DeltaFosB moduliert differentiell die direkte und indirekte Signalwegfunktion des Nucleus Accumbens (2013)

Proc Natl Acad Sci USA A. 2013. Jan. 29;110(5):1923-8. doi: 10.1073/pnas.1221742110.

Grüter BA, Robison AJ, Neve RL, Nestler EJ, Malenka RC.

Quelle

Nancy Pritzker Laboratory, Abteilung für Psychiatrie und Verhaltenswissenschaften, Medizinische Fakultät der Stanford University, Palo Alto, CA 94305, USA.

Abstract

Synaptische Modifikationen in mittelgroßen stacheligen Neuronen (MSNs) des Nucleus accumbens (NAc) spielen eine Schlüsselrolle beim adaptiven und pathologischen belohnungsabhängigen Lernen, einschließlich maladaptiver Reaktionen im Zusammenhang mit Drogenabhängigkeit. NAc-MSNs sind an zwei parallelen Schaltkreisen beteiligt, direkten und indirekten Pfaden, die unterschiedliche Verhaltensfunktionen erfüllen. Die Modifikation von NAc-MSN-Synapsen kann teilweise über zelltypspezifische Änderungen im Transkriptionspotential bestimmter Gene erfolgen. Der Transkriptionsfaktor [Inkrement]FosB ist eines der Schlüsselproteine, die an den durch Drogenmissbrauch verursachten Genexpressionsänderungen in NAc beteiligt sind. Seine Auswirkungen auf die synaptische Funktion in NAc-MSNs sind jedoch unbekannt. Hier zeigen wir, dass eine Überexpression von DeltaFosB die erregende synaptische Stärke verringerte und wahrscheinlich stille Synapsen auf D1-Dopaminrezeptor-exprimierenden MSNs des direkten Signalwegs sowohl in der NAc-Hülle als auch im Kern erhöhte.

Im Gegensatz dazu verringerte deltaFosB wahrscheinlich stille Synapsen auf der NAc-Hülle, nicht jedoch auf Kern-D2-Dopaminrezeptor-exprimierende MSNs mit indirektem Signalweg. Die Analyse der Morphologie der dendritischen Dornen von NAc-MSN ergab, dass [inkrementieren]FosB die Dichte unreifer Dornen in D1-MSNs mit direktem, aber nicht mit D2-indirektem Weg erhöhte. Um die Verhaltenskonsequenzen zelltypspezifischer Aktionen von [Inkrement]FosB zu bestimmen, haben wir [Inkrement]FosB in D1-direkten oder D2-indirekten MSNs in NAc in vivo selektiv überexprimiert und festgestellt, dass die direkte (aber nicht indirekte) MSN-Expression die Verhaltensreaktionen verstärkt zu Kokain. Diese Ergebnisse zeigen, dass [Inkrement]FosB in NAc die synaptischen Eigenschaften und belohnungsbezogenen Verhaltensweisen auf zelltyp- und subregionsspezifische Weise unterschiedlich moduliert.

Bestimmung der Verhaltenskonsequenzen zelltypspezifischer Aktionen von ∆FosB, wir haben ∆ selektiv überexprimiertFosB in D1 direkt oder D2 indirekte MSNs in NAc in vivo und habe das herausgefunden direkt (aber nicht indirekte) Weg Der MSN-Ausdruck verstärkt Verhaltensreaktionen auf Kokain. Diese Ergebnisse zeigen, dass ∆FosB in NAc unterschiedlich moduliert synaptische Eigenschaften und belohnungsbezogenes Verhalten auf zelltyp- und subregionsspezifische Weise.

Der Nucleus accumbens (NAc) ist ein Schlüsselsubstrat für die Integration von Motivationsinformationen zur Regulierung zielgerichteten Verhaltens. Mehr als 90 % der Zellen innerhalb des NAc sind Medium Spiny Neurons (MSNs), die in zwei große Subpopulationen unterteilt werden können. Direkte MSNs, die überwiegend D1-Dopaminrezeptoren (D1-MSNs) exprimieren, projizieren hauptsächlich in die Dopaminkerne (DA) des Mittelhirns, wohingegen MSNs mit indirekten Signalwegen, die überwiegend D2-Rezeptoren (D2-MSNs) exprimieren, hauptsächlich in das ventrale Pallidum projizieren und dadurch indirekt beeinflussen DA-Neuronen (1, 2). Die Aktivität von NAc-MSNs wird hauptsächlich durch erregende Eingaben aus dem präfrontalen Kortex, dem Hippocampus und der Amygdala gesteuert. Es wurde vermutet, dass pathologische Aktivität an erregenden NAc-Synapsen, die durch Verhaltenserfahrungen wie die Exposition gegenüber Missbrauchsdrogen hervorgerufen wird, eine Reorganisation sowohl der Transkriptionsmaschinerie als auch der Synapsen an NAc-MSNs induziert, die wiederum langanhaltende Verhaltensanpassungen im Zusammenhang mit Sucht vermitteln (1-3).

Aktuelle Studien haben gezeigt, dass D1-MSNs und D2-MSNs in der Kernsubregion von NAc unterschiedliche elektrophysiologische und synaptische Eigenschaften aufweisen (4) und dass die beiden Subtypen von MSNs unterschiedliche Rollen im suchtbezogenen Verhalten spielen (5). Allerdings sind die molekularen Mechanismen, die diesen Unterschieden zugrunde liegen, noch immer kaum verstanden. In den letzten zwei Jahrzehnten gab es immer mehr Hinweise darauf, dass die Induktion von ΔFosB, einem Transkriptionsfaktor der Fos-Familie, in NAc mit Veränderungen im Belohnungsschaltkreis des Gehirns in Verbindung gebracht wird, die mit suchterzeugenden und depressiven Verhaltensweisen verbunden sind (3). ΔFosB, ein besonders stabiles Produkt der FosB Gen (6), heterodimerisiert mit Proteinen der Jun-Familie, um Aktivatorprotein-1 (AP-1)-Komplexe zu bilden, die an AP-1-Stellen innerhalb von Genpromotoren binden, um die Transkription zu regulieren. Obwohl viele Proteine ​​der Fos-Familie vorübergehend durch akute Drogenexposition induziert werden, induziert die chronische Verabreichung praktisch aller Missbrauchsdrogen die langanhaltende Akkumulation von ΔFosB im NAc (6). In Übereinstimmung mit der funktionellen Bedeutung dieser Akkumulation führt eine langfristige Überexpression von ΔFosB selektiv in D1-MSNs des NAc und des dorsalen Striatums induzierbarer bitransgener Mäuse zu erhöhten Bewegungsreaktionen auf Kokain (7), erhöhte konditionierte Ortspräferenz sowohl für Kokain als auch für Morphin (7, 8), und verstärkte Selbstverabreichung von Kokain (9).

Die neuronalen Fehlanpassungen, die Suchtphänotypen zugrunde liegen, können jedoch bereits bei der ersten Exposition gegenüber Drogen oder anderen Reizen wie Stress beginnen. Zur Untermauerung dieser Hypothese führt bereits eine kurze Vorbelastung mit Stress zu einer erhöhten Neigung zum Drogenkonsum (Kreuzsensibilisierung) (10-12) und umgekehrt (13). Darüber hinaus wurden zwar die Auswirkungen von Stress und Kokain auf die synaptischen Eigenschaften dieser Neuronen untersucht (1-3, 14-16) fehlen direkte Beweise für die Auswirkungen von ΔFosB auf die synaptischen Eigenschaften von MSN. [Zuwachs]Die FosB-Regulierung der synaptischen Funktion ist von besonderem Interesse, da die Überexpression von ΔFosB die Morphologie der dendritischen Wirbelsäule von NAc verändert (17, 18) und neuere Arbeiten weisen darauf hin, dass andere Transkriptionsregulatoren die Physiologie von NAc MSN beeinflussen können (19) und synaptische Struktur (20).

Um die kurzfristigeren synaptischen Effekte der ΔFosB-Expression in NAc-MSNs mit direktem und indirektem Signalweg zu untersuchen, verwendeten wir transgene Mäuse mit bakteriellen künstlichen Chromosomen (BAC), die D1-MSNs selektiv markieren, und virale Vektoren, die selektiv auf diese MSN-Subpopulationen abzielen. Gezielte Aufzeichnungen von MSNs zeigten auffällige zelltyp- und regionenspezifische Effekte von [Zuwachs]FosB-Überexpression auf die Eigenschaften erregender Synapsen auf NAc-MSNs. Ausdruck von [Zuwachs]FosB im NAc veränderte auch die Morphologie der dendritischen Wirbelsäule und suchtbezogenes Verhalten auf zelltypspezifische Weise. Diese Ergebnisse liefern einen weiteren Beweis dafür, dass die Regulierung von [Zuwachs]FosB-Spiegel durch Drogenmissbrauch verursachen zelltypspezifische Veränderungen im NAc, die wesentlich zu den komplexen Schaltkreisanpassungen beitragen, die suchtbedingten Verhaltensweisen zugrunde liegen.

Ergebnisse

[Zuwachs]FosB beeinflusst die präsynaptische Funktion in NAc-MSNs nicht.

Um die synaptischen Wirkungen von zu untersuchen [Zuwachs]Aufgrund der Überexpression von FosB in NAc-MSNs injizierten wir stereotaktisch ein exprimierendes Herpes-simplex-Virus (HSV). [Zuwachs]FosB fusionierte mit EGFP in die NAc von 8 bis 10 Wochen alten männlichen transgenen BAC-Mäusen, in denen die tdTomato-Expression durch den D1-Dopaminrezeptor-Promotor gesteuert wurde (21). Drei bis vier Tage später führten wir Ganzzell-Patch-Clamp-Aufzeichnungen von NAc-Shell- und -Core-MSNs mit der Anwesenheit oder Abwesenheit von tdTomato durch, die D4-MSNs bzw. D1-MSNs definieren (4) und EGFP-Expression, die Zellen definiert, in denen [Zuwachs]FosB wurde ausgedrückt. Obwohl es bei Mäusen nicht möglich ist, den NAc-Kern und die NAc-Hülle selektiv mit Viren anzugreifen, war es wichtig, diese Gehirnregionen zu unterscheiden, da bekannte Unterschiede in ihrer Regulierung von belohnungs- und suchtbezogenen Verhaltensweisen bekannt sind (2, 3). Zwei standardmäßige elektrophysiologische Untersuchungen ergaben dies [Zuwachs]Die Überexpression von FosB hatte in keiner der untersuchten NAc-MSN-Subpopulationen nachweisbaren Einfluss auf die präsynaptische Funktion. Insbesondere die Paired-Pulse-Verhältnisse (PPRs) erregender postsynaptischer Ströme (EPSCs) in fünf verschiedenen Interstimulusintervallen, ein Standardmaß für die Wahrscheinlichkeit der Senderfreisetzung, blieben davon unberührt [Zuwachs]FosB-Überexpression entweder in der NAc-Shell oder im NAc-Kern (Abb. S1). Darüber hinaus wurde die durchschnittliche Häufigkeit von Miniatur-EPSCs (mEPSCs), die auch mit der präsynaptischen Funktion korreliert, nicht beeinflusst [Zuwachs]FosB-Überexpression in D1- und D2-MSNs sowohl in der NAc-Shell als auch im NAc-Kern (Abb. S1).

Auswirkungen [Zuwachs]FosB über erregende postsynaptische Eigenschaften in NAc D1-MSNs.

Um die Auswirkungen kurzfristiger zu untersuchen [Zuwachs]FosB-Überexpression auf postsynaptische Eigenschaften von erregenden Synapsen in NAc-Shell- und -Core-MSNs haben wir das Verhältnis von AMPA-Rezeptor (AMPAR)- zu NMDA-Rezeptor (NMDAR)-vermittelten EPSCs gemessen (22). Sowohl in der Shell- als auch in der Core-Subregion waren die AMPAR/NMDAR-Verhältnisse bei überexprimierenden D1-MSNs deutlich kleiner [Zuwachs]FosB im Vergleich zu benachbarten nicht infizierten D1-MSNs (Abb. 1 A mit einem B). Dieser Rückgang der AMPAR/NMDAR-Verhältnisse war zumindest teilweise auf einen Rückgang der AMPAR-vermittelten synaptischen Übertragung zurückzuführen, da auch die durchschnittlichen Amplituden der AMPAR-vermittelten mEPSCs deutlich verringert waren [Zuwachs]FosB-Überexpression (Abb. 1 C mit einem D). Da GluA2-fehlende, nach innen gerichtete AMPARs in die NAc-MSN-Synapsen eingebaut werden, nachdem die Selbstverabreichung von Drogen und die Protokolle zu chronischem Stress aufgehoben wurden (14, 15, 23), untersuchten wir als nächstes die Strom-Spannung (IV) Beziehung pharmakologisch isolierter AMPAR EPSCs, um festzustellen, ob [Zuwachs]Die Überexpression von FosB beeinflusste die Stöchiometrie synaptischer AMPARs. AMPAR EPSC IV Kurven, die sowohl von der Kontroll- als auch von der Kontrollkurve aufgezeichnet wurden [Zuwachs]FosB-exprimierende D1-MSNs in der NAc-Hülle und im NAc-Kern waren linear und zeigten eine minimale Gleichrichtung nach innen (Abb. 1 E mit einem F). Somit, [Zuwachs]Die Überexpression von FosB führt nicht zum Einbau von AMPARs ohne GluA2 in NAc D1-MSN-Synapsen. Schließlich soll festgestellt werden, ob die NMDAR-Stöchiometrie dadurch beeinflusst wurde [Zuwachs]Bei der FosB-Überexpression haben wir NMDAR-EPSC-Zerfallszeitverläufe gemessen, die durch das Vorhandensein von GluN2B-Untereinheiten verlängert werden. [Zuwachs]Die FosB-Expression verursachte bei D1-MSNs in der NAc-Shell eine deutlich längere Zeit bis zum Halbpeak (Abb. 1 G1 mit einem G2), und ein ähnlicher Trend wurde im NAc-Kern beobachtet (Abb. 1 H1 mit einem H2). Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Expression von konstitutiv aktivem CREB in NAc (24), [Zuwachs]Die Überexpression von FosB führt zu einem Anstieg des Anteils GluN2B-haltiger NMDARs an NAc D1-MSN-Synapsen.

Abb.. 1.    

Überexpression von [Zuwachs]FosB in NAc verändert die synaptische Stärke von D1 MSN in Schale und Kern. (A) Repräsentative EPSCs (A1) aufgezeichnet bei –70 und +40 mV von einer NAc-Shell-D1-Kontrolle (schwarz) und [Zuwachs]FosB(+) (rot) MSN und Übersichtsgrafik (A2) Der ...

Auswirkungen [Zuwachs]FosB über erregende postsynaptische Eigenschaften in NAc D2-MSNs.

Im Gegensatz zu D1 NAc MSNs, [Zuwachs]Die Überexpression von FosB in D2-MSNs löste einen Anstieg der AMPAR/NMDAR-Verhältnisse in der NAc-Hülle aus (Abb. 2A), aber überraschenderweise kein nachweisbarer Effekt im NAc-Kern (Abb. 2B). Darüber hinaus zeigte keiner der anderen synaptischen Tests Auswirkungen von [Zuwachs]FosB-Überexpression in NAc D2 MSNs. AMPAR-vermittelte mEPSC-Amplituden (Abb. 2 C mit einem D), AMPAR EPSC IV Kurven und Gleichrichtungsindizes (Abb. 2 E mit einem F) sowie die Abklingzeitverläufe des NMDAR EPSC blieben davon unberührt [Zuwachs]FosB-Überexpression in NAc D2-MSNs. Das zeigen diese Erkenntnisse [Zuwachs]Die Überexpression von FosB verändert die Eigenschaften erregender Synapsen auf NAc-D2-MSNs in viel geringerem Maße als erregende Synapsen auf NAc-D1-MSNs.

Abb.. 2.    

Überexpression von [Zuwachs]FosB in NAc verändert die synaptische Stärke von D2 MSN in der Schale, nicht jedoch im Kern. (A) Repräsentative EPSCs (A1) aufgezeichnet bei –70 und +40 mV von einer NAc-Shell-D2-Kontrolle (schwarz) und [Zuwachs]FosB(+) (grün) MSN und Übersichtsgrafik ...

Auswirkungen [Zuwachs]FosB über stille Synapsen in NAc D1- und D2-MSNs.

Postsynaptische stille Synapsen sind Synapsen mit nicht nachweisbaren Mengen an AMPARs, aber leicht nachweisbaren NMDARs (25-27). Sie stellen ein ideales Substrat für die Langzeitpotenzierung (LTP) dar. (28) und kann durch Expression von konstitutiv aktivem CREB in CA1-Pyramidenzellen des Hippocampus erzeugt werden (28) und NAc-MSNs (24). Da mehrere der beobachteten synaptischen Effekte von [Zuwachs]Die Überexpression von FosB kann durch Veränderungen im Anteil stiller Synapsen auf NAc-MSNs erklärt werden. Wir haben eine CV-Analyse von AMPAR-EPSCs im Vergleich zu NMDAR-EPSCs durchgeführt. Bei Aufnahmen von Einzelzellen beträgt das Verhältnis 1/CV2 von NMDAR EPSCs auf 1/CV2 der AMPAR EPSCs korreliert direkt mit dem Anteil stiller Synapsen (28, 29). [Zuwachs]Die Überexpression von FosB führte zu einem signifikanten Anstieg dieses Verhältnisses in D1-MSNs in der NAc-Hülle und im NAc-Kern (Abb. 3 A mit einem B). Im Gegensatz dazu wurde in diesem Verhältnis keine Änderung beobachtet [Zuwachs]FosB-exprimierende NAc-Kern-D2-MSNs, wohingegen eine Abnahme der überexprimierenden NAc-Shell-D2-MSNs auftrat [Zuwachs]FosB (Abb. 3C). Diese Ergebnisse stimmen mit der Hypothese überein, dass [Zuwachs]Die Überexpression von FosB führt zu einem Anstieg des Anteils stiller Synapsen auf NAc-Shell- und Core-D1-MSNs und zu einer Nicht-Stummschaltung von Synapsen auf NAc-Shell-D2-MSNs.

Abb.. 3.    

Die ΔFosB-Expression hat gegensätzliche Auswirkungen auf die Analyse stiller Synapsen in D1- und D2-NAc-MSNs. (A) Diagramme der Amplituden von AMPAR EPSCs (−70 mV) und NMDAR EPSCs (+40 mV) einer Kontrolle (A1) und [Zuwachs]FosB(+) (A2) D1 MSN in der NAc-Shell. (B) Zusammenfassung ...

Auswirkungen [Zuwachs]FosB auf NAc MSN Dendritic Spines.

Eine bekannte Folge der Kokainverabreichung bei NAc-MSNs ist die Induktion von dendritischen Stacheln (30, 31), eine strukturelle Änderung, die für D1-MSNs selektiv sein kann (32) und ist abhängig von ΔFosB (17, 18). Diese Beobachtungen legen nahe, dass die Regulierung der Wirbelsäulenbildung durch ΔFosB möglicherweise spezifisch für D1-MSNs ist. Da verfügbare Mauslinien, die fluoreszierende Proteine ​​mit Zelltypspezifität exprimieren, für die Identifizierung dendritischer Stacheln auf bestimmten Zellen nicht ausreichen, haben wir zur Behandlung dieses Themas einen einzigartigen HSV-Vektor verwendet, der mCherry in einer Cre-Rekombinase-abhängigen Weise exprimiert (Abb. S2; SI-Methoden) in Kombination mit transgenen Mauslinien, die Cre spezifisch in D1- oder D2-MSNs exprimieren (5). Die Cotransduktion der NAc-Hülle dieser Mäuse mit dem Cre-abhängigen HSV-mCherry und HSV-GFP-ΔFosB (oder HSV-GFP als Kontrolle) ergab, dass ΔFosB die dendritische Wirbelsäulendichte in D1-MSNs erhöht, nicht jedoch in D2-MSNs (Abb. 4). Dieser Anstieg wird hauptsächlich durch die Entstehung von kurzen und möglicherweise dünnen Stacheln verursacht, die als „unreif“ gelten (33). Im Gegensatz dazu hatte die Überexpression von ΔFosB keinen Einfluss auf die Dichte reiferer pilzförmiger dendritischer Stacheln. Diese ΔFosB-induzierten Zunahmen unreifer dendritischer Stacheln in NAc D1-MSNs korrelieren gut mit der Annahme, dass die ΔFosB-Expression zu einer Zunahme stiller Synapsen führt (27).

Abb.. 4.    

Die ΔFosB-Expression erhöht unreife Stacheln in D1-NAc-MSNs, nicht jedoch in D2. (A) Beispielbilder von Stacheln aus der Kontrolle (GFP) und [Zuwachs]FosB(+) D1 und D2 NAc MSNs. (B-E) Quantifizierung der Auswirkungen der ΔFosB-Expression auf jeden Dendriten ...

Auswirkungen von Selektivität [Zuwachs]FosB-Expression in NAc-MSNs auf suchtbedingtes Verhalten.

Um festzustellen, ob die zelltypspezifischen Auswirkungen kurzfristiger sind [Zuwachs]Die Überexpression von FosB auf synaptische Eigenschaften korreliert mit zelltypspezifischen Auswirkungen auf suchtbezogenes Verhalten. Wir verwendeten D1-Cre- und D2-Cre-Mäuse in Kombination mit einem einzigartigen HSV-Vektor, der ein Stoppcodon enthält, das von loxP-Stellen (LS1) umgeben ist, um dies zu verhindern Zielgenexpression in jeder Zelle, die kein Cre exprimiert (Abb. S3). Erwachsenen männlichen D1- und D2-Cre-Mäusen wurde bilateral entweder HSV-GFP-LS1- in den NAc injiziert.[Zuwachs]FosB oder HSV-GFP (Kontrolle) und Verhaltensweisen wurden über die 5 Tage nach der Operation beurteilt, wenn die Transgenexpression maximal war. Überexpression von [Zuwachs]FosB verursachte insbesondere in D1-NAc-MSNs einen Anstieg der Sensibilisierung des Bewegungsapparats gegenüber Kokain sowohl bei niedrigen (3.75 mg/kg) als auch bei hohen (7.5 mg/kg) Dosen sowie einen Anstieg der anfänglichen Bewegungsreaktion auf die niedrigere Kokaindosis (Abb. 5 A mit einem C). Im Gegensatz, [Zuwachs]Die Überexpression von FosB in D2-NAc-MSNs hatte keinen Einfluss auf die Bewegungsreaktionen der Tiere auf Kokain (Abb. 5 B mit einem D). Ähnliche Ergebnisse wurden erhalten, als die kokainbedingte Ortspräferenz (CPP) untersucht wurde. D1- oder D2-Cre-Mäuse, denen HSV-GFP injiziert wurde, zeigten eine typische Dosisabhängigkeit von Kokain-CPP, wobei bei der niedrigeren Dosis keine signifikante Präferenz beobachtet wurde (Abb. 5 E mit einem F). Überexpression von [Zuwachs]FosB in D1-MSNs erhöhte den Kokain-CPP dramatisch, wobei maximale Reaktionen bei der niedrigeren Kokaindosis beobachtet wurden (Abb. 5E), wohingegen [Zuwachs]Die FosB-Expression in D2-NAc-MSNs hatte keinen Einfluss auf die Kokain-Belohnung (Abb. 5F). Das zeigen diese Ergebnisse [Zuwachs]Die Überexpression von FosB in D1-MSNs, jedoch nicht in D2-MSNs, im NAc verstärkt die Verhaltensreaktionen auf Kokain.

Abb.. 5.    

Die Expression von ΔFosB in D1-, aber nicht in D2-NAc-MSNs fördert Verhaltensreaktionen auf Kokain. (ANZEIGE) Die motorische Reaktion auf Kochsalzlösung (Dreiecke) oder Kokain (Quadrate) wurde täglich bei Tieren gemessen, die GFP allein (offen) oder GFP und exprimierten [Zuwachs]FosB ...

Diskussion

Frühere Arbeiten haben einen starken Zusammenhang zwischen Veränderungen im Belohnungsschaltkreis des Gehirns aufgrund der medikamenteninduzierten Induktion von ΔFosB und suchtassoziiertem Verhalten nahegelegt (6). Da ΔFosB ungewöhnlich stabil ist und durch chronische Drogenexposition stark induziert wird, ein Effekt, der auch bei menschlichen Süchtigen beobachtet wird (18) haben sich die meisten Studien auf die neuronalen und Verhaltensanpassungen konzentriert, die durch eine längerfristige ΔFosB-Expression, typischerweise 2–8 Wochen, verursacht werden (3, 6, 7).

Dennoch induziert die anfängliche Exposition gegenüber Missbrauchsdrogen ΔFosB-mRNA und -Protein (3, 6, 34), die Auswirkungen dieser Induktion auf die synaptischen Eigenschaften von NAc MSN und die nachfolgenden Verhaltensreaktionen auf die Arzneimittelverabreichung wurden jedoch nicht untersucht. HBevor wir Beweise dafür vorlegen, dass der kurzfristige Ausdruck von [Zuwachs]FosB erzeugt völlig unterschiedliche synaptische und Verhaltenseffekte, wenn es in NAc D1- und D2-MSNs ausgedrückt wird. DieBei D1-MSNs sowohl im NAc-Kern als auch in der NAc-Shell führte die Überexpression von ΔFosB zu einer Abnahme der AMPAR-vermittelten synaptischen Übertragung, ohne dass Änderungen in der Stöchiometrie synaptischer AMPARs erkennbar waren. NMDAR-vermittelte EPSCs waren auch in NAc-Schalenneuronen verlängert (mit einem ähnlichen Trend in Kernneuronen), was auf einen Anstieg des Anteils GluN2B-haltiger synaptischer NMDARs schließen lässt. Diese Veränderungen der erregenden Synapseneigenschaften können teilweise erklärt werden durch [Zuwachs]Die Überexpression von FosB führt zu einem Anstieg des Anteils sogenannter postsynaptischer stiller Synapsen. Im Einklang mit dieser Hypothese ist das Verhältnis 1/CV2 von NMDAR EPSCs auf 1/CV2 der AMPAR EPSCs wurde um erhöht [Zuwachs]FosB war die Dichte unreifer Stacheln. Im Gegensatz, [Zuwachs]Die Überexpression von FosB in D2-NAc-MSNs verursachte einen relativen Anstieg der AMPAR-vermittelten synaptischen Übertragung in der NAc-Hülle, jedoch nicht im Kern. A 1/CV2 Die Analyse legt nahe, dass dies teilweise auf einen Rückgang des Anteils stiller Synapsen zurückzuführen sein könnte, obwohl wir nicht ausschließen können, dass es zu einem relativen Rückgang der NMDAR-vermittelten synaptischen Übertragung kam.

Um festzustellen, ob diese zelltypspezifischen synaptischen Anpassungen im NAc aufgrund einer kurzfristigen ΔFosB-Überexpression mit etwaigen Verhaltensänderungen korrelieren, Wir haben eine einzigartige Methode entwickelt, um die ΔFosB-Expression mithilfe der entsprechenden auf D1- oder D2-NAc-MSNs zu beschränken Cre-Treiberleitungen. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass eine langfristige (>6 Wochen) Überexpression von ΔFosB im D1-Direktweg, aber nicht in D2-Indirektweg-MSNs sowohl im NAc als auch im dorsalen Striatum zu einer erhöhten Sensibilisierung des Bewegungsapparats gegenüber Kokain sowie zu einem erhöhten Kokain-CPP bei einem niedrigen Wert führt nicht höher, Dosis des Arzneimittels (7). Hier zeigen wir, dass nur 2–4 Tage ΔFosB-Überexpression in D1-, aber nicht in D2-MSNs im NAc selektiv eine erhöhte Bewegungsreaktion auf eine niedrige Kokaindosis und eine erhöhte Sensibilisierung der Bewegungsreaktion auf eine höhere Dosis hervorrufen. SIn ähnlicher Weise führte diese kurzfristige ΔFosB-Überexpression in D1-NAc-MSNs zu einem Anstieg des Kokain-CPP auf eine niedrigere Kokaindosis. Diese Ergebnisse zeigen, dass ein Anstieg des ΔFosB-Spiegels in D1-NAc-MSNs per se die Empfindlichkeit eines Tieres gegenüber den lokomotorisch aktivierenden und belohnenden Wirkungen von Kokain viel schneller erhöht als bisher angenommen. Diese Ergebnisse legen auch nahe, dass die Induktion von ΔFosB, die durch die anfängliche Exposition gegenüber Arzneimitteln verursacht wird, zu den nachfolgenden Veränderungen beitragen kann, die in den Reaktionen auf wiederholte Verabreichung auftreten.

Frühere Arbeiten an Ratten haben gezeigt, dass ein kurzfristiger (1–2 Tage) Entzug von der chronischen, nicht bedingten Kokainverabreichung (5 Tage) zur Bildung stiller Synapsen in NAc-MSNs führt (35). Diese kokaininduzierte synaptische Modifikation wird durch die Expression einer dominant negativen Form von CREB blockiert und durch die Expression von konstitutiv aktivem CREB nachgeahmt (24), was auch stille Synapsen im Hippocampus induziert (28). Darüber hinaus enthalten die stillen Synapsen in NAc einen größeren Anteil an GluN2B-haltigen NMDARs, deren Blockade die Kokaininduktion stiller Synapsen sowie die durch Kokain ausgelöste Sensibilisierung des Bewegungsapparats verhindert (24, 35). Die hier gezeigten synaptischen Effekte einer kurzfristigen ΔFosB-Überexpression in Kombination mit der Tatsache, dass die Verabreichung von Kokain ΔFosB bei Mäusen stark induziert (7) legen nahe, dass die Verabreichung von Kokain auch bei Mäusen stille Synapsen in NAc-MSNs erzeugt, wenn auch auf zelltypspezifische Weise. Ob die Induktion beider Transkriptionsfaktoren für diese medikamenteninduzierten synaptischen Veränderungen notwendig ist, muss weiter untersucht werden. Ter Beobachtung, dass CREB und [Zuwachs]FosB kann beide stille Synapsen in NAc-MSNs induzieren. Dies ist angesichts der substanziellen Beweise dafür interessant, dass sie gegensätzliche Verhaltensphänotypen vermitteln: langfristig [Zuwachs]FosB fördert die Kokainbelohnung, CREB übt den gegenteiligen Effekt aus (3, 6). Allerdings kurzfristig [Zuwachs]Die Überexpression von FosB in induzierbaren bitransgenen Mäusen dämpfte die Verhaltenseffekte von Kokain (36), ein Ergebnis, das möglicherweise niedrigere Werte widerspiegelt [Zuwachs]FosB induzierte zu diesem Zeitpunkt oder die direkten Folgen der kürzeren Expressionsperioden. Die hier vorgestellten Ergebnisse legen die erstere Möglichkeit nahe, da kurze Zeiträume mit hohen HSV-vermittelten Überexpressionen vorliegen [Zuwachs]FosB in D1-NAc-MSNs verstärkte ebenso wie die längerfristige Expression die Verhaltenseffekte von Kokain. Offensichtlich sind weitere Arbeiten erforderlich, um die paradoxen Auswirkungen der Induktion von CREB versus zu verstehen [Zuwachs]FosB im NAc. Eine Erklärung könnte die Zelltypspezifität ihrer Wirkung sein, da sie durch Kokain induziert wird [Zuwachs]FosB ist selektiv für D1-MSNs, wohingegen die CREB-Induktion in D1- und D2-MSNs sowie in einigen GABAergen Interneuronen gleichermaßen auftritt (3). Es wird auch von entscheidender Bedeutung sein, die zahlreichen Zielgene zu identifizieren, durch die diese Transkriptionsfaktoren ihre elektrophysiologischen und Verhaltenseffekte auslösen.

Das NAc ist eine komplexe Gehirnregion, die aus einer heterogenen Mischung mehrerer Zelltypen mit unterschiedlichen Rollen in mehreren miteinander verbundenen Schaltkreisen und Verhaltensausgängen besteht (1, 3). Hier konzentrieren wir uns speziell auf MSNs, da sie die Projektionsneuronen des NAc sind und ihre funktionelle Leistung direkt mit suchtbezogenen Verhaltensweisen verknüpft ist (5, 37, 38) und Veränderungen im erregenden Antrieb auf NAc-MSNs führen zu suchtähnlichen Verhaltensstörungen (39). Mehrere Proteine, die durch Drogen reguliert werden, wurden mit Veränderungen in der Physiologie von NAc-MSNs in Verbindung gebracht (4, 19, 40, 41). Während einige frühere Studien die synaptischen Unterschiede zwischen MSNs mit direktem und indirektem Signalweg untersucht haben (2, 4) und andere haben sich auf Unterschiede zwischen der NAc-Shell- und den Kern-Subregionen konzentriert (16) wurde bisher kein vollständiges Bild davon geliefert, wie ein bestimmtes Protein die Physiologie beider MSN-Subtypen in beiden NAc-Subregionen beeinflusst. Wir zeigen nun den kurzfristigen Ausdruck von [Zuwachs]FosB hat zelltypspezifische und regionalspezifische Auswirkungen auf die erregenden synaptischen Eigenschaften von NAc-MSNs und dass diese molekulare Manipulation speziell in D1-NAc-MSNs die Verhaltensreaktionen auf Kokain verstärkt. Da die beiden Zelltypen in beiden Subregionen gemeinsame Proteine ​​und Signalwege aufweisen, jedoch unterschiedliche Auswirkungen auf das Verhalten haben, stellen diese Ergebnisse einen ersten Schritt für ein umfassendes Verständnis der molekularen und Kreislaufanpassungen im NAc dar, die durch Drogenmissbrauch verursacht werden. Zukünftige Arbeiten müssen definieren, ob diese synaptischen Veränderungen bevorzugt an bestimmten Eingängen in den NAc auftreten und ob zwischen diesen ein direkter kausaler Zusammenhang besteht [Zuwachs]FosB-induzierte synaptische und Verhaltensänderungen, und ob die Verabreichung von Missbrauchs- oder Stressmedikamenten beides induziert [Zuwachs]FosB verursachen ähnliche synaptische und Verhaltensanpassungen.

Methoden

Eine detaillierte Beschreibung der Methoden finden Sie unter SI-Methoden.

In allen Experimenten wurden erwachsene männliche Mäuse mit heterozygoten bakteriellen künstlichen Chromosomen (BAC) (8–12 Wochen) verwendet und in Gruppen von zwei bis fünf pro Käfig in einem 12/12-Stunden-Hell/Dunkel-Zyklus gehalten, wobei Futter und Wasser zur Verfügung standen jederzeit. Elektrophysiologische Studien verwendeten D1-tdTomato-Mäuse, die auf C57/Bl6 rückgekreuzt wurden (21). Für Verhaltensexperimente und dendritische Wirbelsäulenanalysen wurden D1- und D2-Cre-Mäuse verwendet, die in altersentsprechende Gruppen eingeteilt waren (5, 42). Alle Experimente wurden in Übereinstimmung mit den Richtlinien der Institutional Animal Care and Use Committees (IACUC) der Stanford University und der Mount Sinai School of Medicine durchgeführt.

Ergänzungsmaterial

Zusätzliche Informationen:   

Anerkennungen

Wir danken den Mitgliedern der Malenka- und Nestler-Labors für hilfreiche Kommentare im Verlauf dieses Projekts. Diese Arbeit wurde durch die Zuschüsse 1K99DA031699 des National Institute on Drug Abuse (an B.A.G.) und P01 DA008227 (an E.J.N. und R.C.M.) sowie den Zuschuss R01 MH51399 des National Institute of Mental Health (an E.J.N.) unterstützt.

Fußnoten

Die Autoren erklären keinen Interessenkonflikt.

Dieser Artikel enthält ergänzende Informationen online unter www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1221742110/-/DCSupplemental.

Referenzen

1. Lüscher C, Malenka RC. Durch Drogen hervorgerufene synaptische Plastizität bei Sucht: Von molekularen Veränderungen bis zum Umbau von Schaltkreisen. Neuron. 2011;69(4):650–663. [PubMed]
2. Grueter BA, Rothwell PE, Malenka RC. Integration synaptischer Plastizität und striataler Schaltkreisfunktion in der Sucht. Aktuelle Meinung Neurobiol. 2012;22(3):545–551. [PMC freier Artikel] [PubMed]
3. Robison AJ, Nestler EJ. Transkriptionelle und epigenetische Mechanismen der Sucht. Nat Rev Neurosci. 2011;12(11):623–637. [PMC freier Artikel] [PubMed]
4. Grueter BA, Brasnjo G, Malenka RC. Postsynaptisches TRPV1 löst eine zelltypspezifische Langzeitdepression im Nucleus accumbens aus. Nat Neurosci. 2010;13(12):1519–1525. [PMC freier Artikel] [PubMed]
5. Lobo MK, et al. Der zelltypspezifische Verlust des BDNF-Signals ahmt die optogenetische Kontrolle der Kokainbelohnung nach. Wissenschaft. 2010;330(6002):385–390. [PMC freier Artikel] [PubMed]
6. Nestler EJ. Rezension. Transkriptionsmechanismen der Sucht: Rolle von DeltaFosB. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2008;363(1507):3245–3255. [PMC freier Artikel] [PubMed]
7. Kelz MB, et al. Die Expression des Transkriptionsfaktors DeltaFosB im Gehirn steuert die Empfindlichkeit gegenüber Kokain. Natur. 1999;401(6750):272–276. [PubMed]
8. Zachariou V, et al. Eine wesentliche Rolle für DeltaFosB im Nucleus accumbens bei der Morphinwirkung. Nat Neurosci. 2006;9(2):205–211. [PubMed]
9. Colby CR, Whisler K, Steffen C, Nestler EJ, Self DW. Die typspezifische Überexpression von DeltaFosB im Striatum erhöht den Anreiz für Kokain. J Neurosci. 2003;23(6):2488–2493. [PubMed]
10. Nikulina EM, Marchand JE, Kream RM, Miczek KA. Eine Verhaltenssensibilisierung gegenüber Kokain nach einem kurzen sozialen Stress geht mit Veränderungen der Fos-Expression im Hirnstamm der Maus einher. Gehirn Res. 1998;810(1-2):200–210. [PubMed]
11. Miczek KA, Nikulina E, Kream RM, Carter G, Espejo EF. Verhaltenssensibilisierung gegenüber Kokain nach einem kurzen sozialen Niederlagenstress: c-fos-Expression im PAG. Psychopharmakologie (Berl) 1999;141(3):225–234. [PubMed]
12. Miczek KA, Nikulina EM, Shimamoto A, Covington HE., 3. Eskalierte oder unterdrückte Kokainbelohnung, tegmentaler BDNF und akkumuliertes Dopamin, verursacht durch episodischen versus kontinuierlichen sozialen Stress bei Ratten. J Neurosci. 2011;31(27):9848–9857. [PMC freier Artikel] [PubMed]
13. Covington HE, 3rd, et al. Eine Rolle der repressiven Histonmethylierung bei der durch Kokain verursachten Anfälligkeit für Stress. Neuron. 2011;71(4):656–670. [PMC freier Artikel] [PubMed]
14. Lim BK, Huang KW, Grueter BA, Rothwell PE, Malenka RC. Anhedonie erfordert MC4R-vermittelte synaptische Anpassungen im Nucleus accumbens. Natur. 2012;487(7406):183–189. [PMC freier Artikel] [PubMed]
15. Vialou V, et al. DeltaFosB in Belohnungsschaltkreisen des Gehirns vermittelt die Widerstandsfähigkeit gegenüber Stress und antidepressiven Reaktionen. Nat Neurosci. 2010;13(6):745–752. [PMC freier Artikel] [PubMed]
16. Kourrich S, Thomas MJ. Ähnliche Neuronen, entgegengesetzte Anpassungen: Die Erfahrung mit Psychostimulanzien verändert die Feuerungseigenschaften im Kern des Accumbens gegenüber der Hülle unterschiedlich. J Neurosci. 2009;29(39):12275–12283. [PMC freier Artikel] [PubMed]
17. Maze I et al. Wesentliche Rolle der Histon-Methyltransferase G9a bei der kokaininduzierten Plastizität. Wissenschaft. 2010;327(5962):213–216. [PMC freier Artikel] [PubMed]
18. Robison AJ, et al. Verhaltens- und strukturelle Reaktionen auf chronisches Kokain erfordern eine Feed-Forward-Schleife [Zuwachs]FosB und CaMKII in der Schale des Nucleus accumbens. J Neurosci. 2013 im Druck.
19. Dong Y, et al. CREB moduliert die Erregbarkeit von Neuronen des Nucleus accumbens. Nat Neurosci. 2006;9(4):475–477. [PubMed]
20. Pulipparacharuvil S, et al. Kokain reguliert MEF2, um die synaptische und Verhaltensplastizität zu kontrollieren. Neuron. 2008;59(4):621–633. [PMC freier Artikel] [PubMed]
21. Shuen JA, Chen M, Gloss B, Calakos N. Drd1a-tdTomato BAC transgene Mäuse zur gleichzeitigen Visualisierung mittelgroßer stacheliger Neuronen in den direkten und indirekten Bahnen der Basalganglien. J Neurosci. 2008;28(11):2681–2685. [PubMed]
22. Kauer JA, Malenka RC. Synaptische Plastizität und Sucht. Nat Rev Neurosci. 2007;8(11):844–858. [PubMed]
23. Conrad KL, et al. Die Bildung von Accumbens-GluR2-fehlenden AMPA-Rezeptoren vermittelt die Inkubation des Verlangens nach Kokain. Natur. 2008;454(7200):118–121. [PMC freier Artikel] [PubMed]
24. Brown TE, et al. Ein stiller Synapsen-basierter Mechanismus zur durch Kokain induzierten Bewegungssensibilisierung. J Neurosci. 2011;31(22):8163–8174. [PMC freier Artikel] [PubMed]
25. Isaac JT, Nicoll RA, Malenka RC. Hinweise auf stille Synapsen: Implikationen für die Expression von LTP. Neuron. 1995;15(2):427–434. [PubMed]
26. Liao D, Hessler NA, Malinow R. Aktivierung postsynaptisch stiller Synapsen während der paarungsinduzierten LTP in der CA1-Region des Hippocampusschnitts. Natur. 1995;375(6530):400–404. [PubMed]
27. Kerchner GA, Nicoll RA. Stille Synapsen und die Entstehung eines postsynaptischen Mechanismus für LTP. Nat Rev Neurosci. 2008;9(11):813–825. [PMC freier Artikel] [PubMed]
28. Marie H, Morishita W, Yu X, Calakos N, Malenka RC. Erzeugung stiller Synapsen durch akute in vivo-Expression von CaMKIV und CREB. Neuron. 2005;45(5):741–752. [PubMed]
29. Kullmann DM. Amplitudenschwankungen von Zweikomponenten-EPSCs in Pyramidenzellen des Hippocampus: Auswirkungen auf die langfristige Potenzierung. Neuron. 1994;12(5):1111–1120. [PubMed]
30. Robinson TE, Kolb B. Strukturelle Plastizität in Verbindung mit der Exposition gegenüber Missbrauchsdrogen. Neuropharmakologie. 2004; 47 (Zusatz 1): 33-46. [PubMed]
31. Russo SJ, et al. Die süchtige Synapse: Mechanismen der synaptischen und strukturellen Plastizität im Nucleus accumbens. Trends Neurosci. 2010;33(6):267–276. [PMC freier Artikel] [PubMed]
32. Lee KW, et al. Kokaininduzierte Bildung von dendritischen Dornen in D1- und D2-Dopaminrezeptor-haltigen mittelgroßen Dornneuronen im Nucleus accumbens. Proc Natl Acad Sci USA. 2006;103(9):3399–3404. [PMC freier Artikel] [PubMed]
33. Bourne JN, Harris KM. Ausgleich von Struktur und Funktion an dendritischen Stacheln des Hippocampus. Annu Rev Neurosci. 2008;31:47–67. [PMC freier Artikel] [PubMed]
34. Chen J, et al. Regulierung von Delta-FosB und FosB-ähnlichen Proteinen durch Elektrokrampfanfälle und Kokainbehandlungen. Mol Pharmacol. 1995;48(5):880–889. [PubMed]
35. Huang YH, et al. In-vivo-Erfahrung mit Kokain erzeugt stille Synapsen. Neuron. 2009;63(1):40–47. [PMC freier Artikel] [PubMed]
36. McClung CA, Nestler EJ. Regulierung der Genexpression und Kokainbelohnung durch CREB und [Zuwachs]FosB. Nat Neurosci. 2003;11:1208–1215. [PubMed]
37. Covington HE, 3rd, et al. Antidepressive Wirkung der optogenetischen Stimulation des medialen präfrontalen Kortex. J Neurosci. 2010;30(48):16082–16090. [PMC freier Artikel] [PubMed]
38. Stefanik MT, et al. Optogenetische Hemmung der Kokainsuche bei Ratten. Süchtiger Biol. 2013;18(1):50–53. [PMC freier Artikel] [PubMed]
39. Lobo MK, Nestler EJ, Covington HE., III Möglicher Nutzen der Optogenetik bei der Untersuchung von Depressionen. Biologische Psychiatrie. 2012;71(12):1068–1074. [PMC freier Artikel] [PubMed]
40. McCutcheon JE, Wang X, Tseng KY, Wolf ME, Marinelli M. Calcium durchlässige AMPA-Rezeptoren sind in Nucleus accumbens Synapsen nach längerem Entzug von Kokain-Selbstverabreichung vorhanden, aber nicht von Experimentator verabreichtem Kokain. J Neurosci. 2011; 31 (15): 5737-5743. [PMC freier Artikel] [PubMed]
41. Kim J, Park BH, Lee JH, Park SK, Kim JH. Zelltypspezifische Veränderungen im Nucleus accumbens durch wiederholte Kokainexposition. Biologische Psychiatrie. 2011;69(11):1026–1034. [PubMed]
42. Gong S, et al. Zielgerichtete Cre-Rekombinase auf bestimmte Neuronenpopulationen mit bakteriellen künstlichen Chromosomenkonstrukten. J Neurosci. 2007;27(37):9817–9823. [PubMed]