יום, הם הראו שהזרקה תוך גולגולתית של מעכב גליקוגן פוספורילאז, 1,4-Dideoxy-1,4-imino-d-arabinitol (DAB) , פגע בזיכרון באופן תלוי מינון, והגיע למסקנה שגליקוגנוליזה היא דרישה קריטית לטווח ארוךזיכרוןאחסון (Gibbs et al. 2006). בהתאם למסקנה זו, פירוק הגליקוגן במוח עולה באופן משמעותי במהלך הפעלה חושית בחולדות (Cruz and Dienel 2002; Swanson et al. 1992), ומחקרים מאוחרים יותר המפורטים להלן הוכיחו שגליקוגן תורם למספר סוגים של היווצרות זיכרון בחולדות עכברים. בנוסף לגליקוגנוליזה, ייתכן שיהיה צורך גם בגליקוליזה אירובית עבורזיכרוןהיווצרות, כפי שהתגלה בניסויים שבהם מעכב הגליקוליזה 2-דאוקסיגלוקוז הוזרק למוחותיהם של אפרוחים בני יום אחד באימון, וכתוצאה מכך פגיעה בזיכרון לטווח ארוך (Gibbs et al. 2007). לפיכך, מספר מחקרים התכנסו למסקנה שגליקוגנוליזה וגליקוליזה אירובית, וכתוצאה מכך לייצור לקטט, קשורות באופן קריטי ליצירת זיכרון. זה מעלה כמה שאלות: איך בדיוק מתרחשת הרגולציה הזו? כיצד מצמידים אסטרוציטים לנוירונים באופן תפקודי? מהם מנגנוני המטרה שצורכים רמות גבוהות של אנרגיה עם הלמידה ומאפשרים לגבש זיכרון להתרחש?

גליקוליזה אסטרוציטית, גליקוליזה אירובית ולקטט הם קריטיים לטווח ארוךזיכרוןהיווצרות במספר אזורים במוח

מודל שהוצע על ידי Pellerin and Magistretti (Pellerin and Magistretti 1994), המכונה מעבורת אסטרוציטים-נוירון lactate (ANLS), מציע שגליקוליזת אסטרוציטים וחמצון עצבי ממלאים תפקידים מתואמים ביצירת זיכרון לטווח ארוך באמצעות הובלה של לקטט. מודל זה מנבא שעירור, ומכאן שחרור גלוטמט, ממריץ את ספיגת הגלוטמט על ידי אסטרוציטים, אשר הופך לגלוטמין (מחזור גלוטמט-גלוטמין), ובסופו של דבר מקיים שחרור סינפטי של גלוטמט. מחזור זה דורש אנרגיה מאסטרוציטים, אשר לפיכך יפעיל את ספיגת הגלוקוז מהדם וחילק אותו ללקטט. לקטט, המשתחרר על ידי אסטרוציטים באמצעות טרנספורטרים מונוקרבוקסיליטים (MCTs), יכול להיכנס לסוגים אחרים של תאים באמצעות טרנספורטרים דומים, הפועלים על בסיס שיפוע ריכוז של פרוטונים ומונוקרבוקסילטים על פני קרום הפלזמה (Halestrap 2013; Pierre and Pellerin 2005). MCTs הם מעבירי קרום פלזמה מקושרים לפרוטון הנושאים מולקולות המכילות קבוצת קרבוקסילטים אחת (ומכאן המונח מונוקרבוקסילטים), כגון גופי לקטט, פירובט וקטון, על פני ממברנות פלזמה. MCT1 מתבטא באסטרוציטים, אפנדימוציטים, אוליגודנדרוציטים ותאי אנדותל של כלי דם, ואילו MCT4 מבוטא באופן סלקטיבי על ידי אסטרוציטים ומועשר באתרים סינפטיים (Pierre and Pellerin 2005; Rinholm et al. 2011; Suzuki et al.). MCT2, לעומת זאת, מתבטא באופן סלקטיבי על ידי נוירונים (Debernardi et al. 2003).

לפיכך, לקטט, המשוחרר על ידי אסטרוציטים דרך MCT4 ו-MCT1 מועבר על ידי MCT2 לנוירונים, שם הוא הופך לפירובט שעובר חילוף חומרים לאחר מכן באמצעות זרחון חמצוני במיטוכונדריה לייצור 14-17 ATPs לכל מולקולת לקטט (איור 2). אספקת לקטט זו מאסטרוציטים לנוירונים מספקת הסבר כיצד נוירונים עשויים להתמודד עם דרישות האנרגיה הגבוהות המעוררות תהליכים פעילים בתגובה לגירויים.

המחקרים הראשונים שתיארו את ה-ANLS בוצעו במבחנה, והועלו שאלות לגבי האם המנגנונים הללו התרחשו invivo (Chih and Roberts 2003; Dienel and Cruz 2004; Gjedde et al. 2002). עם זאת, מחקרים של הרץ וגיבס בגוזל המתואר לעיל העלו שגליקוגנוליזה מעורבת בזיכרוןהיווצרות (לסקירה ראה Gibbs 2016). במחקרים אלו, האפרוחים נחשפו לשני חרוזים, אחד אדום ואחד כחול, ואומנו להימנע מנקר החרוז האדום על ידי קשר לטעם סוחף. במהלך מבחן ההחזקה נמדד היחס בין מספר הנקרות של חרוזים אדומים וכחולים, שחשף עלייה בהימנעות מנקר חרוזים אדומים; השינוי ביחס ההבחנה מעיד על זיכרון (Hertz et al. 1996). התוצאות הראשוניות הראו כי רמות הגליקוגן במוח הקדמי ירדו 30 דקות לאחר הלמידה, במקביל לעלייה בגלוטמט, דבר המצביע על דנובוסינתזה של גלוטמט מגליקוגן לתמיכהזיכרוןקונסולידציה (Hertz et al. 2003; O'Dowd et al. 1994). כמה שנים מאוחר יותר, אותה קבוצה הראתה ש-DAB פוגע בזיכרון סלידה מהטעם בגוזלים בני יום כאשר הוא מוזרם לאזור האסוציאציה הקדמית של המוח הקדמי, ה-Intermediate Medial Mesopallium (IMM), אזור מוחי הנדרש לגיבוש זיכרון (Gibbs et al. 2006) ; Gibbs and Hertz 2008). לאחר מכן הם מצאו שדי בגלוטמין כדי להציל את הזיכרון, ומכאן הציעו שגליקוגנוליזה היא קריטית עבור מעבורת הגלוטמט/גלוטמין, שעלולה להיות מושפעת גם מ-DAB. מחקר שלאחר מכן מאותם מחברים הראה ש-L-lactate מספיק גם כדי להציל את זיכרון סלידה מטעם אפרוחים לאחר טיפול במעכב של גליקוגנוליזה (DAB) או גליקוליזה (2-deoxyglucose) (Gibbs et al. 2007). יתר על כן, מתן D-lactate, הצורה התחרותית הלא-ביולוגית הפעילה של לקטט, סלידה מפגיעה בטעם של אפרוחזיכרוןעם עיכוב זמן שהצביע על כך שהוא מעכב את חילוף החומרים של L-lactate ולא ספיגה, מה שהוביל את המחברים למסקנה שמטבוליזם אסטרוציטי באמצעות גליקוגנוליזה ומטבוליזם לקטט הוא קריטי ליצירת זיכרון (Gibbs and Hertz 2008). ממצאים אלו תמכו ברעיון שלמידה בגוזל היילוד מסתמכת על פירוק הגליקוגן לצורך סינתזת גלוטמט באסטרוציטים (Gibbs et al. 2007).

עם זאת, פרשנות נוספת היא שלקטט המיוצר על ידי גליקוגנוליזה מועבר לתוך נוירונים לשימושם, ובכך תורם לתמיכה בשינויים נוירונים קריטיים ליצירת זיכרון. בדקנו השערה זו שעוררה מוחות של יונקים, תוך התמקדות ספציפית בשאלה האם מנגנונים של גליקוגנוליזה, שחרור לקטט אסטרוציטי והובלה לנוירונים מעורבים בגיבוש זיכרון, התהליך המייצב זיכרון חדש שנוצר, שברירי בתחילה, לייצוג יציב לאורך זמן (Alberini 2009) , דודאי 2004).

באמצעות חולדות בוגרות שאומנו במשימת הימנעות מעכבת (IA), שבה החיות לומדות להימנע מהקשר שצויד בעבר עם הלם כף הרגל (תגובה הקשרית לאיום), הדגמנו שלקטט המועבר מאסטרוציטים לנוירונים בהיפוקמפוס. תפקיד קריטי בגיבוש זיכרון לטווח ארוך (Suzuki et al. 2011). באופן ספציפי, מצאנו שגליקוגנוליזה אסטרוציטית אסטרוציטית בהיפוקמפוס נדרשת לגיבוש זיכרון, חיזוק ההיפוקמפוס לטווח ארוך, ועלייה הנגרמת על ידי למידה בשינויים מקרו-מולקולריים סינפטיים ותאיים, כולל ביטוי של חלבון מווסת פעילות הגן המוקדם (IEG) (Arc או Arg3.1) וזרחון של גורם השעתוק CREB ושל החלבון קופילין מנתק אקטין, כולם סמנים של פלסטיות סינפטית ארוכת טווח. למעשה, DAB שהוזרק דו-צדדית בהיפוקמפוס הגבי לפני או מיד לאחר אימון IA שיבש באופן מתמשך את שימור הזיכרון, והפרעה זו נמנעה על ידי הזרקה משותפת של L-lactate, אך לא ריכוזים שוויוניים של גלוקוז. בנוסף, לאחר אימון IA, הריכוז החוץ-תאי של לקטאט בהיפוקמפוס, שנמדד על ידי invivomicrodialysis, עלה משמעותית ונשאר מוגבר במשך יותר משעה, וחזר לקו הבסיס בערך 90 דקות לאחר האימון. עלייה זו בלקטאט בוטלה לחלוטין על ידי הזרקת DAB דו-צדדית להיפוקמפוס, מה שמרמז על כך שהיא תוצאה של גליקוגנוליזה אסטרוציטית.

יתר על כן, מצאנו שהזרקת ההיפוקמפוס של האיזומר D-lactate הלא פעיל לפני האימון חוסמת גם שימור זיכרון לטווח ארוך, דבר המצביע על כך שחילוף החומרים של לקטט הוא קריטי ליצירת זיכרון לטווח ארוך. השפעות דומות על שימור הזיכרון נצפו בעקבות ההפלה של טרנספורטרי הלקטט (MCTs). יש לציין, למרות שהליקויים בזיכרון שנגרמו כתוצאה מהפלת הטרנספורטר המתבטאת באסטרוציטים (MCT1 ו-MCT4) ניצלו על ידי תוספת של L-lactate, הפגיעה שנגרמה כתוצאה מהפלת הטרנספורטר המתבטאת בנוירונים (MCT2) לא הייתה עקבית עם הרעיון שהעברת הלקטט מהאסטרוציטים ולתוך נוירונים היא קריטית ליצירת זיכרון. בהתאם לפרשנות זו, לאחרונה נצפתה גרדיאנט לקטט בין אסטרוציטים ונוירונים ואופיינה ברזולוציה גבוהה במיקרוסקופ של שני פוטונים (Machler et al. 2016). לכן, הגענו למסקנה שגליקוגנוליזה ותחבורה אסטרוציטים-נוירונים לקטט תומכים באופן קריטי בתפקודים נוירונים הנדרשים ליצירת זיכרון לטווח ארוך. מחקר עדכני יותר תמך עוד יותר בתפקידו של לקטט אסטרוציטי ביצירת זיכרון בכך שהראה שאימון IA גורם לביטוי היפוקמפוס של מולקולות המעורבות בהובלה אסטרוציטית-נוירונית, כגון MCTs וביטוי של לקטט דהידרוגנאז (LDH) A ו-B, האנזימים אשר לזרז את ההמרה ההדדית של לקטט ופירובט (Tadi et al. 2015).

למסקנות דומות הגיעו Newman et al. (2011), שהשתמשו בביו-גשושיות רגישות כדי למדוד את רמות הגלוקוז והלקטט במוח בהיפוקמפוס של חולדות בזמן שהן עברו משימת זיכרון עבודה מרחבית. הם מצאו שבעוד שהגלוקוז החוץ-תאי ירד, רמות הלקטאט עלו במהלך ביצוע המשימה, ועירוי תוך היפוקמפוס של L-lactate שיפרו את הזיכרון במשימה זו. בנוסף, עיכוב תרופתי של גליקוגנוליזה אסטרוציטית עם DAB פגע בזיכרון, ופגיעה זו התהפכה על ידי L-lactate או גלוקוז, ששניהם יכולים לספק לקטט לנוירונים בהיעדר גליקוגנוליזה. במחקר זה, כמו במחקר שלנו, חסימה של ה-MCTs האחראים על ספיגת לקטט לנוירונים פגע בזיכרון, ופגיעה זו לא הופכת על ידי גלוקוז או L-lactate, שוב תמיכה ברעיון שספיגת לקטט על ידי נוירונים נחוצה כדי לתמוך ביצירת זיכרון . המחברים הגיעו למסקנה, כפי שעשינו, כי אסטרוציטים מווסתים את היווצרות הזיכרון על ידי שליטה באספקת הלקטט לשמירה על תפקודים עצביים.

מחקרים נוספים המבוססים על גישות גנטיות תומכים במסקנות אלו. Delgado-Garcia ועמיתיו מצאו שנוק-אאוט של גליקוגן סינתאז במערכת העצבים של עכברים פוגע הן ב-LTP של ההיפוקמפוס והן בלמידה האסוציאטיבית (Duran et al. 2013). בנוסף, Boury-Jamot et al. (2016) ו-Zhang et al. (2016) דיווחו כי הגיבוש והגיבוש מחדש של התניה לתיאבון תוך שימוש בסמים לרעה (כלומר העדפת מקום מותנה בקוקאין או ניהול עצמי) תלויים גם בגליקוגנוליזה ובהובלה כיוונית של לקטט מאסטרוציטים לנוירונים דרך MCTs באמיגדלה הבזולטרלי (BLA) של חולדות. יתר על כן, לקטט חוץ-תאי, כפי שנמדד על ידי מיקרודיאליזה אינוויו, מוגבר ב-BLA לאחר אימון והחזרה של IA (Sandusky et al. 2013).

בהתאם לתוצאות של מחקרים אלה, מצאנו שגליקוגנוליזה של BLA היא קריטית ליצירת זיכרון IA, כפי שהוכחה בכך שהזרקה דו-צדדית של DAB ל-BLA 15 דקות לפני אימון IA שיבשה באופן חמור ומתמשך את שימור הזיכרון בחולדות. ליקוי זה לא נחלץ על ידי הלם תזכורת שנמסר בהקשר אחר, פרוטוקול שמחזיר זיכרונות כבויים (Inda et al. 2011), המצביע על כך שחסימת גליקוגנוליזה באמיגדלה לפני האימון משבשת את תהליך הגיבוש. ניהול משותף של L-lactate עם DAB באמיגדלה הציל את ליקוי הזיכרון, ואישר את חשיבות התפקידים של גליקוגנוליזה ולקטאט באזורי מוח מגוונים לגיבוש זיכרון IA (איור 3).

תפקודי המטרה הניזונים על ידי מטבוליזם של לקטט ו/או גלוקוז עדיין לא ידועות במידה רבה. אנרגיה מוחית נחוצה כדי לתמוך בפולסים החשמליים הדרושים לתקשורת נוירונית, ולפעילויות משק בית רבות, כולל סינתזת חלבון, חילוף חומרים של פוספוליפידים, מחזוריות של נוירוטרנסמיטר והובלת יונים על פני ממברנות תא (Du et al. 2008). כפי שהוכח במחקרים שתוארו לעיל, חילוף החומרים של לקטט תומך ביצירת זיכרון לטווח ארוך ובעלייה תלויה באימון בביטוי של מספר מולקולות הקשורות לפעילות ולפלסטיות, כולל Arc, cFos ו-Zif268 (Gao et al. 2016; Suzuki et al. 2011;

יאנג וחב'. 2014). השפעות אלו תלויות בקולטן NMDA, מה שמרמז ששינויים תלויי לקטט קשורים לפעילות ו/או פלסטיות (Yang et al. 2014). Invivo, לקטט מספיק כדי לשמור על פעילות עצבית (Wyss et al. 2011) ונתונים עדכניים הראו שהגבהות בין-סטיותיות K פלוס יכולות להפעיל תעלה על קרום האסטרוציטים שדרכו יכול לזרום לקטט אסטרוציטי לתוך האינטרסטיום, במקביל להובלה המבוססת דרך MCTs (Sotelo-Hitschfeld et al., 2015). מסלול זה לשחרור לקטט אסטרוציטי צמוד לפוטנציאל הממברנה ומאפשר שחרור לקטט כנגד שיפוע ריכוז, בעוד שה-MCT הוא אלקטרו-נייטרלי והשטף הנקי נשלט על ידי הריכוזים הטרנס-ממברניים של H plus ולקטאט. יתר על כן, הוכח מנגנון אסטרוציטי באמצעות אדניליל ציקלאז מגיב לביקרבונט המוביל לפירוק גליקוגן, גליקוליזה מוגברת ושחרור לקטט לחלל החוץ-תאי, שנלקח לאחר מכן על ידי נוירונים לשימוש כמצע אנרגיה (Choi et al. . 2012). יחד מחקרים אלו תומכים במסקנה שניתן לווסת העברת לקטט על ידי אסטרוציטים לנוירונים בדרכים רבות בתגובה לפעילות ויש צורך במחקרים כדי להבין האם מתרחשים מנגנונים מקבילים או סלקטיביים לאחר למידה. עם זאת, מסתבר שלקטט יש צורך לתמוך לא רק בהומאוסטזיס של קרום יוני לאחר דה-פולריזציה, אלא גם בתפקודים נוירונים רבים אחרים הנדרשים לשינויים ארוכי טווח הקשורים להיווצרות ואחסון זיכרון.