ラットの線条体におけるグルコースと乳酸の変動をボルタンメトリーで同時検出した

Simultaneous voltammetric detection of glucose and lactate fluctuations in rat striatum evoked by electrical stimulation of the midbrain.

• Alexandra G Forderhase
• Hannah C Styers
• Christie A Lee
• Leslie A Sombers

抄録

グルコースと乳酸は、脳内の細胞機能にエネルギーを供給し、様々な生体分子の合成に重要な炭素源として機能しています。そのため、神経細胞の機能に見合った時間スケールで、これらの分子をin situで定量的にモニターする必要があります。本研究では、炭素繊維マイクロバイオセンサーを高速スキャンサイクリックボルタンメトリーと組み合わせて、ラットの線条体内の離散的な部位への中脳突起の電気刺激時に、グルコースと乳酸の変動をモニターした。刺激パラメータを系統的に変化させることで、グルコースと乳酸がシナプス機能の代謝要求に応答する明確なダイナミクスを明らかにした。刺激直後、細胞外のグルコースと乳酸の利用可能性は急速に増加した。刺激が十分に強かった場合には、発生した代謝要求に応答して、濃度は直ちにベースライン以下に低下した。ダイナミクスは刺激の周波数に依存しており、同じ数のパルスをより高い周波数で送達すると、より強固な変動が観察された。グルコースが局所的な記録領域に供給され、そこから枯渇する速度は、刺激の強度に依存し、グルコースのダイナミクスは、最も実質的な刺激に応答して乳酸のものをリードした。グルコースは、刺激の持続時間が増加すると、乳酸よりも大きな濃度範囲にわたって変動し、グルコースはベースライン濃度からさらに低下しました。これらのリアルタイム測定により、神経細胞の活性化によって誘発される代謝要求に応答したグルコースと乳酸の動態の前例のない直接比較が可能となった。グラフィカル・アブストラクト。

Glucose and lactate provide energy for cellular function in the brain and serve as an important carbon source in the synthesis of a variety of biomolecules. Thus, there is a critical need to quantitatively monitor these molecules in situ on a time scale commensurate with neuronal function. In this work, carbon-fiber microbiosensors were coupled with fast-scan cyclic voltammetry to monitor glucose and lactate fluctuations at a discrete site within rat striatum upon electrical stimulation of the midbrain projection to the region. Systematic variation of stimulation parameters revealed the distinct dynamics by which glucose and lactate responded to the metabolic demand of synaptic function. Immediately upon stimulation, extracellular glucose and lactate availability rapidly increased. If stimulation was sufficiently intense, concentrations then immediately fell below baseline in response to incurred metabolic demand. The dynamics were dependent on stimulation frequency, such that more robust fluctuations were observed when the same number of pulses was delivered at a higher frequency. The rates at which glucose was supplied to, and depleted from, the local recording region were dependent on stimulation intensity, and glucose dynamics led those of lactate in response to the most substantial stimulations. Glucose fluctuated over a larger concentration range than lactate as stimulation duration increased, and glucose fell further from baseline concentrations. These real-time measurements provide an unprecedented direct comparison of glucose and lactate dynamics in response to metabolic demand elicited by neuronal activation. Graphical abstract.