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.2013年10月；63(4):244-58.
doi:10.1016/j.neuint.2013.06.015。 Epub 2013年7月6日。

兴奋性神经传递过程中的星形胶质细胞能量学：谷氨酸氧化和糖酵解的作用是什么？

杰拉尔德·迪内尔 1
附属公司
审查

兴奋性神经传递过程中的星形胶质细胞能量学：谷氨酸氧化和糖酵解的作用是什么？

杰拉尔德·迪内尔. 神经化学国际. 2013年10月.

摘要

兴奋性神经传递的星形胶质细胞能量学是有争议的，因为在体外和体内不同的实验系统中发现的结果不一致。一些研究人员认为，通过糖酵解和向神经元输送乳酸进行氧化，可以满足谷氨酸摄取的能量需求。然而，星形胶质细胞在体内感觉刺激期间会增加糖原分解和氧化代谢，这表明星形胶质细胞会在大脑激活期间使用其他能量来源。此外，培养的星形胶质细胞摄取谷氨酸会刺激谷氨酸氧化和耗氧量，谷氨酸维持呼吸和葡萄糖。谷氨酸的神经递质库与体内总谷氨酸周转的更快成分有关，利用神经递质谷氨酸通过氧化竞争性突触周围过程促进自身的摄取有两个优点，即底物随需供应，谷氨酸为神经元和星形胶质细胞提供葡萄糖。成年啮齿动物大脑中星形胶质细胞的一些（但不是全部）突触前过程含有线粒体，只有一小部分神经递质谷氨酸被氧化进入这些结构，就足以提供钠挤压和谷氨酸转化为谷氨酰胺所需的ATP。然而，在缺乏氧化能力的突触周围过程中需要糖酵解。有三条证据表明，星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭模型的关键基石尚未建立，正常大脑不需要乳酸作为补充燃料：（i）对激活的血液动力学反应迅速开始，输送过量的氧气和葡萄糖，（ii）在激活期间，清醒啮齿动物的总葡萄糖利用率大大超过了葡萄糖氧化，这表明生成的乳酸被释放，而不是局部氧化，并且（iii）谷氨酸诱导的糖酵解并不是所有星形胶质细胞培养物的强健表型。各种代谢途径，包括谷氨酸氧化和糖酵解以及乳酸释放，都有助于兴奋性神经传递的细胞能量需求。

关键词：2-脱氧-d-葡萄糖；ANL；星形胶质细胞；粗体字；大脑激活；CMR（O2）；CMR（全球）；DG；葡萄糖；谷氨酸；乳酸；夫人；神经元；TCA循环；星形胶质细胞-神经元-乳酸；血氧水平依赖性；脑葡萄糖代谢率；脑氧代谢率；磁共振波谱；三羧酸循环。

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利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

数字

图1
图1。星形胶质细胞摄取谷氨酸的能量学
K（K）+从神经元释放出来的物质被星形胶质细胞吸收，并被糖原分解所驱动。含有线粒体的星形胶质细胞突触周过程中谷氨酸（Glu）的摄取有两种命运，即转化为谷氨酰胺（Gln）或氧化。当部分氧化时，谷氨酸转化为α-酮戊二酸（αKG），然后是草酰乙酸（OAA）。这种OAA可以转化为天冬氨酸（未显示），并且可以在不增加丙酮酸（Pyr）羧化酶（PC）活性的情况下提高TCA循环的催化能力。谷氨酸可在OAA与乙酰辅酶A（AcCoA）缩合并通过TCA循环后再生。或者，通过苹果酸退出TCA循环（从TCA循环到Pyr的蓝色箭头），在细胞质中转化为丙酮酸，以及丙酮酸重新进入TCA循环，可以完全氧化Glu（见正文）。谷氨酸氧化产生的能量通过其在TCA循环中的分流和完全氧化降解获得。由于电解质、代谢物和信号化合物可以通过缝隙连接在星形细胞合胞体内扩散，因此局部K+在远离血管周围区的星形胶质细胞区域或缝隙连接偶联星形胶质细胞中，浓度可能增加，刺激丙酮酸羧化酶并增加从头合成谷氨酸。突触周围区域的谷氨酸氧化分区和较远结构的谷氨酸合成分别用红色和绿色边界表示。不含线粒体的结构包括糖酵解区室。
图2
图2。培养神经元中的乳酸氧化大大超过成人大脑中的乳酸
乳酸氧化（CMR紫胶)表示为TCA循环率的百分比（VTCA公司). 在葡萄糖（5.5或1.1 mmol/L）和培养基中不同水平的乳酸存在下，测定培养神经元中的乳酸氧化。当通过适度运动（van Hall等人，2009）或乳酸灌注（Boumezbeur等人，2010）提高血液和大脑乳酸水平时，对人脑中的乳酸氧化进行检测。
图3
图3。糖原利用率低可在葡萄糖消耗期间保护神经元功能
(A类)区域葡萄糖利用率（CMR全球物流中心)在正常清醒的静息大鼠大脑中，来自（Sokoloff等人，1977）和CMR全球物流中心海马切片来自（Newman等人，1996）。CMR值对全球物流中心和CMR糖原在缺血期间，在大脑皮层（Lowry等人，1964年）、顶叶皮层（Gatfield等人，1966年）和海马（Gatfeld等人，1965年）进行原位测定；这些参考数据通过在CMR横坐标上表示各自的大脑结构来绘制全球物流中心CMR的值和相应的文献参考糖原值。根据皮层脑电图维持期间糖原浓度的变化，计算出严重胰岛素诱导低血糖期间大脑皮层的糖原分解率（Suh等人，2007）。对于初始糖原水平为葡萄糖或葡萄糖加丙酮酸盐（+Pyr）预培养切片产生的样本，糖原分解也根据（i）在突触后兴奋电位下降至对照组50%的时间间隔内糖原在聚合海马脑片中浓度的净变化来计算使初始糖原水平高于葡萄糖水平，并使糖原分解率更高（Shetty等人，2012），（ii）在保持突触功能的间隔期内（Choi等人，2012年）；作者感谢Choi博士和Macvicar博士提供了将糖原量百分比变化转换为这些计算所需的信息。CMR公司全球物流中心和CMR糖原在缺血（Stewart等人，1965）和CMR期间对坐骨神经进行了检测全球物流中心完整的视神经的损伤来自于中的表3（Dienel，2012b）。未经葡萄糖灌注的孤立视神经和坐骨神经的糖原分解率基于从电刺激开始到最大激发复合动作电位下降50%的净浓度变化（Wender等人，2000年；Brown等人，2012年）。(B类)在进行性胰岛素诱导低血糖期间，磷酸肌酐（PCr）和ATP水平保持在正常水平，直至达到临界点。PCr水平在ATP浓度下降之前下降，当两种化合物都耗尽时，就会发生能量衰竭。根据数据绘制（Lewis等人，1974）。
图4
图4。向激活的大脑输送的燃料很快被上调，并超过了需求。（A）
血流动力学反应包括血容量、血流量和血氧水平依赖（BOLD）信号。麻醉受试者研究中获得的数据绘制自的表1中总结的研究（Masamoto和Kanno，2012）。注意，在大多数研究中，发病时间<0.75s。（B）在同一组织样本中测定的配对葡萄糖递送和磷酸化率的比较。样品来源于在不同实验条件下测定的大鼠，这些实验条件旨在改变大范围内的血糖和脑葡萄糖水平以及脑葡萄糖利用率。数据来自（Cremer等人，1983；Hargreaves等人，1986）。回归线为y=1.59x+0.21（r2= 0.77). 经作者许可，修改自（Dienel，2012b）的图3。
图5
图5。清醒大鼠的葡萄糖利用上调超过麻醉大鼠
数据绘制自的表4总结的研究（Dienel，2012b）。值是在休息和激活期间在同一大脑结构中获得的速率对，它们表示对不同大脑区域的不同刺激（感觉、化学或电）。高于等高线（实线）的值表示CMR上调全球物流中心激活时与休息时相比。不能直接比较各个点，因为反应随大脑区域和刺激范式的不同而不同。然而，CMR的增加全球物流中心清醒的受试者比用虚线矩形勾勒出的麻醉受试者更大，范围更广。
图6
图6。CMR增加氧气在大脑激活期间
值是CMR列表结果的平均值和SD氧气在两篇综述中（n=17项研究（Shulman等人，2001）；n=15项研究（Giove等人，2003））或来自人类或大鼠大脑代表性研究的平均值（不同视觉刺激率反应的SD）（Madsen等人，1995；Madsen等，1999；Feng等人，2003；Zhu等人，2009；Lin等人，2010）。
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