Požití žaludku vyvolává rychlý obchod s AMPA receptory (2013)

J Neurosci. Autorský rukopis; k dispozici v PMC Oct 3, 2013.
Publikováno v posledním editovaném formuláři:
Konečná upravená verze tohoto článku vydavatele je k dispozici zdarma na adrese J Neurosci
Viz další články v PMC to citovat publikovaný článek.

Abstraktní

Mechanismy, kterými přírodní výhody, jako je cukr, ovlivňují synaptický přenos a chování, jsou do značné míry prozkoumány. Zde zkoumáme regulaci synapsí jádra accumbens příjmem sacharózy. Předchozí studie ukázaly, že obchodování s AMPA receptory je hlavním mechanismem pro regulaci synaptické síly, a to in vitro, k obchodování s AMPA receptory obsahujícími GluA1 podjednotku dochází pomocí dvoustupňového mechanismu zahrnujícího extrasynaptický a poté transport synaptického receptoru. Uvádíme, že u potkanů ​​opakované denní požití roztoku 25% sacharózy přechodně zvýšilo spontánní lokomoce a zesílené akcentuje synapsí jádra prostřednictvím začlenění Ca2+- propustné receptory AMPA (CPAR), které jsou receptory AMPA obsahující GluA1 a neobsahující GluA2. Elektrofyziologické, biochemické a kvantitativní studie elektronové mikroskopie odhalily, že trénink sacharózy (7 dní) vyvolal stabilní (> 24 hodin) intraspinální populaci GluA1 a že u těchto potkanů ​​byl jediný stimul sacharózy rychle (5 minut), ale přechodně (<24 hodin) zvýšen GluA1 na extrasynaptických místech. Vyžadovány byly CPAR a dopaminové D1 receptory in in vivo pro zvýšenou pohyblivost po požití sacharózy. Je důležité, že 7-denní protokol denního požití 3% roztoku sacharinu, nekalorického sladidla, indukoval synaptický GluA1 podobně jako 25% sacharóza. TTato zjištění identifikují vícestupňové obchodování s GluA1, jak bylo popsáno dříve in vitro, jako mechanismus pro akutní regulaci synaptického přenosu in vivo přirozenou orosenzorickou odměnou. Obchodování s lidmi je stimulováno chemosenzorickou cestou, která nezávisí na kalorické hodnotě sacharózy.

Úvod

Nadměrná spotřeba sacharózy je závažným problémem v oblasti veřejného zdraví (Hu a Malik, 2010), ale mechanismy, kterými přírodní, orosenzorické odměny, jako je sacharóza, regulují synaptický přenos ovlivňující chování, nejsou známy. Synaptická plasticita v jádru accumbens, nedílná součást obvodů odměňování mozku (Sesack a Grace, 2010), přispívá k mnoha formám motivovaného chování, včetně učení odměn (Den a Carelli, 2007), reakce na sociální stres (LaPlant a kol., 2010) a závislostní patologie (Luscher a Malenka, 2011). Opakovaná expozice kokainu způsobuje synaptickou plasticitu v neuronech accumbens a ventrální tegmentální oblasti (VTA) (Brebner a kol., 2005; Grueter a kol., 2010; Mameli et al., 2009; Pascoli a kol., 2012; Thomas a kol., 2001; Ungless a kol., 2001). Při samostatném podání kokainu s prodlouženým přístupem a následném prodlouženém vysazení jsou synapsí zesíleny začleněním Ca2+-propustné, glutamátové receptory typu AMPA typu GluA2 (CPAR), jejichž signalizace zprostředkuje inkubaci touhy po kokainu (Conrad a kol., 2008; McCutcheon a kol., 2011a). Podobně jako kokain, orosensory odměny, jako je sacharóza výrazně zvyšuje accumbens dopamin (Smith, 2004), ale orosenzorická indukce plasticity accumbens nebyla zkoumána.

Receptory AMPA (AMPAR) jsou primárními mediátory excitačního přenosu centrální nervové soustavy a jejich obchodování přispívá k různým nervovým procesům, včetně učení a paměti (Nedelescu a kol., 2010; Rumpel a kol., 2005; Whitlock a kol., 2006). AMPAR se skládají ze čtyř různých podjednotek, GluA1-4. AMPAR obsahující GluA2 jsou Ca2+- nepropustný a konstitutivně přenos do synapsí, zatímco receptory bez GluA2 (CPAR), které jsou převážně homomery GluA1, vedou Ca2+ a vykazují vnitřní opravu. GluA1 podléhá synaptickému obchodování závislému na aktivitě dvoustupňovou cestou, ve které Ser 845 fosforylace proteinovou kinázou závislou na cAMP (PKA) a proteinovou kinázou II závislou na cGMP (cGKII) podporuje akumulaci receptoru na extrasynaptických místech v plazmatické membráně (Esteban a kol., 2003; Serulle a kol., 2007; Sun a kol., 2008; Sun a kol., 2005). Po laterální difuzi do synapse, fosforylace Ser 818 pomocí PKC stabilizuje AMPAR uvnitř synapse (Boehm a kol., 2006), ukotvené k postsynaptické hustotě (Ehlers a kol., 2007; Oh et al., 2006; Serulle a kol., 2007). Jak2+/ kalmodulin-dependentní protein kináza II (CaMKII) fosforylace Ser 567 a Ser 831 také přispívá k synaptickému začlenění a extrasynaptickému cílení (Lu et al., 2010; Roche a kol., 1996). Není však známo, zda in vivo inkorporace CPAR využívá tyto popsané rychlé, vícestupňové mechanismy in vitro.

K prozkoumání mechanismů, kterými orosensorické odměny, jako je sacharóza reguluje accumbens excitační synapsí, jsme použili paradigma krátkého požití sacharózy a změřili změny v synaptickém přenosu v neuronech accumbens. Zjistili jsme, že opakované požití sacharózy potencuje akcenty synapsí prostřednictvím inkorporace CPAR, a že u zvířete vyškoleného na sacharózu postačuje jediný stimulátor sacharózy k vyvolání rychlého obchodování s GluA1 na extrasynaptických místech. Protože sacharin, nekalorické sladidlo, vyvolalo synaptické obchodování podobně jako sacharóza, je obchodování spíše reakcí na orosensory než na kalorické dráhy. Blokáda CPAR navíc zabránila sacharózou indukované zvýšení spontánní lokomotorické aktivity in vivo, dále identifikuje CPARs jako důležitých regulátorů odpovědí na přirozené odměny.

Materiály a metody

Subjekty a chirurgické postupy

Jedinci byli samci krys Sprague-Dawley (Taconic; behaviorální experimenty) vážící 150 – 300 gramy při příjezdu a samice E18 těhotných krys Sprague-Dawley (Taconic; experimenty s buněčnou kulturou). Krysy byly ustájeny 2 v kleci pro behaviorální experimenty v cyklu 12h / 12h světlo-tma (světla na 18: 00) a měly přístup k potravě a vodě podle libosti po celou dobu. Všechny experimentální postupy byly schváleny Výborem ústavní péče o zvířata a jejich použití na New York University School of Medicine a byly provedeny v souladu se „Zásadami laboratorní péče o zvířata“ (publikace NIH 85 – 23).

Měření sacharózy a pohybového aparátu

Krysy byly transportovány do testovací místnosti 3 po sobě následující dny po dobu 2 h / den ve svých domácích klecích. Čtvrtý den byly lahví obsahující vodu nebo 25% sacharózu zavedeny přes víko klece po dobu 5 min. Lahve byly poté zváženy. U všech experimentů bylo vyžadováno, aby krysy pili alespoň 1 g sacharózy během 5 min přístupu do 3 dnů po zahájení výcviku, který má být zahrnut do studie; ve skutečnosti všechny krysy toto kritérium splnily. Po vyjmutí láhve zůstaly krysy v testovací místnosti 30 min před transportem zpět do zařízení pro zvířata. V den oběti byly krysy zbaveny vědomí CO2, dekapitované gilotinou a tkáňové vzorky byly odebrány na ledu. Pro lokomotorické experimenty byly krysy umístěny do komor pro měření lokomotoru (Accuscan, Columbus, OH) na celkem 35-min. Po 15-min v komoře byla přes horní část komory zavedena láhev se zátkou s kuličkami a stabilizována. Láhev byla vyjmuta z horní části komory po 5-min a krysy zůstaly v komoře dalších 15-min po vyjmutí z láhve. Tento postup byl identicky opakován po dobu 7 po sobě jdoucích dnů. Ujetá vzdálenost byla měřena za použití systému VersaMax (Accuscan, Columbus, OH), který sledoval aktivitu zvířat prostřednictvím mřížky infračervených paprsků 16 × 16, které procházejí klecí zvířat (42 × 42 × 30 cm) zepředu dozadu a zleva doprava . Informace o stavu paprsku, snímaná rychlostí 100krát za sekundu, byla uložena na disk. Aktivita byla vyjádřena jako ambulantní vzdálenost měřená v cm během 12 různých zásobníků 3-min v relaci 35 min (konečný koš byl 2-min).

Sacharinový trénink

Aby se porovnalo s glukózou indukované obchodování s GluA1 s účinky požití sacharinu, dospělí krysí dospělí samci 12 (250 g) byli umístěni ve zvířecím zařízení na 12 hodinový cyklus světlo / tma. Všechny krysy byly poté navyknuty do testovací místnosti transportem do testovací místnosti, ponechány 2 hodiny a transportovány zpět do zařízení pro zvířata. Jednoho dne 4 (po 3 dnech habituace) byly potkanům podány přístupové láhve obsahující vodu, sacharózu nebo sacharin. Potkanům 4 byl umožněn přístup k láhvi obsahující vodu spočívající na horní části klece s výlevkou vyčnívající do klece víkem. Doba přístupu byla 5 minut, poté byla láhev vyjmuta a po 15 min byly další minuty krysy transportovány zpět do zařízení pro zvířata. Krysy 4 měly přístup k 25% roztoku sacharózy a krysy 4 měly přístup k roztoku 3% sacharinu (Sweet'n Low). Byl měřen objem spotřebované tekutiny. Tento postup byl opakován po dobu 7 dnů. V den pití 7, bezprostředně po vyjmutí lahve, byly krysy utraceny a bylo odebráno jádro accumbens a hladiny GluA1 byly testovány pomocí Western blotu.

Elektrofyziologie

Krysy byly vyškoleny na sacharózu, jak je popsáno výše, v čirých plastových klecích a po vyjmutí lahve v den 7 byly anestetizovány ketaminem (100 mg / kg ip) a xylazinem (10 mg / kg ip) a transkardiálně perfundovány studeným solným roztokem (experimenty mEPSC) nebo okamžitě dekapitováno (rektifikační experimenty). Mozky byly rychle odstraněny do umělé mozkomíšní tekutiny (ACSF) sestávající z následujících (v mM): pro experimenty mEPSC: NaCl (118), KCl (2.5), CaCl2 (3), MgCl2 (1), NaHCO3 (26), NaH2PO4 (1), D-glukóza (10), osmolarita upravená na 325 mOsm a provzdušněna 95% O2/ 5% CO2 (pH 7.4); pro rektifikační experimenty: 75 sacharóza, 87 NaCl, 2.5 KCl, 1.25 NaH2PO4, 0.5 CaCl27 MgCl2 6 H2O, 25 NaHCO3, 10 dextróza, probublávané 95% O2 / 5% CO2 (pH 7.4). Koronální plátky (300μm silné) obsahující jádro accumbens byly řezány v ledově chladném ACSF s použitím vibrotomu (Leica, VT1200S) a udržovány ponořeny v ACSF (ACSF, v mM: 124 NaCl, 2.5 KCl, 1.25 NaH2PO4, 2.5 CaCl2, 1.5 MgSO4 7H2O, 26 NaHCO3a 10 dextróza) po dobu <30 minut; poté udržovány v preinkubátoru řezu při pokojové teplotě po dobu alespoň 1 hodiny, aby se umožnilo zotavení. Pro experimenty mEPSC: jeden řez byl poté přenesen do záznamové komory, ve které byl udržován ponořen v nylonové síti při 32 ° C s přímým ohřívačem a řadičem TC324B (Warner Instruments, CT). Komora byla kontinuálně promývána ACSF konstantní rychlostí 2 ml / min. Středně ostnaté neurony z jádra oblasti nucleus accumbens byly identifikovány pod vizuálním vedením pomocí infračervené-diferenční interferenční kontrastní video mikroskopie (Hamamatsu C5405) se svislým mikroskopem Olympus BX50WI vybaveným objektivem pro ponoření do vody na 40x dlouhou vzdálenost. Náplastové elektrody (4–6 MΩ) naplněné intracelulárním pipetovým roztokem skládající se z (v mM): CsCl (145), HEPES (10), EGTA (0.5) a MgATP (5). Osmolarita byla upravena na 290 mOsm pomocí sacharózy a pH bylo upraveno na 7.4 pomocí CsOH. Miniaturní excitační postsynaptické proudy (mEPSC) byly zaznamenány v přítomnosti bikuculinu (10 μM) a tetrodotoxinu (1 μM) pomocí zesilovače Axopatch 200B (Molecular Devices, CA) a digitalizovány pomocí Digidata 1322A (Molecular Devices, CA). Pro rektifikační experimenty: řezy byly přeneseny do záznamové komory a promyty (2.0–2.5 ml min-1) s okysličeným ACSF při 33 – 35 ° C obsahujícím 50 μm picrotoxin k izolaci EPSC. Somatické celobuněčné záznamy byly vytvořeny z neuronů středního ostnatého nervu v napěťové svorce pomocí multiclampového 700B zesilovače (Molecular Devices) pomocí video-mikroskopie IR-DIC. Patchové pipety (4 – 6 MΩ) byly naplněny intracelulárním roztokem (v mM: 125 Cs-glukonát, 2 CsCl, 5 TEA-Cl, 4 Mg-ATP, 0.3 GTP, 10 fosfokreatin, 10 HEPES, 0.5 EGX a 3.5 QTAX) -314). Data byla filtrována při 2 kHz, digitalizována při 10 kHz a analyzována pomocí Clampfit 10 (Molecular Devices). Extracelulární stimulace (0.01 – 1 ms, 5 – 150 μA, 0.2 Hz) byla aplikována malou skleněnou bipolární elektrodou 0.05 – 0.5 mm od záznamové elektrody. Po ~ 10 min základního záznamu byl roztok obsahující Naspm (200 μM) perfundován do lázně po dobu 10 min. Změny v amplitudě EPSC byly měřeny před a po aplikaci léčiva při udržování potenciálu −70, −50, −30, 0, + 20, + 40 a + 60 mV. Index korekce (ir) byla vypočtena opravou případných posunů reverzního potenciálu a vypočtena z následující rovnice: ir = (I-70 / 70) / (I+40 / 40), kde I-70 a I+40 jsou amplitudy EPSC zaznamenané při -70 mV a + 40 mV.

Subcelulární frakcionace a westernový přenos

Accumbens byly shromážděny na ledu, jak je popsáno výše. Když byly jádro a skořepina odděleny odděleny, separace byla potvrzena sondováním synaptosomových frakcí pro dopaminovou β-hydroxylázu, enzym nalezený v terminálech axonů ke skořápce, ale nikoli jádro (Sesack a Grace, 2010). Frakce celých buněk, synaptosomu a PSD byly připraveny tak, jak bylo popsáno dříve (Jordan a kol., 2004). Synaptosomální pelety byly resuspendovány v 200 μl 25 mM Tris s 1% Triton X-100, kývány při 4 ° C po dobu 30-min a centrifugovány při 13,800 × g pro 15-min v mikrocentrifúze na pelety PSD. Peleta obsahující surové PSD byla resuspendována v 25 mM Tris s 2% SDS. Frakce byly analyzovány metodou Western blot na SDS-PAGE gelech, jak bylo popsáno výše (Jordan a kol., 2004). Byly použity následující protilátky: dopamin β-hydroxyláza (1: 1,000, Abcam), GluA1 (1: 1,000, Millipore), fosfor-Ser 845 GluA1 (1: 1,000, Millipore), GluA2 (1, XUMUM), XUMUM: XUMUM, XUMUM: (1,000: 1, Sigma).

Elektronová mikroskopie

V den sklizně tkání (den 7 tréninku se sacharózou) byly krysy z testovacích skupin 3 (voda, sacharóza / voda, sacharóza; krysy 3 / testovací skupina) umístěny do komor pro měření lokomotoru na 15-min; v 15-min byla zavedena láhev skrz horní část komory. Potkani ve skupině Voda dostali vodu, potkani ve skupině sacharózy dostali 25% sacharózu, potkani ve skupině sacharóza / voda, kteří konzumovali 25% sacharózu po dobu 6 dní, dostali vodu. Krysy byly hluboko anestetizovány Nembutalem (50 mg / kg ip) a transkardiálně perfundovány pomocí 0.1 M fosfátového pufru (pH 7.4) obsahujícího 4% paraformaldehyd a 0.1% glutaraldehyd rychlostí 50 ml / min během prvního 3-min, poté při rychlost 20 ml / min pro následující 7-min. Tkáň byla připravena pro postembed imunogold (PEG) značení a obrázky byly zachyceny, jak bylo popsáno dříve (Nedelescu a kol., 2010). Imunolabely byly kategorizovány podle jejich pozice vzhledem k PSD v asymetrických synaptických křižovatkách jako „rozštěp“, „blízko PSD“ (v šířce 1 PSD od PSD), „v PSD“, „intraspinózní“ nebo „extrasynaptická membrána“. u každého zvířete byly 93 synapsemi vzorky z jádra accumbens. Náhodné vzorkování bylo zajištěno analýzou všech prvních náhodně se vyskytujících synapsí 93, když jsme systematicky procházeli mřížkou, a poté shromáždili stejný počet synapsí od každého ze tří zvířat, kterým byla podána stejná léčba ante mortem. Byly provedeny dva typy kvantifikace. Jedním z nich bylo vyhodnotit úroveň imunoreaktivity GluR1, spočítáním počtu PEG částic, které se vyskytly v diskrétních funkčních doménách páteře. Druhým úkolem bylo posoudit podíl synapsí značených na PSD jakýmkoli počtem částic PEG. Dokonce i synapsy označené pouze částicí 1 PEG byly považovány za značené na základě dřívější práce prokazující specifičnost postupu GluR1-PEG (Nedelescu a kol., 2010). Účinky léčby na poměr a úroveň imunoznačení GluR1 byly analyzovány jednocestnou ANOVA s plánovaným post hoc porovnáním (Fisherův LSD). Pro odstranění experimentálního zkreslení byla data trojitě zaslepena: jeden experimentátor provedl sacharózový výcvik a vedl záznamy o zvířatech ve třech testovaných skupinách, druhý experimentátor vytvořil elektronové mikrofotografie a každému mikrografu přidělil nový alfanumerický kód a kód udržel zapečetěný a tři další experimentátoři skenovali mikrografy a kvantifikované PEG částice. Po dokončení kvantifikace PEG se experimentátoři svolali, aby odhalili identity každého mikrofotografie.

Implantace kanyly a intrakraniální injekce

K dodání Naspm a APV do jádra accumbens byla použita intrakraniální injekce. Pro implantaci kanyly, jak bylo popsáno výše (Carr a kol., 2010), byly krysy hluboce anestetizovány ketaminem (100 mg / kg ip) a xylazinem (10 mg / kg ip) a injikovány po operaci analgetickým benaminem (1 mg / kg subkutánně). Krysy byly stereotaxicky implantovány dvěma vodicími kanyly měřidla 26 (PlasticsOne, Roanoke, VA) bilaterálně v jádru accumbens se souřadnicemi: 1.6 mm před bregmou; 2.9 mm laterálně k sagitálnímu stehu, hroty zahnuté 8 ° směrem k středové linii, 5.6 mm ventrálně k lebce. Kanyly byly drženy na místě dentálním akrylem a průchodnost byla udržována okluzním styletem. Pro intrakraniální injekce byly Naspm a APV roztoky naloženy do dvou 30 cm délky PE-50 hadic připojených na jednom konci k injekčním stříkačkám Hamilton naplněným destilovanou vodou a na druhém konci k injektážním kanylům 25, které rozšířily 31 mm za implantovanými průvodci. Injekční stříkačky byly namontovány na dvojčích držácích mikrolitrové pumpy Harvard 2.0, která dodávala injekční objemy 2272 μl po dobu 0.5 s. Jednu minutu po dokončení injekcí byly injekční kanyly odstraněny z vodítek, byly vyměněny stylety a zvířata byla umístěna do lokomotorových testovacích komor pro výcvik na sacharózu. Po usmrcení zvířat byly kryogenní mozkové řezy analyzovány na lokalizaci kanyly; 100 ze zvířat 2 byl ze studie vyloučen z důvodu nesprávného umístění kanyly.

Statistická analýza

Pro elektronovou mikroskopii, imunocytochemii a biotinylaci byly použity jednosměrné ANOVA následované Fisherovými post hoc testy. Pro elektrofyziologii byly použity Studentovy t-testy s dvěma ocasy. Pro experimenty s hyperaktivitou na sacharóze byly použity obousměrné ANOVA a následně Fisherovy post hoc testy.

VÝSLEDKY

Charakterizace paradigmatu požití sacharózy

Použili jsme paradigmu požití sacharózy k prozkoumání účinků přirozené, orosenzorické odměny na synaptický přenos (Obrázek 1A). Dospělé samce potkanů ​​byly přepraveny do testovací místnosti po tři po sobě jdoucí dny. Čtvrtý den (první den tréninku) byly krysy umístěny do lokomotorové měřící komory. Po 15 minutách měření lokomotorické aktivity v komoře byly do měřících komor zavedeny lahve obsahující buď vodu (pro Vodní zvířata) nebo 25% roztok sacharózy (pro Sukrózová zvířata) skrz otvory ve víku komory. Lahve byly odstraněny po 5 minutách a lokomotorická aktivita byla měřena dalších 15 minut, než byla zvířata vrácena do domácích klecí. Tento postup jsme opakovali po sobě následující dny 7. V některých experimentech byl sacharózový výcvik rozšířen na 8th den. Tento krátký, neúmyslný přístup k vysoce chutnému řešení nám umožnil prozkoumat jak akutní, tak kumulativní účinky příjmu sacharózy, protože zvířata spolehlivě absorbovala sacharózu energicky během přístupového okna do tří dnů od tréninku (Obrázek 1B). Tyto experimentální podmínky umožnily srovnání testovaných skupin bezprostředně po ukončení požití. Naším kritériem pro zařazení do studie bylo, že krysy začnou během přístupového období spotřebovat alespoň jeden gram sacharózy do tří dnů od zahájení výcviku; na základě tohoto kritéria nebyla ze studie vyloučena žádná zvířata.

Obrázek 1  

Opakované požití sacharózy způsobuje přechodné zvýšení spontánní lokomoce.

Zjistili jsme, že do tří dnů po tréninku konzumovala zvířata sacharózy podstatně více roztoku sacharózy než voda spotřebovaná vodou (Obrázek 1B). Kromě toho, zatímco ve tréninkových dnech 1 – 6 (údaje nejsou uvedeny) nebyly pozorovány žádné významné rozdíly v spontánní lokomoce, pozorovali jsme významné zvýšení celkové vzdálenosti u zvířat se sacharózou ve srovnání s vodními zvířaty za tři minuty po vyjmutí lahve v den 7 (Obrázek 1D) a tento rozdíl byl také přítomen v den 8 (Obrázek 1E). Nebyly pozorovány žádné rozdíly v celkové ujeté vzdálenosti mezi zvířaty Voda a Sacharóza během tří minut před zavedením lahve v kterýkoli z testovacích dnů (Obrázek 1C), což naznačuje, že zvýšená lokomoce byla akutní odpovědí na požití sacharózy specifické pro sacharózu vyškolenou krysu, spíše než podmíněná odpověď na lokomotorickou komoru. V souladu s touto možností došlo k významné pozitivní korelaci mezi množstvím spotřebované sacharózy a celkovou ujetou vzdáleností (Obrázek 1F). Před a po 7 dnech tréninku nebyl žádný rozdíl ve hmotnosti zvířat mezi skupinami s obsahem sacharózy a vody (data nejsou uvedena).

Požití sacharózy indukuje začlenění CPAR

Cukrový trénink vedl k přechodnému zvýšení lokomoce v poslední tréninkový den. Abychom určili, zda byl tento důsledek požití sacharózy doprovázen elektrofyziologickými změnami v nucleus accumbens, oblasti regulující odměňování, připravili jsme plátky nucleus accumbens bezprostředně po vyjmutí lahve v den 7 a zaznamenali jsme z neuronů accumbens jádra (Obrázek 2A). Jádro podoblasti se podílí na lokomotorických reakcích na odměňující podněty (Sesack a Grace, 2010). Zjistili jsme, že jak amplituda, tak frekvence spontánních miniaturních excitačních postsynaptických proudů (mEPSC) byly významně vyšší v jádru accumbens u zvířat se sacharózou ve srovnání s vodními zvířaty (Obrázek 2B). To prokázalo, že opakovaná spotřeba sacharózy by mohla pozitivně regulovat synaptický přenos v jádře accumbens. Pro stanovení, zda začlenění CPAR hrálo roli v potenciaci po sacharóze, jsme stanovili indexy rektifikace pro accumbens jádrové neurony měřením EPSC na různých membránových potenciálech (Obrázky 2C, 2D a 2E). CPARs vnitřně usměrňují depolarizované potenciály kvůli endogenní polyaminové blokádě. Pozorovali jsme významnou rektifikaci v záznamech z neuronů zvířat se sacharózou, jak ukazuje nelinearita ve vztahu I / V, ve srovnání s vodními zvířaty (Obrázek 2E), kromě výrazného zvýšení indexu korekce (Obrázek 2F).

Obrázek 2  

Po opakovaném požití sacharosy jsou potenciální synapse Accumbens potencovány.

Abychom potvrdili zvýšení hladin CPAR jinou metodou, zaznamenali jsme z kmenových neuronů accumbens po zahrnutí specifického blokátoru CPAR, 1-Naftylacetylového sperminu (Naspm) do lázně. Zjistili jsme, že Naspm významně snížil amplitudu EPSC v záznamech z neuronů ze sacharózy, ale nikoli z vodních živočichů (Obrázky 3A – C). Navíc po léčbě Naspm se vztah I / V v neuronech ze sukrózních zvířat stal lineárním, což odráží inhibici CPAR v sukrózních zvířecích synapsích, zatímco po léčbě Naspm v neuronech z vodních živočichů nebyl pozorován žádný významný účinek na vztah I / V (Obrázky 3D). Tyto výsledky ukazují, že opakované požití sacharózy indukuje začlenění CPAR do synapsí jádra accumbens.

Obrázek 3  

Požití sacharózy způsobuje inkorporaci Ca2 + -propustných AMPA receptorů.

Příjem sacharózy indukuje obchodování s GluA1

CPAR jsou receptory AMPA, kterým chybí podjednotka receptoru GluA2 AMPA. Synaptické začlenění CPAR tedy nejčastěji zahrnuje obchodování s podjednotkou GluA1 závislou na synaptické aktivitě (He et al., 2009; Isaac a kol., 2007; Liu a Zukin, 2007; Plant a kol., 2006). Abychom potvrdili začlenění synaptické CPAR po tréninku na sacharóze, zkoumali jsme, zda příjem sacharózy zvyšuje synaptickou expresi GluA1. Potkanům byl poskytnut přístup k sacharóze, jak je popsáno výše, pro 7 po sobě následující dny. Ve dnech 1, 3, 5 a 7 jsme izolovali frakce celých buněk, synaptosomu a postsynaptické hustoty (PSD) ze tří oblastí mozku: accumbens jádro (core), accumbens shell (shell) a somatosensory cortex (cortex). Analyzovali jsme celou buněčnou a PSD frakci pomocí Western blotu na expresi GluA1 a GluA2.

V testovaných dnech jsme nezjistili žádné změny v GluA1 nebo GluA2 v celých buněčných frakcích accumbens lyzátů, což naznačuje, že opakovaná konzumace sacharózy nereguluje celkové hladiny těchto proteinů (Obrázky 4A – C). Ve frakcích PSD accumbens se však GluA1 významně zvýšil v den 7 v jádru, ale nikoli ve skořápce, zatímco GluA2 se v obou frakcích významně nezměnil (Obrázky 4D – 4F a data nejsou zobrazena). V předchozích zkušebních dnech jsme nezaznamenali žádné významné zvýšení GluA1 v jádrech PSD accumbens (Obrázky 4D – F) a GluA1 nebo GluA2 se nezměnily ve frakcích PSD kůry v žádném z testovacích dnů (data nejsou uvedena). Zvýšený GluA1, zejména ve srovnání s GluA2, u PSD jádra accumbens po opakovaném požití sacharózy je v souladu se zvýšenou rektifikací pozorovanou u jádrových neuronů accumbens, jak je popsáno výše.

Obrázek 4  

Postsynaptická hustota GluA1, ale nikoli GluA2, se po požití sacharózy zvyšuje v jádru accumbens.

Ukázalo se, že obchodování s GluA1 závislé na aktivitě přispívá k synaptické plasticitě in vitro a také in vivo (Lu a Roche, 2011). Byl prokázán rychlý vícekrokový mechanismus pro obchodování s GluA1 in vitro (Serulle a kol., 2007; Sun a kol., 2008; Sun a kol., 2005). Dosud však příspěvek tohoto vícestupňového mechanismu k synaptické akumulaci GluA1 in vivo nebyl testován. Abychom určili, zda trénink sacharózy indukuje akutní obchodování s GluA1 pomocí vícestupňového mechanismu, lokalizovali jsme GluA1 v jádru accumbens synapsí zvířat se sacharózou a vodou pomocí kvantitativní elektronové mikroskopie. Jádrová tkáň Accumbens byla odebrána sedmý den tréninku sacharózy z testovacích skupin 3 krys. Byli to krysy, které: 1) konzumovaly vodu po dobu 7 dní (voda), 2) konzumovaly sacharózu po dobu 7 dnů (sacharóza), a 3) konzumovaly sacharózu po dobu 6 dní a vodu v den 7 (sacharóza / voda). Krysy byly obětovány na 7uth den, 5 minut po konzumaci sacharózy nebo vody. Srovnání dvou testovaných skupin, zvířat sacharózy / vody a sacharózy, navzájem a zvířatům vody tedy odhalilo časové období postsynaptických změn vyvolaných spotřebou sacharózy u krys vyškolených na sacharózu. Měřili jsme posazený imunogold (PEG) značený GluA1 v 5 různých postsynaptických kompartmentech: dendritický páteřní cytosol (intraspinózní), extrasynaptická plazmatická membrána (membrána), PSD poblíž PSD a synaptická štěrbina, přičemž poslední tři kompartmenty byly seskupeny jako 'PSD '(Obr. 5A). Aby se vyloučila předpojatost experimentátora, byly identity elektronové mikroskopové skupiny trojitě zaslepeny.

Obrázek 5  

Elektronová mikroskopie odhalí indukci vícestupňového obchodování s GluA1 požitím sacharózy.

Zvířata se sacharózou i se sacharózou / vodou vykazovala výrazně zvýšené intraspinózní GluA1 ve srovnání s vodními zvířaty (Obr. 5B a 5C). To naznačuje, že chronická spotřeba sacharózy zvyšuje intracelulární zásobu AMPA receptorů obsahujících GluA1 sousedících se synaptickými místy, receptory, které mohou být snadno dostupné pro synaptické obchodování, a co je důležité, tato intracelulární zásoba může přetrvávat po 24 hodin po konečné spotřebě sacharózy. . Poté jsme prozkoumali významnou otázku, zda akutní stimulace sacharózy může vyvolat rychlé obchodování s GluA1. Zjistili jsme, že extrasynaptická plazmatická membrána GluA1 byla významně zvýšena u zvířat se sacharózou ve srovnání se zvířaty se sacharózou / vodou a vodou (Obrázky 5B a 5D). Toto pozorování naznačuje, že přirozená orosenzorická odměna poskytnutá jediným stimulem sacharózy může rychle (<5 minut), ale přechodně (doba rozpadu <24 h) zvýšit extrasynaptickou populaci AMPA receptorů obsahujících GluA1, čímž vytvoří labilní zásobu může provozovat synapse.

Významně, in vitro studie naznačují, že synaptická inkorporace AMPA receptorů probíhá v krocích 2. V první, fosforylace Ser 845 závislá na glutamátu nebo dopaminu zvyšuje hladiny receptorů na extrasynaptických místech v plazmatické membráně (Esteban a kol., 2003; Serulle a kol., 2007; Sun a kol., 2008; Sun a kol., 2005), zatímco ve druhé, Ser 818 fosforylace podporuje synaptické začlenění (Boehm a kol., 2006). Naše srovnání elektronové mikroskopie u zvířat se sacharózou se sacharózou / vodou a vodou prokázalo, že byl pozorován první krok obchodování s GluA1 in vitro (Makino a Malinow, 2009), dochází rovněž k rychlému transportu na extrasynaptickou membránu in vivo po poskytnutí orosensorské odměny.

V souladu s výše popsanou elektrofyziologií a biochemickými výsledky PEG EM prokázalo, že příjem sacharózy také indukoval druhý krok v obchodování s GluA1 vstupem GluA1 do synapse, protože úroveň imunoreaktivity GluA1 v PSD byla významně vyšší pro sacharózu ve srovnání s krysy s vodou, a tam byl trend k zvýšenému GluA1 v sacharóze / vodě ve srovnání s Water krysy (Obrázky 5B a 5E). Nárůst u zvířat se sacharózou / vodou je v souladu buď s rychlým začleněním GluA1, který se rozkládá se synaptickým poločasem ~ 24 h, nebo s rychlým začleněním GluA1 a nahrazením za synaptický GluA1 / 2 za podobné časové období. Procento synapsí exprimujících GluA1 v PSD bylo také významně vyšší u potkanů ​​Sacharózy ve srovnání s potkani Water (Obrázek 5F), což naznačuje, že GluA1 se obchodoval se synapsemi, které dříve GluA1 postrádaly. To také naznačuje, že zvýšení amplitudy mEPSC pozorované u potkanů ​​sacharózy je výsledkem zvýšení synaptického GluA1 a že zvýšení frekvence mEPSC může být výsledkem náboru GluA1 do dříve tichých synapsí accumbens, ačkoli nelze vyloučit potenciaci uvolňování glutamátu. Také jsme měřili počet synapsí v každé ze tří testovacích skupin, abychom zjistili, zda požití sacharózy vyvolalo synaptogenezi; mezi třemi testovacími skupinami nebyly žádné rozdíly (data nejsou uvedena). Dospěli jsme k závěru, že opakované požití sacharózy zvyšuje stabilní (> 24 hodin) intraspinální směs GluA1 a jediný sacharosový stimul pro potkan trénovaný na sacharózu (6 dní) je dostatečný k rychlému (5 min) zvýšení GluA1 v extrasynaptické plazmatické membráně, potenciálně čerpání receptorů z intraspinního fondu. Navrhujeme, aby část těchto extrasynaptických receptorů byla stabilně začleněna do PSD, což vedlo k pozorovanému indexu korekce a změnám PSD GluA1, než se extrasynaptická skupina vrátí k základní hodnotě 24 hodin po stimulaci. Tyto výsledky ukazují, že přirozená odměna může akutně vyvolat rychlé obchodování s GluA1 u trénovaného zvířete.

Aktivita CPAR je vyžadována pro zvýšenou pohyblivost po požití sacharózy

Středně ostnaté neurony přijímají dopaminergní i glutamatergické vstupy (Calabresi a kol., 1992). Abychom mohli posoudit zapojení glutamátové signalizace do zvýšené spontánní lokomoce, kterou jsme pozorovali po požití sacharózy u potkanů ​​vyškolených v sacharóze, implantovali jsme kanyly do jádra potkanů ​​accumbens a cvičili zvířata v komorách pro měření lokomotorů, jak je popsáno výše. V den 8 tréninku se sacharózou jsme mikroinjekci Naspm do jádra před umístěním do lokomotorické zkušební komory. Injekce snížila celkovou ujetou vzdálenost zvířat se sacharózou a eliminovala rozdíl mezi zvířaty se sacharózou a vodou pozorovanými bezprostředně po vyjmutí lahve (Obrázek 6A). Aby se ověřilo, že stres způsobený manipulací se zvířaty neovlivnil sacharosovou reakci, vstříkli jsme do následujícího dne (den 9 tréninku se sacharózou) solný roztok; Ihned po vyjmutí lahve byla pozorována významná hyperaktivita u zvířat se sacharózou (Obrázek 6B). To ukazuje, že Naspm specificky inhiboval zvýšení lokomoce vyvolané sacharózou. Injekce NMDAR antagonisty, APV, do jádra v následujících dnech také eliminovala rozdíl mezi sacharózou a vodními zvířaty (Obrázek 6C), což dokazuje, že NMDAR jsou také vyžadovány pro zvýšení spontánní lokomoce po požití sacharózy. Za účelem stanovení, zda podmíněná reakce na testovací komoru hrála roli při indukci hyperaktivity, byla zvířata umístěna do komory na 35 min bez zavedení lahve; nebyly pozorovány žádné rozdíly v ujeté vzdálenosti mezi zvířaty sukrózy a vody (Obrázek 6D). Naspm a APV neovlivnily spotřebu sacharózy (Obrázek 6E), což dokazuje, že základní CPAR a NMDAR nejsou vyžadovány pro intenzivní příjem sacharózy. Zvířata, u kterých nebyly kanyly umístěny do jádra accumbens (2 ze zvířat 15), hodnocena po usmrcení (Obrázek 6F), nebyly zahrnuty do studie. Závěrem lze říci, že tato data společně ukazují, že konzumace sacharózy u krysy vyškolené v sacharóze indukuje synaptické obchodování s GluA1 za 5 minut a že blokáda signálních mechanismů, které řídí toto obchodování, zabraňuje zvýšení spontánní lokomotorické aktivity po sacharóze.

Obrázek 6  

Zvýšená spontánní lokomoce po požití sacharózy vyžaduje CPAR a NMDAR.

Lze předpokládat dvě cesty pro signalizaci sacharózy. Jedna, přísně chemosenzorická nebo orosenzorická cesta, je iniciována vazbou sacharózy k receptoru sladké chuti, což odpovídá receptorovému komplexu vázanému na heteromerní G protein, T1R2 / T2R3 (Kitagawa a kol., 2001; Max a kol., 2001; Nelson a kol., 2001; Sainz a kol., 2001). Živiny bohaté na kalorie mohou také regulovat funkci mozku metabolickými cestami nezávislými na chuti, ačkoli mechanismy nejsou dobře známy (de Araujo a kol., 2008). Abychom rozlišili mezi těmito dvěma alternativami pro dráhu obchodování s GluA1 indukovanou sacharózou, opakovali jsme tréninkový protokol se třemi skupinami potkanů ​​(krysy 4 / skupina), kterým byl umožněn přístup po dobu 5 do lahví obsahujících vodu, 25% roztok sacharózy. nebo 3% sacharin (sladký a nízký). Lahve byly odstraněny a krysy zůstaly po dobu 15 minut déle ve výcvikové kleci. Trénink se opakoval po dobu 7 dní. Objemy kapalin spotřebovaných testovacími skupinami se sacharózou a sacharinem se navzájem významně nelišily a oba byly větší než spotřeba ve skupině s vodou, což odpovídá odměně obou sladkých látek (Obrázek 7A). V den pití 7, ihned po vyjmutí lahve, byly krysy utraceny, odebrána jádra tkáně accumbens a shromážděna pro každou testovanou skupinu, byla izolována frakce PSD a hladiny GluA1 testovány pomocí Western blotu (Obrázek 7B). Stejně jako dříve, zvířata, která konzumovala sacharózu, vykazovala zvýšený GluA1 ve frakci PSD v poměru k vodní skupině (Obrázek 7C). Významně byl GluA1 také zvýšen ve frakci PSD u zvířat, která konzumovala sacharin. Nebyl žádný významný rozdíl v hladinách GluA1 v celých buněčných frakcích z accumbens jádra vody, sacharózy a sacharinů, což naznačuje, že zvýšení GluA1 bylo specifické pro synaptickou frakci (Obrázek 7D). Protože sacharin stimuluje stejný komplex receptorů chuti spojený s heteromerním G proteinem jako sacharóza (Masuda a kol., 2012; Nelson a kol., 2001), ale chybí kalorická hodnota, došli jsme k závěru, že stimulace receptoru sladké chuti je dostatečná pro iniciaci signalizace, která zvyšuje hladiny GluA1 v jádru accumbens core synapses.

Obrázek 7  

Sacharinový trénink indukuje zvýšení synaptického GluA1, podobně jako u sacharózy.

Diskuse

Ukázali jsme, že orosensorická odměna, opakovaná spotřeba sacharózy, může akutně vyvolat synaptické začlenění GluA1 prostřednictvím výše popsaného vícestupňového mechanismu obchodování in vitro. Opakovaná spotřeba sacharózy v průběhu 6 – 7 dní zesílila akcentuje jádro synapsí elektrofyziologicky vložením CPAR. Tento účinek byl doprovázen akumulací GluA1, ale nikoli GluA2 v PSD jádra, a byl regionálně a časově specifický, protože před tréninkovým dnem 7 v jádru nebyly pozorovány žádné změny a nebyla pozorována žádná změna ve skořápce accumbens nebo v somatosenzorická kůra. Elektronová mikroskopická analýza odhalila, že opakovaný příjem sacharózy zvýšil relativně stabilní (t1/2 > 24 hodin) populace intraspinózních receptorů obsahujících GluA1. Sacharóza také rychle (5 minut) a přechodně (t1/2 <24 hodin) zvýšené hladiny receptorů obsahujících GluA1 na extrasynaptických místech u zvířat trénovaných na sacharózu, což zvyšuje populaci AMPAR schopných laterálně difundovat do synapsí. Synaptický GluA1, jak reprezentovaný frakcí PSD, tak detekovaný PEG-EM, byl významně zvýšen u sacharózy ve srovnání s vodními zvířaty. Z těchto výsledků navrhujeme, aby byl dříve popsán dvoustupňový mechanismus extrasynaptické exocytózy následovaný synaptickým transportem pro synaptickou inzerci AMPAR in vitro (Boehm a kol., 2006; Makino a Malinow, 2009; Oh et al., 2006; Serulle a kol., 2007; Sun a kol., 2005) lze zahájit rychle in vivo přirozenou orosenzorickou odměnou.

Změny v synaptických hladinách GluA1 byly pozorovány až po trénincích 7, což naznačuje, že pro potenciaci je nutný několikidenní proces. V biochemických experimentech in vivo, ve dnech 1, 1 a 3 sacharózy jsme nezaznamenali výrazné zvýšení základních hodnot PSD GluA5 accumbens; teprve po 7 dnech sacharózy byl GluA1 v PSD výrazně zvýšen. V experimentech s elektronovou mikroskopií jsme pozorovali, že zvířata se sacharózou / vodou, která byla trénována na sacharózu po dobu 6 dnů, ale neobdržela stimulaci sacharózy během 24 hodin, vykazovala trend ke zvýšení PSD GluA1. Tato zvířata také vykazovala zvýšenou intraspinózní GluA1 ve srovnání s vodními zvířaty, ale nebyla pozorována žádná změna v extrasynaptické membráně GluA1. Z těchto výsledků vyvodíme tři závěry. Za prvé, receptory AMPA obsahující GluA1 se akumulují intraspinózně s následnou stimulací sacharózou. Vzhledem k tomu, že předchozí studie prokázaly, že požití sacharózy indukuje uvolňování dopaminu v accumbens (Cacciapaglia a kol., 2012; McCutcheon a kol., 2012; Rada a kol., 2005) a že D1R mohou řídit místní překlad GluA1 v dendritech (Smith a kol., 2005), uvolňování dopaminu po požití sacharózy může vyvolat lokální syntézu GluA1, která vede k intraspinózní akumulaci GluA1. Alternativně může intraspinózní zvýšení odrážet transport GluA1u z distálních míst. Je pravděpodobné, že exocytotické obchodování z tohoto zvýšeného intraspinózního bazénu přispívá k extrasynaptickému fondu v plazmatické membráně. Za druhé, pozorování nárůstu extrasynaptické membrány GluA1 v sacharóze, ale ne u zvířat se sacharózou / vodou nebo vodou, naznačuje, že extrasynaptické receptory se buď pohybují druhým krokem do synapse, nebo jsou endocytózovány v 24 h po konzumaci sacharózy, čímž se vytvoří extrasynaptický fond přechodný. Zatřetí, zvýšení hladiny sacharózy PSD GluA1 ve srovnání s vodními živočichy, ale ne zvířata se sacharózou / vodou, také naznačuje, že po každém stimulu sacharózy se receptory pohybují laterálně do synapse ze skupiny receptorů, které se rychle přesunou na extrasynaptickou plazmatickou membránu. Nemůžeme vyloučit, že GluA1 se dopravuje přímo z intraspinózní oblasti do synapse. Taková cesta se však zdá nepravděpodobná vzhledem ke studiím, které ukazují, že GluA1 je vložen extrasynapticky (Boehm a kol., 2006; Makino a Malinow, 2009; Oh et al., 2006; Serulle a kol., 2007; Sun a kol., 2005). Tato zjištění představují první demonstraci, že byl pozorován časový průběh obchodování s GluA1 (<5 minut) a dráha in vitro jsou také pozorovány in vivo. Naše výsledky navíc naznačují, že opakující se odměňující stimuly modifikují kapacitu pro zesílení synapsí zvýšením skupiny intraspinózních receptorů, s nimiž lze obchodovat.

Protože sacharin indukoval obchodování s GluA1em podobně jako sacharóza, není nutný kalorický obsah sacharózy. Sacharin stimuluje stejný receptor sladké chuti, T1R2 / T2R3, jako sacharózu (Masuda a kol., 2012; Nelson a kol., 2001), sAktivace tohoto receptoru pravděpodobně vyvolá inkorporaci GluA1 do MSN synapsí. Sacharóza zvyšuje uvolňování dopaminu v accumbens z neuronů VTA (Cacciapaglia a kol., 2012; McCutcheon a kol., 2012; Rada a kol., 2005) lk obchodování s povrchy GluA1. Cesta, která spojuje receptor sladké chuti s VTA, tedy bude pravděpodobně ústřední pro tu studovanou plasticitu.

Je pravděpodobné, že rychlé obchodování s GluA1 po požití sacharózy hraje roli při regulaci spontánní lokomoce. Ve skutečnosti u zvířat trénovaných na sacharózu inhibice CPAR zabránila zvýšení spontánní pohybové aktivity bezprostředně po požití sacharózy. Celková vzdálenost, kterou potkani po konzumaci sacharózy měřili v následujících dnech, byla významně zvýšena pouze po dobu 3 min bezprostředně po konzumaci sacharózy v sedmý den tréninku. Zvýšená aktivita bezprostředně po sacharóze byla pozorována počínaje dnem 3 tréninku, ale významně se nelišila až do dne 7. Tento časový průběh aktivity koreluje s časovým průběhem akumulace GluA1 v accumbens jádrových dendritech. Zvýšená lokomoce byla funkčním důsledkem obchodování s CPAR na MSN synapsích v jádru accumbens, protože injekce Naspm do jádra inhibovala zvýšení aktivity. Prevence zvýšené lokomoce pomocí inhibitoru NMDA receptoru ukázala, že glutamátová signalizace prostřednictvím NMDA receptorů, jakož i CPAR, byla nutná ke zvýšení lokomoční aktivity. Požití sacharózy však nebylo ovlivněno blokádou glutamátové signalizace, v souladu s předchozími studiemi prokazujícími, že jádro accumbens je zapojeno do orchestrace motorických odpovědí souvisejících s orosenzorickou odměnou, ale nikoli samotnou spotřebou (Smith, 2004). Podobný časový průběh pro vývoj hyperlokomoce byl popsán pro vývoj podmíněné hyperaktivity u zvířat krmených jejich každodenním jídlem ve výrazném prostředí (Matthews a kol., 1996). Pokud by však současnou odpovědí byla podmíněná hyperaktivita vyplývající ze spárování kontextu a sacharózy, předcházelo by to dodání sacharózy, což nebylo pozorováno. Je možné, že subjekty vykazují průzkumné vzrušení. Byly by nutné další experimenty k rozlišení, zda zvýšená lokomoce po požití sacharózy byla vzrušení z průzkumu na rozdíl od formy motorické senzibilizace nebo jiného chování. V každém případě zvýšení spontánní lokomoce vyžadovalo glutamátovou signalizaci a bylo alespoň částečně výsledkem začlenění CPAR do jádra accumbens.

Zvýšená lokomotorická aktivita po požití sacharózy může vyplývat přímo z pozorovaného zesílení akumbensových jaderných synapsí, protože zvýšený výstup z přímé bazální dráhy ganglií podporuje lokomoce prostřednictvím disinhibice motorického talamu (Sesack a Grace, 2010). Tzesílil synapsy, které s největší pravděpodobností sídlí na přímé dráze accumbens jádrových neuronů, které exprimují D1R. Zesílení synapsí neuronů s přímou cestou by mělo za následek, kdyby aktivita D1R indukovala obchodování s AMPAR obsahujícími GluA1 k synapsím v těchto neuronech po robustním uvolnění dopaminu. Výsledná potenciace by zvýšila aktivitu v inhibičních projekcích neuronů s přímou dráhou na jádra produkující bazální ganglie, čímž by se potlačila motorická talamus a podporovala aktivita motorické kůry (Gerfen a Surmeier, 2011; Kravitz a kol., 2010; Sesack a Grace, 2010). Synaptické zesílení pozorované po opakovaném požití sacharosy pravděpodobně nastane konkrétně u neuronů s přímou cestou, protože dopamin působící prostřednictvím receptoru D1 může indukovat fosforylaci GluA1 S845, což vede k obchodu s povrchem.

Řada studií zkoumala účinky opakované stimulace kokainem s následným vysazením, což je léčba, která má hluboké účinky na funkci systému odměňování a nakonec vede ke senzibilizaci na kokain, která se vyznačuje zvýšenou motorickou reakcí na kokain, touhou po drogách a relapsem. (Kalivas a kol., 1998). Opakovaná injekce IP kokainem po dobu 5 – 10 dní následovaná vysazením vedla k postupnému nárůstu povrchových receptorů AMPA obsahujících GluA14 během 2 dní. (Boudreau a kol., 2007; Kourrich a kol., 2007). Avšak v 45 dnech od stažení po 10 d samostatného podání bylo u krysích MSN pozorováno velké zvýšení indexu rektifikace (McCutcheon a kol., 2011b) což naznačuje zvýšení CPAR. Obchodování s CPAR bylo tedy pozorováno jak po požití sacharózy, v současné práci, tak po podání kokainu, i když za velmi odlišných léčebných podmínek. Vzhledem k tomu, že okamžité důsledky samopodávání nebo injekce kokainu (např. V 5 minutách po) nejsou známy, nelze kokainový účinek srovnávat přímo se současnou prací se sacharózou. Stejně tak není známo, zda CPAR přetrvávají v MSN synapsích u zvířat trénovaných na sacharózu po ukončení tréninku na sacharóze, nebo pokud taková zvířata vykazují senzibilizaci na sacharózu po dlouhém stažení.

Pochopení toho, jak odměňující podněty regulují plasticitu a chování accumbens, jsou zásadní pro řešení závislosti, hyperfágie, patologického hráčství a dalších poruch chování (Basar a kol., 2010; Berridge, 2009; Luscher a Malenka, 2011). Nadměrná spotřeba cukru přispívá k epidemii obezity (Hu a Malik, 2010), ačkoli potenciálně podobné zneužívání drog (Avena a kol., 2008), jeho mechanismus nebyl rozsáhle prozkoumán. Současná zjištění zavádějí základní prvky plastičnosti vyvolané plasticity, z níž budoucí studie mohou řešit regulaci komplexního chování, a potenciálně poskytují nové cesty, jak čelit patologiím souvisejícím s odměnami.

Poděkování

Děkujeme členům Ziff Laboratory, minulým i současným, za technickou pomoc a užitečné diskuse, včetně H. Girmy, L. Lee a Drs. B. Fernholz, B. Jordan, W. Lu, G. Rameau, S. Restituito a Y. Serulle. Tato práce byla podpořena Národním institutem pro duševní zdraví Predoctoral Fellowship F31MH76617-01 a NIH Training Grant 5T32DC000063 pro New York University Training Program in Neurosciences (DST), R01NS061920 od National Institute of Neurological Disorders and Stroke (EBZ), 1R21MH091445- 01 z Národního ústavu duševního zdraví a Úřadu pro výzkum zdraví žen, Grantový program Klarman Family Foundation ve výzkumu poruch příjmu potravy, NYU's Research Challenge Fund a P30EY13079 (CA), Grant Národního institutu pro zneužívání drog DA003956 a Cena nezávislého vyšetřovatele od NARSAD (KDC), National Institute on Deafness and other Communications Disorders grant DC009635 to RCF, and by a seed grant in the Center of Excellence on Addiction from the New York University Langone Medical Center.

Poznámky pod čarou

Konflikt zájmů: Autoři nehlásí žádné konkurenční finanční zájmy.

Reference

  1. Avena NM, Rada P, Hoebel BG. Důkaz závislosti na cukru: behaviorální a neurochemické účinky přerušovaného nadměrného příjmu cukru. Neurosci Biobehav Rev. 2008; 32: 20 – 39. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  2. Basar K, Sesia T, Groenewegen H, Steinbusch HW, Visser-Vandewalle V, Temel Y. Nucleus accumbens a impulsivita. Prog Neurobiol. 2010; 92: 533 – 557. [PubMed]
  3. Berridge KC. „Líbí se mi“ a „chci“ odměny za jídlo: mozkové substráty a role při poruchách příjmu potravy. Fyziologie a chování. 2009; 97: 537–550. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  4. Boehm J, Kang MG, Johnson RC, Esteban J, Huganir RL, Malinow R. Synaptické začlenění receptorů AMPA během LTP je řízeno fosforylačním místem PKC na GluR1. Neuron. 2006; 51: 213 – 225. [PubMed]
  5. Boudreau AC, Reimers JM, Milovanovic M, Wolf ME. Receptory AMPA na buněčném povrchu v jádru krys se během odebírání kokainu zvyšují, ale internalizují se po kokainové výzvě ve spojení se změněnou aktivací mitogenem aktivovaných proteinových kináz. J Neurosci. 2007; 27: 10621 – 10635. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  6. Brebner K, Wong TP, Liu L, Liu Y, Campsall P, Gray S, Phelps L, Phillips AG, Wang YT. Nucleus accumbens dlouhodobou depresí a projevem behaviorální senzibilizace. Věda. 2005; 310: 1340 – 1343. [PubMed]
  7. Cacciapaglia F, Saddoris MP, Wightman RM, Carelli RM. Diferenční dynamika uvolňování dopaminu v jádře accumbens jádro a skořepinu sleduje odlišné aspekty chování zaměřeného na cíl pro sacharózu. Neurofarmakologie 2012 [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  8. Calabresi P, Maj R, Pisani A, Mercuri NB, Bernardi G. Dlouhodobá synaptická deprese ve striatu: fyziologická a farmakologická charakterizace. J Neurosci. 1992; 12: 4224 – 4233. [PubMed]
  9. Carr KD, Chau LS, Cabeza de Vaca S, Gustafson K, Stouffer M, Tukey DS, Restituito S, Ziff EB. AMPA receptorová podjednotka GluR1 za stimulací dopaminového receptoru D-1 ve skořápce nucleus accumbens zprostředkuje zvýšenou hodnotu odměny za léčivo u potkanů ​​s omezenou výživou. Neurovědy. 2010; 165: 1074 – 1086. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  10. Conrad KL, Tseng KY, Uejima JL, Reimers JM, Heng LJ, Shaham Y, Marinelli M, Wolf ME. Tvorba accumbens GluR2 postrádajících AMPA receptory zprostředkuje inkubaci touhy po kokainu. Příroda. 2008; 454: 118 – 121. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  11. Den JJ, Carelli RM. Jádro accumbens a Pavlovian odměňování učení. Neuro vědec. 2007; 13: 148-159. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  12. de Araujo IE, Oliveira-Maia AJ, Sotnikova TD, Gainetdinov RR, Caron MG, Nicolelis MA, Simon SA. Odměna za jídlo při absenci signalizace chuti. Neuron. 2008; 57: 930 – 941. [PubMed]
  13. Ehlers MD, Heine M, Groc L, Lee MC, Choquet D. Difuzní zachycení receptorů GluR1 AMPA pomocí vstupu specifické synaptické aktivity. Neuron. 2007; 54: 447 – 460. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  14. Esteban JA, Shi SH, Wilson C, Nuriya M, Huganir RL, Malinow R. PKA fosforylace podjednotek AMPA receptoru řídí synaptické obchodování, které je základem plasticity. Nat Neurosci. 2003; 6: 136 – 143. [PubMed]
  15. Gerfen CR, Surmeier DJ. Modulace striatálních projekčních systémů dopaminem. Roční přehled neurověd. 2011; 34: 441 – 466. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  16. Grueter BA, Brasnjo G, Malenka RC. Postsynaptická TRPV1 spouští dlouhodobou depresi specifickou pro buněčný typ v nucleus accumbens. Přírodní neurověda. 2010; 13: 1519 – 1525. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  17. On K, Song L, Cummings LW, Goldman J, Huganir RL, Lee HK. Stabilizace Ca2 + -propustných AMPA receptorů v perisynaptických místech fosforylací GluR1-S845. Proc Natl Acad Sci USA A. 2009; 106: 20033 – 20038. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  18. Hu FB, Malik VS. Nápoje slazené cukrem a riziko obezity a cukrovky typu 2: epidemiologické důkazy. Fyziologie a chování. 2010; 100: 47–54. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  19. Isaac JT, Ashby MC, McBain CJ. Role podjednotky GluR2 ve funkci receptoru AMPA a synaptické plasticitě. Neuron. 2007; 54: 859 – 871. [PubMed]
  20. Jordan BA, Fernholz BD, Boussac M, Xu C, Grigorean G, Ziff EB, Neubert TA. Identifikace a ověření nových proteinů postsynaptické hustoty hlodavců. Mol Cell Proteomics. 2004; 3: 857 – 871. [PubMed]
  21. Kalivas PW, Pierce RC, Cornish J, Sorg BA. Role senzibilizace při touze a relapsu závislosti na kokainu. J. Pharmacol. 1998; 12: 49 – 53. [PubMed]
  22. Kitagawa M, Kusakabe Y, Miura H, Ninomiya Y, Hino A. Molekulární genetická identifikace kandidátního receptorového genu pro sladkou chuť. Biochemické a biofyzikální výzkumné komunikace. 2001; 283: 236 – 242. [PubMed]
  23. Kourrich S, Rothwell PE, Klug JR, Thomas MJ. Zkušenost s kokainem řídí obousměrnou synaptickou plasticitu v jádru accumbens. J Neurosci. 2007; 27: 7921 – 7928. [PubMed]
  24. Kravitz AV, Freeze BS, Parker PR, Kay K, Thwin MT, Deisseroth K, Kreitzer AC. Regulace parkinsonovského motorického chování optogenetickou kontrolou obvodů bazálních ganglií. Příroda. 2010; 466: 622 – 626. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  25. LaPlant Q, Vialou V, Covington HE, 3rd, Dumitriu D, Feng J, Warren BL, Maze I, Dietz DM, Watts EL, Iniguez SD, et al. Dnmt3a reguluje emoční chování a plasticitu páteře v nucleus accumbens. Nat Neurosci. 2010; 13: 1137 – 1143. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  26. Liu SJ, Zukin RS. Ca2 + -propustné receptory AMPA v synaptické plasticitě a smrti neuronů. Trendy v neurovědách. 2007; 30: 126 – 134. [PubMed]
  27. Lu W, Isozaki K, Roche KW, Nicoll RA. Synaptické cílení AMPA receptorů je regulováno místem CaMKII v první intracelulární smyčce GluA1. Proc Natl Acad Sci USA A. 2010; 107: 22266 – 22271. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  28. Lu W, Roche KW. Posttranslační regulace obchodování a funkce AMPA receptorů. Aktuální názor v neurobiologii 2011 [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  29. Luscher C, Malenka RC. Synaptická plasticita vyvolaná drogami ve závislosti: od molekulárních změn po remodelaci obvodu. Neuron. 2011; 69: 650 – 663. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  30. Začlenění Makino H, Malinow R. AMPA do synapsí během LTP: úloha laterálního pohybu a exocytózy. Neuron. 2009; 64: 381 – 390. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  31. Mameli M, Halbout B, Creton C, Engblom D, Parkitna JR, Spanagel R, Luscher C. Synaptická plasticita vyvolaná kokainem: vytrvalost VTA vyvolává adaptace v NAc. Nat Neurosci. 2009; 12: 1036 – 1041. [PubMed]
  32. Masuda K, Koizumi A, Nakajima K, Tanaka T, Abe K, Misaka T, Ishiguro M. Charakterizace způsobů vazby mezi lidským receptorem sladké chuti a nízkomolekulárními sladkými sloučeninami. PloS one. 2012; 7: e35380. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  33. Matthews K, Wilkinson LS, Robbins TW. Opakované mateřské oddělení preweanlingových potkanů ​​v dospělosti zmírňuje behaviorální reakce na primární a podmíněné pobídky. Physiol Behav. 1996; 59: 99 – 107. [PubMed]
  34. Max M, Shanker YG, Huang L, Rong M, Liu Z, Campagne F, Weinstein H, Damak S, Margolskee RF. Tas1r3, kódující nový kandidátní chuťový receptor, je alelický pro sladký lokus Sac. Přírodní genetika. 2001; 28: 58 – 63. [PubMed]
  35. McCutcheon JE, Beeler JA, Roitman MF. Sukróza-prediktivní narážky vyvolávají větší uvolňování fázového dopaminu než naráz s predikcí sacharinů. Synapse. 2012; 66: 346 – 351. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  36. McCutcheon JE, Wang X, Tseng KY, Wolf ME, Marinelli M. V synapsích nucleus accumbens jsou přítomny receptory AMPA propustné pro vápník po delším vysazení od samopodávání kokainu, ale nikoliv experimentálně podávaný kokain. Žurnál neurověd: oficiální žurnál společnosti pro neurovědu. 2011a; 31: 5737 – 5743. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  37. McCutcheon JE, Loweth JA, Ford KA, Marinelli M, Wolf ME, Tseng KY. Aktivace mGluR skupiny I zvrací kokainem indukovanou akumulaci AMPA receptorů propouštějících vápník v jádrech accumbenssynapses prostřednictvím mechanismu závislého na proteinové kináze C. J Neurosci. 2011b; 31: 14536 – 14541. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  38. Nedelescu H, Kelso CM, Lazaro-Munoz G, Purpura M, Kain CK, Ledoux JE, Aoki C. Endogenní AMPA receptory obsahující GluR1 se translokují do asymetrických synapsí v laterálním amygdale během rané fáze tvorby strachové paměti: elektronově mikroskopická imunocytochemická léčba studie. Žurnál srovnávací neurologie. 2010; 518: 4723 – 4739. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  39. Nelson G, Hoon MA, Chandrashekar J, Zhang Y, Ryba NJ, Zuker CS. Savčí receptory sladké chuti. Buňka. 2001; 106: 381 – 390. [PubMed]
  40. Oh MC, Derkach VA, Guire ES, Soderling TR. Extrasynaptický transport membrány regulovaný fosforylací serinu 1 GluR845 aktivuje receptory AMPA pro dlouhodobou potenciaci. J Biol Chem. 2006; 281: 752 – 758. [PubMed]
  41. Pascoli V, Turiault M, Luscher C. Zvrácení synaptického potenciace vyvolaného kokainem resetuje adaptivní chování vyvolané drogami. Příroda. 2012; 481: 71 – 75. [PubMed]
  42. Rostlina K, Pelkey ​​KA, Bortolotto ZA, Morita D, Terashima A, McBain CJ, Collingridge GL, Isaac JT. Přechodná inkorporace nativních GluR2 postrádajících AMPA receptory během hippocampálního dlouhodobého potenciace. Nat Neurosci. 2006; 9: 602 – 604. [PubMed]
  43. Rada P, Avena NM, Hoebel BG. Každodenní flákání cukru opakovaně uvolňuje dopamin ve skořápce accumbens. Neurovědy. 2005; 134: 737 – 744. [PubMed]
  44. Roche KW, O'Brien RJ, Mammen AL, Bernhardt J, Huganir RL. Charakterizace více fosforylačních míst na podjednotce GluR1 receptoru AMPA. Neuron. 1996; 16: 1179 – 1188. [PubMed]
  45. Rumpel S, LeDoux J, Zador A, Malinow R. Postsynaptické obchodování s receptory, které je základem formy asociativního učení. Věda. 2005; 308: 83 – 88. [PubMed]
  46. Sainz E, Korley JN, Battey JF, Sullivan SL. Identifikace nového člena rodiny domnělých receptorů T1R. Žurnál neurochemie. 2001; 77: 896 – 903. [PubMed]
  47. Serulle Y, Zhang S, Ninan I, Puzzo D, McCarthy M, Khatri L, Arancio O, Ziff EB. Interakce GluR1-cGKII reguluje obchodování s AMPA receptory. Neuron. 2007; 56: 670 – 688. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  48. Sesack SR, Grace AA. Síť odměn Cortico-Basal Ganglia: mikroobvod. Neuropsychopharmacology: oficiální publikace americké vysoké školy neuropsychopharmacology. 2010; 35: 27 – 47. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  49. Smith GP. Accumbens dopamin zprostředkuje obohacující účinek orosensorické stimulace sacharózou. Chuť. 2004; 43: 11 – 13. [PubMed]
  50. Smith WB, Starck SR, Roberts RW, Schuman EM. Dopaminergní stimulace syntézy lokálních proteinů zvyšuje povrchovou expresi GluR1 a synaptický přenos v hipokampálních neuronech. Neuron. 2005; 45: 765 – 779. [PubMed]
  51. Sun X, Milovanovic M, Zhao Y, Wolf ME. Akutní a chronická stimulace dopaminového receptoru moduluje obchodování s AMPA receptory v jádrech accumbens neurony, které jsou kultivovány s prefrontálními kortikálními neurony. Žurnál neurověd: oficiální žurnál společnosti pro neurovědu. 2008; 28: 4216 – 4230. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  52. Sun X, Zhao Y, Wolf ME. Stimulace dopaminového receptoru moduluje synaptickou inzerci AMPA receptoru v prefrontálních koronových neuronech. J Neurosci. 2005; 25: 7342 – 7351. [PubMed]
  53. Thomas MJ, Beurrier C, Bonci A, Malenka RC. Dlouhodobá deprese v nucleus accumbens: neurální korelace behaviorální senzitizace kokainu. Nat Neurosci. 2001; 4: 1217-1223. [PubMed]
  54. Ungless MA, Whistler JL, Malenka RC, Bonci A. Jednorázová expozice kokainu in vivo indukuje dlouhodobou potenciaci v dopaminových neuronech. Příroda. 2001; 411: 583 – 587. [PubMed]
  55. Whitlock JR, Heynen AJ, Shuler MG, Bear MF. Učení indukuje dlouhodobé potenciace v hippocampu. Věda. 2006; 313: 1093 – 1097. [PubMed]