Potenciace vyvolaná léky u excitačních synapsí ve VTA

Průkopnická studie Unglessa a kolegy v 2001 prokázali, že jediná expozice kokainu způsobila zvýšení synaptické síly u excitačních synapsí na neuronech VTA DA při měření 24 h později v řezech mozku (Ungless et al., 2001). To bylo měřeno jako zvýšení poměru excitačních postsynaptických proudů (EPSC) zprostředkovaných AMPA přes EPSC zprostředkované NMDA (označované jako poměr AMPA / NMDA). Ukázalo se, že následná elektricky vyvolaná LTP byla uzavřena u excitačních VTA synapsí u myší léčených kokainem, zatímco LTD byla zvýšena. Tato pozorování, stejně jako řada dalších elektrofyziologických měření, ukázala, že změna plasticity pozorovala potenciálně sdílené podobné mechanismy k synapticky vyvolanému LTP (Ungless et al., 2001). Od té doby bylo prokázáno, že podávání jiných drog, včetně amfetaminu, morfinu, ethanolu, nikotinu a benzodiazepinů, může také vyvolat zvýšení synaptické síly ve VTA, což je účinek, který není pozorován u psychoaktivních léků, které nemají potenciál zneužívání. (Saal et al., 2003; Gao a kol., 2010; Tan et al. 2010). Toto pozorování demonstruje konvergenci buněčných odpovědí uvnitř VTA všemi zneužívanými léky a poskytuje možný nervový mechanismus, kterým mohou být spouštěny počáteční neuroadaptace, které jsou základem závislosti.

Vliv nekontinuálního podávání léčiva na synaptickou plasticitu VTA je přechodně exprimován, trvá nejméně 5, ale méně než 10 dnů a bylo prokázáno, že pozitivně koreluje s počátečním vývojem behaviorální senzibilizace, ale ne s jeho expresí. (Ungless et al., 2001; Saal a kol., 2003; Borgland et al., 2004). Je-li kokain podán samostatně, výsledek je poněkud odlišný, protože plasticita VTA se stává perzistentní a může být detekována i 90 dnů do vysazení. (Chen a kol., 2008).

Potenciace glutamátergických synapsí na VTA DA buňkách je pravděpodobně spojena se schopností zneužívaných léků zvyšovat extracelulární DA v NAc. (Di Chiara a Imperato, 1988) napotenciálně představuje iniciaci „patologického“ učení odměny, při kterém dochází k „razítkování“ asociací drog. Zvýšení glutamátergické synaptické síly závislé na NMDA receptorech bylo skutečně hlášeno u neuronů VTA DA během získávání asociace cue-pay (Stuber et al., 2008) a nedávno bylo potvrzeno, že kokain selektivně zvyšuje poměr AMPA / NMDA u VTA neuronů, které vycházejí z NAc na rozdíl od PFC (Lammel et al., 2011); je dobře známo, že přenos dopaminu uvnitř NAc je kritický pro získání Pavlovianské asociace (Kelley, 2004). Může se tedy stát, že potenciace neuronů VTA DA může představovat neurální kódování podobné LTP, možná asociativní proces učení, který může být nezbytný pro včasné reakce na chování vyvolané kokainem a má schopnost vyvolat dlouhodobé adaptace, které jsou základem závislosti, nepředstavuje však závislý stát. Jak navrhují jiní, může se jednat o to, že návykové léky co-opt mozek odměňují obvody, aby „přeceňovaly“ hodnotu léku do organismu. (Kauer a Malenka, 2007).

Počátky příslušných glutamatergických projekcí do VTA, které se účastní plastické plasticity vyvolané léčivem, zůstávají plně objasněny. Jedna studie odhalila, že glutamátergické synapsy VTA cílené projekcemi jak ze samotného VTA, tak z jádra pedunculopontinu (PPN) vykazují zvýšenou potenciaci kokainu, avšak pouze synapsy přijímající vstupy z PPN afferentů jsou potencovány Δ⁹-tetrahydrokanabinol (THC) (Good a Lupica, 2010). Zdá se tedy, že konkrétní glutamátergní aferenty, které se účastní potenciace vyvolané léčivem, se mohou lišit v závislosti na daném léčivu a může se také stát, že konkrétní projekce je společná pro všechny excitační plasticity vyvolané léčivem ve VTA; ta zatím není určena. TVTA přijímá rozsáhlé projekce z více oblastí mozku včetně PFC, amygdaly a subthalamického jádra (Geisler a Wise, 2008), z nichž mnoho bylo prokázáno, že ovlivňují výbuch výbuchu neuronů VTA DA (Grillner a Mercuri, 2002). Budoucí experimenty využívající optogenetické techniky by mohly pomoci při určování konkrétních projekcí, které jsou odpovědné za potenciování vyvolané léčivem v synapsech VTA pozorovaných v odezvě na různá zneužívaná léčiva, a tak objasnit přesnou povahu této neuroadaptace.

Mechanismy, které jsou základem drogově vyvolané synaptické plasticity na excitační synapse ve VTA

Jako u elektricky indukovaného LTP u neuronů středního mozku se ukázalo, že zvýšení synaptické síly ve VTA indukované jak kokainem, tak nikotinem je závislé na aktivaci NMDA receptoru (Bonci a Malenka, 1999; Ungless et al., 2001; Mao a kol., 2011). Naproti tomu bylo nedávno prokázáno, že udržení potenciace vyvolané kokainem vyžaduje aktivitu protein kinázy Mζ (Ho et al., 2012), autonomně aktivní izoforma protein kinázy C (PKC), zatímco LTP v časových závislostech závislých na spikovém časování u neuronů VTA DA u dosud neléčených myší závisí na konvenčních izoformách PKC (Luu a Malenka, 2008). V případě nikotinu vyžaduje VTA synaptická potenciace excitaci DA neuronů zprostředkovaných somatodendritickými a4p2 nikotinovými acetylcholinovými receptory (nAChRs) (Mao et al., 2011). Zvýšení presynaptického uvolňování glutamátu vyvolané nikotinem také přispívá k indukci této konkrétní synaptické plasticity, pravděpodobně prostřednictvím zvýšené aktivace NMDA receptorů (Mao et al., 2011).

Relativně více je známo o mechanismech, které jsou základem synaptické plasticity vyvolané kokainem, než je tomu u plastické plasticity vyvolané jinými drogami zneužívání. Aplikace kokainu na řezy středního mozku má za následek zesílení přenosu NMDA receptoru během několika minut a navrhuje se, aby byl prostřednictvím NMDAR obsahujících NR2B vložen do synapsí prostřednictvím mechanismu, který vyžaduje aktivaci D₅ receptory a syntézu nových proteinů (Schilstrom et al., 2006; Argilli a kol., 2008). Bylo také prokázáno, že orexin A je vyžadován jak pro rychlou kokainem indukovanou inzerci receptorů obsahujících NR2B, tak pro zvýšené poměry AMPA / NMDA; odpovídajícím způsobem orexin₁ Ukázalo se, že SB334867 brání rozvoji senzibilizace na kokain (Borgland et al., 2006). Kromě změn v expresi podjednotky receptoru NMDA byly pozorovány zvýšené hladiny receptorů AMPA obsahujících GluR1 (GluR2) v synapsiách, jakmile byl 3 h po expozici kokainu.e (Argilli et al., 2008). Toto pozorování v kombinaci s dalšími nedávnými důkazy vedlo k hypotéze, že synaptická inzerce vysoce vodivých receptorů s nedostatkem GluR2 přispívá k expresi synaptické potenciace vyvolané kokainem ve VTA (Dong et al., 2004; Bellone a Luscher, 2006; Mameli a kol., 2007; Brown et al. 2010; Mameli a kol., 2011), pro hodnocení viz (Kauer a Malenka, 2007; Wolf a Tseng, 2012). Tato inzerce receptorů AMPA neobsahujících GluR2 závisí na přenosu receptoru NMDA v neuronech VTA DA, protože u myší, kterým chybí funkční NMDA receptory v DA neuronech, chybí (Engblom et al., 2008; Mameli a kol., 2009). jánsertion GluR2-postrádajících AMPA receptorů je významný, protože mají jedinečné vlastnosti; jsou propustné pro vápník, mají větší vodivost jednoho kanálu než receptory obsahující GluR2, a proto mají obrovskou schopnost měnit synaptický přenos (Isaac et al., 2007). Proto inzerce receptorů AMPA, kterým chybí GluR2, ve VTA představuje možný mechanismus, kterým mohou drogy zneužívání vytvořit instanci plastických adaptací, které jsou základem počátečních fází užívání drog..

Ukázalo se, že inzerce GluR2-postrádajících AMPA receptorů do VTA excitačních synapsí probíhá v reakci na podávání léčiv z různých tříd, jako je nikotin a morfin, stejně jako na optogenetickou aktivaci DA VTA neuronů. (Brown et al., 2010). Tjeho vedlo k návrhu, že vložení receptorů AMPA, které jsou propustné pro vápník, je univerzálním mechanismem, který může být základem potenciace synapsí VTA vyvolané léky (Brown a kol., 2010), i když údaje o amfetaminu nejsou nezbytně v souladu s touto hypotézou (Faleiro et al., 2004). Navíc, protože receptory AMPA, které nemají GluR2, jsou vnitřně rektifikační a tak vedou velmi malý proud při + 40 mV, jejich samotné zavedení nemůže vysvětlit zvýšení poměru AMPA / NMDA vyvolané léčivem. Nedávná studie, která měřila jednotnou synaptickou odpověď vyvolanou vysoce lokalizovaným zdrojem glutamátu (dvoufotonová fotolýza glutamátu v klecích) ukázala, kromě toho, že ovlivňuje EPSC zprostředkované AMPA receptorem, expozice kokainu také snížila jednotný EPSC zprostředkovaný NMDA receptorem (Mameli et al., 2011), což poskytuje možný mechanismus, podle kterého by mohly být poměry AMPA / NMDA v tomto scénáři zvýšeny (snížením jmenovatele tohoto poměru). To je ještě třeba prozkoumat s jinými drogami zneužívání.

Výměna GluR2-obsahujícího s GluR2-AMPA receptory vyvolanou léčivem může být zvrácena aktivací receptorů mGluR1 ve VTA (Bellone a Luscher, 2006; Mameli a kol., 2007). Výměna AMPA receptorů zprostředkovaná mGluR1 tak poskytuje mechanismus, který může vysvětlit, proč je zesílení VTA synapsí vyvolané léčivem přechodné povahy, trvající 5, ale ne 10 dnů (Ungless et al., 2001; Mameli a kol., 2007). Pokud je funkce mGluR1 ve VTA snížena před podáním kokainu, pak kokainem indukovaná vnitřní rektifikace přetrvává i po 24 dnech (Mameli et al., 2007, 2009). Jedním možným vysvětlením toho, proč přetrvává synaptické posilování kokainu ve VTA po samopodání kokainu (na rozdíl od následného nepodmíněného podávání), by tedy mohlo být, že samopodání kokainu vede k depresi signalizace mGluR1 ve VTA.

Synaptická plasticita vyvolaná léky při inhibičních synapsech ve VTA

Excitatorní synapsy nejsou jediným typem synapse u neuronů VTA DA, které jsou ovlivněny nekonvenčním podáváním návykových látek. Inhibiční synapsy ve VTA mají také rozhodující úlohu v řízení rychlosti vypalování DA neuronů, takže plasticita u GABAergic synapsí má schopnost dramaticky ovlivnit přenos DA. Kokain, morfin a ethanol mohou ovlivňovat inhibiční synaptickou plasticitu ve VTA (Melis et al., 2002; Liu a kol., 2005; Nugent a kol., 2007). Opakovaná expozice kokainu in vivo pro 5 – 7 dny způsobuje snížení amplitudy synaptických proudů zprostředkovaných GABA, tím usnadňuje indukci LTP v buňkách VTA snížením síly GABAergní inhibice (Liu et al., 2005). Následné studie odhalily mechanismus této inhibice endocannabinoid-dependentní LTD u GABAergic synapses zahrnující aktivaci ERK1 / 2 (Pan et al., 2008, 2011). GABA_A Synapsy receptorů na dopaminových neuronech VTA také vykazují robustní NTP závislý LTP (nazývaný LTP_GABA) v odezvě na vysokofrekvenční stimulaci (Nugent et al., 2007). Tento LTP_GABA chybí v řezech VTA 2 a / nebo 24 h za in vivo podávání morfinu, nikotinu, kokainu nebo ethanolu (Nugent et al., 2007; Guan a Ye, 2010; Niehaus et al., 2010). V případě etanolu prevence LTP_GABA je zprostředkován μ-opioidním receptorem (Guan a Ye, 2010) Spolu se synaptickou potenciací na excitačních synapsech tato ztráta LTP_GABA by mělo zvýšit vypalování neuronů VTA DA po expozici léku.

Pomalá transmise GABA se také nedávno ukázala být ovlivněna zneužíváním drog. Jedna dávka metamfetaminu nebo kokainu tak postačuje k významnému oslabení schopnosti GABA_B receptory pro regulaci VTA GABA neuronů při měření ex vivo 24 h později (Padgett et al., 2012). Metamfetaminem indukovaná ztráta pomalého inhibičního postsynaptického potenciálu (IPSC) vyplývá ze snížení GABA_B Vliv rektifikujících proudů draslíkového kanálu (GIRK) spojených s proteinem receptoru-G v důsledku změn v přenosu proteinů a je doprovázen významným snížením citlivosti presynaptické GABA_B receptory v GABA neuronech VTA. Na rozdíl od léků indukovaných vlivů na GABA_A synapses tuto depresi GABA_BSignalizace R-GIRK přetrvává dny po injekci (Padgett et al., 2012).

Behaviorální koreluje potenciaci vyvolanou lékem ve VTA DA buňkách

Jak bylo zmíněno dříve, účinek nekontinuálního podávání léčiva na synaptickou plasticitu u neuronů VTA DA je přechodně exprimován, trvá nejméně 5, ale méně než 10 dnů a bylo prokázáno, že pozitivně koreluje s počátečním vývojem behaviorální senzibilizace, ale ne s jeho expresí. (Ungless et al., 2001; Saal a kol., 2003; Borgland et al., 2004). Na podporu hypotézy, že potenciace VTA synapsí vyvolaná léky představuje indukci behaviorální senzibilizace, podání intra-VTA antagonistů glutamátu snižuje a virově zprostředkovaná GluR1 up-regulace zvyšuje lokomotoricky senzibilizující vlastnosti léčiv (Carlezon et al., 1997; Carlezon a Nestler, 2002). Silný důkaz postižení NMDA receptoru obsahujícího NR2A a B je zajištěn pozorováním, že farmakologická inhibice buď brání jak rozvoji senzibilizace, tak asociovanému zvýšení poměru AMPA / NMDA vyvolanému kokainem (Schumann et al., 2009). Nicméně myši s cílenou delecí NR1 nebo GluR1 (selektivní neurony středního mozku) nebo globální delece GluR1 vykazují intaktní behaviorální senzibilizaci a přesto vykazují zhoršené proudy AMPA receptoru po léčbě kokainem (Dong et al., 2004; Engblom a kol., 2008). Přidaný twist je poskytován pozorováním, že CPP a podmíněné lokomotorické chování chybí u GluR1 knockout myší (Dong et al., 2004) a extinkce CPP kokainu u myší s delecí GluR1, která je zaměřena na DA neurony středního mozku (Engblom et al., 2008), zatímco u NR1 knockoutovaných myší je opětovné uvedení CPP do kokainu a exprese senzibilizace na chování oslabena (Engblom et al., 2008; Zweifel et al., 2008). Je tedy možné, že i při námitkách potenciální vývojové kompenzace u mutantních myší a / nebo možné neúplné deleci je možné, že nervové procesy, které řídí potenciaci DA neuronů vyvolanou léčivem a senzibilizaci chování, jsou disociovány. Spíše může být, že zesílení synapsí VTA může přispět k přisuzování pobídky k podnětům souvisejícím s drogami.

Měření synaptických změn po nepodmíněném podávání léčiva je omezeno s ohledem na informování o aktuálním stavu onemocnění. Relevantnější pro stav člověka jsou studie, kde jsou změny synaptické plasticity měřeny po kontingentním podávání léčiva, např. Operativní samo-podávání. V tomto ohledu je synaptické zesílení VTA DA buněk indukované vlastním podáním kokainu jednoznačně perzistentní, trvá 3 měsíců do abstinence a je prokázáno, že je rezistentní na extinkční trénink (Chen et al., 2008). Ačkoliv je původně navržen jako přechodná událost, zdá se, že plasticita vyvolaná drogami ve VTA má schopnost být dlouhotrvající, což dokazuje, že metoda administrace (kontingent versus non-contingent) je kritickým determinantem její dlouhověkosti . To je podpořeno pozorováním, že kontrolní testy v této studii neprokázaly podobné zvýšení poměru AMPA / NMDA; navrhnout to je učení se cue-odměna nebo akce-výsledek asociace, která je hnací silou plasticity. Naproti tomu samopodávání potravy nebo sacharózy za podobných parametrů vede ke zvýšení poměrů AMPA / NMDA, které přetrvávají pro 7, ale ne pro 21 dny do abstinence, prokazatelně přechodné ve srovnání s kokainem indukovaným (Chen et al., 2008). Nedostatek perzistence plasticity vyvolané jídlem dokazuje, že změna synaptické síly vyvolané kokainem není pouze neurální reprezentací instrumentálních nebo cue-pay vzdělávacích procesů, které jsou součástí paradigmy operativní samosprávy. samo o sobě, spíše účinek specifický pro léky, který potenciálně představuje patologické posílení asociací léků. Jak bylo zmíněno dříve, bylo také zjištěno, že podněty předpovídající odměnu způsobují zvýšení poměru AMPA / NMDA ve VTA, i když ne tak vytrvale, což podporuje úlohu této modifikace excitační synaptické funkce v učení se odměny (Stuber et al., 2008).

Je zajímavé, že velikost zvýšení poměru AMPA / NMDA je podobná bez ohledu na počet injekcí (jednorázová vs. násobná)., administrační protokol (kontingent vs. nekontingenční) a délka přístupu (omezený přístup vs. rozšířený přístup) (Borgland et al., 2004; Chen a kol., 2008; Mameli a kol., 2009). To ukazuje, že zvýšení poměru AMPA / NMDA pozorované ve VTA DA buňkách je potenciálně permisivní událost, možná signalizující „sálenci“ na rozdíl od toho, že představuje iniciaci základní neuropatologie, která by se pravděpodobně zvyšovala s pokračující expozicí.

Plastem vyvolaná plasticita u excitačních synapsí v NAc

Na rozdíl od VTA jediná injekce kokainu nezpůsobuje zvýšení synaptické síly v NAc při měření 24 h později (Thomas et al., 2001; Kourrich a kol., 2007). Toto pozorování a obousměrný časový harmonogram, který následuje s opakovaným podáváním a odebíráním d. \ Tpotvrzuje, že plasticita vyvolaná léčivem v NAc se výrazně liší od pozorování pozorované u VTA. Vskutku, když se podávají opakované injekce kokainu (aby se indukovala behaviorální senzibilizace), je pozorován pokles poměru AMPA / NMDA na synapsech shellů NAc při měření 24 h po posledním podánín (Kourrich et al., 2007). Tato synaptická deprese z opakovaného kokainu se zdá být spojena s plasticitou VTA; po selektivním narušení funkce mGluR1 ve VTA je pak zapotřebí pouze jediná injekce kokainu, která způsobí stejnou depresi NAc synapsí (Mameli et al., 2009). Tautoři této studie předpokládají, že zvýšená excitace projekcí VTA může usnadnit souběžné uvolnění DA a glutamátu v NAc prostřednictvím zvýšeného uvolnění DA. To pak může posunout práh pro indukci lokální plasticity v NAc ovlivněním excitability obvodu nebo integrací intracelulárních signálních procesů (Mameli et al., 2009).

Funkční význam deprese NAc synapsí během akutního vysazení je v této fázi nejasný. Jedním z možných vysvětlení může být to, že deprese NAc středních ostnatých neuronů (MSN) snižuje jejich odezvu na přirozené odměňující podněty, což přispívá k anhedonii, která se vyskytla během akutního abstinenčního stavu. Mohlo by také být, že pokles pozorovaný v poměru AMPA / NMDA může být výsledkem membránové inzerce NMDA receptorů obsahujících NR2B (čímž se zvýší jmenovatel poměru), protože se zjistí, že nové nové tiché synapsy se vyskytují v prostředí NAc po expozici kokainu. (Huang et al., 2009). Silentní glutamátergické synapsy, které exprimují funkční proudy zprostředkované NMDA receptorem v nepřítomnosti proudů zprostředkovaných AMPA receptorem, mají zvýšenou schopnost podstoupit zesílení synaptického přenosu (Isaac et al., 1995). Jakmile jsou tyto tiché synapsy generovány, mohou usnadnit přijímání AMPA receptorů, čímž se zvýší excitační synaptická transmise. To poskytuje možný mechanismus pro vysvětlení zvýšení povrchové hladiny receptorů AMPA a následného poměru AMPAR / NMDAR pozorovaného v NAc během protrahovaného vysazení. (Boudreau a Wolf, 2005; Boudreau a kol., 2007; Kourrich a kol., 2007; Conrad a kol., 2008). NMDA receptory obsahující NR2B v NAc se také mohly podílet na tvorbě asociace s lékem a kontextem, protože knockdown této podjednotky siRNA zabraňuje morfinu CPP u myší, ale ne senzibilizaci chování (Kao et al., 2011).

Na rozdíl od kokainu má opakovaný režim intermitentní expozice etanolu za následek zesílení synapsí v reakci na dříve stimulovaný protokol indukující LTD, když byl měřen 24 h po poslední expozici (Jeanes et al., 2011). Toto zesílení závislé na NMDA je přechodné, protože po dalším odběru 48 h se rozptýlilo a ani LTP ani LTD nemohou být indukovány (Jeanes et al., 2011). Autoři interpretují tyto výrazné změny v plasticitě NAc jako indikátor potenciálního významu tohoto procesu v neuroadaptacích vyvolaných ethanolem. Kromě toho, na rozdíl od psychostimulancií, může ethanol působit na receptory NMDA, a proto má schopnost přímo ovlivňovat glutamátergní signalizaci.

Synaptická potenciace pozorovaná v NAc po období vysazení

Na rozdíl od deprese pozorované při akutním abstinenčním příznaku je po 10 – 14 dnech po opakovaném podání kokainu nebo morfinu pozorována potenciace synapsií NAc shell (Kourrich et al., 2007; Wu a kol., 2012). Navíc po 7 dnech, kdy došlo ke stažení z jednoho podání kokainu, ke zvýšení amplitudy mEPSC a ke ztrátě LTP indukované vysokofrekvenční stimulací (HFS), bylo zjištěno jak v jádrech, tak v shellových NAc neuronech exprimujících dopamin D₁ receptor (Pascoli et al., 2012). Tjeho změna ve schopnosti vyvolat synaptickou plasticitu je označována jako metaplasticita. Metaflasticita vyvolaná kokainem je také pozorována po vysazení z kokainu. Potkani, kteří mají kokain podaný samostatně, následovaný 3 týdny buď vymizením nebo abstinencí, mají tedy in vivo deficit ve schopnosti vyvíjet LTP v NAc jádru po stimulaci PFC. Toto pozorování bylo doprovázeno posunem vlevo ve vstupní a výstupní křivce, což naznačuje zesílení amplitudy fEPSP (Moussawi et al., 2009). Potenciace NAc synapsí je také pozorována ve formě zvýšených proudů zprostředkovaných AMPA po dlouhém období abstinence po samopodání (Conrad et al., 2008). Souhrnně tato data naznačují, že synaptická potenciace v NAc se vyvíjí buď jako funkce trvání vysazení, nebo jako funkce času od prvního podání kokainu. Nedávná studie podporuje tuto druhou interpretaci, protože podobné zvýšení frekvence mEPSC bylo pozorováno u D₁ receptory exprimující MSN u myší navzdory absenci nebo přítomnosti protrahované ochranné lhůty po opakovaném podání kokainu (Dobi et al., 2011). Zdá se tedy, že události, které vedou ke změnám v glutamátergickém přenosu v NAc, nějakou dobu trvají na vývoji.

Přínos specifických podjednotek AMPA receptoru k této změně se liší podle stupně abstinence a způsobu podávání; 10 – 21 dny do vysazení jak z pasivního, tak z vlastního podání AMPA receptory obsahující GluR2 se zdají být odpovědné za změny v přenosu AMPA (Boudreau a Wolf, 2005; Boudreau a kol., 2007; Kourrich a kol., 2007; Ferrario a kol., 2010) zatímco GluR21-postrádající AMPA receptory jsou přidávány do synapsí za dobu 2 dnů. Posledně uvedený nález se zdá být možný pouze tehdy, když je kokain podáván samostatně (Conrad et al., 2008; McCutcheon a kol., 2011), ačkoli viz (Mameli et al., 2009). Vzhledem ke zvýšené vodivosti receptorů AMPA, kterým chybí GluR2, se může stát, že k jejich vložení dochází v reakci na depresi NAc synapsí způsobené kokainovým samopodáním, což má za následek zvýšenou citlivost MSN na excitační vstupy, které v budoucnu vyvolávají hledání kokainu. Blokování receptorů AMPA neobsahujících GluR2 v NAc skutečně zabraňuje expresi inkubačního hledání kokainu indukovaného cue (Conrad et al., 2008), a hledání kokainu indukované buď AMPA nebo kokainem je také blokováno injekcemi antisense oligonukleotidů mRNA GluR1 do NAc (Ping et al., 2008).

Drogová výzva po vysazení vrátí synaptickou potenciaci k depresi

Zvýšení synaptické síly a povrchové exprese podjednotek receptoru AMPA indukované kokainem v NAc po vysazení z nekontingentního podávání je následně reverzováno po podání dalších injekcí kokainu (re-challenge) (Thomas et al., 2001; Boudreau a kol., 2007; Kourrich a kol., 2007; Ferrario a kol., 2010). Synaptická deprese je tedy opět pozorována v NAc shellu při měření 24 h po této injekci kokainu (Thomas et al., 2001), i když viz (Pascoli et al., 2012). Zdá se, že toto chování koreluje s expresí senzibilizace a alespoň v případě amfetaminu bylo prokázáno, že je zprostředkována klatrinem a závisí na endocytóze závislé na GluR2 postsynaptických receptorů AMPA (Brebner et al., 2005). Snížení povrchové exprese receptorů AMPA po provokaci kokainu je přechodné, protože v průběhu dnů 7 se povrchová exprese obnovuje na hladiny srovnatelné s potkani bez předchozího léčení kokainu (Ferrario et al., 2010). Zdá se tedy, že historie vystavení a vysazení kokainu může snadno změnit směr synaptické plasticity v NAc.

Nedávno byla provedena přímá vazba mezi potenciací kortiko-akumulačních synapsí na D₁ receptorů pozitivních buněk po vysazení 7 dnů a exprese senzibilizace. Jak bylo uvedeno výše, po 7 dnech, kdy došlo k vysazení z jediného podání kokainu, bylo zjištěno, že tyto synapsy jsou potencovány jak v jádře, tak ve skořápce (měřeno zvýšením amplitudy mEPSC) a LTP indukované HFS je sníženo. Totéž nebylo nalezeno u synapsí na D₂ receptor-pozitivní buňky (Pascoli et al., 2012). Při optogenetickém převrácení in vivo prostřednictvím protokolu, o němž je známo, že indukuje LTD, kortiko-akumulační synapsy na D₁-receptorové pozitivní buňky vykazovaly snížené mEPSC a bylo zabráněno expresi lokomoční senzibilizace. Důležité je, že schopnost HFS indukovat LTP byla obnovena do těchto neuronů (Pascoli et al., 2012), což dokazuje přímé spojení mezi touto konkrétní synaptickou adaptací v kortiko-akumulačních synapsech a vyjádřením senzibilizace na kokain.

Faktory transkripce

Transkripční faktory jsou proteiny, které se vážou ke specifickým sekvencím DNA, aby regulovaly transkripci genů interakcí s komplexem RNA polymerázy II (Mitchell a Tjian, 1989). Transkripční faktory mohou být indukovány nebo potlačeny v reakci na environmentální stimuly, což má za následek změny v genové expresi a nakonec i funkci neuronů. Řada transkripčních faktorů byla identifikována pro jejich potenciální roli v závislosti, protože jejich exprese a aktivace je regulována v mezokortikolimbické dráze po vystavení drogům zneužívání. AFosB je jeden takový transkripční faktor, kterému byla věnována zvláštní pozornost díky jeho neobvyklé stabilitě. AFosB je zkrácená sestřihová varianta genu FosB a sdílí homologii s ostatními členy rodiny Fos, včetně c-Fos, FosB, Fra1 a Fra2, které všechny heterodimerizují s proteiny Jun rodiny (c-Jun, JunB nebo JunD) za vzniku transkripční faktory aktivačního proteinu-1 (AP-1) (Morgan a Curran, 1995). Tyto další členy rodiny Fos jsou rychle indukovány v striatu v reakci na akutní podávání psychostimulancií, nicméně vzhledem k jejich nestabilitě je tato exprese přechodná a během několika hodin se vrací do bazálních hladin (Graybiel et al., 1990; Young a kol., 1991; Hope et al., 1992). Naopak, AFosB se akumuluje ve striatu po chronickém podávání léčiva a jeho exprese přetrvává několik týdnů po poslední expozici léku (Hope et al., 1994; Nye a kol., 1995; Nye a Nestler, 1996; Pich a kol., 1997; Muller a Unterwald, 2005; McDaid et al., 2006). Data z behaviorálních experimentů podporují úlohu AFosB v některých trvalých účincích způsobených drogami zneužívání. Nadměrná exprese AFosB ve striatu vede ke zvýšeným lokomotorickým reakcím na akutní i chronický kokain a zvyšuje zesilovací vlastnosti jak kokainu, tak morfinu (Kelz et al., 1999; Colby a kol., 2003; Zachariou et al., 2006), zatímco inhibice AFosB vyvolává opačné účinky na chování (Peakman et al., 2003). Vzhledem ke své schopnosti zvýšit motivační motivační vlastnosti drog zneužívání, tento transkripční faktor byl navržen tak, aby představoval „molekulární přepínač“, který usnadňuje přechod na závislost (Nestler, 2008).

Dalším faktorem transkripce je cAMP odezvový prvek vázající element (CREB), který byl v centru pozornosti značného množství výzkumů vzhledem k jeho navrhované roli v plasticitě vyvolané léky (McPherson a Lawrence, 2007). CREB je exprimován všudypřítomně v mozku a může být aktivován množstvím intracelulárních signálních drah, které kulminují jeho fosforylací na serinu 133 (Mayr a Montminy, 2001). Fosforylovaný CREB (pCREB) stimuluje nábor CREB-vazebného proteinu (CBP), který usnadňuje transkripci různých down-stream genů (Arias et al., 1994). pCREB je rychle indukován ve striatu po expozici psychostimulancií (Konradi et al., 1994; Kano a kol., 1995; Walters a Blendy, 2001; Choe a kol., 2002) a předpokládá se, že představuje homeostatický mechanismus, který působí proti behaviorálním reakcím na drogy zneužívání (McClung a Nestler, 2003; Dong et al., 2006). V souladu s tím, nadměrná exprese CREB v NAc shellu redukuje odměňující vlastnosti kokainu v paradigmatu podmíněné přednosti místa (CPP), zatímco opak je pozorován po inhibici CREB v této oblasti (Carlezon et al., 1998; Pliakas a kol., 2001). Podobně genetické knockdown nebo inhibice CREB v dorzálním striatu vyvolává zvýšenou citlivost na lokomoční aktivační vlastnosti psychostimulancií, což přispívá k další podpoře této hypotézy (Fasano et al., 2009; Madsen a kol., 2012).

Zatímco data z experimentů CPP podporují myšlenku, že CREB působí jako negativní modulátor odměny za drogy, přinejmenším s ohledem na kokain, může to být zjednodušení. Řada studií používajících různé techniky ke změně funkce CREB v NAc shell ukázala, že inhibice CREB snižuje zesílení kokainu v paradigmatu samosprávy (Choi et al., 2006; Green et al. 2010; Larson a kol., 2011), zatímco zesílení kokainu je zvýšeno nadměrnou expresí CREB v této oblasti (Larson et al., 2011). Tato odlišná zjištění jsou pravděpodobně způsobena základními rozdíly mezi instrumentálními a Pavlovovskými kondičními postupy a dobrovolnými vs. nedobrovolné podávání léčiv. CPP zahrnuje procesy asociativního učení a je považován za nepřímé měřítko hedonických vlastností léku spíše než posilování léků samo o sobě (Bardo a Bevins, 2000). Dobrovolné podávání léků může být ovlivněno řadou emočních faktorů a schopností aktivity CREB v NAc snížit reakce na anxiogenní stimuly (Barrot et al., 2002) a zmírnit depresivní chování (Pliakas et al., 2001) by mohla ovlivnit sklon k podávání léků. Je zajímavé, že delece CREB z PFC má za následek snížení motivace k vlastnímu podávání kokainu (McPherson et al., 2010), což ukazuje, že vliv manipulace s CREB na chování se také liší v různých oblastech mozku. To možná není překvapující vzhledem k tomu, že se transkriptome CREB značně liší podle typu buňky (Cha-Molstad et al., 2004) a proto by bylo důležité identifikovat změny v genové expresi, ke kterým dochází po proudu CREB, které přispívají k těmto fenotypům. Další komplikací je pozorování, že CREB v NAc shell je nezbytný pro nikotin CPP (Brunzell et al., 2009), což naznačuje, že mechanismy podmíněné podmíněnou odměnou za nikotin se liší od mechanismů, které jsou základem kokainu a morfinu, které jsou obě zvýšeny inhibicí CREB v NAc shell (Carlezon et al., 1998; Pliakas a kol., 2001; Barrot a kol., 2002).

Epigenetické mechanismy

Epigenetika má řadu definic, ale v neurovědě je běžně definována jako změny v genové expresi, ke které dochází prostřednictvím modulace chromatinu, které nejsou způsobeny změnami v základní sekvenci DNA (McQuown a Wood, 2010). Chromatin popisuje stav DNA, když je zabalen uvnitř buňky. Základní opakující se jednotka chromatinu je nukleozom, který sestává z párů bází 147 DNA obalené kolem oktameru složeného z párů čtyř histonů jádra (H2A, H2B, H3 a H4) (Luger et al., 1997). Amino terminální konce těchto histonů jádra mohou podstoupit řadu post-translačních modifikací, včetně acetylace, methylace, fosforylace, ubikvitinace a sumoylace (Berger, 2007). Přidání a odstranění těchto funkčních skupin z histonových ocasů se provádí velkým počtem enzymů modifikujících histon, včetně acetyltransferáz, deacetyláz, methyltransferáz, demethylas a kináz (Kouzarides, 2007). Tyto modifikace histonů slouží k signalizaci náboru transkripčních faktorů a dalších proteinů podílejících se na regulaci transkripce a ke změně konformace chromatinu tak, aby DNA byla více či méně přístupná pro transkripční stroje (Strahl a Allis, 2000; Kouzarides, 2007; Taverna a kol., 2007). Epigenetické mechanismy proto představují důležitý prostředek, kterým mohou stimuly pro životní prostředí regulovat expresi genů a v konečném důsledku chování.

V poslední době byla modifikace chromatinu rozpoznána jako důležitý mechanismus, který je základem změn plasticity a chování vyvolaných léky (Renthal a Nestler, 2008; Bredy a kol., 2010; McQuown a Wood, 2010; Bludiště a Nestler, 2011; Robison a Nestler, 2011). První důkaz pro toto přišel z experimentů Kumar a kolegové, kteří používali chromatin imunoprecipitation (ChIP) testy ukázat, že kokain indukuje histone modifikace u specifických genových promotorů v striatum (Kumar et al., 2005). Konkrétně akutní podávání kokainu vedlo k hyperacetylaci H4 cFos promotor, zatímco chronické podávání mělo za následek hyperacetylaci H3 BDNF a Cdk5 promotéři. Acetylace histonu zahrnuje enzymatický přenos acetylové skupiny na základní N-koncový konec histonu, který neutralizuje elektrostatickou interakci mezi histonem a negativně nabitou DNA, čímž je přístupnější transkripčnímu aparátu (Loidl, 1994). To je v souladu se schopností kokainu akutně zvýšit expresi faktorů transkripce rodiny Fos (Graybiel et al., 1990; Young a kol., 1991), zatímco BDNF a Cdk5 jsou indukovány pouze při chronické expozici (Bibb et al., 2001; Grimm a kol., 2003).

Hyperacetylovaný stav histonu může být také dosažen experimentálně podáním inhibitorů histon deacetylázy (HDAC) a tato léčiva byla použita ke zkoumání účinků globálního zvýšení acetylace histonů na behaviorální reakce na drogy zneužívání. Systémové podávání inhibitorů HDAC synergicky zvyšuje hyperacetylaci pozorovanou v odezvě na kokain v striate (Kumar et al., 2005), což potencuje kokainem indukovanou lokomoci a odměnu za kokain (Kumar et al., 2005; Sun et al., 2008; Sanchis-Segura a kol., 2009). Inhibice HDAC může také zvýšit lokomoční senzibilizaci na ethanol a morfin a usnadnit morfium CPP (Sanchis-Segura et al., 2009Bylo však také zjištěno, že inhibitory HDAC zabraňují rozvoji senzibilizace na expozici jedinému morfinu (Jing et al., 2011), a snížit motivaci k vlastnímu podávání kokainu (Romieu et al., 2008). Tyto kontrastní nálezy mohou odrážet rozdíly v aplikačních protokolech a je důležité, že inhibitory HDAC neproporcionují potenciálně behaviorální reakce na léky za všech podmínek.

Vzhledem k jejich permisivnímu účinku na transkripci genů mohou inhibitory HDAC také působit na usnadnění určitých typů učení (Bredy et al., 2007; Lattal a kol., 2007). Nedávno bylo prokázáno, že podávání inhibitoru HDAC po opětovném vystavení prostředí, které bylo dříve kokainem spárované, může usnadnit extinkci CPP indukovaného kokainem, a to pravděpodobně souvisí se zvýšenou acetylací histonu H3 v NAc (Malvaez et al., 2010). Infúze HDAC inhibitoru suberoylanilid hydroxamové kyseliny (SAHA) přímo do NAc během fáze kondicionování CPP zvyšuje podmíněnou kokainovou odměnu (Renthal et al., 2007), což ukazuje, že inhibice HDAC v této oblasti může usnadnit jak učení související s odměňováním, tak i učení o zániku, v závislosti na kontextu, ve kterém je léčivo podáváno. Další experimenty odhalily úlohu HDAC5 a endogenního HDAC exprimovaného vysoce v NAc v modulaci odměny kokainu. Podávání kokainu zvyšuje funkci HDAC5 regulací jeho defosforylace a následného jaderného dovozu a defosforylace HDAC5 v NAc zhoršuje vývoj kokainu CPP (Taniguchi et al., 2012). Podobně, nadměrná exprese HDAC5 v NAc během fáze kondicionování CPP zmírňuje odměnu kokainu a tento účinek je obrácen po expresi mutantní formy HDAC5 v NAc (Renthal et al., 2007). Je možné, že HDAC5 uplatňuje tyto účinky inhibicí transkripce genu indukované léčivem, která normálně zvyšuje vlastnosti kokainu.

Analýza modifikací chromatinu, které se vyskytují v NAc v důsledku vystavení kokainu v celé genomové oblasti, odhalila množství modifikací chromatinu v promotorových oblastech genů downstream jak CREB, tak AFosB (Renthal et al., 2009). Tato analýza také odhalila up-regulaci dvou sirtuinů, SIRT1 a SIRT2, což jsou proteiny, které mají aktivitu HDAC a mohou také deacetylovat jiné buněčné proteiny (Denu, 2005). Indukce SIRT1 a SIRT2 je spojena se zvýšenou acetylací H3 a zvýšenou vazbou AFosB na jejich genových promotorech, což naznačuje, že se jedná o downstream streamy AFosB (Renthal et al., 2009). Předpokládá se, že up-regulace SIRT1 a SIRT2 má behaviorální význam; sirtuiny snižují excitabilitu NAc MSN in vitroa farmakologická inhibice sirtuinu snižuje odměnu za kokain, zatímco jejich aktivace zvyšuje odezvu na odezvu na kokain (Renthal et al., 2009).

Kromě funkční úlohy pro HDAC také genetické studie odhalily úlohu histon acetyltransferáz (HAT) při zprostředkování některých reakcí na chování drog. Pravděpodobně nejdůležitějším mechanismem, kterým je CBP schopna zvýšit transkripci genu, je jeho vnitřní aktivita HAT (Bannister a Kouzarides, 1996), a nedávná zjištění implikují HAT aktivitu CBP v některých epigenetických změnách, které vyplývají z expozice léku. V reakci na akutní kokain je CBP naverbován na. \ T FosB promotor, kde acetyluje histon H4 a zvyšuje expresi FosB (Levine et al., 2005). U myší, které jsou pro CBP nedostatečné, je do promotoru navráceno méně CBP, což vede ke snížení acetylace histonů a exprese FosB. To také odpovídá menší akumulaci AFosB ve striatu a není překvapující, že tyto myši vykazují sníženou senzibilizaci v reakci na kokainovou výzvu (Levine et al., 2005). V poslední době s použitím rekombinačního systému cre-lox Malvaez a jeho kolegové zkoumali úlohu aktivity CBP, která je specificky lokalizována v NAc po transkripci a chování genů vyvolaném kokainem (Malvaez et al. 2011). Bylo zjištěno, že cílená delece CBP v NAc vedla ke snížení acetylace histonů a exprese c-Fos a snížené lokomoční aktivace v reakci na akutní i chronický kokain (Malvaez et al., 2011). U těchto myší byla také inhibována kondicionovaná odměna za kokain, což poskytuje první důkaz, že CBP aktivita v NAc je důležitá pro tvorbu léků spojených s léky (Malvaez et al., 2011).

Nedávno experimenty z laboratoře Kandel odhalily, že epigenetické mechanismy mohou být základem hypotetické schopnosti nikotinu působit jako „brána“. Myši chronicky předléčené nikotinem před expozicí kokainu vykazovaly zvýšenou pohybovou senzibilizaci a odměnu za kokain ve srovnání s myší dosud neléčenými nikotinem (Levine et al., 2011). Navíc předléčení nikotinem vedlo ke zvýšené kokainem indukované depresi LTP u excitačních synapsí v NAc jádru, což je účinek, který nebyl pozorován u samotného nikotinu. Analýza modifikací histonů vyvolaná expozicí nikotinu 7-den odhalila zvýšenou acetylaci H3 a H4 na FosB promotor ve striatu, účinek, který nebyl tak výrazný v reakci na 7denní podávání kokainu. Aktivita HDAC byla snížena ve striatu myší léčených nikotinem, ale nezměněna u myší léčených kokainem. Je pozoruhodné, že infuze inhibitoru HDAC přímo do NAc dokázala napodobit účinky předúpravy nikotinu při zesílení účinků kokainu. Žádná z těchto změn nebyla pozorována, když byly myši před nikotinem léčeny kokainem, což potvrzuje časovou specificitu těchto účinků. Tato elegantní sada experimentů poskytla možné epigenetické vysvětlení, proč kouření cigaret téměř vždy předchází užívání kokainu v lidské populaci (Kandel, 1975; Kandel et al., 1992).

Kromě acetylace histonů byla také nedávno rozpoznána methylace histonů jako behaviorálně relevantní chromatinová modifikace indukovaná návykovými látkami (Laplant et al., 2010; Maze et al., 2010, 2011). Metylace histonu zahrnuje enzymatické přidání jedné, dvou nebo tří methylových skupin k lysinovému nebo argininovému zbytku na N-konci histonových zbytků a je spojeno buď s transkripční aktivací nebo represí, v závislosti na povaze modifikace (Rice a Allis). , 2001). První studie zkoumající methylaci histonů vyvolané kokainem vedly k identifikaci dvou histonových methyltransferáz, G9a a proteinu podobného G9a (GLP), které byly trvale sníženy v NAc 24 h po expozici kokainu a konkainu samotnému. - podávání (Renthal et al., 2009; Maze et al., 2010). Tato down-regulace byla spojena s podobným poklesem histon H3 lysinu 9 (H3K9) a 27 (H3K27) methylace. Následně bylo prokázáno, že nadměrná exprese G9a v NAc snižuje expresi vybraných genů vyvolanou kokainem, snižuje odměnu kokainu měřenou CPP a inhibuje zvýšení dendritické hustoty páteře normálně pozorované v odezvě na opakovaný kokain (Maze et al., 2010). Opak nastal, když byla inhibována exprese G9a v NAc, což mělo za následek zvýšenou dendritickou hustotu páteře a zvýšenou odměnu za kokain. Existují důkazy, že tyto změny vyvolané kokainem v expresi G9a a následných sníženích H3K9 a H3K27 jsou regulovány AFosB (Maze et al., 2010). Tyto experimenty společně identifikovaly důležitou úlohu methylace histonů G9ou v některých dlouhodobých behaviorálních a biochemických důsledcích opakované expozice kokainu.

Nedávno bylo ukázáno, že trimethylace histonu H3 lysinu 9 (H3K9me3), která byla dříve považována za relativně stabilní heterochromatickou značku, byla dynamicky regulována v NAc akutní a chronickou expozicí kokainu (Maze et al., 2011). Opakovaný kokain vedl k trvalému poklesu vazby represivního H3K9me3, který byl zvláště obohacen v nekódujících genomových oblastech (Maze et al., 2011). Tyto počáteční nálezy naznačují, že opakovaná expozice kokainu může vést k vyloučení určitých retrotranspozovatelných prvků v neuronech NAc a bylo by velmi zajímavé zjistit, jaké důsledky mají tyto nové epigenetické adaptace.

Vzhledem k trvalé povaze závislosti, nedávný výzkum také zkoumal úlohu methylace DNA, což je stabilnější epigenetická adaptace ve srovnání s modifikací histonu. Metylace DNA zahrnuje přidání methylových skupin k cysteinovým bázím v DNA a je obecně spojena s transkripční represí (Stolzenberg et al., 2011). Analýza mozků potkanů, kteří obdrželi pasivní injekce kokainu během 7 dnů, nebo že kokain podaný samostatně během 13 dnů odhalil down-regulaci DNA methyltransferázy DNMT3a v NAc 24 h po poslední expozici kokainu (Laplant et al., 2010). Naopak, po větší chronické expozici kokainu (jak pasivní, tak i self-podané po dobu 3 týdnů nebo déle) a 28 denní vysazovací lhůtě, dnmt3a Bylo zjištěno, že mRNA byla významně zvýšena v NAc (Laplant et al., 2010). Inhibice methylace DNA / DNMT3a specificky v NAc následně ukázala, že zvyšuje jak CPP, tak lokomotorickou senzibilizaci na kokain, zatímco opak byl pozorován po nadměrné expresi DNMT3a v této oblasti. Inhibice DNMT3a v NAc také zabránila zvýšení dendritické hustoty páteře vyvolané kokainem (Laplant et al., 2010). Význam chování změn kokainu vyvolaných změnami v hustotě páteře NAc není stále dobře znám. Manipulace, které inhibují indukci indukované páteře vyvolanou léky, snižují odměňující vlastnosti kokainu (Russo et al., 2009; Maze et al., 2010); jiné studie však zjistily, že inhibice spinogeneze potencuje odměnu za kokain (Pulipparacharuvil et al., 2008; Laplant et al., 2010). Vzhledem k tomu, že se zdá, že kokain vyvolává vysoce komplexní regulaci různých dendritických spinů v průběhu expozice a vysazení (Shen et al., 2009), bylo navrženo, že tyto rozdíly mohou záviset na typu dendritických spinů, které jsou změněny (Laplant et al., 2010).

Z experimentů popsaných v tomto textu je zřejmé, že regulace transkripčního potenciálu buněk indukovaná léčivem představuje klíčový mechanismus ovlivňující behaviorální reakce na léky a učení související s odměnou. Důležitým dalším krokem by bylo zjistit, které z těchto epigenetických změn jsou nejdůležitější pro stav závislosti na lidském onemocnění. Vzhledem k tomu, že pouhé vystavení drog není dostačující k tomu, aby vyvolalo „závislost“ jak u lidí, tak u zvířat, začlenění modelů, které více měří behaviorální znaky závislosti, jako je nutkavé užívání drog a recidiva, bude mít významnou hodnotu.