Role of lactate for synaptic transmission, recovery of ion gradients and maintenance of epileptiform activity in rat hippocampal and human neocortical slices

Abstract

Under normal conditions brain energy metabolism relies almost exclusively on the oxidative metabolism of glucose. Lactate, derived from glycolytic metabolism of glial cells, has been speculated to serve as an alternative substrate under specific circumstances. Indeed, lactate was shown to support synaptic transmission, neuronal plasticity and memory consolidation even in the presence of ample glucose. In addition, lactate may also modulate neuronal activity through its own hydroxycarboxylic acid receptor 1 (HCA1). Even though activity dependent extracellular lactate increases are long known, their contribution to neuronal excitability and maintenance of transmembrane ion gradients has barely been studied. Lactate exchange between brain cells and across the blood-brain-barrier is mediated via hemichannels, ion channels and monocarboxylate transporters (MCT 1-4). In chronic epileptic tissue, the expression of MCT1 is reduced on endothelial cells and upregulated on astrocytes, which is in favor of increased extracellular lactate accumulation and impaired clearance to the circulation. Whether this process is pro or anti-ictogenic (due to metabolic support or lactic acidosis, respectively) is currently not known. Here, I determined the contribution of lactate derived ATP to synaptic signaling, ion recovery kinetics and maintenance of pathological network activity in rat hippocampal slices as well as in chronic epileptic tissue resected from patients with temporal lobe epilepsy (TLE). Stimulus induced changes in field potential, extracellular K+, Na+, Ca2+, H+ concentration as well as tissue oxygen level (pO2) were determined in layer V/VI of human neocortex, and rat medial entorhinal cortex (MEC) and hippocampus slices in the presence or absence of the MCT blockers alpha- cyano-4-hydroxycinnamic acid (4-CIN) or D-lactate. Application of 4-CIN reduced stimulus induced oxygen consumption and synaptic transmission and prolonged ion transient recovery time. The effect on synaptic transmission was partly mediated by activation of KATP channels which hyperpolarize neurons during state of ATP depletion, whereas the contribution of HCA1 receptors could be excluded. On the contrary, despite supporting oxidative energy metabolism, lactate uptake inhibitors did not affect field potential responses or decay kinetics of extracellular K+ in chronic epileptic tissue. MCT inhibitors reduced the incidence and duration/amplitude of seizure-like events (SLEs) in rat MEC and in human neocortical slices. The anti-seizure effect of lactate uptake inhibitors was mediated by adenosine A1 receptor and not by changes in pH. In conclusion, lactate contributes to oxidative metabolism and supports synaptic transmission and recovery of ion gradients changes in healthy tissue while it maintains SLEs in pathologic states.

Die Energieversorgung des Gehirns beruht unter physiologischen Bedingungen beinahe ausschließlich auf oxidativem Metabolismus von Glukose. Laktat, aus dem anaeroben Metabolismus der Gliazellen, kann unter speziellen Umständen als alternatives Substrat dienen. Tatsächlich wurde nachgewiesen, dass Laktat als Substrat des Energiemetabolismus, die synaptische Übertragung stützen kann, und zudem an neuronaler Plastizität beteiligt und für die Konsolidierung von Gedächtnisinhalten notwendig ist. Zusätzlich kann Laktat durch Aktivierung eines G-Protein gekoppelten Hydroxykarbonsäure-Rezeptors (HCA1) direkt Wirkung auf die neuronale Funktion ausüben. Obwohl der aktivitätsbedingte Anstieg der parenchymalen Laktatkonzentration schon sehr lange bekannt ist, ist die Rolle von Laktat für neuronale Erregbarkeit, sowie für die Wiederherstellung der transmembranären Ionengradienten weitestgehend unerforscht geblieben. Der Laktataustausch zwischen Gehirnzellen und der Blut-Hirn Schranke wird durch Ionenkanäle, Hemikanäle und Monokarboxysäuretransporters (MCT1-4) getragen. In chronisch epileptischem Gewebe wird MCT1 an Endothelzellen vermindert und an Astrozyten vermehrt exprimiert, was wiederum eine Laktatakkumulation im Gehirngewebe mit verringerter Abgabe in die Blutzirkulation zufolge hat. Ob diese Prozesse pro oder antiiktogen wirken (jeweils durch metabolische Unterstützung oder Laktacidose), ist zur Zeit noch nicht bekannt. In dieser Studie habe ich den Beitrag des Laktat-abhängigen Anteils der ATP Synthese zum Energiebedarf der synaptischer Übertragung, zur Aufrechterhaltung von transmembranären Ionengradienten und an pathologischer Netzwerkaktivität in hippokampalen Gehirnschnitten der Ratte und in chronisch epileptischen, kortikalen Gehirnschnitten von Temporallapenepilepsiepatienten untersucht. Stimulus induzierte Änderungen des Feldpotentials, der extrazellulären K+, Na+, Ca2+, H+ Konzentrationen und des Sauerstoffpartialdrucks wurden mit oder ohne Blockade des MCTs durch alpha-Cyano-4-hydroxyzimtsäure (4-CIN) oder D-Laktat gemessen. Die Gabe von 4-CIN führte zur Reduktion des Sauerstoffverbrauchs, zur Verringerung synaptischer Übertragung und Verlangsamung von extrazellulären Ionenänderungen. Der Effekt auf die synaptische Übertragung wurde zum Teil durch die Aktivierung der KATP Kanäle getragen, welche im Falle eines ATP-Mangels die Nervenzellen hyperpolarisieren, während der Beitrag von HCA1 Rezeptoren ausgeschlossen werden konnte. Im Gegensatz dazu, hat die Blockade der Laktat- aufnahme in chronisch epileptischem Gewebe weder die synaptische Übertragung noch die Wiederherstellung transmembranärer Ionengradienten beeinflusst, obwohl die Zellatmung eindeutig durch 4-CIN gehemmt wurde. Gleichzeitig haben die MCT Inhibitoren 4-CIN und D-Laktat jedoch die Inzidenz, Dauer und Amplitude der evozierten anfallsartigen Ereignisse in den kortikalen Gehirnschnitten der Ratte und der Epilepsiepatienten verringert. Diese antiiktogene Wirkung wurde durch die Aktivierung von Adenosinrezeptoren (A1) in Folge der verminderten ATP-Verfügbarkeit und nicht durch Laktazidose ausgelöst. Zusammenfassend konnte ich feststellen, dass Laktat einen wichtigen Beitrag zum Energiebedarf der synaptischen Übertragung und zur Wiederherstellung der Ionengradienten und zum Aufrechterhalten pathologischer anfallsartiger Aktivität leistet.