Developmental Neuroscience

Mounting evidence from in vitro experiments indicates that lactate is an efficient energy substrate for neurons and that it may significantly contribute to maintain synaptic transmission, particularly during periods of intense activity. Since lactate does not cross the blood-brain barrier easily, blood-borne lactate cannot be a significant source. In vitro studies by several laboratories indicate that astrocytes release large amounts of lactate. In 1994, we proposed a mechanism whereby lactate could be produced by astrocytes in an activity-dependent, glutamate-mediated manner. Over the last 2 years we have obtained further evidence supporting the notion that a transfer of lactate from astrocytes to neurons might indeed take place. In this article, we first review data showing the presence of mRNA encoding for two monocarboxylate transporters, MCT1 and MCT2, in the adult mouse brain. Second, by using monoclonal antibodies selectively directed against the two distinct lactate dehydrogenase isoforms, LDH₁ and LDH₅, a specific cellular distribution between neurons and astrocytes is revealed which suggests that a population of astrocytes is a lactate ‘source’ while neurons may be a lactate ‘sink’. Third, we provide biochemical evidence that lactate is interchangeable with glucose to support oxidative metabolism in cortical neurons. This set of data is consistent with the existence of an activity-dependent astrocyte-neuron lactate shuttle for the supply of energy substrates to neurons.

Chức năng chính của hệ thống axít γ-aminobutyric (GABA) trong não người trưởng thành là ức chế; tuy nhiên, trong não sơ sinh, GABA lại cung cấp phần lớn sự kích thích. Khi não phát triển, các gradient chloride xuyên màng thay đổi và vai trò ức chế của GABA được khởi động và tiếp tục suốt thời kỳ vị thành niên và cuộc sống trưởng thành. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng biểu hiện của các tiểu đơn vị thụ thể GABA_A được điều chỉnh theo phát triển, và người ta cho rằng sự thay đổi về chức năng của GABA từ kích thích sang ức chế tương ứng với sự chuyển giao trong biểu hiện của các isoform tiểu đơn vị từ ‘non-mature’ đến ‘mature’. Chúng tôi đã khảo sát mẫu biểu hiện protein và phân bố của các tiểu đơn vị thụ thể GABA loại A (GABA_A) α₁-, α₃- và β₂ trong vỏ não đỉnh và hồi hải mã của não lợn phát triển. Bốn độ tuổi xung quanh sinh được nghiên cứu; 14 ngày trước sinh (P–14), 10 ngày trước sinh (P–10), ngày sinh (P0) và vào ngày postnatal thứ 7 (P7). Động vật được thu thập bằng cách sinh mổ hoặc sinh tự nhiên. Mức độ biểu hiện protein và sự định vị tiểu đơn vị được phân tích bằng phương pháp Western blotting và nhuộm miễn dịch, tương ứng. Trong vỏ não và hồi hải mã, tiểu đơn vị α₁ của thụ thể GABA_A cho thấy biểu hiện lớn nhất tại P7 so với tất cả các nhóm tuổi khác (p < 0.05). Ngược lại, biểu hiện của α₃ trong vỏ não cao hơn trong não trước sinh, đạt đỉnh tại P0, sau đó giảm đáng kể vào P7 (p < 0.05); một xu hướng tương tự được quan sát thấy trong hồi hải mã. Protein biểu hiện tiểu đơn vị β₂ của thụ thể GABA_A dường như tương đối ổn định ở tất cả các thời điểm được nghiên cứu cả trong vỏ não và hồi hải mã. Việc nhuộm miễn dịch các tiểu đơn vị α₁-, α₃- và β₂ được quan sát thấy trong tất cả các lớp vỏ não ở mọi độ tuổi. Tiểu đơn vị α₃ của thụ thể GABA_A dường như cho thấy sự định vị cụ thể ở lớp V và VI trong khi việc nhuộm cho tiểu đơn vị β₂ được quan sát thấy ở lớp IV. Trong hồi hải mã của tất cả các động vật, các tiểu đơn vị α₁- và β₂ đã được chứng minh là nhuộm nhiều loại tế bào và quá trình trong gyrus dentate (DG), CA1 và CA3; tiểu đơn vị α₃ chỉ được quan sát thấy ở lớp moleculare của DG. Chúng tôi báo cáo lần đầu tiên về sự phát sinh của các tiểu đơn vị thụ thể GABA_A α₁, α₃ và β₂ trong não lợn perinatal.

Đường dẫn tín hiệu Notch được biết đến là ảnh hưởng đến số phận tế bào trong hệ thần kinh đang phát triển của động vật có vú. Các nghiên cứu trước đây ở vỏ não chuột đã chỉ ra rằng Notch1 hoạt hóa thúc đẩy đặc điểm tế bào hình tia và tế bào astrocit in vivo, và đặc điểm tế bào tiên thân thần kinh nhạy cảm với yếu tố tăng trưởng nguyên bào sợi (FGF) in vitro. Dựa trên các nghiên cứu gợi ý rằng Notch3 có thể đối kháng với Notch1, chúng tôi đã thử nghiệm các hiệu ứng của Notch3 được hoạt hóa (NICD3) trong vỏ não chuột. Sự nhiễm trùng các tế bào tiên thân ở ngày phôi thai 9.5 vỏ não in vivo với NICD3 thúc đẩy đặc điểm tế bào hình tia/tế bào gốc trong giai đoạn phôi và số phận tế bào astrocit sau sinh. Thêm vào đó, việc biểu hiện NICD3 trong các tế bào tiên thân vỏ não in vitro đã tăng tần suất hình thành khối u thần kinh trong FGF2, nhưng không tương thích với sự tăng trưởng khối u thần kinh trong yếu tố tăng trưởng biểu bì (EGF). Do đó, trong hệ thống vỏ não đang phát triển, Notch1 và Notch3 hoạt động tương tự nhau, và có thể kích hoạt các chuỗi tín hiệu tương tự. Phù hợp với khái niệm này, sự biểu hiện của một dạng hoạt hóa của yếu tố tác động Notch CBF1 (CBF1-VP16), hoặc của mục tiêu của đường dẫn Hes5 đã thúc đẩy đặc điểm tế bào hình tia/tế bào gốc in vivo. Thú vị là, không giống như NICD1 và NICD3, CBF1-VP16 và Hes5 không ức chế sự tăng trưởng khối u thần kinh trong EGF, cho thấy rằng hiệu ứng này có thể ít nhiều được trung gian thông qua tín hiệu độc lập với CBF1/Hes.

Sử dụng các mẫu nuôi cấy nguyên thủy của các tế bào tiền thân oligodendrocyte được tách từ não của chuột non đực và cái, chúng tôi quan sát thấy có nhiều oligodendrocyte hơn trong các mẫu nuôi cấy từ nữ so với mẫu từ nam. Để xác định liệu sự khác biệt quan sát được có phải do ảnh hưởng khác nhau của hormone giới tính lên sự phát triển không, chúng tôi đã điều trị các mẫu nuôi cấy bằng các liều lượng tăng dần của 17β-estradiol, testosterone hoặc progesterone và đánh dấu các tế bào bằng bromodeoxyuridine để xác định các tế bào trong giai đoạn S. Việc điều trị bằng 17β-estradiol, nhưng không phải bằng progesterone hay testosterone, đã làm chậm quá trình thoát khỏi chu kỳ tế bào của các tế bào tiền thân oligodendrocyte. Hơn nữa, việc điều trị với 17β-estradiol đã tăng cường hình thành màng tế bào, trong khi progesterone làm tăng sự phân nhánh của tế bào. Thú vị thay, chất điều chỉnh estrogen tamoxifen đã bắt chước tác động của 17β-estradiol đối với việc thoát chu kỳ tế bào, nhưng không đối với việc hình thành màng. Sự định vị miễn dịch của các thụ thể estrogen (ERs) cho thấy ERβ chủ yếu được định vị trong chất tế bào của các oligodendrocyte, điều này gợi ý rằng tác động của 17β-estradiol đối với việc hình thành màng có thể được trung gian bởi sự tương tác với thụ thể này. Chúng tôi kết luận rằng các steroid giới tính điều chỉnh khác nhau số lượng tế bào tiền thân oligodendrocyte và sự hình thành myelin, có thể góp phần vào sự khác biệt về giới tính trong quy trình sửa chữa.

Rối loạn phổ tự kỷ (ASD) là một rối loạn phát triển thần kinh phổ biến, được đặc trưng bởi những tương tác xã hội bất thường, thiếu hụt trong giao tiếp và hành vi lặp đi lặp lại hoặc điển hình. Mặc dù nguyên nhân của ASD vẫn chưa được xác định, nhưng các dòng nghiên cứu hội tụ cho thấy chức năng ty thể có thể đóng vai trò quan trọng trong bệnh sinh của bệnh. Do không có mối liên hệ nguyên nhân rõ ràng, việc tạo ra các mục tiêu trị liệu cho ASD đến nay đã tương đối không thành công và chỉ tập trung vào các triệu chứng riêng lẻ. Chế độ ăn ketogenic (KD) là một chế độ ăn giàu chất béo và nghèo carbohydrate, trước đây đã được sử dụng để điều trị bệnh động kinh khó chữa và được biết đến với khả năng tăng cường chức năng ty thể. Mục tiêu của nghiên cứu này là xác định xem KD có thể đảo ngược những thiếu hụt xã hội và rối loạn chức năng ty thể được xác định trong mô hình chuột ASD do axit valproic (VPA) trước sinh hay không. Những con chuột sinh ra của giống Sprague-Dawley được cho uống VPA hoặc dung dịch muối sinh lý vào ngày mang thai thứ 12.5. Các con chuột con được điều trị bằng KD hoặc chế độ ăn tiêu chuẩn (SD) trong 10 ngày bắt đầu từ ngày sau sinh thứ 21 (PD21). Vào ngày PD35, hành vi chơi của thanh thiếu niên đã được thử nghiệm bằng cách sử dụng mô hình chơi đánh nhau và sau đó chuột được hiến tặng để phân tích sinh năng lượng ty thể. Những con cái tiếp xúc với VPA trước sinh cho thấy có sự giảm đáng kể trong số lượng nỗ lực/hành vi tấn công khi chơi và điều này đã được khôi phục bằng KD. Tiếp xúc với VPA trước sinh cũng đã phá vỡ mẫu phản ứng chơi; động vật VPA/SD sử dụng các vòng quay hoàn chỉnh thường xuyên hơn so với động vật chứng muối sinh lý. Điều trị bằng KD không ảnh hưởng đến số lượng vòng quay hoàn chỉnh. Ngoài ra, trong khi tiếp xúc trước sinh với VPA đã làm thay đổi hô hấp ty thể, KD đã có thể phục hồi một số khía cạnh của rối loạn sinh năng lượng. Vì KD có khả năng điều chỉnh các hành vi xã hội phức tạp và hô hấp ty thể, nó có thể là một lựa chọn điều trị hữu ích cho ASD. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ cần xem xét hiệu quả của KD trong việc đảo ngược hai khuyết tật cốt lõi khác của ASD và khám phá các phác đồ điều trị khác nhau để xác định thời gian và chế phẩm điều trị tối ưu.

Phân tích máy tính về trạng thái EEG/ngu ngủ có thể được sử dụng như các dấu hiệu sinh lý của tính linh hoạt thần kinh phát triển. Các chiến lược xử lý tín hiệu phụ thuộc vào tần số và thời gian của các biện pháp não bộ và không não bộ có thể giúp kiểm tra các lý thuyết hiện tại về sự trưởng thành của mạng lưới thần kinh dưới góc độ phân tách và tích hợp các kết nối thần kinh khoảng cách ngắn và dài trong toàn bộ trục thần kinh. Các biểu hiện kiểu hình cụ thể của kết nối thần kinh thích ứng hoặc không thích ứng được đề xuất dựa trên sự so sánh các trạng thái nghỉ ngơi EEG/ngu ngủ toàn não giữa các nhóm sinh non và đủ tháng khi các biện pháp kết quả phát triển được áp dụng. Việc kết hợp sử dụng các tập dữ liệu sinh lý thần kinh với các phương pháp neuroimaging và di truyền định nghĩa các endophenotype sẽ chuẩn đoán chính xác hơn trẻ em có nguy cơ phát triển rối loạn, cũng như thiết kế các can thiệp neuroprotective phù hợp cho độ tuổi và tiến trình bệnh của từng cá nhân.

Nhu cầu oxy cao cùng với sự phong phú của các chất nền dễ oxi hóa tạo ra quá trình trao đổi chất oxy hóa hiệu quả là cần thiết cho chức năng bình thường của não. Điều này đòi hỏi sự tồn tại của một hệ thống chống oxy hóa phức tạp và đa thành phần trong não để bảo vệ chống lại tổn thương oxy hóa. Tuy nhiên, trong quá trình phát triển, các thành phần riêng lẻ của hệ thống chống oxy hóa không được biểu hiện đồng đều và không phải lúc nào cũng đủ để thực hiện các nhiệm vụ của chúng một cách phối hợp. Do đó, não đang phát triển có thể dễ bị tổn thương hơn trước các tác động oxy hóa so với não của người trưởng thành. Chấn thương sọ não là một trong những tác động cấp tính gây hại làm thách thức quỹ dự trữ chống oxy hóa của não bằng cách tiếp xúc với một số phân tử prooxidant không được phân cách. Bài tổng quan này tập trung vào các nguồn gốc và đánh giá của căng thẳng oxy hóa và mối liên hệ giữa căng thẳng oxy hóa và các con đường chết tế bào trong não chưa trưởng thành sau chấn thương sọ não thực nghiệm và lâm sàng.

Gyrus bê bê là một trong hai vị trí có sự tạo sinh thần kinh liên tục ở động vật có vú trưởng thành. Mặc dù chức năng của việc tạo sinh thần kinh ở người lớn chưa được biết rõ, nhưng nó được cho là có liên quan đến việc học tập và trí nhớ. Để có thể xảy ra sự tạo sinh thần kinh ở người lớn, gyrus bê bê phải duy trì được môi trường tế bào tiền thân thích hợp trong vùng dưới granule, điều này có thể phụ thuộc vào các cơ chế phát triển đang hoạt động trong việc hình thành gyrus bê bê. Trong bài đánh giá này, chúng tôi xây dựng một khung phân tử lên kế hoạch phát triển thần kinh đã được biết đến bằng cách xem xét các kiểu hình của một số đột biến chuột có đặc điểm rõ ràng về các bất thường phát triển ở gyrus bê bê. Nỗ lực này cho thấy có ít nhất sáu bước phát triển riêng biệt cần phải xảy ra trong việc hình thành gyrus bê bê, có thể liên quan đến các khiếm khuyết gen cụ thể: (1) xác định biểu mô thần kinh bê bê; (2) hình thành sự nâng đỡ gli nguyên phát hình tia; (3) di chuyển theo tia của các nơron hạt để hình thành lớp tế bào hạt nguyên thủy; (4) thiết lập bể tiền thân trong hilus; (5) biến đổi theo tia của ma trận thứ ba, và (6) phân hóa các tế bào hạt của gyrus bê bê. Từ phân tích này, rõ ràng có một số con đường phân tử kiểm soát nhiều bước trong sự phát triển của gyrus bê bê. Ví dụ, con đường Wnt (bước 1, 2, 4) và thụ thể chemokine CXCR4 (bước 3, 4) có liên quan đến nhiều bước phát triển, trong khi gen phân hóa nơron NeuroD (bước 6) và con đường tín hiệu integrin (bước 5) chỉ liên quan đến các giai đoạn cụ thể trong quá trình hình thành gyrus bê bê.

Cơn động kinh khu trú lành tính ở trẻ em (BFEC) là hình thức cơn động kinh phổ biến nhất, xảy ra ở trẻ em từ 3 đến 12 tuổi. Tiên lượng của nó luôn thuận lợi đối với vấn đề động kinh. Tuy nhiên, dữ liệu lâm sàng gần đây cho thấy rằng trẻ em mắc BFEC có khả năng cao hơn trong việc gặp khó khăn trong học tập và rối loạn hành vi so với những bạn cùng trang lứa. Chúng tôi báo cáo các phát hiện sơ bộ của một nghiên cứu hướng tới 22 trẻ em bị ảnh hưởng bởi BFEC. Những thay đổi điện lâm sàng và tâm lý được quan sát trong 18 tháng đầu của giai đoạn theo dõi củng cố kết luận của các nghiên cứu tâm lý gần đây nhấn mạnh mối tương quan giữa động kinh và hiệu suất nhận thức. Các rối loạn nhận thức chủ yếu ảnh hưởng đến các chức năng phi ngôn ngữ có mối tương quan đáng kể với tần suất xuất hiện của các cơn co giật và sự phóng điện sóng nhọn, cũng như với sự định khu của ổ động kinh ở bên bán cầu phải, trong khi các chức năng ở vùng trán như kiểm soát sự chú ý, tổ chức phản ứng và tốc độ vận động tinh, bị suy giảm trong sự hiện diện của BFEC đang hoạt động độc lập với sự định khu của ổ động kinh. Kết quả của chúng tôi chỉ ra rằng các chức năng nhận thức đang trưởng thành do một vùng vỏ não xa ổ động kinh dễ bị ảnh hưởng bởi cơn động kinh.