脳乳酸代謝の計算特異摂動分析

脳内の乳酸は、特に神経活性化中に、神経活動のための重要な燃料およびシグナル伝達分子と考えられています。乳酸が星状細胞からニューロン、またはニューロンから星状細胞への乳酸が閉鎖されるかどうかは、矛盾した星状細胞とニューロンの乳酸シャトル（ANLS）またはニューロンから星状細胞への乳酸（NAL）仮説につながります。この研究では、Simpson et al。（JCereb。BloodFlow Metab。、27：1766、2007）およびMangia et al。（j of神経化学、109：55、2009）。脳の代謝を支配するほとんどの数学モデルはプロセスを進めるため、このモデルは、そのダイナミクスを特徴付ける幅広い時間スケールのため、特徴がマルチスケールです。したがって、反応性フローと生物学的システムのマルチスケールシステムで広く使用されている計算特異な摂動（CSP）アルゴリズムを利用して、（i）特性時間スケールと高速/速度/速度を生成するシステムの成分を識別します。ダイナミクス、（ii）位相空間で発生する平衡の表面を近似し、（iii）確立された平衡表面内のプロセスの進化を制御する式に関与します。神経活性化中にANLSまたはNALSの構成が発達するかどうかの決定的な因子は、星状細胞と層間の間の乳酸輸送が高速ダイナミクスに寄与するかどうかであることが示されています。乳酸は主に星状細胞で生成され、ANLS仮説が実現されますが、そうでない場合、乳酸は主にニューロンで生成され、NALS仮説が実現されます。このシナリオは、運動条件でテストされました。

Lactate in the brain is considered an important fuel and signalling molecule for neuronal activity, especially during neuronal activation. Whether lactate is shuttled from astrocytes to neurons or from neurons to astrocytes leads to the contradictory Astrocyte to Neuron Lactate Shuttle (ANLS) or Neuron to Astrocyte Lactate Shuttle (NALS) hypotheses, both of which are supported by extensive, but indirect, experimental evidence. This work explores the conditions favouring development of ANLS or NALS phenomenon on the basis of a model that can simulate both by employing the two parameter sets proposed by Simpson et al. (J Cereb. Blood Flow Metab., 27:1766, 2007) and Mangia et al. (J of Neurochemistry, 109:55, 2009). As most mathematical models governing brain metabolism processes, this model is multi-scale in character due to the wide range of time scales characterizing its dynamics. Therefore, we utilize the Computational Singular Perturbation (CSP) algorithm, which has been used extensively in multi-scale systems of reactive flows and biological systems, to identify components of the system that (i) generate the characteristic time scale and the fast/slow dynamics, (ii) participate to the expressions that approximate the surfaces of equilibria that develop in phase space and (iii) control the evolution of the process within the established surfaces of equilibria. It is shown that a decisive factor on whether the ANLS or NALS configuration will develop during neuronal activation is whether the lactate transport between astrocytes and interstitium contributes to the fast dynamics or not. When it does, lactate is mainly generated in astrocytes and the ANLS hypothesis is realised, while when it doesn't, lactate is mainly generated in neurons and the NALS hypothesis is realised. This scenario was tested in exercise conditions.