Striatální vyrovnávací akt v závislosti na drogách: zřetelné role přímé a nepřímé cesty středních špinavých neuronů (2011)

Úvod

Druhy zneužívání vykazují silné molekulové a buněčné změny v dorsálním striatu (dStr) a ventrálním striatum (nucleus accumbens, NAc) a mnoho z těchto změn se vyskytuje ve středních špicích neuronech (MSN), hlavních projekčních neuronech v dStr a NAc, účtuje 90-95% všech neuronů v těchto oblastech. Výzkumníci však nedávno nedokázali jasně definovat rozdílnou úlohu dvou subtypů MSN v jevů souvisejících s návyky. Dva subtypy MSN jsou diferencovány jejich obohacením dopaminového receptoru 1 (D₁) nebo dopaminového receptoru 2 (D₂), stejně jako několik dalších genů (Gerfen a Young, 1988; Gerfen a kol., 1990; Le Moine a kol., 1990, 1991; Bernard a kol., 1992; Ince a kol., 1997; Lobo a kol., 2006, 2007; Heiman a kol., 2008; gensat.org) a jejich odlišnými projekcemi cestou kortikobazální ganglií (přímá vs. nepřímá cesta; Gerfen, 1984, 1992). Předčasná práce naznačovala, že drogy zneužívání mají největší vliv na D₁+ MSN s použitím četných agonistů a antagonistů dopaminového receptoru, které poskytují důležité informace o funkčních a molekulárních úlohách každé MSN v chování odměňování léků (Vlastní, 2010). Současné metodiky specifické pro buněčné typy, včetně fluorescenčních reporterových myší, které exprimují GFP pod D₁ nebo D₂ bakteriální umělé chromozomy (BAC; Gong a spol., 2003; Valjent a kol., 2009; gensat.org), podmíněné modely myší, jako je použití indukovaných transgenních myší regulovaných tetracyklinem (Chen a kol., 1998; Kelz a kol., 1999) a transgenní myši exprimující Cre-rekombinázu za použití D₁ nebo D₂ BAC, kvasinkových umělých chromozomů (YAC) nebo myší s knock-inGong a spol., 2007; Lemberger a kol., 2007; Heusner a kol., 2008; Parkitna a kol., 2009; Valjent a kol., 2009; Bateup a kol., 2010; Lobo a kol., 2010; gensat.org), stejně jako virovým genovým přenosem specifickým pro buněčný typ (Cardin a kol., 2010; Hikida a kol., 2010; Lobo a kol., 2010; Ferguson a kol., 2011), poskytují hluboký nový pohled na přesné molekulární podklady každého podtypu MSN a jejich regulaci užíváním drog (tab. 1).

Tabulka 1. Účinky genetické manipulace specifické pro buněčné typy v D₁+ a D₂+ MSN v modelech závislosti na drogách.

Nedávné poznatky podporují uzavření převládající role D₁+ MSN při výrobě posilujícího a senzibilizujícího účinku zneužívajících léků s nejsilnějšími molekulárními změnami vyskytujícími se v těchto MSN. Například akutní expozice psychostimulancům účinně indukuje řadu signálních molekul včetně FosB, ERK, c-Fos a Zif268 v D₁+ MSN, zatímco opakovaný kokain přednostně indukuje ΔFosB a mění také GABA receptor a další podjednotky iontových kanálů v tomto buněčném typu (Robertson a kol., 1991; Young a kol., 1991; Berretta a kol., 1992; Cenci et al., 1992; Moratalla a kol., 1992; Hope a kol., 1994; Bertran-Gonzalez a kol., 2008; Heiman a kol., 2008). Kromě toho narušení nebo nadměrné vyjádření specifických molekul, jako je ΔFosB, DARPP-32 nebo Nr3c1 (glukokortikoidní receptor), v D₁+ MSN typicky napodobují chování související s léčivem, které se pozoruje, když se tyto změny provádějí způsobem ne-buněčného typu, zatímco narušují tyto geny v D₂+ MSN často způsobuje opačnou odezvu (Fienberg a kol., 1998; Kelz a kol., 1999; Deroche-Gamonet a kol., 2003; Zachariou a kol., 2006; Ambroggi a kol., 2009; Bateup a kol., 2010). Nicméně nemůžeme vyloučit důležitý příspěvek D₂+ MSN v adaptacích na drogy zneužívání, protože expozice kokainu mění genovou expresi v obou subtypech MSN (Heiman a kol., 2008) a D₂agonisté a antagonisté receptoru vykazují silné účinky v behaviorálních testech (Vlastní, 2010). Nedávné poznatky skutečně ukazují, že adaptace molekulární signalizace v D₂+ MSNs účinně upravují behaviorální reakci zvířete na zneužívání drog (Lobo a kol., 2010). Poslední poznatky ukázaly, že ztráta TrkB (receptor pro BDNF) u D₂+ MSNs vede k podobným behaviorálním reakcím na kokain jako k celkovému vyřazení TrkB z NAc, což poprvé ukazuje selektivní dominantní úlohu pro molekulární dráhu v D₂+ MSN při zprostředkování účinků zneužívání drog.

Nakonec, nedávná literatura ukazuje, že tyto dva MSN vykazují antagonistické účinky v chování souvisejícím s drogami, kde aktivace D₁+ MSNs nebo inhibice D₂+ MSN zvyšuje citlivost zvířete na zneužívající drogu (Hikida a kol., 2010; Lobo a kol., 2010; Ferguson a kol., 2011). Tato zjištění jsou v souladu s protikladnými úlohami dvou MSN a jejich přímými vs. nepřímými cestami v bazálních gangliích v motorickém chování (Alexander a kol., 1986; Albin a kol., 1989; Graybiel, 2000; Kravitz a kol., 2010). Tato nedávná literatura je v souladu s obecnou představou, že dopaminergní neurotransmise, která je aktivována všemi léky zneužívání, usnadňuje glutamatergickou aktivaci D₁+ MSN, zatímco inhibuje glutamatergickou aktivaci D₂+ MSNs prostřednictvím svých akcí na D₁ vs. D₂ dopaminových receptorů (obr 1). V tomto přehledu se zabýváme současnými znalostmi o odlišné molekulární signalizaci, kterou tyto dva podtypy MSN vykazují ve vztahu k jejich funkční roli a reakcím na zneužívání drog.

Obrázek 1. Všechny zneužívané léky zvyšují signalizaci dopaminu v striatu, které mohou diferencovaně modulovat glutamatergickou aktivitu ve dvou subtypech MSN. Konkrétně se kokain váže na dopaminový transportér, který zabraňuje zpětnému získávání dopaminu do terminálů VTA dopaminových neuronů. Aktivace G_s/_OLF spojený D₁ receptory zvyšuje aktivitu PKA a mění Ca²⁺ a K⁺ vodivosti ke zvýšení „up-state“ zprostředkovaného glutamátem v těchto MSN. Naproti tomu aktivace G_i/G_o D₂-receptory snižují aktivitu PKA a mění Ca²⁺Na⁺, a K⁺ vodivosti ke zmírnění stavu "up-state" zprostředkovaného glutamátem. To posunuje tyto MSN zpět do jejich klidového stavu.

Signalizace receptoru dopaminu v D₁ vs. D₂ MSNs

Jak již bylo uvedeno, všechny zneužívané léky aktivují dopaminergní vstup do NAc a příbuzných oblastí limbického mozku (Volkow a kol., 2004; Wise, 2004; Nestler, 2005). Například psychostimulanty, jako je kokain nebo amfetamin, působí přímo na dopaminergní dráhu odměňování tím, že zasahují dopaminový transportér: kokain blokuje transportér a amfetamin reverzuje transportér, obě akce vedou k tvorbě dopaminu v synapse, která může aktivovat dopamin receptorů na cílových neuronech (obr 1). Dvě MSN jsou nejvíce pozoruhodně diferencovány jejich obohacením D₁ vs. D₂-receptorů, ačkoliv studie RT-PCR s jedním buňkem odhalily, že D₁+ MSN vyjadřují nízké úrovně D₂jako receptor, D₃ a D₂+ MSN vyjadřují nízké úrovně D₁jako receptor, D₅ (Surmeier a kol., 1996). Oba MSN vyžadují glutamatergickou inervaci pro řízení neurální aktivity; dopaminu moduluje tyto funkční odpovědi prostřednictvím stimulace odlišných subtypů receptoru dopaminu: pozitivní modulací excitačního glutamatergického vstupu přes D₁ signalizaci receptoru pomocí G_s nebo G_OLF, který stimuluje adenylylcyklázu vedoucí ke zvýšené aktivitě PKA, zatímco dopamin negativně moduluje tento vstup přes D₂-receptor signalizace přes G_i a G_o které inhibují adenylylcyklázu, což způsobuje sníženou aktivitu PKA (Surmeier a kol., 2007; Gerfen a Surmeier, 2011). Ve skutečnosti každý receptor vykazuje složité účinky na mnoho dalších signálních cest. V klidu jsou tyto dva podtypy MSN obecně potlačeny, jsou to v tom, co výzkumníci nazvali dolní stav. Excitatory glutamatergická synaptická aktivita může uvolňovat MSN z tohoto stavu a posunovat je do depolarizovaného stavu (up-state). Dopamín naproti tomu moduluje excitační glutamatergický posun směrem nahoru. D₁ aktivace PKA zvyšuje Cav1 L-typ Ca²⁺ kanálové aktivity, snižuje somatickou K⁺ kanálové aktivity a downreguluje Cav2 Ca²⁺ kanály, které řídí aktivaci Ca²⁺ malá vodivost K⁺ (SK), což má za následek vyšší nárůst v těchto MSN (Surmeier a kol., 2007; Gerfen a Surmeier, 2011). Naproti tomu D₂ signalizace inhibuje přechod nahoru, čímž se zabrání zvýšenému spiknutí, a to snížením Cav1 typu L Ca²⁺ kanálové aktivity a Nav1 Na⁺ a zároveň zvyšuje K⁺ kanálových proudů (Surmeier a kol., 2007; Gerfen a Surmeier, 2011; Postava 1). Takováto opačná změna ve dvou MSN naznačuje, že zvýšená signalizace dopaminu vyvolaná zneužíváním léků by měla zvýšit glutamatergickou aktivaci D₁+ MSN a snížení glutamatergické aktivace D₂+ MSN. Ve skutečnosti jsou takové reakce mnohem pestřejší a složitější z důvodů, které zůstávají špatně pochopeny. Toto téma bude řešeno níže.

Úloha dopaminových receptorů při zneužívání drog je složitá a často nepolapitelná (Vlastní, 2010). Existuje spousta literatury o roli D₁ a D₂agonisty a antagonisty receptoru při modulaci odměřujících vlastností a samo-podávání léků zneužívání, výsledky se však liší v závislosti na druhu použitého agonisty / antagonisty, typu podání (systémové vs. specifické pro oblast mozku) a načasování léčby (Vlastní, 2010). Takové výsledky jsou dále potlačeny nepříznivými specifickými účinky, jako je například přínos pre-synaptického D₂- receptory z VTA nebo přítomnost D₁ receptory v mnoha dalších limbických oblastech a nedostatek specificity použitých agonistů / antagonistů, stejně jako exprese D₁-like a D₂jako jsou receptory v obou podtypech MSN, jak bylo uvedeno výše. Obecně se předpokládá, že D₁ receptory hrají převládající úlohu v primárních obohacujících vlastnostech zneužívání drog, zatímco D₂-receptory hrají roli v mechanismu hledání drog (Self et al., 1996; Vlastní, 2010). Studie s D₁ receptor a D₂myší s vyřazenými receptory poskytují určitý pohled na roli těchto receptorů ve dvou MSN. D₁ (IEG) c-Fos a Zif268 v reakci na kokain, sníženou odezvu na pohybovou aktivitu indukovanou psychostimulantem, ale bez změn v podmínkách kokainu podmíněného místa (CPP) - nepřímou mírou drogovou odměnou a sníženou kokainovou samosprávou a spotřebou ethanolu (Miner a kol., 1995; Drago a kol., 1996; Crawford a kol., 1997; El-Ghundi a kol., 1998; Caine a kol., 2007). D₂ knockout myši vykazují snížené efekty odměňování opiátů a kokainu, stejně jako sníženou spotřebu ethanolu, ale žádné snížení užívání kokainu (Maldonado a kol., 1997; Cunningham a kol., 2000; Risinger a kol., 2000; Caine a kol., 2002; Chausmer a kol., 2002; Elmer a kol., 2002; Welter a kol., 2007). Taková data podporují důležité role pro D₁ a D₂-receptorů ve dvou MSN v mnoha aspektech zneužívání drog, nicméně knockouts nemají striatální specifičnost a objevují se brzy ve vývoji, takže nelze vyloučit jiné oblasti mozku a buněčné typy a vývojové faktory při zprostředkování tohoto chování. Konečně, snížené úrovně D₂/D₃ receptory v striatu, jak je vizualizováno zobrazením mozku, se stalo společným markerem závislosti u pacientů, zejména během období odvykání (Volkow a kol., 2009). Hlodavci, kteří dostávají virusový zprostředkovaný genový přenos D₂-receptory na displeji NAc oslabené samoadministrace kokainu a spotřeba ethanolu (Thanos a kol., 2004, 2008). Tyto studie nebyly prováděny způsobem specifickým pro typ buňky, takže nemůžeme vyloučit možný vliv D₂- nadměrná exprese receptoru ovlivňující D₁+ MSN. Tato sbírka údajů zdůrazňuje potřebu přejít k selektivnějším přístupům, včetně specifických manipulací dopaminových receptorů specifických pro buněčné typy, specifické pro oblast a dokonce i časově specifické, aby lépe objasnily jejich funkční roli ve dvou subtypech MSN v závislosti na drogách.

Nakonec bylo nedávno oznámeno, že D₂-GP homozygotní BAC transgenní myši vykazují zvýšené hladiny exprese D₂-receptor v striatu a zvýšená citlivost na chování a signalizaci dopaminu na D₂ agonisty. Navíc jak homozygoti, tak hemizygoti vykazují tupé reakce na chování kokainu (Kramer a kol., 2011). Tato studie zdůrazňuje potřebu důkladně charakterizovat D₁ a D₂ fluorescenční reportér a řidič řidičů Cre. Většina údajů shromážděných v této studii však používala homozygoti, což není ideální experimentální genotyp, protože integrace transgenů 5-10% vedla k inserčním mutacím (Meisler, 1992); proto hemizygote genotyp je spolehlivější experimentální genotyp. Kromě toho tato studie nepoužívala kontrolní vzorky divokého typu, ale použila kontroly na podobném pozadí (Swiss Webster) získaného od společnosti Taconic, zatímco jejich transgenní linie byly získány od GENSAT a MMRRC. Konečně, další skupina ukázala normální reakce na pohybovou reakci kokainu v D₂-GFP hemizygoty (Kim et al., 2011). Proto budou muset být provedeny budoucí studie používající správné kontroly a správné genotypy, aby se plně charakterizovaly různé dostupné transgenní linie specifické pro daný typ buňky.

Glutamát a signalizace GABA v D₁ vs. D₂ MSNs

Stříbrné neurony dostávají glutamatergický vstup z více oblastí mozku, včetně prefrontální kůry, amygdaly a hippocampu a GABAergic vstup z místních interneuronů a možná kolaterálních vstupů z jiných MSN. Čistá excitační a inhibiční regulace MSN je bezpochyby rozhodující pro regulaci drogově závislého stavu a nyní existuje rostoucí literatura o složitých způsobech, jakými zneužívání léků mění glutamatergickou neurotransmisi, zejména v NAc (Pierce a kol., 1996; Thomas a kol., 2001; Beurrier a Malenka, 2002; Kourrich a kol., 2007; Bachtell a Self, 2008; Bachtell a kol., 2008; Conrad a kol., 2008; Kalivas, 2009; Wolf, 2010). Ačkoli se předpokládá, že MSN existují především v inhibovaném stavu při základních podmínkách s aktivitou glutamátu v obou typech buněk, zůstávají omezené informace s ohledem na odlišnou regulaci vyskytující se v D₁ vs. D₂ MSNs.

Nadměrná exprese ΔFosB v D₁+ MSN (podrobnosti viz níže) zvyšuje efekty odměňování kokainu a zvyšuje hladinu Ca²⁺- neúmyslná podjednotka glutamátového receptoru, GluR2, v NAc. Dále virusový zprostředkovaný přenos genů GluR2 na NAc podobně zvyšuje efektivní účinky kokainu (Kelz a kol., 1999). Není však známo, zda indukce GluR2 pozorovaná v reakci na nadměrnou expresi ΔFosB v D₁+ MSNs je také specifické pro tyto neurony a virální nadměrná exprese GluR2 není specifická pro buňkový typ, proto nemůžeme odvodit přímé závěry o funkci GluR2 v těchto dvou MSNs v odměně léku. Heusner a Palmiter (2005) vyhodnotila úlohu glutamatergické vodivosti NMDA v chování kokainu vyjádřením podjednotky NR1, která obsahuje mutaci v pórech, která snižuje tok vápníku, selektivně v D₁+ MSN. Tato skupina ukázala, že nedostatek NMDA vodivosti u D₁+ MSN zabraňuje kokainu indukované CPP a kokainu pohybovou senzibilizaci, zdůrazňující nutnost NMDA signalizace v D₁+ MSN pro odměňující a senzibilizující účinky kokainu (Heusner a Palmiter, 2005). Navíc bylo nedávno zjištěno, že vyřazení podjednotky NR1 v D₁+ MSN zeslabuje senzibilizaci amfetaminu a tento fenotyp byl zachráněn opětovným přivedením podjednotky NR1 na D₁+ MSNs specificky v NAc (Beutler a kol., 2011). Konečně odštěpení podjednotky mGluR5 pomocí interference RNA v D₁+ MSN nemá vliv na počáteční obohacující vlastnosti kokainu, ale snižuje obnovení hledání kokainu způsobené touhou (Novak a kol., 2010). Zatímco tyto údaje odhalují přesvědčivé role glutamatergické signalizace v D₁+ MSN, je třeba pracovat v budoucnosti pro studium glutamatergických systémů v D₂+ MSN. Budoucí výzkum by měl také vyhodnotit, jak modulace těchto podjednotek glutamátového receptoru ve dvou subtypech MSN ovlivňuje strukturální synaptické změny pozorované v NAc po lécích zneužívání (Dietz a kol., 2009; Russo a kol., 2010), zejména dendritické změny pozorované po expozici kokainu selektivně v D₁+ MSN (Lee et al., 2006; Kim et al., 2011), která může být spojena s nárůstem miniaturních excitačních postsynaptických proudů pozorovaných u D₁+ MSN (Kim et al., 2011). Je zajímavé, že indukce ΔFosB v D₁+ MSNs byl přímo spojen s takovými dendritickými adaptacemi po chronickém kokainu (Maze a kol., 2010).

Na rozdíl od glutamátu je nedostatek výzkumu funkce GABA ve dvou MSN v modelech závislosti, což je překvapivé vzhledem k tomu, že jak ethanol, tak benzodiazepiny zvyšují účinky GABA a oba MSN dostávají husté GABAergické vstupy, jak bylo uvedeno výše. Existují rovněž značné důkazy, které ukazují na zvýšenou inhibici v NAc přinejmenším po expozici chronického kokainu (White et al., 1995; Peoples a kol., 1998; Zhang a kol., 1998; Thomas a kol., 2001; Beurrier a Malenka, 2002). Heiman a kol. (2008) provedl vysoce výkonný genetický screening ve dvou MSN po expozici chronického kokainu a zajímavě nejvíce změněný biologický proces v D₁+ MSNs byla signalizace GABA. Konkrétně došlo k silné regulaci GABA_A receptorové podjednotky Gabra1 a Gabra4 stejně jako GABA_B podjednotky receptoru Gabrb3 a tato skupina zjistila, že chronický kokain zvyšuje frekvenci malabsorpčních minimálních inhibičních postsynaptických proudů (MIPSC) v D₁+ MSN (Heiman a kol., 2008). Na druhé straně další skupina nedávno ukázala, že chronický kokain vede k opačné odpovědi se sníženou frekvencí a amplitudou mIPSC v D1 + MSNs (Kim et al., 2011). Nicméně druhá skupina vykazovala sníženou excitabilitu membrány v D₁+ MSN po chronickém kokainu, což by mohlo být odrazem zvýšeného tonusu GABA a je v souladu s hodnocením intenzivnější inhibice NAc po expozici chronickému kokainu. Dále by takové rozdíly mezi oběma skupinami mohly být jednoduše způsobeny načasováním expozice kokainu a stažením. Obecně je potřeba studovat glutamatergickou a GABAergní funkci ve dvou MSN v reakci na zneužívání drog a pole je nyní vybaveno zdroji, které umožňují takovou studii o typu buňky a oblasti specifické.

Signál jiného receptoru v D₁ vs. D₂ Podtypy MSN

Dvě MSNs jsou navíc dopaminové receptory diferencovaně obohaceny o další receptory spojené s G-proteinem. D₁+ MSNs vyjadřují vyšší hladiny acetylcholinového muskarinového receptoru 4 (M₄; Bernard a kol., 1992; Ince a kol., 1997) a D₂+ MSN jsou obohaceny jak o adenosinový receptor 2A (A._2A; Schiffmann a kol., 1991; Schiffmann a Vanderhaeghen, 1993) a receptoru 6 spojeného s G-proteinem (Gpr6; Lobo a kol., 2007; gensat.org). M₄ je spojen s G_{i / o}, což by mělo opačnou odezvu oproti D₁ receptory, v D₁+ MSNs inhibicí aktivity cAMP / PKA. A skutečně D₁+ MSN selektivní M₄ vykázal zvýšenou senzibilizaci chování kokainu a amfetaminu (Jeon a kol., 2010). Dále nedávné studie používající konstruktér receptoru výlučně aktivovaný syntetickým léčivem (DREADDs) ukázaly, že aktivace DREADD Gi / o-spojeného lidského M₄ receptoru (hM₄D) v D₁+ MSN snížila senzibilizaci chování na amfetamin, s opačnou odpovědí viděnou u D₂+ MSN (Ferguson a kol., 2011). Tyto údaje odhalují antagonizující roli M₄ receptory v D₁+ MSN při zneužívání drog. Také, protože hM₄D receptor účinně inhibuje tyto MSN, data poskytují přehled o účinku změněné aktivity těchto dvou MSN při zneužívání drog, což bude dále diskutováno.

Obě A_2A a Gpr6 jsou pozitivně spojeny s G_s/G_OLF proteinů, což znamená jejich roli v antagonizaci D₂-receptor v D₂+ MSN. Stimulace A_2A bylo prokázáno, že redukují jak vývoj, tak expresi kokainu (Filip et al., 2006), zhoršilo zahájení kokainové samosprávy (Knapp a kol., 2001) a antagonizovat obnovení hledání kokainu vyvolaného kokainem, D₂stimulace receptoru nebo kokainem podmíněné podněty (Bachtell a Self, 2009). Protože Gpr6 je také obohacen o D₂+ MSN (Lobo a kol., 2007) by měla být vyhodnocena její role v behaviorálních funkcích striatu. K dnešnímu dni bylo prokázáno, že ovlivňuje instrumentální učení (Lobo a kol., 2007), ale jeho úloha v modelech zneužívání drog je dosud neznámá.

Cannabinoidní receptor 1 (CB1) se vyskytuje všudypřítomně v centrálním nervovém systému (Mackie, 2008), proto je obtížné rozlišovat přesnou roli specifických oblastí mozku a buněčných typů při zprostředkování závislosti na D9-tetrahydrokanabinolu (THC). Nedávno došlo k vymazání CB1 z D₁+ Bylo zjištěno, že MSNs mírně ovlivňují behaviorální odezvy na THC, včetně tlumených účinků při THC-indukované hypolokomoci, hypotermii a analgeze (Monory a kol., 2007). Bylo by zajímavé vyhodnotit funkci kanabinoidního receptoru u D₂+ MSN, protože tyto MSNs vyjadřují dlouhodobou depresi podmíněnou endokanabinoidem (eCB-LTD), což vyžaduje dopamin D₂- aktivace receptoru (Kreitzer a Malenka, 2007).

Receptor glukokortikoidu, Nr3c1, je také široce exprimován v CNS a periferii. Stresem indukovaná sekrece glukokortikoidů může potencovat maladaptivní chování včetně závislosti na drogách (Frank a kol., 2011). Zejména narušení signalizace glukokortikoidů u D₁+ MSNs vymazáním Nr3c1 snížila motivaci, kterou tyto myši zobrazují k samému podání kokainu a to je v souladu s předchozími údaji, kde byl z celého mozku vymazán Nr3c1 (Ambroggi a kol., 2009). Tyto údaje jsou v souladu s dalšími zjištěními popsanými v tomto přehledu a ukazují převládající úlohu D₁+ MSN při zprostředkování mnoha účinků zneužívání drog.

Konečně jsme nedávno narušili signalizaci BDNF ve dvou MSN tak, že vymažeme jeho receptor TrkB selektivně z každého podtypu MSN. Byly pozorovány opačné účinky na chování vyvolané kokainem: lokomotorická aktivita indukovaná kokainem a indukce kokainu CPP byly zvýšeny po deleci TrkB z D₁+ MSNs, ale zeslabení po deleci z D₂+ MSN (Lobo a kol., 2010). Je zajímavé, že vymazání TrkB od D₂+ MSN napodobují účinky celkové deléce TrkB z NAc, stejně jako narušení signalizace BDNF z VTA (Horger a kol., 1999; Graham a kol., 2007, 2009; Bahi a kol., 2008; Crooks a kol., 2010). Tato zjištění tak poprvé ukazují převládající úlohu signalizační kaskády v D₂+ MSN při zprostředkování účinku zneužívajícího léku. Převládající role D₂+ MSN při zprostředkování účinků BDNF na chování vyvolané kokainem není překvapující vzhledem k tomu, že jak mRNA mRNA, tak protein jsou obohaceny o D₂+ MSN (Lobo a kol., 2010; Baydyuk a kol., 2011). Změny chování pozorované u těchto myší byly doprovázeny zvýšenou neuronovou aktivitou v D₂+ MSN po selektivním vyřazení TrkB. Tato zjištění nás vedla k použití optogenetické technologie k selektivní manipulaci s aktivitou MSN v odměňování kokainu (viz níže).

Transkripční faktory v D₁ vs. D₂ MSNs

Nejdůležitější důkaz pro silnější roli D₁+ MSN při zneužívání drog pochází z literatury, která hodnotí indukci intracelulárních signalizačních molekul. Jak bylo uvedeno výše, akutní dávky psychostimulantů indukují expresi IEG, včetně c-Fos, Zif268 (Egr1) a FosB primárně v D₁+ MSN v NAc a dStr (Robertson a kol., 1991; Young a kol., 1991; Berretta a kol., 1992; Cenci et al., 1992; Moratalla a kol., 1992; Bertran-Gonzalez a kol., 2008). Tato indukce vyžaduje aktivaci D₁ receptorů a specifita buněčného typu IEG indukce v reakci na akutní kokain byla nedávno potvrzena za použití D₁-GFP a D₂-GFP reportérů (Bertran-Gonzalez a kol., 2008). Je zajímavé, že potvrzení indukce kokainu c-Fos primárně v D₁-GFP v celém striatu s malou indukcí v D₂-GFP MSNs pouze v dStr byla potvrzena pomocí kontextu závislého paradigmatu (myši byly injikovány do nového prostředí mimo jejich domácí klec). Dále byla použita předchozí studie in situ hybridizace u myší také ukázala indukci c-Fos v D₁+ a D₂+ MSN v dStr, i když v této studii jsou reprezentativní sloupcové grafy větší počet D₁+ c-Fos pozitivní neurony (Ferguson a kol., 2006). Je zajímavé, že tato studie odhalila významně zvýšenou indukci c-Fos v D₂+ MSNs v dStr po ztrátě ERK1u, což paraleluje naše nálezy zvýšené indukce c-Fos v D₂+ MSN specificky v shellu NAc po přerušení signalizace BDNF, o kterém je známo, že zvyšuje aktivitu ERK (Lobo a kol., 2010). Naproti tomu byly v každé studii pozorovány protichůdné reakce na chování kokainu, což může odrážet indukci c-Fos v D₂+ MSN v shellu dStr vs. NAc. Konečně, použití předchozí literatury in situ hybridizace / imunohistochemie u potkanů ​​ukázala, že akutní psychostimulanty mohou indukovat c-Fos stejně v obou MSNs, když je léčivo podáno v novém prostředí (Badiani a kol., 1999; Uslaner a kol., 2001a,b; Ferguson a Robinson, 2004) a chronické podávání amfetaminu uvádí, že selektivně indukuje c-Fos v D₂+ MSN (Mattson a kol., 2007). Tyto různé výsledky by mohly být odrazem použitých experimentálních postupů (in situ hybridizaci vs. myši reportérů GFP) nebo dokonce být způsobeny živočišnými druhy, které byly použity jako poslední pokusy používané krysy.

V poslední době výzkumníci geneticky profilovali kokain kontextově závislé, c-Fos aktivované neurony u potkanů ​​za použití imunokoznačeného fluorescenčně aktivovaného třídění buněk (FACS) a ukázaly, že c-Fos + neurony jsou obohaceny o D₁+ MSN gen, prodynorfin (Pdyn), ale mají nižší hladiny D₂ a A_2A, oba D₂+ Geny MSN (Guez-Barber a kol., 2011), což naznačuje, že c-Fos + aktivované neurony sestávají především z D₁+ MSN. Dále tato skupina dříve ukázala, že c-Fos exprimující MSNs jsou důležité pro tuto kontextu závislou senzibilizaci, protože ablace těchto neuronů ruší tento behaviorální fenotyp (Koya a kol., 2009). Přestože předchozí údaje ukázaly, že indukce c-Fos závislá na kontextu kokainu se vyskytuje v oba D₁+ a D₂+ MSN u potkanů, novější výsledky odpovídají nálezům, ve kterých je selektivní delece c-Fos z D₁+ MSNs blunuje kokainem indukovanou lokomotorickou senzibilizaci u myší (Zhang a kol., 2006). Dále tato skupina zjistila, že delece c-Fos v D₁+ MSNs tlumí změny dendritického páteře normálně indukované kokainem v NAc, což naznačuje úlohu c-Fos při zprostředkování těchto synaptických změn plasticity. Nakonec skupina nepozorovala žádnou změnu v indukci kokainu CPP, ale zjistila, že ztráta c-Fos v D₁+ MSN zabránila vyhynutí kokainu CPP. Tyto údaje ilustrují dynamickou úlohu indukce c-Fos u D₁+ MSN však nelze vyloučit diferenciální účinky na úrovni chování, které jsou zprostředkovány některým z několika dalších limbických oblastí mozku, které vyjadřují D₁ receptor.

Další IEG, který byl rozsáhle studován ve dvou subtypech MSN, je FosB. Akutní expozice kokainu indukuje FosB v D₁+ MSN (Berretta a kol., 1992), zatímco chronická expozice indukuje ΔFosB, stabilní produkt genu FosB generovaný alternativním sestřihem (Hope a kol., 1994; Nestler a kol., 2001; Nestler, 2008), v D₁+ MSN (Nye a kol., 1995; Moratalla a kol., 1996; Lee et al., 2006). Podobná zjištění jsou zaznamenána u mnoha jiných zneužívaných drog, stejně jako přírodní odměny, jako je jídlo, pohlaví a běh. Chronické běhání kol, které je přirozenou odměnou (Iversen, 1993; Belke, 1997; Lett a kol., 2000) indukuje ΔFosB v D₁+ MSN, ale ne D₂+ MSN (Werme a kol., 2002). Abychom získali funkční vhled do role ΔFosB ve dvou MSN, vytvořila naše skupina NSE-tTa linie nazývané 11A a 11B, které směřují expresi transgenu buď na D₁+ nebo D₂+ MSNs, respektive (Chen a kol., 1998; Kelz a kol., 1999; Werme a kol., 2002). Myší řady 11A, které prošly linií Tet-Op ΔFosB, ukazují zvýšené reakce na odměňující a lokomotorické účinky kokainu (Kelz a kol., 1999), což je v souladu s indukcí ΔFosB v D₁+ MSN (Nye a kol., 1995; Moratalla a kol., 1996). Dále tyto stejné myši vykazují zvýšenou morfinovou odměnu (vyhodnocenou pomocí CPP), stejně jako sníženou morfinovou analgézi a zvýšenou toleranci k morfinu, zatímco myši 11B Tet-Op ΔFosB nevykazují žádnou změnu odměny morfinu. Nadměrná exprese dominantního negativního antagonisty ΔFosB má účinky opačné než účinky pozorované u ΔFosB, i když tento model myší nerozlišuje D₁ vs. D₂ MSN (Peakman a spol., 2003). Společně tato data dále podporují úlohu indukce ΔFosB v D₁+ MSN jako důležitý molekulární hráč v odměňování vlastností zneužívání drog (Zachariou a kol., 2006). Tento jev se také projevuje u jiných způsobů odměňování, zejména při běhu kol: 11A Tet-Op ΔFosB myši vykazují zvýšené chování při jízdě na kolech, zatímco myši 11B Tet-Op ΔFosB vykazují zmenšený chod kola (Werme a kol., 2002). Zjištění, že indukce ΔFosB v D₁ MSN podporuje odměnu, je v souladu s nedávnými zjištěními, že taková buněčná selektivní indukce také podporuje reakce na odolnost vůči chronickému stresu (Vialou a kol., 2010). Konečně, chronická indukce kokainu ΔFosB v D₁+ MSNs bylo prokázáno, že je doprovázeno výrazným dlouhodobým zvýšením hustoty dendritické páteře (Lee et al., 2006) a nedávno byl prokázán, že ΔFosB v NAc je nezbytný a dostatečný při zprostředkování zvýšené hustoty dendritických trnů v této oblasti mozku (Maze a kol., 2010). Taková data podporují roli pro ΔFosB v D₁+ MSN při zprostředkování odměňování aspektů zneužívání drog a přirozených odměn, jakož i doprovodných strukturálních změn plasticity. Údaje také naznačují, že indukce ΔFosB v D₂+ MSN poskytuje negativní důsledky pro odměňování podnětů. Protože indukce ΔFosB v D₂+ MSNs je vidět v reakci na chronický stres a antipsychotiku (Hiroi a Graybiel, 1996; Perrotti a kol., 2004), jsou zapotřebí další studie těchto druhů opatření.

Další intracelulární signalizační molekuly v D₁ vs. D₂ MSNs

Jedna signalizační molekula, která byla dobře prozkoumána ve dvou MSN v kontextu zneužívání drog, je protein kinasa ERK (extracelulární signální kináza). Akutní nebo chronická expozice kokainu indukuje fosforylaci ERK (pERK), aktivovanou formu proteinu v NAc a dStr v D₁+ MSN pomocí D₁-GFP a D₂-GPP BAC transgenních reportérových myší (Bertran-Gonzalez a kol., 2008) a tato odpověď je zprostředkována pomocí D₁ receptory (Valjent a kol., 2000; Lu et al., 2006). Tato skupina také ukázala, že pMSK-1 (fosfo-MAP a stresem aktivovaná kináza-1) a histon H3, oba cíle pERK signalizace, jsou robustně indukovány v pERK obsahujícím D₁+ MSN po akutní expozici kokainu a po chronickém kokainu (Bertran-Gonzalez a kol., 2008). pERK je také indukována jako odpověď na chronický morfin, zejména pERK je robustně indukován v D₁+ MSN a mírně indukované v D₂+ MSN v shellu NAc po vysazení v odpovědi na kontextu specifickou asociaci s morfinem (Borgkvist a kol., 2008). Přesná funkční role pERK v závislosti na drogách má být stanovena. Bylo prokázáno, že farmakologická léčba inhibitory ERK snižuje odměnu kokainu, nicméně vyřazení přípravku ERK1 potencuje odměnu kokainu, což naznačuje, že inhibitory ERK mohou mít přednostně vliv na ERK2. Nedávno jsme ukázali, že optogenetická aktivace D₁+ MSN v NAc, což zvyšuje odezvu zvířat na kokain, silně snižuje jak pERK1, tak pERK2. Budoucí studie, které manipulují s expresí ERK způsobem specifickým pro buňku, jsou nezbytné k plnému řešení funkční role signalizace ERK ve dvou MSN při zneužívání drog.

DARPP-32 je další signalizační molekula, která byla rozsáhle studována v reakci na zneužívané léky. Je známo, že akutní psychostimulanty vedou k PKA fosforylaci DARPP-32 u treoninu 34 (T34), což způsobuje, že se stává silným inhibitorem proteiny fosfatázy 1 (PP-1), která reguluje fosforylační stav mnoha efektorových proteinů, transkripčních faktorů, ionotropních receptorů a iontových kanálů (Greengard a kol., 1999). Až donedávna nebylo jasné, který subtyp MSN zprostředkuje tuto biochemickou změnu. Greengard a kol. (1999) generovaných transgenních myších modelů BAC, které umožňují vyhodnocení fosforylace DARPP-32 v D₁+ nebo D₂+ MSNs pomocí vyjádření označených verzí DARPP-32 pomocí D₁ nebo D₂ BAC umožňující imunoprecipitaci DARPP-32 z každého podtypu MSN. Tyto studie ukázaly, že akutní léčba kokainem zvyšuje fosforylaci T34 u D₁+ MSNs a indukuje fosforylaci treoninu 75 (T75) pomocí Cdk5, který inhibuje signalizaci PKA selektivně v D₂+ MSN (Bateup a kol., 2008). Nakonec tato skupina ukázala, že delece DARPP-32 z každého podtypu MSN pomocí D₁-Cre a D₂Transgenní myši vedou k opačné regulaci lokomotorické aktivity indukované kokainem (Bateup a kol., 2010). Ztráta DARPP-32 z D₁+ MSN snižovaly lokomotorické účinky kokainu, které napodobují předchozí data, která hodnotí totální vyřazení DARPP-32 (Fienberg a kol., 1998), zatímco ztráta DARPP-32 od D₂+ MSN vylepšené kokainové lokomotorické odpovědi. Tyto údaje poskytují konkrétní důkazy o diferenciálních rolích DARPP-32 ve dvou MSN v reakci na zneužívání drog a ilustrují důležitost specifických typů buněčných typů, aby plně porozuměli příspěvku těchto dvou neuronálních typů k závislosti na drogách.

Modulační aktivita D₁ nebo D₂ MSNs

Přímá modulace aktivity dvou subtypů MSN nedávno poskytla nový pohled na molekulární a funkční roli D₁ a D₂ MSN v závislosti. Použili jsme optogenetické nástroje v kombinaci s podmíněným (tzn. Cre-dependentním) adeno-asociovaným virovým (AAV) vektorem, který vyjadřuje kationtový kanál aktivovaný modrým světlem, channelrhodopsin-2 (ChR2). Vektor nebo kontrolní vektor jsme injikovali do NAc D₁-Crete nebo D₂Transgenních myší BAC a poté stimulaci injektované oblasti modrým světlem pro selektivní aktivaci D₁+ vs. D₂+ MSN v kontextu kokainu CPP. Zjistili jsme, že aktivace D₁+ MSN potenciuje indukci kokainu CPP, zatímco aktivace D₂+ MSN inhibuje tuto indukci (Lobo a kol., 2010). Jak bylo poznamenáno výše, pozorovali jsme stejné účinky na chování, když byl TrkB selektivně deletován z těchto subtypů MSN: zvýšený kokain CPP a lokomotorická aktivita po deleci TrkB z D₁+ MSN a snížená kokainová CPP a lokomotorická aktivita po deleci TrkB z D₂+ MSN. Pravděpodobná společná akce vyřazení TrkB a optogenetické stimulace v D₂+ MSNs je jejich zvýšená aktivita, protože odstranění TrkB z těchto buněk zvyšuje jejich elektrickou excitabilitu. Jak již bylo zmíněno dříve, také jsme našli silné snížení pERK po deleci TrkB z D₁+ MSN. pERK je známým downstreamovým cílem signalizace BDNF, a proto sdílené účinky na chování pozorované po deleci TrkB z D₁+ MSNs a z optogenetické aktivace těchto buněk mohou být způsobeny sbližujícími se účinky na aktivitu pERK. Budoucí práce je však zapotřebí k určení přesných, sdílených molekulárních podkladů, které ovlivňují behaviorální účinky pozorované po narušení signalizace BDNF a optogenetické regulaci těchto dvou neuronových podtypů.

Jiné skupiny používaly různé nástroje k modulaci aktivity dvou MSN v modelech zneužívání drog. Hikida a kol. (2010) používaly AAV vektory k expresi tetracyklin-represivního transkripčního faktoru (tTa) za použití látky P (a D₁+ MSN gen) nebo enkefalin (a D₂+ MSN genu). Tyto vektory byly injikovány do NAc myší, ve kterém byl lehký řetězec tetanového toxinu (TN) - bakteriální toxin, který štěpí protein spojený s synaptickým vesikálem, VAMP2 - řízen pomocí prvku citlivého na tetracyklin, aby selektivně zrušil synaptický přenos v každém Podtyp MSN. V souladu s naším optogenetickým přístupem se tato data ukázala jako role D₁+ MSN aktivita při zvyšování kokainu CPP, stejně jako kokainem indukovaná lokomotorická aktivita, protože zrušení synaptického přenosu v D₁+ MSN snížily oba behaviorální efekty. Na rozdíl od optogenetických studií autoři nenalezli žádné změny v CPP kokainu po zrušení synaptického přenosu v D₂+ MSNs, ale pozorovali sníženou lokomotorickou aktivitu vyvolanou kokainem v reakci na první dvě expozice kokainu. Je zajímavé, že tato skupina ukázala, že inaktivace D₂+ MSN hrály hlubší roli při zprostředkování averzivního chování.

Jak bylo uvedeno výše, Ferguson a kol. (2011) používaly vektory herpes simplex virus (HSV) k vyjádření inženýrského GPCR (a_{i / o}spojený s lidským muskarinem M₄ designer receptor aktivovaný výhradně designer drog, hM₄D), který je aktivován jiným farmakologicky inertním ligandem za použití enkefalinu a dynorfinových promotorů pro selektivní tlumení D₁+ nebo D₂+ MSN v dStr. Autoři prokázali, že přechodně narušuje D₂+ Aktivita MSN v dStr usnadnila senzibilizaci amfetaminu, zatímco snížení excitability D₁+ MSN narušily přetrvávající senzibilizaci vyvolanou amfetaminem. Nakonec, zrušení D₂+ MSN v NAc ve věku dospělých s použitím receptoru toxinu dipteria zvyšuje odměňující účinek amfetaminu (Durieux a kol., 2009). Tato data jsou v souladu s našimi optogenetickými nálezy a společně se týkají rolí D₁+ vs. D₂+ MSN v závislosti na drogách, s D₁+ MSN podporující obě odměňování a senzibilizující reakce na psychostimulanty a D₂+ MSN tlumící tyto chování.

Budoucí pokyny

Toto pole mělo obrovský pokrok směrem k pochopení selektivní role D₁+ a D₂+ Podtypy MSN v NAc a dStr při zprostředkování účinků zneužívání drog. Zejména získaly většinu těchto informací převážně nedávno vyvinuté nástroje umožňující selektivní manipulaci s těmito typy buněk. Jaké jsou další kroky? Vzhledem k tomu, že základní molekulární adaptace v modelech závislosti na drogách nejsou statické, ale velmi dynamické, je nezbytné rozvíjet schopnost selektivně manipulovat signalizační molekuly, které jsou předmětem zájmu v D₁+ vs. D₂+ MSN v časově přesném způsobu. Nástroje DREADD a optogenetické nástroje mohou pomoci s touto časovou manipulací. DREADD ligandy mohou být podávány v různých časových cyklech v rámci celého paradigmatu chování léku, aby se vyčlenila selektivní role signalizačních receptorů ve dvou MSN v modelech léků. Optogenetické nástroje zejména poskytují mimořádně účinný prostředek k dočasné regulaci nejen neuronové aktivity, ale signalizaci receptoru spojeného s G-proteinem za použití OptoXRsAiran a kol., 2009), glutamatergickou signalizaci (Volgraf a kol., 2006; Numano a kol., 2009), GABAergní signalizace a dokonce i určité intracelulární signalizační molekuly (Wu a kol., 2009; Hahn a Kuhlman, 2010). Nakonec může být možné rozšířit tyto schopnosti na optogenetickou regulaci transkripční aktivity. Podobně optogenetické nástroje umožňují poprvé studovat vliv specifických vstupů na striatum a určit, zda tyto vstupy selektivně ovlivňují D₁+ vs. D₂+ MSN (Higley a Sabatini, 2010). Schopnost řídit takové signalizační a molekulární vlastnosti s velkým časovým rozlišením umožní provádět zásadní kroky směrem k komplexnějšímu porozumění dvou subtypů MSN a dalších buněčných podtypů v NAc a dStr při zprostředkování časového průběhu a různých fází léku závislost.

Prohlášení o konfliktu zájmů

Autoři prohlašují, že výzkum byl proveden bez obchodních či finančních vztahů, které by mohly být považovány za potenciální střet zájmů.

Reference