Compiti cognitivi diversi richiedono glucosio o lattato

DIANE RICHMOND

NOTE E NOTIZIE - Anno XIX – 19 novembre 2022.

Testi pubblicati sul sito www.brainmindlife.org della Società Nazionale di Neuroscienze “Brain, Mind & Life - Italia” (BM&L-Italia). Oltre a notizie o commenti relativi a fatti ed eventi rilevanti per la Società, la sezione “note e notizie” presenta settimanalmente lavori neuroscientifici selezionati fra quelli pubblicati o in corso di pubblicazione sulle maggiori riviste e il cui argomento è oggetto di studio dei soci componenti lo staff dei recensori della Commissione Scientifica della Società.

[Tipologia del testo: RECENSIONE]

Un dibattito sulle fonti energetiche dell’attività sinaptica cerebrale che prosegue da decenni pone in questione problemi della massima importanza, sia per la comprensione del rapporto tra alimentazione e attività cognitiva sia per il riconoscimento della natura delle alterazioni metaboliche causate dalle malattie neurodegenerative.

La neuroenergetica, ovvero il metabolismo energetico del cervello, si affida alla fornitura ematica di glucosio, e l’attività cerebrale, con le sue prestazioni mentali è strettamente dipendente dall’accoppiamento del comparto neurovascolare con la funzione neuroenergetica. Evidenze sperimentali emerse e confermate negli ultimi vent’anni hanno indicato che il glucosio del sangue è captato e assunto, durante l’attività sinaptica, prevalentemente da astrociti e oligodendrociti, e metabolizzato per glicolisi aerobica, risultante nel rilascio di lattato prima del trasporto ai neuroni come substrato energetico necessario per un’ottimale codificazione neuronica e per il consolidamento della memoria.

Quando consideriamo gli astrociti quale fonte di lattato, parliamo del processo di shuttle astrociti-neuroni del lattato, in cui la molecola è trasferita dalle cellule astrogliali a quelle nervose mediante trasportatori nonocarbossilati, fornendo substrato energetico neuronico. Infatti, il lattato può essere rapidamente metabolizzato a piruvato, entrare nel ciclo degli acidi tricarbossilici e nutrire la catena respiratoria per produrre ATP. Gli altri destini del glucosio includono il suo immagazzinamento in forma di glicogeno; un certo grado di captazione del glucosio si verifica nei neuroni col fine principale di alimentare lo shunt del pentoso fosfato per produrre equivalenti riducenti, con un processo implicato nella memoria olfattiva di Drosophila.

Finora non è stata chiarita e stabilita la natura specifica del substrato energetico, glucosio o lattato, per le varie forme di engramma mnemonico e carico cognitivo.

Laurent Venance con Yulia Dembitskaya e altri colleghi hanno condotto uno studio specifico per chiarire i rapporti tra le due fonti energetiche dirette e i neuroni implicati nei processi cognitivi prima menzionati. I risultati dello studio hanno consentito agli autori di dimostrare che il metabolismo del glucosio e del lattato sono impegnati in modo differente nell’alimentazione delle cellule nervose, in dipendenza della plasticità dipendente dell’attività e della complessità comportamentale. Gli esiti di questa sperimentazione risolvono un’annosa controversia circa la natura delle fonti energetiche impiegate dall’attività sinaptica e possono ispirare linee di ricerca future.

(Dembitskaya Y. et al., Lactate supply overtakes glucose when neural computational and cognitive loads scale up. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 119 (47) e2212004119 – Epub ahead of print doi: 10.1073/pnas.2212004119, 2022).

La provenienza degli autori è la seguente: Center for Interdisciplinary Research in Biology (CIRB), College de France, CNRS, INSERM, University, Paris (Francia); University Claude Bernard Lyon 1, Villeurbanne (Francia); Brain Mind Institute, EPFL, Lausanne (Svizzera).

Laurent Venance, Yulia Dembitskaya e colleghi hanno testato varie forme di schemi di attività (rate-coding e time-coding) per l’espressione di plasticità sinaptica hebbiana a lungo termine nelle cellule piramidali della regione del ratto cornu ammonis 1 (CA1) e per compiti comportamentali con carichi cognitivi crescenti, per determinare in quali condizioni il glucosio e/o il lattato sono cruciali per la formazione dell’engramma e della memoria vera e propria. A questo fine, i ricercatori hanno impiegato sezioni cerebrali sottili, elettrofisiologia in vivo, imaging bifotonico, modelli matematici e compiti di riconoscimento mnemonico; e in tal modo hanno accertato che il lattato astrocitario è necessario (imprescindibile) per richiedere una computazione neurale, mentre il glucosio è sufficiente per forme più leggere di potenziamento a lungo termine (LTP) dipendente dall’attività e che, minime variazioni del totale dei potenziali d’azione o della loro frequenza, sono sufficienti a portare la dipendenza energetica dal glucosio al lattato.

I ricercatori hanno poi dimostrato che il lattato è necessario per un compito cognitivo che richiede un elevato carico di attenzione e per il corrispondente potenziamento ippocampale in vivo, ma non è richiesto per un compito di minore impegno.

In altri termini, Laurent Venance, Yulia Dembitskaya e colleghi hanno dimostrato che il lattato è imprescindibile per la computazione neurale, come la stimolazione theta burst, mentre il glucosio è sufficiente per forme più leggere di LTP dipendente da attività, come la plasticità STDP. L’osservazione sperimentale ha infatti mostrato che, piccole variazioni nel numero di picchi o frequenza nella STDP, sono sufficienti a far virare l’alimentazione a richiesta dal glucosio al lattato. E infine, come si è visto, il lattato è necessario per un compito che richiede grande attenzione ma non è richiesto per il semplice riconoscimento di un oggetto nuovo.

Questi risultati dimostrano che il metabolismo del glucosio e del lattato sono impiegati in modo differente e specifico nell’alimentazione neuronica, in dipendenza della complessità della plasticità dipendente da attività e del carico cognitivo da affrontare.

Il cervello ha elevate richieste energetiche e le alterazioni neuroenergetiche sono contrassegni di varie neuropatologie. Una migliore conoscenza dei meccanismi cellulari e molecolari della neuroenergetica, come quella che si desume da questo studio, può essere istruttiva per individuare i deficit di metabolismo energetico quali obiettivi in un approccio terapeutico per le malattie neurodegenerative.

L’autrice della nota ringrazia la dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza e invita alla lettura delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella sezione “NOTE E NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno nella pagina “CERCA”).

Diane Richmond

BM&L-19 novembre 2022

www.brainmindlife.org

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