Impact of a decrease in monocarboxylate transporter expression in the rat somatosensory cortex on synaptic plasticity and animal cognition obtained with a shRNA-dependent viral vector approach

Traditionally, it was considered that neurons consumed essentially glucose as their main energy substrate. This view of brain metabolism has been challenged 25 years ago with the Astrocyte-Neuron Lactate Shuttle (ANLS) hypothesis. It proposed that under sustained neuronal activation, a major part of glucose is taken up by astrocytes, metabolized into lactate and then transferred to neurons. Such a lactate supply would allow a fast energy production and sustained synaptic activity. It has been shown that lactate release by astrocytes occurs predominantly via the monocarboxylate transporter 4 (MCT4) and its neuronal uptake is facilitated by MCT2. The implication of those transporters in lactate metabolism has been demonstrated in vitro. However, in vivo, their involvement is still debated. To answer this question, several viral vectors were produced with the aim to induce a cell-specific knockdown of MCT2 in neurons and of MCT4 in astrocytes. First, we validated their efficiency and specificity in vitro and in vivo. We showed that in vitro they were able to decrease the mRNA and protein expression of the targeted MCT. In vivo, we showed that a large majority of the targeted area (the barrel field of the somatosensory cortex, a.k.a. S1BF) was transduced and that the knockdown was significant and cell-specific. Those tools were then used to study the importance of the ANLS for cognition. To do so, we established a new behavioral protocol to probe S1BF function. This cortical area being involved in texture discrimination, we developed a textured novel object recognition test, in which texture is the only difference between the two objects. We found that the knockdown of MCT2 in S1BF prevented texture discrimination. Intriguingly, for MCT4, half of the animals were not able to discriminate the new texture while the other half did, suggesting different mechanisms involved with a particular threshold or compensation for MCT4. Moreover, we observed an altered expression of several genes known to be involved in synaptic plasticity after MCT2 and MCT4 knockdowns. In conclusion, these results indicate that the ANLS is necessary for proper behavioral performances involving the S1BF area. Furthermore, it suggests that this metabolic interaction is required to sustain molecular and cellular processes involved in learning and memory (e.g. synaptic plasticity). -- Il était classiquement admis que le glucose est le nutriment principal des neurones. Cette vision du métabolisme cérébral a été remise en question il y a 25 ans avec l’hypothèse de la navette lactate. Celle-ci propose qu’en cas de forte activité neuronale, le glucose sanguin est majoritairement capté par les astrocytes qui vont le transformer en lactate et le libérer pour les neurones qui vont l’utiliser pour produire rapidement l’énergie nécessaire à l’activité neuronale. Il a été montré que le lactate est libéré par l’astrocyte grâce au transporteur de monocarboxylates 4 (MCT4) et que sa capture neuronale se fait grâce à MCT2. L’implication de ces transporteurs dans le métabolisme du lactate a été montrée in vitro. Cependant, leur implication in vivo n’a pas encore été démontrée clairement. Pour répondre à cette question, des vecteurs viraux ont été produits avec l’objectif de diminuer l’expression au niveau ARNm et protéique de MCT2 dans les neurones et de MCT4 dans les astrocytes. Nous avons d’abord testé leur spécificité et leur efficacité in vitro puis in vivo. In vitro, nous avons montré une diminution spécifique de l’expression de notre MCT d’intérêt. In vivo, nous avons montré une large transduction du vecteur au sein de notre zone d’intérêt (la zone des tonneaux dans le cortex somatosensoriel, S1BF), associée à une réduction d’expression significative et spécifique du MCT visé. Ces vecteurs ont ensuite été utilisés pour étudier l’importance de la navette lactate dans la fonction cognitive de S1BF in vivo. Cette zone étant impliquée dans la discrimination de textures, nous avons développé un test de reconnaissance de nouvel objet basé sur la texture. Ici, l’animal doit faire la différence entre deux objets dont la seule différence est leur texture. La réduction d’expression de MCT2 a entrainé une absence de discrimination des objets. Pour MCT4, la moitié des animaux était incapable de différencier les objets, alors que l’autre moitié y arrivait, suggérant des mécanismes différents impliquant un seuil particulier ou un phénomène de compensation. De plus, nous avons observé des altérations dans l’expression de gènes connus pour leur implication dans la plasticité synaptique après la réduction d’expression de MCT2 et MCT4. Pour conclure, ces résultats montrent l’importance de la navette pour un fonctionnement cognitif adéquat impliquant S1BF. Cela suggère que cet échange est nécessaire pour soutenir les processus moléculaires et cellulaires impliqués dans l’apprentissage et la mémoire (ex. la plasticité synaptique).