Astroglial Glutamate Transporters, Calcium, and Mitochondria

点击翻译按钮获取中文摘要

PROJECT SUMMARY/ABSTRACT    Glutamate  is  the  predominant  excitatory  neurotransmitter  in  the  mammalian  central  nervous  system  and  mediates  diverse  functions  including  sensory  and  motor  processing,  as  well  as  learning  and  memory.    The  energetic demand of this excitatory activity is met by a localized increase in blood flow.  Although this increase  in blood flow is important to support the energy demands of neural tissue and represents the basis of the signal  monitored with functional magnetic resonance imaging (fMRI), the mechanism(s) that underlie this effect remain  unresolved.    Unlike  other  classical  neurotransmitters,  that  are  directly  recycled  into  the  presynaptic  nerve  terminal,  most  glutamate  is  cleared  into  astrocytes.    This  clearance  is  mediated  by  two  Na+-­dependent  transporters,  called  GLT-­1  and  GLAST  (or  EAAT2  and  EAAT1,  respectively).    These  transporters  are  almost  exclusively expressed by astrocytes and enriched on fine astrocyte processes near synapses and on astrocyte  endfeet.    We  have  recently  shown  that  glutamate  transporters,  Na+/Ca2+  exchangers,  and  mitochondria  are  functionally  coupled  to  one  another  in  astrocyte  processes.      We  provide  a  strong  scientific  premise  for  the  hypothesis that increases in blood flow upon neuronal activation are due to glutamate transport into astrocytes.   In studies proposed in Specific Aim 1, we will use 2-­photon imaging combined with pharmacologic and genetic  manipulations  to  test  the  hypothesis  that  glutamate  transport  and  Na+/Ca2+  exchange  increase  calcium  in  astrocyte  endfeet  and  that  this  increase  in  calcium  is  necessary  for  stimulus-­evoked  increases  in  arteriole  diameter in vivo.   Normally, excitatory activity causes an increase in blood flow, but under some circumstances,  the response becomes inverted.   In Specific Aim 2, we will test the hypothesis that preventing mitochondria from  docking in astrocyte processes/endfeet results in exaggerated stimulus-­evoked calcium signaling in endfeet and  inversion of the neurovascular response.  After a stroke, decreases in blood flow extend beyond the occluded  vessel.   In  Specific  Aim  3,  we  will  test  the  hypothesis  that  focal  ischemia  results  in a  loss of  mitochondria  from  astrocyte  processes,  exaggerated  stimulus-­evoked  calcium  signaling  in  endfeet,  and  inversion  of  the  neurovascular  response  in  the  penumbra      These  studies  will  define  a  novel  mechanism  by  which  neuronal  activity causes an increase in neuronal blood flow, will define a novel mechanism by which this response inverts,  and a determine how these phenomena contribute to dysregulated blood flow observed after stroke.