Trendy Neurosci. Autorský rukopis; dostupné v PMC 2011 June 1.Published ve finálním upraveném tvaru jako:
Trendy Neurosci. 2010 červen; 33(6): 267-276.
Publikováno online 2010 březen 5. dva: 10.1016 / j.tins.2010.02.002
Scott J. Russo,1,* David M. Dietz,1 Dani Dumitriu,1 Robert C. Malenka,2 a Eric J. Nestler1
Abstraktní
Návykové léky způsobují přetrvávající restrukturalizaci několika typů neuronálních buněk v limbických oblastech mozku, o nichž se předpokládá, že jsou odpovědné za dlouhodobou závislost na chování při chování. Ačkoliv tyto strukturální změny jsou dobře dokumentovány v nucleus accumbens středně ostré neurony, málo je známo, pokud jde o základní molekulární mechanismy. Kromě toho zůstává nejasné, zda strukturální plasticita a její synaptické konkomitanty řídí návykové chování, nebo zda odrážejí homeostatické kompenzace léku, který není závislý na závislosti. Zde diskutujeme o nedávných paradoxních datech, které buď podporují nebo odporují hypotéze, že změny vyvolané drogami v dendritických páteřích řídí návykové chování. Definujeme oblasti, ve kterých může budoucí vyšetřování poskytnout podrobnější obraz o synaptické reorganizaci vyvolané drogami, včetně ultrastrukturálních, elektrofyziologických a behaviorálních studií.
Úvod
Drogová závislost je poznamenána dlouhodobými změnami v chování, jako je touha a recidiva. S těmito stabilními behaviorálními abnormalitami souvisí přetrvávající restrukturalizace mnoha typů neuronálních buněk v limbických oblastech mozku. Byly pozorovány dva obecné typy strukturní plasticity: změny velikosti buněčných těl [1] a změny v dendritických arborizacích nebo morfologii páteře [2]. Co se týče druhé, v závislosti na třídě návykových látek, povaze paradigmatu podávání léčiv (např. Experimentátor versus samo-podaný) a typu neuronálních buněk, zneužívané léky mohou změnit složitost dendritického větvení, stejně jako počet a velikost dendritických spinů na neuronech v několika oblastech mozku (Tabulka 1). Korelativní důkazy naznačují, že určité morfologické změny jsou důležitými zprostředkovateli návykového chování. Například morfin a kokain mění hustotu dendritických páteří na středních ostnatých neuronech (MSNs) v nucleus accumbens (NAc), což je klíčová oblast odměňování mozku, ve větší míře u zvířat, která si drogu samy podávají, ve srovnání se zvířaty, jimž bylo podáváno léčivo. výzkumného pracovníka, což naznačuje, že vůle může být důležitá pro klíčové aspekty plasticity (\ t3]). Kromě toho jsou změny v NAc dendritické struktuře vyvolané kokainem úzce korelovány s indukcí behaviorální senzibilizace [4]: dávky a paradigmata podávání léků, které indukují senzibilizaci, spolehlivě zvyšují dendritické páteře a větvení. Navzdory těmto důkazům je však behaviorální význam strukturální plasticity stále nejistý. Několik nedávných studií používajících genový přenos zprostředkovaný viry a další metody pro lepší pochopení behaviorálního významu a molekulárního základu změn v dendritické struktuře MSN vyvolaných kokainem vedly ke konfliktním výsledkům, se dvěma rukopisy podporujícími hypotézu, že zvýšení dendritické páteře vyvolané kokainem hustota zprostředkovává behaviorální senzibilizaci a další dva diametrálně proti ní [5-8]. V tomto přehledu diskutujeme současná paradoxní experimentální data a formulujeme oblasti pro budoucí šetření. Uvádíme klíčová témata, počínaje typy synaptické plasticity vyvolanou drogami zneužívání a signálními cestami, které zprostředkovávají strukturní plasticitu vyvolanou léky, a postupují k podrobnějším diskusím o morfometrii páteře a funkční úloze reorganizace aktinů v závislosti.
Strukturální plasticita vyvolaná zneužíváním opiátů a stimulačních drog
Léková indukovaná strukturní plasticita dendritů byla poprvé popsána v 1997 (přehled v [3, 9, 10]). Od té doby mnohé laboratoře ukázaly, že chronické podávání téměř každého léku zneužívání vyvolává strukturální plasticitu v obvodech odměňování mozku. Tyto studie také korelovaly strukturální změny ve specifických oblastech mozku s fenotypy chování spojenými se závislostí. Vzhledem k tomu, že původní zprávy Robinsona a kolegů3]), mnoho výzkumníků přidalo k této rostoucí literatuře a odkryli více subtilní a lékové třídy specifické účinky na neuronální morfologii. Například opiáty a stimulanty regulují strukturní plasticitu v opačném směru. Opiáty snižují počet a složitost dendritických spinů na NAc MSN, mediálních prefrontálních kortexech (mPFC) a pyramidových neuronech hippocampu a také snižují velikost somálů dopaminergních neuronů ventrální tegmentální oblasti (VTA) [VTA].1, 3, 11, 12]. Doposud existuje jediná výjimka z těchto nálezů: chronický morfin zvyšuje číslo páteře na pyramidových neuronech orbitofrontálního kortexu (oPFC).13]. Na rozdíl od opiátů zvyšují stimulanty, jako je kokain, amfetamin a methylfenidát, dendritickou složitost a hustotu páteře NAc MSN, VTA dopaminergních neuronů a pyramidových neuronů mPFC [2, 8, 14-17]. Z hlediska chování snižuje morfin hustotu páteře a dendritickou složitost bez ohledu na to, zda je podáván kontinuálně, aby produkoval toleranci a závislost, nebo přerušovaně maximalizoval senzibilizaci, zatímco paradigma stimulantů, která zvyšují hustotu a složitost páteře, používají jednou až několikrát denně přerušované injekce. lék vyvolat senzibilizaci na léky [3, 9].
Opačné morfologické změny vyvolané v oblastech odměňování mozku opiáty versus stimulanty jsou paradoxní, protože tyto dva léky způsobují velmi podobné behaviorální fenotypy. Opiáty a stimulanty vyvolávají akutní a lokomotorickou aktivaci lokomotoriky a chronicky odměňují senzibilizaci [9]. Rovněž vyvolávají podobné vzorce eskalace užívání léků a negativní emocionální stav (dysforie) během vysazování [18]. Pokud jsou tedy opačné morfologické změny vyvolané opiáty a stimulanty důležitými mediátory závislosti, musí mít buď obousměrné vlastnosti, přičemž změna od základní linie v obou směrech produkuje stejný behaviorální fenotyp, nebo existují klíčové informace týkající se synaptické funkce, které nejsou zachyceny měřením hrubých změn dendritické hustoty páteře, protože to může být kompenzováno změnou synaptické síly udržující celkový synaptický vstup na neuronovou konstantu [19]. Například alkohol snižuje neuronovou složitost a hustotu při konsolidaci již existujících synapsí [20], a to může být, že opiáty a stimulanty mají podobné účinky na velikost postsynaptické hustoty (PSD), což vede ke stejné čisté změně synaptické účinnosti. Je také nejasné, zda chronické vystavení opiátům nebo stimulantům vede k podobným elektrofyziologickým změnám na synapsech NAc, jak lze očekávat vzhledem ke sdíleným rysům závislého fenotypu. Nakonec bychom měli uvážit, že změna synaptického počtu a účinnosti vyvolaná léky v jedné oblasti mozku může vést k posílení nebo oslabení spojení s jinými oblastmi mozku a může vést k odlišným aspektům návykových návyků [21-23].
Neurofyziologický význam strukturně plastické plasticity vyvolané léčivem
Základní výzkum relevance dendritických změn páteře v hipokampu a mozkové kůře ukazuje, že velikost a tvar jednotlivých páteří koreluje s formami synaptické plasticity, jako je dlouhodobá potenciace (LTP) a dlouhodobá deprese (LTD).24, 25]. Předpokládá se, že stabilizace přechodného, nezralého páteře do trvalejšího funkčního páteře probíhá prostřednictvím mechanismu závislého na aktivitě (viz [1]).26]). Stimulační protokoly, které indukují LTD, jsou spojeny se smrštěním nebo zatažením páteře [27-29], vzhledem k tomu, že indukce LTP je spojena s tvorbou nových páteří a rozšiřováním stávajících páteří [27, 28, 30]. Na molekulární úrovni se předpokládá, že LTP a LTD iniciují změny v signálních drahách a v syntéze a lokalizaci cytoskeletálních proteinů, které mění polymeraci aktinu, aby ovlivnily zrání a stabilitu páteře a které buď zakotvují nebo internalizují a-amino-3 -hydroxyl-5-methyl-4-isoxazol-propionát (AMPA) glutamátové receptory za účelem vytvoření funkčnější páteře (LTP) nebo retrakce existující páteře (LTD) [24, 26]. Po stabilizaci, páteře stanou se houbovité, mít větší postsynaptic hustoty [1].31], vykazují zvýšenou povrchovou expresi AMPA receptorů a přetrvávají měsíce [29, 32]. Tyto změny odrážejí vysoce stabilní buněčnou událost, která může být přijatelným vysvětlením určitých dlouhodobých změn chování spojených se závislostí.
Nedávná práce v modelech závislostí skutečně ukázala funkční změny v NAc MSN, které jsou vysoce závislé na čase a tekutině během procesu závislosti (Obrázek 1). V časných časových bodech po poslední expozici kokainu dochází k nárůstu tenkých (více plastických) páteří a synaptické deprese [33, 34], který může představovat zvýšený fond tichých synapsí [35, 36]. Tiché synapsy obsahují N-methyl-D-aspartátové (NMDA) glutamátové receptory, ale málo nebo žádné AMPA receptory, exprimují relativně stabilní excitační postsynaptické proudy zprostředkované NMDA receptory a jsou ideálním substrátem pro LTP [36, 37]. Krátce po léčbě kokainem se zdá, že tyto tiché synapsy v NAc exprimují zvýšený podíl NMDA receptorů obsahujících NR2B [35], zjištění, které je v souladu s těmito synapsy, je poměrně nové a nezralé [38, 39]. V průběhu vysazování kokainu se tyto nedávno vytvořené páteře zdají být velmi přechodné a mohou se stahovat nebo konsolidovat do houbovitě tvarovaných hřbetů.33], což je událost, která je doprovázena zvýšením povrchové exprese receptorů AMPA postrádajících GluR2 a potenciací těchto glutamátergických synapsí [40-42]. (GluR2-chybí AMPA receptory vykazují větší Ca2+ a celková vodivost ve srovnání s receptory AMPA obsahujícími GluR2.) Behaviorálně je pozorována inkubace touhy po kokainu během vysazování z kokainu; toto je charakterizováno postupným a progresivním zvyšováním vyhledávání kokainu a náchylností k relapsu, což může vyžadovat tyto změny ve stechiometrii synaptických AMPA receptorů [42, 43]. Studie chování s použitím přenosu viru zprostředkovaného viry však ukazují, že nadměrná exprese podjednotky AMPA GluR1 paradoxně snižuje senzibilizaci chování na kokain, což zdůrazňuje potřebu dalšího výzkumu v této oblasti.44]. Další důkazy ukazují, že opakovaná expozice kokainu po 14 nebo 30 dnech odběru vede ke snížení průměru hlavy páteře [33], snížená povrchová exprese receptorů AMPA [40] a deprese síly u těchto synapsí [45]. Během těchto přechodných změn ve struktuře a složení synapsy jsou také významné změny v aktivitě signálních proteinů RhoGTPázy potřebné pro polymeraci aktinu, což může být zodpovědný za restrukturalizaci páteře [.46]. Tyto údaje poukazují na komplexní interakci mezi strukturou hlavy páteře, elektrofyziologickými vlastnostmi NAc MSN a chování závislým na závislosti. Vzhledem k tomu, že mnoho synaptických proteinů může tyto události regulovat, bude důležité identifikovat přesné molekulární sítě, které jsou součástí jejich regulace.
Mechanismy strukturní plasticity vyvolané opiáty a stimulanty
Funkční význam strukturní plasticity v modelech závislosti je komplikovaný, jak bylo uvedeno dříve, skutečností, že morfin a kokain mají opačné účinky na hustotu páteře MSN. Navíc existuje jen málo přímého zkoumání následných lékových akcí, které by vysvětlovaly tuto dichotomii ve strukturní plasticitě. I když existuje několik rozsáhlých studií mikročipů, které zkoumají změny genové exprese po podání psychostimulantů, existuje relativní nedostatek těchto informací dostupných pro opiáty. Studie změn genové exprese v odezvě na morfin nebo kokain navíc používaly velmi rozdílné časové body, režimy a dávky, což znemožnilo přímé srovnání. Navzdory těmto výhradám je jasné, že opiáty a stimulační léky zneužívají regulaci řady genů, které kódují regulační proteiny cytoskeletu. Například v NAc, morfin snižuje Homer 1 a PSD95 [47], lešení proteinů spojených s postsynaptickým cytoskeletem. Je zajímavé, že kokain podobně redukuje tyto proteiny v NAc [48-51]. Navíc morfin snižuje RhoA, Rac1 a Cdc42, malé GTPázy, které regulují aktinový cytoskeleton (viz níže) [47]. Aktivita těchto GTPáz a jejich downstream cílů je také snížena kokainem [.52]. Tyto studie nebyly navrženy tak, aby přímo porovnávaly morfinu a kokainovou regulaci genů souvisejících se strukturou, nicméně bylo zjištěno, že oba léky vyvolávají mnoho podobných změn navzdory jejich opačné regulaci dendritických spinů NAc MSN. To naznačuje, že regulace této cesty může sloužit jako iniciátor plasticity; nevysvětluje však dichotomii mezi strukturní plasticitou vyvolanou opiáty a stimulanty.
Skutečnost, že opiáty a stimulanty podobně indukují mnoho regulačních genů cytoskeletu, lze přičítat jejich aktivaci podobných regulátorů transkripce, včetně transkripčních faktorů, AFosB a vazebného proteinu cyklického AMP responzivního elementu (CREB), v NAc [53-56] (Obrázek 2). AFosB je indukován v NAc prakticky všemi druhy zneužívaných drog [57] a zvyšuje odměňující účinky morfinu a kokainu [58, 59]. Zdá se, že AFosB představuje zhruba 25% všech genů regulovaných v NAc chronickým kokainem, včetně několika genů spojených se synaptickou plasticitou, jako je cofilin, protein související s aktinem-4 (ARP4) a cytoskeletální protein regulovaný aktivitou (Arc) [58, 60]. Kromě toho je AFosB nezbytný a dostatečný pro změny vyvolané kokainem v dendritické hustotě páteře [7]. Pokud však morfin i kokain indukují AFosB a AFosB je klíčovým mediátorem zvýšené spinogeneze, proč chronický morfin snižuje NAc MSN hustotu páteře? Jednou možností je, že AFosB reguluje částečně odlišné podskupiny genů v souvislosti s podáváním morfinu proti kokainu, v závislosti na jiných transkripčních změnách, nebo že morfin indukuje další adaptace v NAc neuronech, které potlačují signál AFosB, který sám stimuluje spinogenezi. K řešení těchto a alternativních vysvětlení jsou zapotřebí další studie.
Na rozdíl od AFosB je role CREB v plastické plasticitě vyvolané léky mnohem hypotetičtější. Navzdory důkazům, že indukce CREB v NAc zprostředkovává toleranci a závislost na odměně morfinu a kokainu (přehled [61]), existuje jen málo údajů zkoumajících, zda CREB zprostředkovává strukturální změny po expozici drogám zneužívání. V několika dalších oblastech mozku indukuje CREB spinogenezi [37, 62, 63], účinky pravděpodobně zprostředkované transkripčními cíli, jako je faktor zvyšující myocyt, 2C (MEF2C) a neurotrofní faktor odvozený od mozku (BDNF), které se také účastní plasticity závislé na závislosti [5, 64, 65]. CREB může také zprostředkovat plasticitu prostřednictvím indukce mikroRNA, mir132, která byla nedávno prokázána, že indukuje růst neuritů hippokampálních neuronů v kultuře, částečně snížením hladin GTPázy p250GAP [.66]. Vzhledem k velkému množství důkazů, které implikují úlohu CREB ve strukturní plasticitě v jiných neurálních obvodech, je přímým šetřením role CREB při zprostředkování strukturně plastické plasticity vyvolané léky v NAc nejvyšší prioritou pro budoucí zkoumání. I zde však existuje paradox, že opiáty a stimulanty indukují aktivitu CREB v NAc, zatímco vyvolávají opačné účinky na dendritickou strukturu.
Molekulární mechanismy zprostředkovávající strukturní plasticitu vyvolanou kokainem
1. Signální dráhy RhoGTPázy regulují strukturní plasticitu
Strukturální změny v cytoskeletu aktinu jsou z velké části řízeny rodinou malých GTPáz, jmenovitě Rho, cyklus dělení buněk 42 (Cdc42), Ras a Rac (viz Obrázek 2). Tyto malé GTPázy jsou aktivovány faktory výměny guaninových nukleotidů (GEF), jako je faktor uvolňující Ras-guanin nukleotid (RasGRF1 / 2), VAV, Kalirin 7 a Tiam1, z nichž všechny katalyzují výměnu GDP za GTP [67-71]. GEFs jsou samy aktivovány četnými extracelulárními signály, včetně neurotrofního faktoru odvozeného od mozku (BDNF) prostřednictvím mechanismu tyrosin receptor kinázy (TRKB), nádorového růstového faktoru-B (TGF-B), buněčných adhezivních proteinů (integrinů) a NMDA glutamátových receptorů prostřednictvím zvýšení Ca2+ a aktivaci Ca2+/ proteinová kináza závislá na kalmodulinu-II (CAMKII) [71-74]. Vazba GTP aktivuje tyto GTPázy, což pak vede k aktivaci downstream regulátorů aktinového cytoskeletu, včetně lim domény kinázy (LIMK), proteinů Wiskott-Aldrichova syndromu (WASP), ARP a homologů verprolinů rodiny WASP (WAVE) [75-77]. Nicméně podrobné molekulární kroky, kterými jsou tyto různé proteiny regulovány extracelulárními signály, a následně mechanismy, kterými regulují tvorbu, retrakci nebo přetvoření jednotlivých dendritických páteří, jsou stále nedostatečně pochopeny.
V poslední době byly tyto malé GTPázy a jejich aktivátory GEF zkoumány z hlediska jejich role při strukturní plasticitě vyvolané léčivem. Myši, kterým chybí GEF Ras-GRF1, vykazují sníženou citlivost na kokain, zatímco konstitutivní nadměrná exprese v mozku zvyšuje senzibilizaci a odměnu léků [78]. Dále se zdá, že Ras-GRF1 zprostředkovává expresi AFosB [78], který, jak bylo uvedeno výše, podporuje spinogenezi na NAc MSNs [6, 7Je zajímavé, že u chronického kokainu bylo nedávno prokázáno, že snižuje hladiny RhoA vázaného na GTP, což pravděpodobně vede ke snížení molekul, které snižují počet aktinů, jako je LIMK a cofilin [downstream].52].
Aktivní forma malých GTPáz je zakončena proteiny aktivujícími GTPázu (GAP), které zvyšují hydrolýzu GTP a působí tak jako negativní regulátory RhoGTPáz. I když je známo mnohem méně, co se týče úlohy GAP v závislosti, jedna studie prokázala, že mutace v RhoGAP18B zprostředkovávají změnu citlivosti na ethanol, nikotin a kokain ve Drosophila [79]. Tyto výsledky zdůrazňují potřebu mnohem budoucího výzkumu definovat regulaci RhoGTPáz a jejich regulačních proteinů při expozici kokainu nebo jiným návykovým látkám.
2. Transkripční regulátory strukturní plasticity
Přestože přesné molekulární kroky, kterými AFF zprostředkovává změny hustoty páteře indukované kokainem na NAc MSN, zůstávají neznámé, několik nedávných studií charakterizovalo kandidátní geny downstream od AFosB, které budou pravděpodobně zapojeny do synaptické remodelace (viz Obrázek 2). Pomocí analýz genomu bylo prokázáno, že AFosB reguluje několik genů, o nichž je známo, že zprostředkovávají spinogenezi [58]. Jedním z těchto cílů je cyklin dependentní kináza 5 (Cdk5), která je indukována kokainem v NAc prostřednictvím AFosB [80] a známé v jiných systémech pro regulaci RhoGTPáz. Lokální inhibice Cdk5 zabraňuje proliferaci páteře vyvolané kokainem v NAc [8]. Jeden cíl pro Cdk5 je MEF2: indukce Cdk5 fosforyluje a inhibuje MEF2, což zase zvyšuje dendritické spiny na NAc MSNs [5]. Represe aktivity MEF2 v odezvě na kokain může umožnit transkripci genů spojených s cytoskeletonem, N-WASP a WAVE, které mají domnělá vazebná místa MEF v jejich proximálních promotorových oblastech. Existují také důkazy o tom, že jeden konkrétní protein WAVE, WAVE1, reguluje morfogenezi páteře způsobem závislým na Cdk5 [81, 82]. Indukce Cdk5 chronickým kokainem prostřednictvím AFosB by tedy mohla vést k regulaci aktivity WAVE, zatímco MEF2 může regulovat svou úroveň exprese, aby zprostředkovával dlouhodobější změny spojené se závislostí. Z funkčního hlediska, inhibice Cdk5, nebo aktivace MEF2, které by byly proti účinkům kokainu na NAc dendritické spiny, paradoxně zvyšuje behaviorální reakce na kokain [5, 83, 84]. Tyto neočekávané nálezy naznačují, že hrubé změny v celkové hustotě páteře nemusí nutně vést k senzibilizovaným reakcím na léky per se, ale mohou být výsledkem „homeostatických adaptací“ k vyrovnání jiných změn způsobených chronickou expozicí kokainu, jako je snížení glutamátergní stimulace. MSNs pomocí prefrontálních kortikálních afferentů [34, 85].
V následné studii jsme zkoumali další transkripční faktor, jaderný faktor κB (NFκB). Zjistili jsme, že kokain indukuje aktivitu NFκB v NAc a že výsledná aktivace NFκB je nezbytná pro tvorbu dendritické páteře vyvolané kokainem na MSN.6]. Stejně jako u Cdk5-MEF2 dráhy, AFosB je vyžadován pro indukci kokainu NFkB podjednotek, což naznačuje, že AFosB reguluje větší program změněné genové exprese, který nakonec vede k spinogenezi NAc MSN. Zajímavé je, že jsme také zjistili, že inhibice NFkB dráhy inhibovala behaviorální reakce na kokain, v souladu s převažující hypotézou v oblasti, že zvýšení hustoty páteře vyvolané kokainem zprostředkovává behaviorální senzibilizaci [6].
Paradoxní rozdíly mezi behaviorálními účinky Cdk5-MEF2 vs účinky NFKB, navzdory skutečnosti, že indukce obou cest je zprostředkována prostřednictvím AFosB a zvyšuje dendritickou hustotu páteře, zdůrazňují složitost těchto intracelulárních cest a význam budoucího výzkumu. Naše hypotéza spočívá v tom, že čistý účinek kokainu vyvolává prostřednictvím AFosB hustotu páteře NAc prostřednictvím více downstream cílů (např. NFKB, Cdk5-MEF2, mnoho dalších) a čistým důsledkem je senzitivní behaviorální reakce na kokain. Současně však může jednotlivá cílová cesta, jako je Cdk5-MEF2, izolovat vyvolávat odlišné účinky na chování prostřednictvím svých vlastních různých následných molekulárních důsledků. Je tedy klíčové, aby budoucí studie profilovaly molekulární cesty pro mnoho cílů kokainu a AFosB za účelem získání přehledu o konkrétních příspěvcích každé dráhy k spinogenezi vyvolané kokainem a změněných reakcích chování na kokain. Tyto diskrétní výsledky mohou být také vysvětleny zmatkami spojenými s transgenními a knockoutovanými myšmi nebo systémy virové nadměrné exprese. Tyto modely, které jsou kritické pro studium molekulárních cest účastnících se strukturní plasticity, mohou produkovat mimo-cílové genové účinky a indukovat genové produkty na úrovních, které jsou daleko nad hladinami pozorovanými po expozici léku. Konečně, musíme si uvědomit, že měřením celkového počtu dendritických páteřních čísel ztrácíme důležité informace o tom, zda tyto páteře tvoří aktivní synapsy, a tím mění tok informací obvodem. S ohledem na tyto výhrady jsou nutné budoucí studie, které by prozkoumaly podrobnější změny struktury a složení páteře a jejich presynaptických vstupů (Box 1), jakož i elektrofyziologické důsledky těchto molekulárních manipulací v souvislosti s lékem vyvolanou páteří a synaptickou plasticitou (Box 2).
3. Buněčná specifičnost strukturní plasticity
NAc MSN existují ve dvou hlavních subtypech, převážně obsahujících buď Drd1 nebo Drd2 dopaminové receptory. Intracelulární dráhy po směru od receptorů se značně liší, a proto se mohou molekulární dráhy, které řídí neuronální strukturu, lišit. Ačkoliv se indukce dendritických páteří po opakované léčbě psychostimulanty vyskytuje v obou MSN, exprimujících Drd1 a Drd2, zdá se, že dlouhodobá stabilita nových spinů je větší u neuronů Drd1. Tato pozorování podporují myšlenku, že intracelulární signální dráhy downstream od Drd1 mohou zprostředkovat dlouhodobější stabilizaci spin než neurony Drd2 [17, 86]. Trvání zvýšené dendritické páteře v MSN obsahujících Drd1 skutečně koreluje s perzistentní indukcí AFosB v MSNs Drd1 a senzibilizované behaviorální odpovědi na chronickou expozici léku [87, 88]. Je tedy možné, že morfin a kokain regulují odlišné intracelulární kaskády v Drd1 a Drd2 MSN. Klíčovou otázkou proto je, zda různé léky zneužívání odlišně regulují neuronální strukturu prostřednictvím selektivní regulace genové exprese v těchto odlišných NAc MSN. Toto je klíčové hledisko, protože tyto dvě populace se podílejí na odlišných aspektech funkce NAc, dosud nedokonale definovaných, včetně různých příspěvků k účinkům chování na kokain. Například selektivní knockout dopaminu a cAMP-regulovaného fosfoproteinu 32 kDa (DARPP-32) z Drd1 versus Drd2 buněk vykazuje opačné účinky na lokomoce indukovanou kokainem [89]. Navíc selektivní knockout glukokortikoidního receptoru z neuronů Drd1 snížil motivaci pro kokain a potlačil příjem v širokém rozsahu dávek [90]. Schopnost nyní používat citlivější metodiky pro testování molekulárních změn v MSNs Drd1 a Drd2 (Box 1) nám pomůže pochopit, jak molekulární změny, které se vyskytují v těchto typech neuronálních buněk, mohou vést k výrazným změnám v neuronální struktuře v reakci na různé skupiny zneužívaných drog a jak tyto změny ovlivňují návykové chování.
Závěry
Strukturální plasticita vyvolaná léky je jednou z více replikovatelných a trvalých změn spojených s modely závislosti. Četné korelační studie a několik funkčních studií poskytují přesvědčivý důkaz, že tyto neuroadaptace jsou kritické pro zprostředkování behaviorální senzibilizace na kokain. Existuje však také několik funkčních zpráv, které tvrdí, že plasticita páteře vyvolaná léky je epi-jev, který nesouvisí se senzibilizací. Je zřejmé, že je třeba více práce, aby bylo možné plně pochopit zapojení synaptické a strukturální plasticity do návykového chování. V této fázi je předčasné rozhodovat s konečnou platností pro obě strany, protože většina publikovaných studií se spoléhá na měření celkové dendritické hustoty páteře, přičemž ignoruje četné rysy plasticity páteře (viz Box 1). Během tohoto přezkumu jsme načrtli klíčové oblasti pro budoucí šetření, shrnuté v Tabulka 2, které jsou potřebné k objasnění paradoxních experimentálních dat a pomoci vysvětlit úlohu dendritické plasticity páteře v závislosti. Budoucí studie využívající multi-fotonovou a elektronovou mikroskopii budou zapotřebí k porovnání účinků opiátů a stimulačních léků zneužívajících na detailní strukturní vlastnosti excitačních synapsí, jako je počet presynaptických vezikul v závislosti na rezervovaných a rezervních rezervách, PSD a délka aktivní zóny a páteře. hustota a objem hlavy. To pomůže odpovědět na otázku, zda paradoxní rozdíly pozorované v celkové dendritické hustotě páteře po morfinu a kokainu skutečně odrážejí rozdíly v počtu synapse a síle. Navíc vzhledem k přechodné povaze mnoha elektrofyziologických změn potřebujeme mnohem podrobnější informace o časovém průběhu dendritické plasticity, LTD / LTP a inzerci nebo internalizaci glutamátových receptorů indukovaných opiáty a stimulanty, které by mohly odrážet určité behaviorální rysy závislost. Pro stanovení kauzality pak budeme muset určit, jak každá z těchto funkčních a strukturálních změn ovlivňuje návykové chování. Tento poslední bod je obzvláště důležitý a bude vyžadovat integraci několika technik. Za prvé, molekulární cesta je identifikována jako regulovaná léky zneužívání a cílovými geny po proudu, které jsou profilovány pro všechny relevantní geny související se strukturální plasticitou. Poté, za použití virově zprostředkovaného přenosu genů, exprese shRNA nebo indukovatelných geneticky mutantních myší za účelem manipulace s těmito molekulárními cestami, bude možné určit jejich specifické role v elektrofyziologických, strukturálních a behaviorálních změnách po chronickém podávání léčiva. Konečně, všechny tyto studie musí být zváženy na základě buněčného typu a mozkové oblasti pro smysluplné pochopení přesných mechanismů mozkové patologie v závislosti.
Poděkování
Příprava tohoto přezkumu byla podpořena granty z Národního ústavu pro zneužívání drog
Slovník pojmů
- Chování závislé na závislosti
- To je nejčastěji studováno pomocí paradigmat samoobsluhy drog, včetně získávání a udržování samopodání, vysazení a zániku, stejně jako opětovného zahájení léčby (relapsu).
- Stimulační režimy léčby
- To zahrnuje experimentálně podávaný kokain amfetamin nebo nikotin při dané dávce a frekvenci po určitou dobu. Zvířata se potom analyzují v různých časech po poslední dávce léčiva
- Paradigmata léčby opiátů
- Toto zahrnuje experimentátor nebo self-podal morfium, heroin, nebo jiné opiáty drogy zneužívání u dané dávky a frekvence pro danou dobu času. Zvířata se potom analyzují v různých časech po poslední dávce léčiva
- Oblasti odměňování mozku
- Mezi ně patří dopaminergní neurony středního mozku ve ventrální tegmentální oblasti a limbické oblasti, do kterých tyto neurony projektují, včetně nukleus accumbens (ventrální striatum) amygdala, hipokampu a několika oblastí prefrontálního kortexu (např. Mediální, orbitofrontální atd.).
- Glutamátové receptory
- Hlavní ionotropní glutamátové receptory v mozku jsou pojmenovány pro specifické agonisty, a-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazol-propionát (AMPA) a N-methyl-D-aspartát (NMDA)
- Dopaminový receptor
- Dva hlavní typy dopaminových receptorů jsou exprimovány v nucleus accumbens, obsahující buď Drd1 nebo Drd2 receptory, které se liší v post-receptorových signálních mechanismech. Receptory Drd1 jsou Gs-vázané a stimulují adenylylcyklázu, zatímco Drd2 receptory jsou Gi / o-spojené a inhibují adenylylcyklázu, aktivují vnitřně rektifikující K+ kanály a inhibují napěťově řízené Ca2+ kanálů. Oba receptory mohou také regulovat kaskády extracelulární signálně regulované kinázy (ERK)
- RhoGTPázy
- Tyto malé G proteiny hrají ústřední roli v regulaci cytoskeleltonu aktinu, který je považován za integrál v růstu a retrakci dendritických spinů. Jsou aktivovány faktory výměny guaninových nukleotidů (GEF) a inhibovány proteiny aktivujícími GTPázu (GAP).
- Faktory transkripce
- Jedná se o proteiny, které se váží na specifické sekvence DNA (nazývané elementy odpovědí) v responzivních genech a tím zvyšují nebo snižují rychlost, jakou jsou tyto geny transkribovány. Příklady transkripčních faktorů, které regulují dendritické páteře, jsou: AFosB (protein rodiny Fos), vazebný protein cyklického AMP responzivního elementu (CREB), nukleární faktor κB (NFκB) a faktor zvyšující myocyty-2 (MEF2)
- Proteinové kinázy
- Několik protein kináz, enzymů, které fosforylují jiné proteiny pro regulaci své funkce, se účastní řízení tvorby dendritické páteře, včetně Ca2+/ kalmodulin-dependentní protein kináza-II (CaMKII), cyklin-dependentní kináza-5 (Cdk5), p21-aktivovaná kináza (PAK1) a lim domain kináza (LIMK), mezi mnoha dalšími
- Proteiny související s aktinem
- Aktin cytoskeleton je regulován velkým množstvím proteinů, avšak podrobná role každého z nich v konečném důsledku roste nebo zatahuje páteř, nebo mění velikost a tvar páteře, zůstává nepochopena. Příklady zahrnují proteiny související s aktinem (ARP), proteiny Wiskott-Aldrichova syndromu (WASPs), homology rodiny WPRP-verprolin (WAVE) a kofilin, mezi mnoha dalšími
Poznámky pod čarou
Zřeknutí se odpovědnosti vydavatele: Jedná se o soubor PDF s neupraveným rukopisem, který byl přijat k publikaci. Jako službu pro naše zákazníky poskytujeme tuto ranní verzi rukopisu. Rukopis podstoupí kopírování, sázení a přezkoumání výsledného důkazu před jeho zveřejněním ve své konečné podobě. Vezměte prosím na vědomí, že během výrobního procesu mohou být objeveny chyby, které by mohly ovlivnit obsah, a veškeré právní odmítnutí týkající se časopisu.
;
