乳酸影響記憶的神經(jīng)機(jī)制

張 琪 趙曉璇 李新旺*

（1）首都師范大學(xué)心理學(xué)院，北京 100048；2）滄州師范學(xué)院教育系，滄州 061016）

乳酸是一種羧酸，分子式是C3H6O3。1808 年Berzelius第一次在鹿運(yùn)動后的肌肉發(fā)現(xiàn)乳酸，隨后的100年中人們認(rèn)識到乳酸可以為肌肉收縮提供能量，并且乳酸的積累可以導(dǎo)致肌肉疲勞，在20 世紀(jì)80 年代人們認(rèn)識到乳酸是糖酵解的終產(chǎn)物，糖酵解途徑闡明，進(jìn)一步解釋了葡萄糖到乳酸的整個能量轉(zhuǎn)變［1-2］。在過去的研究中，乳酸一直被認(rèn)為是不受歡迎的代謝副產(chǎn)品。近年來，許多研究證明，乳酸在中樞神經(jīng)系統(tǒng)能量代謝系統(tǒng)和信號傳遞中發(fā)揮重要的作用［3］。

2011 年Suzuki 等［4］發(fā)現(xiàn)了乳酸與學(xué)習(xí)和記憶的關(guān)系，他們證明了長時記憶的形成和長時程增強(qiáng)的維持依賴于乳酸和乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)，之后才有越來越多的實(shí)驗(yàn)研究乳酸在學(xué)習(xí)和記憶中的作用，以及相應(yīng)的分子機(jī)制和治療策略。一方面，在1994 年P(guān)ellerin等［5］提出“星形膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元乳酸穿梭（astrocyte-neuron lactate shuttle，ANLS） 假 說”，認(rèn)為乳酸可以作為能量底物為神經(jīng)元提供能量，其后大量的實(shí)驗(yàn)圍繞著乳酸作為能量底物進(jìn)行研究，證明乳酸在大腦的能量代謝中發(fā)揮重要作用［6-7］。記憶過程中需要谷氨酸和γ-氨基丁酸等神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)控神經(jīng)元中相應(yīng)的離子通道開放、也需要離子內(nèi)流產(chǎn)生突觸后電位、離子濃度恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)等，這都需要消耗大量的能量［8-9］，并且能量代謝受損會導(dǎo)致與記憶相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病的產(chǎn)生，例如阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）［10］，因此，乳酸作為一種能量底物可以為神經(jīng)元提供能量進(jìn)而影響記憶。另一方面，乳酸可以影響信號通路。首先乳酸可以直接作用于乳酸受體，其次乳酸也可以間接促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生，增強(qiáng)N-甲基-D-天冬氨酸受體（N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDAR）的活性促進(jìn)突觸可塑性和即刻早期基因的表達(dá)，促進(jìn)腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）的表達(dá)，這些過程都會對記憶產(chǎn)生影響。

本文將從乳酸產(chǎn)生對記憶的影響、不同神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)控乳酸的產(chǎn)生對記憶的影響、乳酸影響記憶的神經(jīng)機(jī)制等方面闡述乳酸和記憶之間的關(guān)系，旨在進(jìn)一步為乳酸在記憶中作用和乳酸在神經(jīng)系統(tǒng)中作用的研究提供新的思路。

1 乳酸對記憶的影響

1.1 乳酸的產(chǎn)生對記憶的影響

乳酸在星形膠質(zhì)細(xì)胞中通過有氧糖酵解和糖原分解產(chǎn)生乳酸（圖1①）。有氧糖酵解（aerobic glycolysis，AG）產(chǎn)生乳酸，星形膠質(zhì)細(xì)胞通過葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體1（glucose transporter 1，GLUT-1）和胰島素敏感性葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體4（glucose transporter 4，GLUT-4）從毛細(xì)血管中吸收葡萄糖。在己糖激酶的作用下生成葡萄糖-6-磷酸（glucose-6-phosphate，G-6-P），G-6-P 在磷酸葡萄糖異構(gòu)酶和丙酮酸激酶M2 型的作用下經(jīng)過一系列的反應(yīng)生成丙酮酸，然后在乳酸脫氫酶5 （lactate dehydrogenase 5，LDH5）的作用下生成乳酸［11］。在空間記憶任務(wù)中，抑制有氧糖酵解，減少腦中丙酮酸向乳酸的轉(zhuǎn)化，會破壞小鼠空間記憶任務(wù)的獲得，但對已經(jīng)建立的記憶檢索沒有影響［12］。腦糖原分解產(chǎn)生乳酸。腦糖原主要定位于星形膠質(zhì)細(xì)胞，星形膠質(zhì)細(xì)胞吸收葡萄糖后，在己糖激酶的作用下生成G-6-P，G-6-P在糖原合成酶的作用下經(jīng)過一系列的反應(yīng)生成糖原，之后糖原在糖原磷酸化酶的作用下經(jīng)過一系列的反應(yīng)生成乳酸［13-14］。抑制糖原分解產(chǎn)生的乳酸會損害空間工作記憶獲得［15］、恐懼記憶的鞏固［4］、可卡因誘導(dǎo)的成癮記憶的獲得和再鞏固［16］。

Fig.1 Lactate affects memory mechanism——energy substrate圖1 乳酸影響記憶的機(jī)制——能量底物

1.2 乳酸的轉(zhuǎn)運(yùn)對記憶的影響

單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是哺乳動物細(xì)胞膜上一類重要的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，負(fù)責(zé)乳酸、短鏈脂肪酸等單羧酸類化合物的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，人類有4種單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（MCT1~4）。單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（monocarborxylat transporter 1， MCT1） 和 單 羧 酸 轉(zhuǎn) 運(yùn) 蛋 白4（monocarborxylat transporter 4，MCT4）在星形膠質(zhì)細(xì)胞中選擇性表達(dá)，單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2（monocarborxylat transporter 2，MCT2）在神經(jīng)元中選擇性表達(dá)［17］，乳酸可以通過MCT1 和MCT4從星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)釋放到細(xì)胞外，然后通過MCT2進(jìn)入到神經(jīng)元中［5］。在恐懼記憶訓(xùn)練后24 h 和72 h，背側(cè)海馬中的MCT4、MCT1、乳酸脫氫酶A（lactate dehydrogenase A，LDHA）和B 的表達(dá)顯著提高。Suzuki 等［4］在恐懼記憶訓(xùn)練前向大鼠海馬注射反義寡脫氧核苷酸MCT1-ODN 或MCT4-ODN、MCT2-ODN，分別抑制MCT1、MCT4 和MCT2在海馬中的表達(dá)，損害了恐懼記憶的鞏固即長時記憶的形成。抑制MCT1和MCT4表達(dá)所造成的記憶損傷可以通過注射乳酸所挽救，但是抑制MCT2表達(dá)所造成的記憶損傷并不能被挽救［4］。當(dāng)MCT1和MCT4表達(dá)被抑制時，注射的乳酸能通過MCT2進(jìn)入神經(jīng)元，抑制MCT2乳酸則不能進(jìn)入神經(jīng)元，這說明乳酸進(jìn)入神經(jīng)元對記憶的形成十分重要［4，18］。

1.3 不同的神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)控乳酸的產(chǎn)生對記憶的影響

阿片類成癮藥物通過激活下丘腦-垂體-腎上腺（hypothalamic-pituitary-adrenal，HPA）釋放糖皮質(zhì)激素［19］，通過激活星形膠質(zhì)細(xì)胞糖皮質(zhì)激素受體（glucocorticoid receptor，GR）進(jìn)而影響乳酸的釋放。在細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，相比于GR敲除的星形膠質(zhì)細(xì)胞而言，在正常含有GR 的星形膠質(zhì)細(xì)胞中，地塞米松（GR 激動劑）可以通過激活GR 上調(diào)細(xì)胞代謝相關(guān)基因的表達(dá)（包括調(diào)節(jié)糖原分解的基因（Pdk4、Sult1a1、Map3k6、Nt5c3），葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 基 因（Slc2a1、Sgk3）、 谷 氨 酸 攝 取 基 因（Slc7a11））增加星形膠質(zhì)細(xì)胞對葡萄糖的攝取，促進(jìn)糖原分解，增加乳酸的釋放，為神經(jīng)元提供營養(yǎng)支持，調(diào)節(jié)神經(jīng)元可塑性和興奮性，提高嗎啡獎賞敏感性，從而促進(jìn)嗎啡誘導(dǎo)的成癮記憶的形成［20-21］。

在星形膠質(zhì)細(xì)胞原代培養(yǎng)中，去甲腎上腺素可以促進(jìn)糖原分解，在星形膠質(zhì)細(xì)胞中，去甲腎上腺素激活β2 腎上腺受體（β2 receptor，β2AR）通過激動型G 蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptors，GPCRs）-環(huán)磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP） -蛋 白 激 酶A （protein kinase A，PKA）通路促進(jìn)糖原分解［22］。去甲腎上腺素也可以通過上調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體活性［23］，來增加星形膠質(zhì)細(xì)胞葡萄糖的攝取，葡萄糖在星形膠質(zhì)細(xì)胞中通過有氧糖酵解和糖原分解，從而增加乳酸的產(chǎn)生。在大鼠的恐懼訓(xùn)練中，利用病毒特異性敲除海馬星形膠質(zhì)細(xì)胞中β2AR 會導(dǎo)致記憶受損［24］，利用微透析技術(shù)檢測到背側(cè)海馬乳酸含量的增加可以被β2AR 選擇性拮抗劑ICI118551 所消除，福莫特羅作為β2AR 的激動劑可以通過激動β2AR 促進(jìn)記憶，服用糖原磷酸化酶抑制劑（1,4-dideoxy-1,4-imino-D-arabinitol，DAB）抑制乳酸的產(chǎn)生，會減弱福莫特羅誘導(dǎo)的記憶促進(jìn)作用。實(shí)時定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)分析表明，相比于敲除β2AR的小鼠，福莫特羅可以使野生型小鼠海馬中與乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)的MCT1、MCT4 和與乳酸產(chǎn)生有關(guān)的LDHA 表達(dá)上升，并且海馬內(nèi)乳酸含量增加；進(jìn)一步體外實(shí)驗(yàn)表明，β2AR 激活后可以通過激動型GPCRs-PKA 通路磷酸化cAMP 效應(yīng)元件結(jié)合蛋白（cAMP response element-binding protein，CREB）調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細(xì)胞MCT1的表達(dá)，或者通過β抑制蛋白1/絲裂原活化蛋白激酶/缺氧誘導(dǎo)因子1α （hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α） 三 元 復(fù) 合 物 調(diào) 控MCT4和LDHA的表達(dá)［25］。

2 乳酸影響記憶的機(jī)制——能量底物

2.1 星形膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元乳酸穿梭影響記憶

乳酸在星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生之后，通過MCT1和MCT4 從星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)釋放到細(xì)胞外，通過MCT2 進(jìn)入到神經(jīng)元中，在神經(jīng)元中乳酸脫氫酶1（lactate dehydrogenase，LDH1）［11］的作用下轉(zhuǎn)化為丙酮酸， 進(jìn)入線粒體進(jìn)行三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle，TCA），氧化磷酸化產(chǎn)生32~36 個腺嘌呤核苷三磷酸 （adenosine triphosphate，ATP），為神經(jīng)元提供能量（圖1②），利用基因編碼的熒光共振能量轉(zhuǎn)移乳酸傳感器Laconic 結(jié)合雙光子顯微鏡技術(shù)證實(shí)了小鼠大腦中的星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元存在乳酸梯度［26］。長時記憶通常需要形成新的蛋白質(zhì)，mRNA 轉(zhuǎn)錄后可以翻譯成蛋白質(zhì)，哺乳動物的mRNA 的合成就需要大腦20%的ATP。在大鼠恐懼記憶訓(xùn)練2 h 后，海馬中的翻譯表面感應(yīng)（surface sensing of translation，SUNSET）增加，表明mRNA 的翻譯增加，抑制糖原分解產(chǎn)生乳酸，SUNSET增加會被阻止，這種阻止可以通過注射乳酸所逆轉(zhuǎn)，這說明乳酸對于蛋白質(zhì)合成是必需的［18］。丙酮酸是TCA循環(huán)的能量底物，乳酸通過乳酸脫氫酶轉(zhuǎn)化成丙酮酸，所以直接注射丙酮酸也可以為神經(jīng)元提供能量，它可以通過MCT2被轉(zhuǎn)運(yùn)到神經(jīng)元中。在恐懼記憶中，乳酸和丙酮酸可以挽救抑制乳酸產(chǎn)生和MCT1-ODN、MCT4-ODN 導(dǎo)致的記憶鞏固的損害［18］，在這個過程中，丙酮酸所起的作用同乳酸作為能量底物的作用是一致的。但在成癮記憶獲得過程中，抑制乳酸產(chǎn)生所造成的記憶障礙，不能被注射丙酮酸所挽救，這說明在成癮記憶獲得期間乳酸不僅提供能量，同時可能通過影響信號通路起作用［16］，所以在恐懼記憶中乳酸作為能量底物十分重要，乳酸在成癮記憶和恐懼記憶中可能發(fā)揮不同的作用。

2.2 乳酸影響少突膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)而影響記憶

少突膠質(zhì)細(xì)胞（oligodendrocyte，OL）可以合成髓鞘以及支持髓鞘化的軸突的存活，它可以通過用髓鞘包裹軸突來促進(jìn)動作電位的快速轉(zhuǎn)導(dǎo)，因此OL對記憶十分重要［27］。OL中的乳酸有兩種來源，一種是星形膠質(zhì)細(xì)胞中糖原分解和有氧糖酵解產(chǎn)生的乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)到OL，pH 成像（pH imaging）顯示大鼠的小腦和胼胝體的OL 通過MCT1 攝取乳酸，乳酸可以支持OL的發(fā)育和髓鞘形成，在低葡萄糖導(dǎo)致的能量減少的情況下，OL 細(xì)胞的數(shù)量和髓鞘形成會減少，當(dāng)提供外源性乳酸時，上述髓鞘減少的現(xiàn)象得到改善，這說明乳酸可以作為能量底物為OL 提供能量［28-29］。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，髓鞘再生需要少突膠質(zhì)祖細(xì)胞（oligodendrocyte progenitor cells，OPC）的增殖，最終分化為成熟的OL 形成髓鞘結(jié)構(gòu)，當(dāng)阻止學(xué)習(xí)誘導(dǎo)的少突膠質(zhì)細(xì)胞的增加，會損害了空間記憶鞏固，情境恐懼記憶［30］，糖原分解產(chǎn)生的乳酸可以通過促進(jìn)細(xì)胞培養(yǎng)中OPC 的細(xì)胞周期速率和分化從而有助于體內(nèi)髓鞘再生［31］，提示乳酸對治療脫髓鞘化疾病十分重要。OL 本身可以通過GLUT-1 吸收葡萄糖，進(jìn)行有氧糖酵解產(chǎn)生乳酸。OL 比神經(jīng)元消耗更多的乳酸，乳酸可以在OL中轉(zhuǎn)化為丙酮酸，進(jìn)而變成乙酰輔酶A，用于脂質(zhì)合成產(chǎn)生髓磷脂，這有利于髓鞘的形成［32］。在髓鞘形成后的OL，線粒體功能降低不會干擾少突膠質(zhì)細(xì)胞的存活，有氧糖酵解產(chǎn)生的ATP 可以支持OL 的存活［33］，這個過程受到OL 中的NMDAR 控制，OL 中NMDAR 失活會破壞神經(jīng)元軸突的能量代謝，NMDAR對軸突谷氨酸釋放作出反應(yīng)，作為增加軸突電活動和能量需求的標(biāo)志，會增強(qiáng)GLUT-1在OL的表達(dá)，增加葡萄糖的攝取，增加OL 糖酵解產(chǎn)生乳酸，乳酸再通過MCT1 轉(zhuǎn)運(yùn)到神經(jīng)元，為神經(jīng)元提供能量保護(hù)軸突的存活［34］（圖1③）。在這個過程中MCT1對于乳酸到軸突的穿梭十分重要，隨著年齡的增長，MCT1表達(dá)缺失會導(dǎo)致軸突變性和髓鞘形成減少，OL 中MCT1 的減少可能會增加神經(jīng)退行性疾病中軸突變性和萎縮的風(fēng)險，從而損害記憶［35］。

3 乳酸影響記憶機(jī)制——作用于信號通路

3.1 乳酸直接作用于信號通路

細(xì)胞膜上存在一類G蛋白偶聯(lián)受體，因其內(nèi)源性配體均為能量代謝過程中生成的羥基羧酸類中間代謝物，被統(tǒng)稱為羥基羧酸（hydroxy-carboxylic acid， HCA） 受 體， 其 中 羥 基 羧 酸 受 體1（hydroxy-carboxylic acid receptor，HCAR1） 是 乳酸受體［36］，乳酸可以特異性激活HCAR1傳遞信號信息［37］。該受體主要集中在海馬和小腦的神經(jīng)元突觸后膜，但在星形膠質(zhì)細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞中也存在，這就形成了巨大HCAR1網(wǎng)絡(luò)。HCAR1在向大腦供血的血管周圍和沿腦內(nèi)微血管高度表達(dá)，乳酸通過HCAR1，增加大腦血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）表達(dá)和血管生成。VEGF可以刺激血管生成，血管生成可以改善大腦功能［38］，VEGF 還能夠促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生和突觸功能［39］。VEGF增加可以促進(jìn)記憶，VEGF減少則損害記憶［40-42］。相比于HCAR1 敲除小鼠，野生型小鼠運(yùn)動過程中產(chǎn)生的乳酸和腹腔注射的乳酸跨越血腦屏障，通過MCT2進(jìn)入海馬，使海馬中VEGF表達(dá)增加。乳酸通過磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B（phosphatidylinositol 3 kinase/protein kinase B，PI3K/Akt）通路和蛋白激酶C通路（protein kinase C，PKC）磷酸化細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)蛋白激酶1/2（extracellular signal regulated kinase 1/2，ERK1/2）增加VEGF 的表達(dá)［43］（圖2①）。因此，乳酸可能通過HCAR1 促進(jìn)大腦VEGF 的表達(dá)，從而促進(jìn)記憶。

3.2 乳酸間接作用于信號通路

3.2.1 乳酸通過誘導(dǎo)神經(jīng)發(fā)生影響記憶

成年哺乳動物神經(jīng)發(fā)生主要在大腦的兩個神經(jīng)源性區(qū)域， 即側(cè)腦室外側(cè)壁的腦室下區(qū)（subventricular zone，SVZ）和海馬齒狀回的顆粒下層（subgranular zone，SGZ）［44］。成年神經(jīng)發(fā)生能調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)和記憶的特定方面，尤其是成年海馬齒狀體回（DG）神經(jīng)發(fā)生的對于學(xué)習(xí)和記憶是至關(guān)重要，可以改善記憶獲取、形成和維持［45-46］，例如可以促進(jìn)空間記憶，促進(jìn)反轉(zhuǎn)任務(wù)學(xué)習(xí)［47-48］。乳酸可以通過增加新生成熟神經(jīng)元存活的數(shù)量誘導(dǎo)海馬神經(jīng)發(fā)生的增加，這種誘導(dǎo)是依賴于MCT［49］。神經(jīng)干細(xì)胞（neural stem cell，NSC）和神經(jīng)前體細(xì)胞（neural progenitor cell，NPC）是一類能夠能自我更新的增殖性的細(xì)胞，是具有多潛能的細(xì)胞，能分化為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的不同神經(jīng)外胚層譜系，在神經(jīng)發(fā)育的過程中起到非常重要的作用［50］。體內(nèi)研究表明乳酸并不影響NPC 的細(xì)胞增殖或神經(jīng)細(xì)胞分化的增加；但是在一項(xiàng)體外研究中，乳酸可能通過刺激與增殖調(diào)控相關(guān)的ERK1/2或PI3K/Akt 通路，誘導(dǎo)SGZ 的NPC 增殖，但對SVZ 的NPC 無反應(yīng)［51］。另一項(xiàng)研究表明，乳酸積累會損害成年神經(jīng)發(fā)生，乳酸水平升高刺激海馬NSC 異常增殖，最終導(dǎo)致海馬NSC 耗竭，減少新生神經(jīng)元，導(dǎo)致認(rèn)知功能受損。內(nèi)皮細(xì)胞中的磷酸酶及張力蛋白同源物（phosphate and tension homology deleted on chromsometen， PTEN） -PI3K/Akt通路通過上調(diào)MCT1增強(qiáng)乳酸在大腦內(nèi)皮細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)，內(nèi)皮細(xì)胞中PTEN缺失或MCT1的破壞都會導(dǎo)致乳酸的積累，導(dǎo)致成年海馬神經(jīng)發(fā)生和認(rèn)知功能受損［52］（圖2②）。綜上所述，乳酸對神經(jīng)發(fā)生的影響出現(xiàn)不一致的結(jié)果，這可能與乳酸的濃度有關(guān)以及研究方法有關(guān)［53］。因此乳酸與神經(jīng)發(fā)生之間關(guān)系及其相關(guān)機(jī)制對記憶的影響需要進(jìn)一步的研究。

3.2.2 乳酸通過加強(qiáng)NMDAR活性促進(jìn)突觸可塑性和即刻早期基因的表達(dá)影響記憶

乳酸可以間接增強(qiáng)NMDAR 的活性，細(xì)胞外L-乳酸通過MCT2轉(zhuǎn)運(yùn)到神經(jīng)元中，在煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）和乳酸脫氫酶作用下生成丙酮酸和還原型輔 酶 I （nicotinamide adenine dinucleotide，NADH），NADH 的增加提高細(xì)胞內(nèi)還原水平，激活NMDARs-NR2B 亞基，增強(qiáng)NMDAR 的活性，導(dǎo)致鈣離子內(nèi)流增多［54-55］。

一方面，Ca2+與鈣調(diào)蛋白結(jié)合從而激活腺苷酸環(huán)化酶和鈣調(diào)素依賴蛋白激酶II（CaMK II），引起含有GluA1 亞基的AMPA 受體向突觸后膜上遷移，突觸后電位增強(qiáng)，誘導(dǎo)長時程增強(qiáng)（long-term potentiation，LTP）的產(chǎn)生［56］。LTP 和長時程抑制（long-term depression，LTD）是突觸可塑性重要的神經(jīng)機(jī)制。突觸可塑性是指神經(jīng)元之間連接強(qiáng)度的可調(diào)節(jié)性，對長時記憶的形成和維持十分重要。LTP和LTD都可以存儲信息，LTP通常伴隨較大的突觸和樹突棘，通過高頻刺激進(jìn)行誘導(dǎo)，引起突觸效能長期增強(qiáng)，而LTD 往往伴隨較小的突觸和樹突棘，引起突觸連接減弱［57］。在恐懼記憶中，在正常情況下利用高頻強(qiáng)直刺激可以誘導(dǎo)海馬CA1區(qū)schaffer 側(cè)枝區(qū)LTP，但是在抑制乳酸產(chǎn)生后，強(qiáng)直刺激只能在最初的時候有突觸增強(qiáng)的效果，這種增強(qiáng)在75 min 迅速衰減至基線。這說明注射乳酸的減少不會阻斷LTP的誘導(dǎo)但是會阻斷LTP的維持，從而損害長時記憶的形成和鞏固，注射L-乳酸后可以逆轉(zhuǎn)對LTP的阻斷作用，恢復(fù)恐懼記憶的鞏固［4］。這說明乳酸對LTP的維持和長時記憶的形成和鞏固十分重要。

另外一方面，鈣離子的內(nèi)流，會使一些蛋白激酶持續(xù)激活，引起多種基因的轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)合成，尤其是即刻早期基因（immediate early genes，IEGs）的表達(dá)［56］。IEGs 是一類對刺激產(chǎn)生快速和瞬時響應(yīng)的基因，這些基因在學(xué)習(xí)記憶過程中起著至關(guān)重要的作用［58］。細(xì)胞骨架活性調(diào)節(jié)蛋白（activity regulated cytoskeleton protein，Arc）是多種形式的學(xué)習(xí)和記憶所必需的［59］。NMDAR 的激活、細(xì)胞內(nèi)Ca2+的升高及cAMP/PKA信號通路、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）級聯(lián)反應(yīng)的激活會影響Arc 的轉(zhuǎn)錄，Arc 的持續(xù)翻譯對穩(wěn)定LTP 的形成十分重要［60］，研究表明Arc基因敲除的小鼠，其LTP維持受損，損害長時記憶，這表明Arc是形成長時記憶所必需的［61］。在抑制性回避實(shí)驗(yàn)中，抑制海馬內(nèi)乳酸的產(chǎn)生，導(dǎo)致Arc的表達(dá)受損，損害了恐懼記憶的鞏固，即影響了長時記憶的形成［4］，因此在恐懼記憶鞏固中乳酸對Arc的表達(dá)十分重要。早期生長反應(yīng)因子1，又被稱為ZIF268，是一種可以編碼鋅指結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子，當(dāng)各種刺激信號傳入海馬后，激活神經(jīng)元上的NMDAR，細(xì)胞內(nèi)Ca2+升高，依次激活PKC 和CaMK II 等分子，使MAPK 發(fā)生磷酸化，進(jìn)而激活MAPK/ERK 通路，使下游的轉(zhuǎn)錄激活因子Elk-1 和CREB 磷酸化，分別與血清反應(yīng)元件SRE 和cAMP 反應(yīng)元件CRE 結(jié)合，從而調(diào)控ZIF268 的轉(zhuǎn)錄［56］，在突觸可塑性和記憶的鞏固以及LTP 的誘導(dǎo)和學(xué)習(xí)過程中都伴隨著ZIF268 表達(dá)的增加，ZIF268 的表達(dá)是長期記憶形成必不可少的條件之一［58］（圖2③）。在可卡因誘導(dǎo)的成癮記憶中，抑制基底外側(cè)杏仁核乳酸產(chǎn)生，可以通過阻斷ZIF268 表達(dá)破壞可卡因成癮記憶獲得，注射乳酸可以通過挽救ZIF268 的表達(dá)從而挽救成癮記憶的獲得，因此在成癮記憶獲得中乳酸對于ZIF268 的表達(dá)十分重要［16］。但是當(dāng)長期腹腔乳酸給藥（8 周），會使得腦內(nèi)乳酸的含量維持在基線的2倍水平，抑制學(xué)習(xí)記憶功能，降低突觸可塑性相關(guān)基因和蛋白質(zhì)表達(dá)，導(dǎo)致c-Fos、Arc、ZIF268、突觸后致密蛋白95（postsynaptic density protein-95，PSD-95）、pCREB 的表達(dá)明顯下降［62］。

3.2.3 乳酸通過促進(jìn)BDNF的表達(dá)影響記憶

神經(jīng)營養(yǎng)因子是一類內(nèi)源性、小型的分泌蛋白，具有促進(jìn)神經(jīng)元存活和分化及調(diào)節(jié)突觸生長和發(fā)育的功能。所有神經(jīng)營養(yǎng)因子中，BDNF在腦中分布最廣，并高表達(dá)于對學(xué)習(xí)記憶起重要作用的腦區(qū)。BDNF 在發(fā)育過程中可以調(diào)節(jié)神經(jīng)元的生存、生長和分化，誘導(dǎo)新的樹突棘形成和增強(qiáng)神經(jīng)元的可塑性［63］。血液中的乳酸可以跨越血腦屏障，通過MCT2進(jìn)入神經(jīng)元，調(diào)節(jié)NAD+/NADH 比值，改變細(xì)胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)，激活沉默信息調(diào)節(jié)因子1（silent information regulator 1，Sir1）。Sir1 可以使過氧化物酶體增殖物激活受體γ 輔激因（peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator-1α，PGC1α）去乙?；龠M(jìn)其活性和基因表達(dá)。含III 型纖連蛋白域蛋白5（fibronectin type III domain containing 5，F(xiàn)NDC5）的基因表達(dá)受PGC-1α 調(diào)控，PGC1α 和雌激素受體相關(guān)受體α（estrogen-related receptorα，ERRα）協(xié)同激活海馬區(qū)FNDC5 的表達(dá)，從而誘導(dǎo)海馬區(qū)BDNF 的表達(dá)［64］，因此乳酸可以通過改變細(xì)胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)，激活Sir1-PGC1α-FNDC5 通路誘導(dǎo)BDNF 的表達(dá)（圖2 ④），BDNF 在與酪氨酸激酶受體B（tyrosine Kinase receptor B，TrkB）受體結(jié)合，可以激活PI3K/AKt通路、Ras/Raf-MAPK通路、磷脂酶C-PKC通路信號通路［65］，調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)記憶能力。

4 總結(jié)和展望

近20 年的關(guān)于乳酸對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響研究激增，證明乳酸在神經(jīng)系統(tǒng)功能方面具有重要作用。首先，乳酸可以作為能量底物為神經(jīng)元和OL提供能量。乳酸在星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生之后，可以通過MCT1 和MCT4 從星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)釋放到細(xì)胞外，通過MCT2進(jìn)入到神經(jīng)元中，為神經(jīng)元提供能量，乳酸也可以轉(zhuǎn)運(yùn)到OL，支持OL 的發(fā)育和髓鞘形成，為OL 提供能量，OL 中產(chǎn)生的乳酸也可以進(jìn)入到神經(jīng)元為神經(jīng)元提供能量。因此，乳酸是通過為神經(jīng)元提供能量底物和維持正常記憶。其次，乳酸可以通過影響信號通路對記憶產(chǎn)生影響，一是直接作用于HCAR1 促進(jìn)VEGF 的表達(dá)，二是誘導(dǎo)神經(jīng)發(fā)生，三是加強(qiáng)NMDAR活性促進(jìn)突觸可塑性、即刻早期基因的表達(dá)，四是促進(jìn)BDNF的表達(dá)進(jìn)而增強(qiáng)相關(guān)信號通路功能。這些過程都可以促進(jìn)記憶。乳酸在不同的記憶類型中所起的作用可能存在差異：在恐懼記憶鞏固中，乳酸作為能量底物的作用可能更加重要，但是在成癮記憶獲得中乳酸對信號通路的影響可能更加突出。

在未來研究中下列問題應(yīng)該進(jìn)一步受到關(guān)注。a.應(yīng)該深入考察在不同的記憶類型中乳酸所起的作用是否相同，只有更加明確乳酸對不同記憶類型的作用方式，才能更有針對性的研究乳酸對記憶的影響。b.許多神經(jīng)遞質(zhì)通過作用于相應(yīng)的受體進(jìn)而調(diào)控乳酸的產(chǎn)生，如大麻素［66］、多巴胺［67］，那么這些神經(jīng)遞質(zhì)對記憶的影響是否有乳酸的參與，從而更加深入了解乳酸對記憶產(chǎn)生的神經(jīng)機(jī)制。c.乳酸影響記憶的下游機(jī)制仍然需要進(jìn)一步研究，比如乳酸作用于HCAR1 的下游通路，可以結(jié)合光遺傳、化學(xué)遺傳技術(shù)、精準(zhǔn)的激活或抑制該受體，或者開發(fā)HCAR1 的拮抗劑，拮抗乳酸和HCAR1 結(jié)合，從而能夠更加深入探討乳酸和HCAR1 結(jié)合對記憶的影響以及相應(yīng)的神經(jīng)通路。d.乳酸是否可以作為一些疾病潛在治療靶點(diǎn)需要進(jìn)一步研究，例如，在AD 小鼠神經(jīng)元中LDHA、LDHB 都降低，但LDHA/LDHB 比值升高，有利于神經(jīng)元產(chǎn)生乳酸，然而這并不能彌補(bǔ)神經(jīng)元的能量缺乏［68］，AD患者的海馬組織切片和腦脊液中的FNDC5 水平顯著降低，乳酸可以促進(jìn)FNDC5的表達(dá)［69］，現(xiàn)研究表明姜黃素可以通過增加乳酸含量和MCT2 蛋白表達(dá)，改善AD 小鼠模型中的記憶障礙［70］。因此乳酸是否可以作為能量底物和信號分子成為治療AD的潛在治療靶點(diǎn)需要進(jìn)一步確認(rèn)。除此之外，應(yīng)該深入研究乳酸對OL的影響，乳酸促進(jìn)髓鞘再生的神經(jīng)機(jī)制，乳酸是否可以通過影響OL進(jìn)而成為治療多發(fā)性硬化癥和肌萎縮側(cè)索硬化癥潛在治療靶點(diǎn)。e.要著重關(guān)注乳酸在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中促進(jìn)學(xué)習(xí)記憶的最佳濃度，因?yàn)槿樗徇^度積累對神經(jīng)系統(tǒng)是有害的。研究表明，特異性敲除海馬丙酮酸脫羧酶E1α亞單位（Pdha1）導(dǎo)致乳酸積累和乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)異常，會抑制cAMP/PKA/CREB 途徑，從而損害小鼠空間記憶和物體識別記憶，腦內(nèi)乳酸穩(wěn)態(tài)對認(rèn)知十分重要［71］，異常的乳酸代謝會損傷認(rèn)知。