Astrocytes control brain activity via both metabolic processes and gliotransmission, but the physiological links between these functions are scantly known. Here we show that endogenous activation of astrocyte type-1 cannabinoid (CB1) receptors determines a shift of glycolysis towards the lactate-dependent production of D-serine, thereby gating synaptic and cognitive functions in male mice. Mutant mice lacking the CB1 receptor gene in astrocytes (GFAP-CB1-KO) are impaired in novel object recognition (NOR) memory. This phenotype is rescued by the gliotransmitter D-serine, by its precursor L-serine, and also by lactate and 3,5-DHBA, an agonist of the lactate receptor HCAR1. Such lactate-dependent effect is abolished when the astrocyte-specific phosphorylated-pathway (PP), which diverts glycolysis towards L-serine synthesis, is blocked. Consistently, lactate and 3,5-DHBA promoted the co-agonist binding site occupancy of CA1 post-synaptic NMDA receptors in hippocampal slices in a PP-dependent manner. Thus, a tight cross-talk between astrocytic energy metabolism and gliotransmission determines synaptic and cognitive processes.

A complex array of different inhibitory interneurons tightly controls hippocampal activity, but how such diversity specifically impacts on memory processes is scantly known. We found that a small subclass of type-1 cannabinoid receptor(CB1)-expressing hippocampal interneurons determines episodic-like memory consolidation by linking dopamine D1 receptor signaling to GABAergic transmission. Mice lacking CB1 in D1-positive cells (D1-CB1-KO) displayed impaired long-term, but not short-term, object recognition memory. Re-expression of CB1 in hippocampal, but not striatal, D1-positive cells rescued this memory impairment. Learning induced a facilitation of in vivo hippocampal long-term potentiation (LTP), which was abolished in mutant mice. Chemogenetic and pharmacological experiments revealed that both CB1-mediated memory and associated LTP facilitation involves the local control of GABAergic inhibition in a D1-dependent manner. This study reveals that CB1-/D1-expressing interneurons shape hippocampal circuits to sustain recognition memory, thereby identifying a mechanism linking the diversity of hippocampal interneurons to specific behavioral and cognitive outcomes.

ABSTRACT Control of brain energy metabolism and regulation of synaptic activity through gliotransmission are two important ways, through which astrocytes contribute to mental functions. However, the potential functional and molecular links between these two astrocyte-dependent processes have been scantly explored so far. Here we show that a lactate-dependent shift of glycolysis underlies the production of the gliotransmitter D-serine by acute activation of astrocyte type-1 cannabinoid (CB1) receptors, thereby gating synaptic and cognitive processes. Acute cannabinoid application causes a CB1 receptor-dependent rapid and reversible increase of lactate production and release in primary astrocyte cultures. As shown before, mutant mice lacking the CB1 receptor gene in astrocytes (GFAP-CB1-KO) were impaired in a novel object recognition (NOR) task. Notably, this phenotype was rescued not only by the gliotransmitter D-serine, but also by its precursor L-serine. Surprisingly, the administration of lactate also reverted the memory impairment of GFAP-CB1-KO mice. This rescue effect was abolished by in vivo blockade of the astrocyte-specific phosphorylated pathway (PP), which diverts glycolysis towards L-serine synthesis, suggesting that lactate itself might promote the accumulation of this amino acid. Consistent with this idea, lactate increased the co-agonist occupancy of CA1 post-synaptic hippocampal NMDA receptors in a PP-dependent manner. By establishing a mechanistic link between lactate, serine availability, synaptic activity and behavior, these results reveal an unforeseen functional connection between energy metabolism and gliotransmission to control cognitive processes.