Molekulární a buněčná plasticita indukovaná opiáty ventrální tegmentální oblasti a lokusu Coeruleus katecholaminových neuronů (2012)

Další část

Pozadí

VTA byla široce studována v oblasti zneužívání drog vzhledem k její základní roli v odměně. Dopaminové (DA) neurony v projektu VTA se promítají do mnoha oblastí mozku včetně nucleus accumbens (NAc), kde bylo zaznamenáno zvýšené uvolňování DA v reakci na každou třídu zneužívaného léčiva (Di Chiara a Imperato 1988). Avšak zatímco DA neurony jsou významnou částí (∼60% –65%) tohoto jádra midbrain, existuje značná buněčná rozmanitost, s významnou částí neuronů GABA (30% –35%) a popisy glutamatergických neuronů ( 2% –3%) (Swanson 1982; Nair-Roberts a kol. 2008; Sesack a Grace 2010). Neurony DA a GABA uvnitř ventrálního midbrainu se obecně promítají topograficky (střední až laterální) s hlavními výstupními strukturami sestávajícími z NAc, prefrontální kůry (PFC) a amygdaly (AMY) (rozsáhle přezkoumáno v Sesack a Grace 2010) (Obr. 1). Primární aferenty k VTA zahrnují excitační vstupy z PFC, pedunculopontine a laterodorsal tegmentum (PPTg a LDT), stejně jako mnoho dalších nedávno definovaných struktur (Geisler a kol. 2007). Inhibiční vstup do VTA je méně dobře definován, ale byly hlášeny vstupy z NAc, ventrálního pallidum a mesopontinového rostromediálního tegmentálního jádra (RMTg) (Sesack a Grace 2010). Výzkum se dosud neúměrně zaměřil na DA neurony ve VTA a konkrétně na ty, které se promítají do NAc, kvůli kritické roli této projekce za odměnu (Nestler 2004).

  

Zobrazit větší verzi:  

• Na této stránce
• V novém okně
• Stáhnout jako prezentaci aplikace PowerPoint

Obrázek 1.  

Kreslený sagitální část mozku hlodavců ilustrující VTA a LC a jejich hlavní aferentní a efferentní projekce. DAergické (červené) a GABAergické (modré) neurony ve VTA projektují limbické a kortikální struktury a přijímají glutamatergické (black-dash, PFC) a GABAergic vstup (blue-dash, NAc, VP). Noradrenergní neurony (zelené) v LC inervují mnoho oblastí včetně HIPP a PFC a přijímají glutamatergický vstup od PGi. Zkratky: AMY, amygdala; HIPP, hippocampus; LC, locus coeruleus; NAc, nucleus accumbens; PFC, prefrontální kůra; PGi, nucleus paragigantocellularis; VP, ventrální pallidum; VTA, ventrální tegmentální oblast.

Akutní opiátem vyvolané změny neuronální aktivity

Vzhledem k schopnosti akutního morfinu do VTA vyvolat zvýšené uvolňování DA v NAc (Leone a kol. 1991), značné množství práce zkoumalo akutní účinky opiátů ve VTA. Akutní morfin zvyšuje rychlost vypalování DA neuronů ve VTA (Gysling a Wang 1983). Tento účinek je zprostředkován alespoň z části vazbou morfinu na G_{i / o}-připojený μ-opioidní receptor (MOR) na lokálních GABA neuronech, čímž se snižuje jejich aktivita a následné uvolňování GABA na DA neuronech a vede k dezinhibici DA neuronůJohnson a North 1992). Interpretace většiny rané elektrofyziologické práce je však komplikována důkazem zdůrazňujícím téměř nerozeznatelnou povahu neuronů VTA DA a GABA (podle velikosti, morfologie a elektrofyziologických vlastností) (Margolis a kol. 2006), objasňující potřebu identifikovat neurony VTA, které byly studovány definitivněji (např. pomocí imunohistochemie, použití reportérových myší GFP atd.), což bude dále podrobněji popsáno v tomto přehledu. Zde se zaměřujeme hlavně na opiáty, které působí jako agonisté na MOR ve VTA, jako je morfin, protože tyto léky vyvolávají prospěšné účinky nejčastěji studované v oblasti zneužívání drog. Je však známo, že k-opioidní receptory (KOR) jsou také exprimovány na neuronech VTA DA a že aktivace těchto receptorů může přímo inhibovat rychlost vypalování neuronů DA (Margolis a kol. 2003), pravděpodobně přispívající k averzivním účinkům kappa agonistů. Schopnost opiátů produkovat jak VTA DA neuronovou aktivaci a inhibici, tak i odměňující a averzivní účinky, je zajímavá, a tato „jin-jang“ modulace a role endogenních opioidních peptidů za odměnu si zaslouží být předmětem budoucí studie.

Akutní opiátem vyvolaná synaptická plastika

Kromě změn neuronální aktivity existuje mnoho zpráv o synaptické plasticitě vyvolané akutními opiáty. Stejně jako u kokainu a dalších zneužívaných léčiv bylo zjištěno, že jediná injekce morfinu zvyšuje poměr a-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionové kyseliny (AMPA) k Nkyselina methyl-D-asparagová (NMDA) excitační postsynaptické proudy (EPSC) 24 hodin po podání, což je v souladu s dlouhodobým potenciací (LTP) glutamatergických synapsí na DA neurony (Saal a kol. 2003). Nedávno bylo také popsáno, že akutní morfin indukuje redistribuci AMPAR receptoru (AMPAR) ve VTA podobným způsobem jako kokain, konkrétně inzerci AMPAR bez GluA2 (Brown a kol. 2010). Brown a kol. pozorovali zvýšený rektifikační index a zvýšený cytoplazmatický GluA2 AMPAR v reakci na akutní morfin, což je účinek, který je rekapitulován přímou stimulací DA neuronů ve VTA pomocí selektivní exprese kanálu 2 kanálikodhodinu (Brown a kol. 2010), což přímo implikuje aktivitu / signalizaci DA v rámci VTA na glutamatergickou regulaci. Tato data jsou v souladu s dřívější prací, že nadměrná exprese ve VTA GluA1, ale nikoli GluA2, senzibilizuje zvířata na morfinové lokomotorické a odměňující chování (Carlezon a kol. 1997).

Akutní opiáty také ovlivňují plasticitu v GABAergických synapsích ve VTA. Bylo zjištěno, že vysokofrekvenční stimulace vyvolává LTP na terminálech GABA (LTP)_GABA) na neurony VTA DA, účinek, který je závislý na aktivaci postsynaptických NMDA receptorů (NMDAR) a uvolňování oxidu dusnatého (NO) jako retrográdního posla z DA neuronů (Nugent a kol. 2007). NO pak zvyšuje aktivitu guanylylcyklázy (GC) v neuronu GABA, což vede ke zvýšenému uvolňování GABA a LTP_GABA. Jedna dávka morfinu inhibuje LTP_GABA přerušením signální kaskády NO – GC – protein kinázy G (PKG), což způsobí ztrátu normální inhibiční kontroly (pozorované 2 a 24 hodiny po injekci, ale nikoli 5 dní) (Nugent a kol. 2007, 2009; Niehaus a kol. 2010). Tak, přerušení LTP_GABA poskytuje další mechanismus pro schopnost akutních opiátů zvýšit neuronální aktivitu VTA DA.

V poslední době byla popsána další forma VTA GABAergické plasticity: dlouhodobá deprese GABAergických synapsí na DA neurony (LTD)_GABA) (Dacher a Nugent 2011a). Pomocí nízkofrekvenční stimulace (LFS), stabilní LTD_GABA v DA buňkách bylo indukováno, že na rozdíl od LTP_GABA, byl vyjádřen postsynapticky a nezávisel na NMDAR. Tento účinek také nebyl závislý na endokanabinoidní signalizaci, ale byl blokován antagonistou dopaminového D2 receptoru (D2R) sulpiridem. Je zajímavé, že jediná injekce morfinu postačovala k zabránění LFS-indukované LTD_GABA 24 hodin po podání, což naznačuje, že morfin může obousměrně regulovat plasticitu GABA ve VTA (Dacher a Nugent 2011a).

Chronická opiátem vyvolaná synaptická plastika

Ačkoli synaptické změny, ke kterým dochází u akutních opiátů, byly poměrně dobře charakterizovány, chronické změny nebyly. K dnešnímu dni jen málo studií zkoumalo změny gluatamatergické nebo GABAergické plasticity v reakci na chronické podávání opiátů. To zahrnuje i nedostatek znalostí o tom, zda existují rozdíly v pasivním vs. aktivním podávání léčiva, důležité zvážení vzhledem k nedávné práci, která ukazuje, že přetrvává LTP v VTA u zvířat, která se nevyskytují v souvislosti s podáním kokainu (až do 3 měsíců). pouze s podmíněnou expozicí kokainu (Chen a kol. 2008).

Je však známo, že chronický morfin, stejně jako akutní morfin, zvyšuje DA neuronální aktivitu. Záznamy in vivo po chronickém morfinu ukazují zvýšení bazální rychlosti palby a burstové aktivity, které se během stažení vrátí na základní hodnotu (Georges a kol. 2006). To je v kontrastu s předchozí prací, která pozorovala přetrvávající pokles aktivity DA u potkanů ​​odebraných morfinem (Diana a kol. 1995, 1999). Jedním z možných důvodů těchto rozdílů je použitá metoda administrace. Například Georges et al. studie použila subkutánní (sc) paradigma s prodlouženým uvolňováním, u kterého bylo prokázáno, že má mnohem odlišný farmakodynamický profil než paradigma s chronickou eskalační dávkou používaná v dřívější Diana et al. studie. Jak bylo dříve hlášeno (Fischer a kol. 2008), 24 h po poslední morfinové peletě, hladiny morfinu v krvi se nesnižují, zůstávají relativně stabilní s maximem (∼3000 ng / ml), zatímco model chronické injekce vytváří mnohem vyšší pík (∼10,000 ng / ml) při 1 h, s hladinami krve pod 100 ng / ml po 4 h a zanedbatelné 12 h. Změna rychlosti výpalu DA vyvolaná stažením z chronického morfinu, ať už návrat k výchozímu stavu nebo pokles pod výchozí hodnotu, se zdá být závislá na změnách v uvolňování GABA. Odběr z chronického morfinu zvyšuje inhibiční postsynaptické proudy GABA (IPSC) a uvolňování GABA na neurony VTA DA (Bonci a Williams 1997), účinek, který byl nedávno zjištěn, je závislý na recyklaci MOR a na cyklické signalizaci adenosin-5'-monofosfát (cAMP) (Madhavan a kol. 2010).

Dalším potenciálním přispěvatelem k rozdílům mezi studiemi je heterogenita VTA ve srovnání s LC (jak je popsáno níže). Nejen, že je zde složitost více typů buněk (především GABA vs. DA), ale také distribuce typů buněk se mění také podél osy VTA rostrálně-kaudální (Obr. 2). Konkrétně je poměr neuronů DA k GABA mnohem vyšší v rostrálních podoblastech VTA (IFN, RL) ve srovnání s kaudálními podoblastmi (PN, PIF) (Nair-Roberts a kol. 2008). Tento rozdíl má funkční význam pro změny chování vyvolané morfinem. HSV-GluA1 nadměrná exprese zvýšila chování morfinové odměny injekcí do rostrální VTA, zatímco indukovala averzní chování v kaudální VTA, což je účinek také pozorovaný na virové nadměrné expresi cAMP-responzivního elementu vázajícího proteinu (CREB) nebo fosfolipázové C gama (PLCγ) (Carlezon a kol. 2000; Bolanos a kol. 2003; Olson a kol. 2005). Tento rozdíl lze pozorovat také na molekulární úrovni, jako je transkripce zprostředkovaná cAMP odpověďmi (CRE) vyvolaná chronickým morfinem v DA neuronech v rostrální a kaudální VTA, ale byla pozorována pouze u neuronů jiných než DA v rostrální VTA (Olson a kol. 2005). Ultrastrukturální studie potvrzují takové rostrálně-kaudální rozdíly a naznačují přidanou složitost léčebného režimu a projekce. GluA1 byl zvýšen jak u tyrosinhydroxylázy (TH) -pozitivní (DAergic), tak TH-negativní (pravděpodobně GABAergic) dendrity v parabrachiální (PBP) VTA jednou injekcí morfinu. Naopak u chronického morfinu došlo ke zvýšení GluA1 v paranigrální (PN) VTA kromě oblasti PBP (Lane a kol. 2008).

  

Zobrazit větší verzi:  

• Na této stránce
• V novém okně
• Stáhnout jako prezentaci aplikace PowerPoint

Obrázek 2. 

Buněčná a projekční složitost v rámci VTA. Podíl DA (červených) na GABA (modrých) neuronech se liší mezi VTA subnuklei s vyššími DA: GABA poměry pozorovanými ve více rostrálních podoblastech, jako je rostrální lineární jádro (RL), ve srovnání s více kaudálními subnuklei, jako je paranigral (PN) a parainterfascikulární (PN) PIF). Kromě toho se DA neuronální projekce v celém VTA liší s více laterálními oblastmi, jako je parabrachiální jádro (PBP), které se promítají do laterální skořápky NAc (Lat Sh), zatímco střední oblasti, jako je PN, mají různé projekce včetně amygdaly (AMY), prefrontální kůry (PFC). , Jádro NAc a mediální obal NAc (Med Sh). Omezená práce zkoumala neuronální projekce GABA; existuje nějaký důkaz, že GABA neurony v rostrálním PBP mají silnou projekci na PFC, zatímco existuje jen málo rostrálních PBP DA neuronů, které promítají do PFC, ale velká kaudální projekce DA PBP; to naznačuje, že projekce PBP-PFC je definována nejen regionálně, ale je také specifická pro neuronální podtyp (Lammel a kol. 2008). (Použité počty buněk jsou od Nair-Roberts a kol. 2008 a projekce pocházejí ze studií retrográdního označování provedených společností Lammel a kol. 2008.)

Rozdíly mezi neurony VTA DA, založené na jejich výstupní oblasti, byly v poslední době velmi zajímavé, protože je nyní dobře prokázáno, že elektrofyziologické vlastnosti DA neuronů se liší projekcí. Neurony VTA DA projektující NAc mají mnohem menší I_h proud než neurony promítající do basolaterální amygdaly (BLA) (Ford a kol. 2006) a existují rozdíly v projekcích v samotném NAc, přičemž DA neurony promítající do NAc laterální skořepiny vykazují mnohem vyšší I_h aktuální než DA neurony, které promítají do mediální skořápky NAc (Lammel a kol. 2011). Trvání akčního potenciálu (AP) DA neuronů se také liší podle projekce, protože DA neurony projektující NAc mají nejdelší trvání AP, zatímco doba trvání AP AP neuronů s projekcí PFC je kratší a DA neurony s projekcí AMY mají nejkratší trvání (Margolis a kol. 2008). Důležité je, že citlivost na opiáty se také liší v rámci VTA v závislosti na typu projekce: DA neurony promítající NAc reagovaly více na agonisty KOR než neurony projektující BLA, zatímco opačný účinek byl zaznamenán pro reakci na agonisty MOR / delta (DOR) , který měl větší vliv na neurony projektující BLA (Ford a kol. 2006). To se projevilo také na presynapticky zprostředkovaných opiátových účincích, protože agonista KOR způsobil větší inhibici GABA_A IPSC DA neuronů promítajících se do BLA, zatímco tam byla větší inhibice GABA zprostředkovaná agonistou KOR_B IPSC v neuronech promítajících na NAc (Ford a kol. 2006). Navíc bylo nedávno pozorováno, že modulace excitačních synapsí na DA neuronech se liší v závislosti na projekci (Lammel a kol. 2011). Lammel a jeho kolegové (2011) zjistili, že poměr AMPA / NMDA byl zvýšen kokainem v DA neuronech, které promítaly na NAc, ale nikoli v DA neuronech, které promítaly na PFC. Avšak poměr AMPA / NMDA byl zvýšen v DA buňkách promítajících se do PFC v reakci na averzivní stimul (injekce formalinu zadní tlapky), což byl účinek, který byl také pozorován v DA neuronech, které promítaly do laterální skořápky NAc, ale chyběly v DA neuronech promítajících na NAc střední skořepina - zobrazující heterogenitu v reakci v rámci podoblastí tohoto projekčního cíle (Lammel a kol. 2011). Tyto studie jasně ukazují, že k důkladnějšímu pochopení synaptických adaptací, které se vyskytují jak u akutních, tak u chronických opiátů, bude nutné integrovat informace o výstupu studovaných DA neuronů. Vývoj technik specifických pro neurony a projekce poslouží k objasnění těchto problémů tím, že umožní specifickou modulaci v této heterogenní oblasti.

Strukturální a buněčná plasticita vyvolaná opiáty

Relevance strukturální plasticity vyvolané léčivem pro synaptické a behaviorální změny byla nedávno přezkoumána (Russo et al. 2010). Většina studií strukturální plasticity k dnešnímu dni zkoumala změny morfologie páteře nebo dendritického větvení neuronů v cílových oblastech VTA, ale naše laboratoř zkoumala další strukturální adaptaci v reakci na chronické podávání opiátů, změnu velikosti neuronů VTA DA somon. Nejprve jsme pozorovali, že povrchová plocha neuronů VTA DA potkanů ​​se snižuje o N25% v reakci na chronické, ale nikoli akutní morfinové podání (Sklair-Tavron a kol. 1996). Tento účinek byl specifický pro DA neurony ve VTA, protože TH-negativní buňky (pravděpodobně GABAergické) se nezměnily. Kromě toho by tato změna mohla být blokována systémovým naltrexonem, což naznačuje, že byla vyžadována signalizace MOR, a infuze lokálního mozku odvozeného neurotrofického faktoru (BDNF) ve VTA také zabránila poklesu, což naznačuje, že snížená neurotropní signalizace může být základem morfologické změny. Důležité je, že toto zmenšení velikosti neuronů VTA DA neuronů je pozorováno při chronickém podávání heroinu a morfinu (Russo et al. 2007), v protokolech pasivní a samosprávy (Spiga a kol. 2003; Chu a kol. 2007; Russo et al. 2007), a napříč druhy, jak jsme nedávno charakterizovali tento účinek u myší a v posmrtné tkáni od lidí, kteří zneužívali heroin (Mazei-Robison a kol. 2011). Následné studie nezjistily žádný důkaz smrti nebo poškození neuronů VTA DA (Sklair-Tavron a kol. 1996; Russo et al. 2007) a že pokles velikosti buněk přetrvává po 14 dny po chronickém podání morfinu, ale vrátí se k základní linii o 30 dny. Tato časová řada zrcadlí odměnu tolerance (Russo et al. 2007), ve kterém opakované užívání drogy snižuje odměňující účinek drogy a vede k eskalaci příjmu drogy, jak je vidět u lidí (O'Brien 2001).

Vzhledem k tomu, že BDNF může zachránit chronickou morfinem indukovanou strukturální změnu, chtěli jsme prozkoumat, zda downstream neurotrofické signální dráhy zprostředkovaly tuto strukturální plasticitu. I když existuje určitá diskuse o tom, zda samotné hladiny BDNF jsou ve VTA změněny v reakci na chronické podávání opiátů (Numan a kol. 1998; Chu a kol. 2007; Koo a kol. 2010), byla hlášena regulace ve třech hlavních signalizačních drahách za BDNF: PLCy, fosfatidylinositol 3'-kináza (PI3K) a mitogenem aktivovaná proteinová kináza (MAPK) (Russo et al. 2009). Chronický morfin zvyšuje aktivitu dráhy PLCy (Wolf a kol. 1999, 2007), snižuje aktivitu dráhy PI3K, měřeno sníženou hladinou substrátu receptoru inzulínu-2 (IRS2) a hladinami fosfo-AKT (Wolf a kol. 1999; Russo et al. 2007; Mazei-Robison a kol. 2011) a zvyšuje MAPK signalizaci, měřeno zvýšenou fosforylací a katalytickou aktivitou proteinové kinázy extracelulárního typu (ERK) (Ortiz a kol. 1995; Berhow et al. 1996; Liu a kol. 2007). Pomocí virově zprostředkované nadměrné exprese jsme zjistili, že k morfologické změně přispívá chronická morfinem indukovaná změna signalizace PI3K.: nadměrná exprese dominantně negativního IRS2 (IRS2dn) nebo AKTdn byla dostatečná pro zmenšení velikosti VTA DA soma, zatímco nadměrná exprese divokého typu IRS2 zabránila morfinem indukovanému poklesu a nadměrná exprese konstitutivně aktivního AKT (AKTca) zvýšila soma velikost (Russo et al. 2007; Mazei-Robison a kol. 2011). Naproti tomu nadměrná exprese PLCy nebo ERK nestačila ke změně velikosti VTA DA soma (Russo et al. 2007). Důležité je, že nadměrná exprese IRS2 byla také schopna zabránit toleranci morfinové odměny, což implikuje roli strukturální plasticity v behaviorální reakci.

Naše nedávná práce naznačuje, že tato strukturální změna může být úzce spojena se změnami aktivity vyvolanými chronickými opiáty. Podobné studii in vivo Georges et al. diskutovali jsme výše, zjistili jsme, že rychlost vypalování VTA DA byla zvýšena ve stejném časovém bodě, ve kterém je velikost soma snížena u myší vystavených chronickému morfinu (Mazei-Robison a kol. 2011).

Zjistili jsme však, že DA výstup do NAc, měřený in vivo cyklickou voltametrií, je ve skutečnosti snížen, což naznačuje přerušení normální aktivace a výstupu v mezolimbickém odměnovém obvodu.

Tento výsledek jsme dále charakterizovali a zjistili jsme, že nadměrná exprese IRS2dn ve VTA, která je dostatečná ke snížení velikosti DA soma, snížila produkci DA na NAc a také snížila expresi několika K⁺ kanálové podjednotky, podobným způsobem jako chronický morfin.

V našem úsilí identifikovat signální dráhy po směru od IRS2 / AKT, které zprostředkovávají chronické morfinem indukované neuroadaptace, jsme provedli překvapivé pozorování, že savčí cíl signalizace komplexu rapamycin (mTOR) 1 (mTORC1), dobře zavedená cesta v buněčném růstu , byl ve skutečnosti zvýšen o chronický morfin. Na rozdíl od toho jsme pozorovali pokles signalizace komplexu mTOR 2 (mTORC2), který jsme ukázali, je nezbytný i dostatečný pro morfinou indukované změny velikosti soma a neuronální aktivity. Konkrétně jsme zjistili, že nadměrná exprese rapamycin-necitlivého společníka mTOR (Rictor), esenciálního komponentního proteinu mTORC2, byla dostatečná k tomu, aby zabránila snížení velikosti soma a také zabránila zvýšení rychlosti vypalování DA neuronů buněčně autonomním způsobem: pouze DA buňky ve VTA, které nadměrně exprimovaly Rictor, měly oslabenou rychlost střelby, zatímco v blízkých DA buňkách stále došlo k nárůstu. To naznačuje, že signální změny vlastní neuronům DA mohou zprostředkovat změny excitability vyvolané chronickými opiáty, pravděpodobně změnou AKT modulace GABA_A proudy (Krishnan a kol. 2008) nebo vyjádření K⁺ kanály (Mazei-Robison a kol. 2011) (Obr. 3). Stejně jako v případě nadměrné exprese IRS2 jsme zjistili, že změna aktivity mTORC2 korelovala s chováním odměny za morfiny, protože snižující se aktivita mTORC2 snížila preferenci morfinového kondicionovaného místa (CPP), zatímco zvýšení aktivity mTORC2 bylo dostatečné k navození CPP na nízkou dávku morfinu, která neindukuje místo kondicionování u kontrolních zvířat.

  

Zobrazit větší verzi:  

• Na této stránce
• V novém okně
• Stáhnout jako prezentaci aplikace PowerPoint

Obrázek 3. 

Chronický morfin snižuje VTA DA velikost soma, ale zvyšuje neuronální excitabilitu, zatímco DA přenos na NAc je snížen. Čistým účinkem morfinu je méně citlivý způsob odměňování, tj. Tolerance odměn. Down-regulace IRS2-AKT signalizace (modrá) ve VTA zprostředkovává účinky chronického morfinu na velikost soma a elektrickou excitabilitu; účinek na excitabilitu je zprostředkován sníženou GABA_A proudy a potlačení K⁺ kanálový výraz. Morfinem indukovaná down-regulace aktivity mTORC2 ve VTA je zásadní pro tyto morfologicky indukované morfologické a fyziologické adaptace a pro toleranci odměny. Na rozdíl od mTORC2, chronický morfin zvyšuje aktivitu mTORC1 (červená), což zřejmě neovlivňuje přímo tyto adaptace vyvolané morfinem. Chronický morfin také snižuje produkci DA na NAc a také snižuje dendritické větvení a počet dendritických páteř na středních ostnatých GABA neuronech v NAc, což dále potlačuje normální DA signalizaci v mezolimbickém obvodu.

Je nepravděpodobné, že změna velikosti soma je jedinou strukturální adaptací vyvolanou chronickými opiáty ve VTA. Vzhledem ke sníženému počtu dendritických páteřů a dendritické složitosti větvení NAc středně ostrých neuronů potkanů ​​dříve vystavených chronickému morfinu (Robinson a Kolb 1999; Robinson a kol. 2002), očekáváme, že dendritické změny se vyskytují také v neuronech VTA DA. Probíhají současné studie, které charakterizují změny morfologie páteře, což je obrovská mezera v oboru, protože pouze jedna studie dosud zkoumala drogově indukované změny dendritické architektury VTA. Tato studie zjistila zvýšení dendritické hustoty páteře v jednom podtypu neuronu VTA v reakci na akutní injekci kokainu, stejný subtyp vykazoval zvýšený poměr NMDA / AMPA (Sarti a kol. 2007). Data z naší předchozí práce, že délka procesů VTA DA je snížena (∼30%) u potkanů ​​léčených chronickým morfinem (Sklair-Tavron a kol. 1996), odpovídá globálním změnám v architektuře VTA DA. Tato změna by také mohla pomoci vysvětlit pokles DA produkce na NAc po chronickém morfinu, protože jsme již dříve zaznamenali snížený axonální transport a hladiny neurofilamentových proteinů ve VTA (Beitner-Johnson a kol. 1992, 1993), což naznačuje, že chronický morfin také ovlivňuje strukturu a funkci axonů. Vzhledem k výše uvedené regionální a projekční složitosti neuronů VTA DA nyní zkoumáme, zda jsou tyto strukturální změny indukovány v určité podskupině neuronů VTA DA pomocí fluorescenčních retrográdních indikátorů. Tato data budou kritická pro pochopení strukturálních a elektrofyziologických změn vyvolaných chronickými opiáty a příslušnými zapojenými výstupními obvody.

Jak již bylo zmíněno dříve, několik studií, molekulárních i elektrofyziologických, prokázalo, že chronické podávání opiátu aktivuje cAMP-CREB cestu ve VTA (Bonci a Williams 1997; Olson a kol. 2005; Madhavan a kol. 2010). Studie microarray také definovala globální změny v genové expresi, ke kterým dochází ve VTA v reakci na chronický morfin (McClung a kol. 2005). Nyní je třeba pracovat na lepším definování buněčné specifičnosti těchto neuroadaptací a na vymezení jejich funkčních důsledků. Navíc, zatímco většina práce na VTA se zaměřila na opiátem indukované neuroadaptace, u nichž se předpokládá, že se vyskytují v DA neuronech, je nezbytné prozkoumat plasticitu indukovanou plasticitu, ke které dochází v GTAAergických neuronech VTA, které jsou jedním z klíčových počátečních cílů působení opiátů v tato oblast mozku.

Pozadí

LC je hlavní místo neuronů obsahujících norepinefrin (NE) v mozku (Dahlstrom a Fuxe 1965). Jak bylo dříve revidováno (Aston-Jones a Bloom 1981a; Aston-Jones a kol. 1991b; Berridge a Waterhouse 2003; Van Bockstaele a kol. 2010), LC je diskrétní, kompaktní, homogenní jádro, sestávající z téměř výhradně NE neuronů. Hlavní vstupy do LC jsou z medulárního jádra paragigantocellularis (PGi) a nucleus prepositus hypoglossus a LC výstupy jsou rozšířené včetně předního mozku, mozečku, mozkového kmene a míchy (Obr. 1) (Berridge a Waterhouse 2003). LC neuronální aktivita je vysoce synchronní jak v podstatě, tak v reakci na podněty (Foote a kol. 1980; Aston-Jones a Bloom 1981b; Aston-Jones a kol. 1991a; Ishimatsu a Williams 1996). Neurony LC jsou spontánně aktivní (Williams a kol. 1991) a jejich aktivace vyvolává uvolňování NE v několika předních mozkových oblastech, včetně kůry a hippocampu. LC do značné míry slouží jako reléové jádro, s dosud známou omezenou synaptickou plasticitou, ačkoli glutamátové aferenty kontrolují aktivitu LC, zejména z PGi (Ennis a kol. 1992). Neurony LC exprimují tři hlavní třídy opioidních receptorů: MOR, DOR a KOR se zřetelnou distribucí, ačkoli, stejně jako u VTA, je naše diskuse omezena na MOR, což se nejvíce přímo podílí na závislosti na opiátech a závislosti.

Buněčná plasticita vyvolaná opiáty

Ačkoli v LC neexistuje důkaz o tradiční synaptické plasticitě (tj. LTP a LTD), existuje dobře popsaná buněčná plasticita. Jedinečným rysem LC je to, že mnoho jeho in vivo odpovědí na chronické opiáty lze rekapitulovat a studovat na úrovni jednotlivých buněk (Nestler a kol. 1994; Nestler a Aghajanian 1997; Nestler 2004). Vazba opiátů (např. Morfin) na MOR vede ke snížené aktivitě adenylyl cyklázy (AC) a signalizaci cAMP (Duman a kol. 1988). Akutní vazba opiátů na MOR také snižuje stimulační aktivitu LC neuronů, a to převážně aktivací G proteinem navrácené dovnitř usměrňující K⁺ (GIRK) kanály (Williams a kol. 1982; Torrecilla a kol. 2002). Při chronickém podávání opiátů se však rychlost pálení i signalizace cAMP vracejí k základní linii kvůli up-regulaci dráhy cAMP, což ilustruje toleranci (Aghajanian 1978; Duman a kol. 1988; Nestler a Tallman 1988; Guitart a Nestler 1989; Kogan a kol. 1992; Ivanov a Aston-Jones 2001). Tato plasticita vyvolaná chronickým podáváním opiátu (tj. Up-regulace dráhy cAMP) se stává funkčně evidentní po odběru opiátu, když je rychlost vypalování LC neuronů významně zvýšena spolu s velkým zvýšením aktivity cAMP, což ilustruje závislost a stažení (Obr. 4) (Aghajanian 1978; Rasmussen a kol. 1990).

  

Zobrazit větší verzi:  

• Na této stránce
• V novém okně
• Stáhnout jako prezentaci aplikace PowerPoint

Obrázek 4.  

Up-regulace dráhy cAMP v LC jako mechanismus tolerance vůči opiátům a závislosti. Vrchní část panel Opiates akutně inhibuje funkční aktivitu dráhy cAMP (indikováno buněčnými hladinami cAMP a fosforylace proteinů závislých na cAMP). Při pokračující expozici opiátu se funkční aktivita cAMP dráhy postupně zotavuje a po odstranění opiátu (např. Podáváním antagonisty opioidního receptoru naloxonu) se postupně obnovuje a zvyšuje daleko nad kontrolní úrovně. Tyto změny funkčního stavu dráhy cAMP jsou zprostředkovány indukcí adenylylcykláz (AC) a proteinové kinázy A (PKA) v reakci na chronické podávání opiátů. Indukce těchto enzymů odpovídá za postupné zotavení funkční aktivity dráhy cAMP, ke které dochází při chronické expozici opiátu (tolerance a závislost) a aktivaci dráhy cAMP pozorované při odstraňování opiátu (stažení). Spodní část panel Opiates akutně inhibuje LC neurony zvýšením vodivosti dovnitř usměrňující K⁺ kanál spojováním s podtypy G_{i / o} a případně snížením Na⁺- nezávislý vstupní proud spojením s G_{i / o} a následná inhibice AC, snížené hladiny aktivity PKA a snížená fosforylace odpovědného kanálu nebo pumpy. Inhibice dráhy cAMP také snižuje fosforylaci mnoha dalších proteinů, a tím ovlivňuje řadu dalších neuronálních procesů. Například snižuje fosforylační stav proteinu vázajícího se na element cAMP (CREB), který iniciuje některé z dlouhodobějších změn ve funkci LC. Chronické podávání morfinu zvyšuje hladiny ACI, ACVIII, PKA katalytických (kat.) A regulačních podjednotek a několika fosfoproteinů, včetně CREB a tyrosinhydroxylázy (TH) (indikováno červenými šipkami). Tyto změny přispívají ke změněnému fenotypu drogově závislého stavu. Například vnitřní excitabilita LC neuronů je zvýšena zvýšenou aktivitou cAMP dráhy a Na⁺- závislý vnitřní proud, který přispívá k toleranci, závislosti a stažení ukázanému těmito neurony. Up-regulace ACVIII a TH je zprostředkována prostřednictvím CREB, zatímco se zdá, že k up-regulaci ACI a PKA podjednotek dochází prostřednictvím neidentifikovaného, ​​CREB-nezávislého mechanismu.

Tyto adaptace jsou zprostředkovány up-regulací několika signálních proteinů v cAMP dráze včetně AC1 / 8 (Matsuoka a kol. 1994; Lane-Ladd a kol. 1997; Zachariou a kol. 2008), cAMP-dependentní protein kináza (PKA) (Nestler a Tallman 1988), CREB (Guitart a kol. 1992; Shaw-Lutchman a kol. 2002; Han a kol. 2006) a TH a BDNF - oba cílové CREB cíle (Guitart a kol. 1989; Akbarian a kol. 2002). Chronické opiáty také indukují expresi GIRK2 / 3 v LC (Cruz a kol. 2008) a také mnoho dalších genů odhalených analýzou mikročipů (McClung a kol. 2005). Kromě toho bylo nedávno prokázáno, za použití modelu kultivace LC slice, že zvýšená vnitřní elektrická aktivita LC neuronů vyvolaná chronickými opiáty je způsobena přímou aktivací MOR na LC NE neuronech, což implikuje vnitřní homeostatickou adaptaci (Cao a kol. 2010). Tento přístup identifikoval klíčovou roli CREB jak v kardiostimulátorové aktivitě, tak při morficky vyvolaném zvýšení rychlosti vypalování LC (Han a kol. 2006; Cao a kol. 2010), účinek, který byl také pozorován u myší s časným vývojovým knockoutem CREB specifickým pro NE neurony (Parlato a kol. 2010). Konečně, tato aktivace LC neuronálního vypalování a up-regulovaná cesta cAMP-CREB, která zprostředkovává zvýšené vypalování, se v řadě studií ukázala jako nezbytná a dostatečná pro zprostředkování několika příznaků fyzického stažení opiátů (Lane-Ladd a kol. 1997; Punch a kol. 1997; Han a kol. 2006).

Přestože většina zde popsané plasticity vyvolané opiáty je považována za vlastní neuronům LC NE, existuje nějaký důkaz, že chronický morfin může také ovlivnit excitační vstup do LC, protože dochází ke zvýšení spontánní frekvence EPSC v řezech z myší ošetřených morfinem (Torrecilla a kol. 2008). Kromě toho dochází ke zvýšení uvolňování glutamátu a aspartátu v LC in vivo u krys odebraných morfinem a lokální aplikace antagonistů excitačních aminokyselin v LC částečně blokuje zvýšení LC aktivity vyvolané odebráním (Akaoka a Aston-Jones 1991; Aghajanian a kol. 1994).

Zbývá určitá diskuse o tom, zda změny v signalizaci cAMP-CREB u LC neuronů a v LC neuronální aktivitě zprostředkovávají chování při opioidech. Například léze LC nebo vývojové vyřazení aktivity CREB v LC NE neuronech nezjistí detekovatelné změny abstinenčních příznaků (Christie a kol. 1997; Parlato a kol. 2010). Naproti tomu jsme ukázali, že modulace aktivity cAMP dráhy nebo CREB v LC dospělých zvířat důsledně blokuje několik chování při odběru (Lane-Ladd a kol. 1997; Punch a kol. 1997; Han a kol. 2006). Věříme, že tyto odlišné nálezy vysvětlují několik klíčových úvah. Za prvé, LC je jen jednou z několika mozkových oblastí důležitých pro fyzickou závislost na opiátech a abstinenci (Koob a Le Moal 2001). Není divu, že u zvířat s lézemi LC se stále vyvíjí hluboká fyzická závislost zprostředkovaná zvýšenou spolehlivostí na tyto další nervové substráty. Za druhé, je velmi pravděpodobné, že některé nástroje používané k manipulaci s aktivitou cAMP dráhy v LC (např. Lokální infúze aktivátorů nebo inhibitorů PKA) ovlivňují glutamatergické aferenty v této oblasti, které také vykazují plastové změny (včetně cAMP dráhy nahoru - regulace) po chronickém morfinu (Nestler 1992; Christie a kol. 1997). Zatřetí, navzdory pravděpodobné roli těchto glutamatergických aferentů, není pochyb o tom, že se jedná také o plasticitu vlastní neuronům LC NE, protože lokální vyřazení CREB z dospělých LC (které nemohou ovlivnit aferentní nervové terminály) blokuje zvýšenou excitabilitu vyvolanou morfinem neuronů LC NE a zmírňuje stažení (Cao a kol. 2010; V Zachariou a EJ Nestler, nepublikováno). Nedostatek účinku CREB knockout z těchto neuronů u podmíněných knockout myší (Parlato a kol. 2010) zdůrazňuje vývojové kompenzace, které komplikují použití časných knockoutových modelů, a zdůrazňuje důležitost používání genových manipulací v plně diferencovaném mozku dospělých při studiu plasticity dospělých.

Množství experimentálních důkazů tak vytváří up-regulaci cAMP-CREB dráhy jako mechanismus vnitřní homeostatické plasticity u LC NE neuronů ve vývoji fyzické závislosti na opiátech. Je také důležité zdůraznit historický význam této práce na LC, protože sloužila jako modelový systém pro dlouhodobé působení opiátů na mozek: na základě těchto dřívějších výzkumů LC, up-regulace cAMP-CREB Ukázalo se, že tato cesta je běžným mechanismem tolerance vůči opiátům, závislosti a abstinencí v mnoha regionech centrálního a periferního nervového systému a skutečně představuje jeden z nejlépe zavedených modelů molekulární základny drogové závislosti (Nestler 2001, 2004).