Drug-evozierte Potenzierung an exzitatorischen Synapsen in der VTA

Eine bahnbrechende Studie von Ungless und Kollegen in 2001 zeigten, dass eine einmalige Exposition gegenüber Kokain eine erhöhte synaptische Stärke an exzitatorischen Synapsen auf VTA-DA-Neuronen verursachte, wenn 24 h später in Hirnschnitten gemessen wurde (Ungless et al., 2001). Dies wurde als eine Zunahme des Verhältnisses von AMPA-vermittelten exzitatorischen postsynaptischen Strömen (EPSCs) gegenüber NMDA-vermittelten EPSCs (als AMPA / NMDA-Verhältnis bezeichnet) gemessen. Es wurde gezeigt, dass nachfolgendes elektrisch evoziertes LTP an exzitatorischen VTA-Synapsen in Kokain-behandelten Mäusen okkludiert war, während LTD verstärkt war. Diese Beobachtungen sowie eine Reihe anderer elektrophysiologischer Messungen zeigten, dass die beobachtete Plastizitätsänderung potentiell ähnliche Mechanismen wie synaptisch hervorgerufene LTP aufwies (Ungless et al., 2001). Es wurde seither gezeigt, dass die Verabreichung von anderen Missbrauchsdrogen, einschließlich Amphetamin, Morphin, Ethanol, Nikotin und Benzodiazepinen, ebenfalls einen Anstieg der synaptischen Stärke in der VTA induzieren kann, ein Effekt, der bei psychoaktiven Arzneimitteln, die kein Missbrauchspotential haben, nicht beobachtet wird (Saal et al., 2003; Gaoet al., 2010; Tan et al., 2010). Diese Beobachtung zeigt eine Konvergenz der zellulären Antworten innerhalb der VTA durch alle missbrauchten Arzneimittel und stellt einen möglichen neuralen Mechanismus bereit, durch den initiale Neuroadaptationen, die der Sucht zugrunde liegen, ausgelöst werden könnten.

Die Wirkung einer nicht kontingenten Arzneimittelverabreichung auf die synaptische VTA-Plastizität wird transient exprimiert und dauert mindestens 5, aber weniger als 10 Tage und es wurde gezeigt, dass sie positiv mit der anfänglichen Entwicklung der Verhaltenssensibilisierung korreliert, aber nicht mit ihrer Expression (Ungless et al., 2001; Saal et al., 2003; Borglandet al., 2004). Wenn Kokain sich selbst verabreicht, ist das Ergebnis ziemlich anders, da die Plastizität in der VTA persistent wird und sogar 90 Tage bis zum Entzug nachgewiesen werden kann (Chen et al., 2008).

Die Potenzierung von glutamatergen Synapsen auf VTA-DA-Zellen ist vermutlich mit der Fähigkeit von Missbrauchsdrogen verknüpft, die extrazelluläre DA in der NAc zu verstärken (Di Chiara und Imperato, 1988) DieEs stellt möglicherweise die Initiierung von "pathologischem" Belohnungslernen dar, wobei ein "Stempeln" von Drogen-Cue-Assoziationen auftritt. In der Tat wurde von NMDA-Rezeptor-abhängigen Erhöhungen der glutamatergen synaptischen Stärke in VTA-DA-Neuronen während des Erwerbs einer Cue-Belohnungs-Assoziation berichtet (Stuber et al., 2008) und kürzlich wurde bestätigt, dass Kokain selektiv das AMPA / NMDA-Verhältnis von VTA-Neuronen, die auf die NAc projizieren, im Gegensatz zur PFC erhöht (Lammel et al., 2011); Es ist gut bekannt, dass die Dopaminübertragung innerhalb der NAc für den Erwerb eines Pawlowschen Verbandes entscheidend ist (Kelley, 2004). So könnte es sein, dass diese Potenzierung von VTA-DA-Neuronen ähnlich wie bei LTP eine neuronale Kodierung darstellen könnte, möglicherweise ein assoziativer Lernprozess, der für frühkokaininduzierte Verhaltensreaktionen essentiell sein kann und langfristige Adaptationen auslösen kann, die Sucht zugrunde liegen. obwohl es nicht den abhängigen Zustand selbst darstellt. Wie von anderen vorgeschlagen, kann es sein, dass süchtig machende Medikamente die Belohnungsschaltung des Gehirns mit vereinigen, um den Wert einer Droge für den Organismus "zu überlesen" (Kauer und Malenka, 2007).

Die Ursprünge der relevanten glutamatergen Projektionen zur VTA, die an der Arzneimittel-induzierten Plastizität beteiligt sind, müssen noch vollständig aufgeklärt werden. Eine Studie hat gezeigt, dass glutamaterge VTA-Synapsen, die durch Projektionen von sowohl VTA selbst als auch dem pedunculopontinalen Kern (PPN) ins Visier genommen werden, eine verstärkte Potenzierung von Kokain zeigen, während nur die Synapsen, die Input von PPN-Afferenzen erhalten, mit Δ potenziert werden⁹-Tetrahydrocannabinol (THC) (Gut und Lupica, 2010). Somit scheint es, dass die speziellen glutamatergen Afferenzen, die an der medikamenteninduzierten Potenzierung beteiligt sind, gemäß dem fraglichen Medikament variieren können, und es kann auch der Fall sein, dass eine bestimmte Projektion für alle Arzneimittel-hervorgerufene exzitatorische Plastizität in der VTA gemeinsam ist; Letzteres ist noch zu bestimmen. TDie VTA erhält umfangreiche Projektionen aus mehreren Gehirnregionen, einschließlich PFC, Amygdala und Subthalamus-Kern (Geisler und Wise, 2008), von denen viele das Burst-Feuern von VTA-DA-Neuronen beeinflusst haben (Grillner und Mercuri, 2002). Zukünftige Experimente, die optogenetische Techniken verwenden, könnten helfen, die bestimmten Projektionen zu bestimmen, die für die durch Arzneimittel hervorgerufene Potenzierung an VTA-Synapsen verantwortlich sind, die als Reaktion auf verschiedene Missbrauchsdrogen beobachtet wurden, und geben damit Aufschluss über die genaue Natur dieser Neuroadaptation.

Mechanismen, die der durch Drogen hervorgerufenen synaptischen Plastizität an der exzitatorischen Synapse in der VTA zugrunde liegen

Wie bei elektrisch induziertem LTP in Mittelhirn-DA-Neuronen wurde gezeigt, dass der Anstieg der synaptischen Stärke in der VTA sowohl durch Kokain als auch durch Nikotin induziert wird abhängig von der Aktivierung des NMDA-Rezeptors (Bonci und Malenka, 1999; Ungless et al., 2001; Mao et al., 2011). Im Gegensatz dazu wurde kürzlich gezeigt, dass die Aufrechterhaltung der durch Kokain hervorgerufenen Potenzierung die Aktivität der Proteinkinase Mζ erfordert (Ho et al., 2012), eine autonom aktive Proteinkinase C (PKC) -Isoform, während Spike-Timing-abhängige LTP in VTA-DA-Neuronen von nicht-naiven Mäusen von konventionellen PKC-Isoformen abhängt (Luu und Malenka, 2008). Im Falle von Nikotin erfordert die VTA-synaptische Potenzierung die Anregung von DA-Neuronen, die durch somatodendritische α4β2-nikotinische Acetylcholinrezeptoren (nAChRs) vermittelt werden (Mao et al., 2011). Nikotininduzierte Erhöhungen der präsynaptischen Glutamatfreisetzung tragen ebenfalls zur Induktion dieser besonderen synaptischen Plastizität bei, wahrscheinlich durch verstärkte Aktivierung von NMDA-Rezeptoren (Mao et al., 2011).

Über die Mechanismen, die der Kokain-induzierten synaptischen Plastizität zugrunde liegen, ist relativ mehr bekannt als die zugrundeliegende Plastizität, die durch andere Missbrauchsdrogen induziert wird. Kokain-Applikation auf Mittelhirn-Schnitte führt zu einer Potenzierung der NMDA-Rezeptor-Übertragung innerhalb von Minuten und es wird vorgeschlagen, über die Insertion von NR2B-enthaltenden NMDARs in Synapsen durch einen Mechanismus, der die Aktivierung von D erfordert, zu erfolgen₅ Rezeptoren und neue Proteinsynthese (Schilstrom et al., 2006; Argilli et al., 2008). Es wurde auch gezeigt, dass Orexin A sowohl für die schnelle Cocain-induzierte Insertion von NR2B-enthaltenden Rezeptoren als auch für erhöhte AMPA / NMDA-Verhältnisse erforderlich ist; entsprechend das Orexin₁ Es wurde gezeigt, dass der Rezeptorantagonist SB334867 die Entwicklung einer Sensibilisierung gegenüber Kokain verhindert (Borgland et al., 2006). Zusätzlich zu Veränderungen in der Expression der NMDA-Rezeptoruntereinheit wurden erhöhte Spiegel von GluR1-haltigen (GluR2-fehlenden) AMPA-Rezeptoren an Synapsen beobachtet, sobald 3 h nach Kokainexposition erfolgtee (Argilli et al., 2008). Diese Beobachtung in Kombination mit anderen neueren Befunden führte zu der Hypothese, dass die synaptische Insertion von hochleitfähigen GluR2-freien Rezeptoren zur Expression von Kokain-induzierter synaptischer Potenzierung in der VTA beiträgt (Dong et al., 2004; Bellone und Luscher, 2006; Mameli et al., 2007; Brown et al., 2010; Mameli et al., 2011), siehe Kritiken (Kauer und Malenka, 2007; Wolf und Tseng, 2012). Diese Insertion von GluR2-fehlenden AMPA-Rezeptoren hängt von der NMDA-Rezeptorübertragung in VTA-DA-Neuronen ab, da sie in Mäusen fehlt, denen funktionelle NMDA-Rezeptoren in DA-Neuronen fehlen (Engblom et al., 2008; Mameli et al., 2009). ichDie Insertion von GluR2-fehlenden AMPA-Rezeptoren ist signifikant, da sie einzigartige Eigenschaften haben; Sie sind Calcium-durchlässig, haben eine größere Einzelkanal-Leitfähigkeit als GluR2-enthaltende Rezeptoren und haben daher eine große Kapazität, die synaptische Übertragung zu verändern (Isaacet al., 2007). Daher stellt die Insertion von GluR2-fehlenden AMPA-Rezeptoren in der VTA einen möglichen Mechanismus dar, durch den Missbrauchsdrogen die plastischen Anpassungen initialisieren können, die den Anfangsstadien des Drogenkonsums zugrunde liegen.

Es wurde nun gezeigt, dass die Insertion von GluR2-fehlenden AMPA-Rezeptoren in VTA-erregende Synapsen als Reaktion auf die Verabreichung von Arzneimitteln aus mehreren Klassen, wie Nikotin und Morphin, sowie auf die optogenetische Aktivierung von DA-VTA-Neuronen auftritt (Brown et al., 2010). TDies hat zu dem Vorschlag geführt, dass die Insertion von Calcium-permeablen GluR2-fehlenden AMPA-Rezeptoren einen universellen Mechanismus darstellt, der der medikamenten-evozierten Potenzierung von VTA-Synapsen zugrunde liegen kann (Brown et al., 2010), obwohl die Daten für Amphetamin nicht unbedingt mit dieser Hypothese übereinstimmen (Faleiro et al., 2004). Da GluR2-fehlende AMPA-Rezeptoren nach innen gleichgerichtet sind und somit sehr wenig Strom bei + 40 mV leiten, kann ihre Insertion allein die durch Arzneimittel hervorgerufene Zunahme der AMPA / NMDA-Verhältnisse nicht erklären. Eine kürzlich durchgeführte Studie, die einheitliche synaptische Reaktionen durch eine stark lokalisierte Glutamatquelle (Zweiphotonenphotolyse von Caged Glutamate) zeigte, zeigte, dass die Kokainexposition nicht nur die AMPA-Rezeptor-vermittelten EPSC beeinflusste, sondern auch unitäre NMDA-Rezeptor-vermittelte EPSCs (Mameli et al., 2011), wodurch ein möglicher Mechanismus bereitgestellt wird, mit dem die AMPA / NMDA-Verhältnisse in diesem Szenario erhöht werden könnten (durch Herabsetzung des Nenners des Verhältnisses). Dies muss noch mit anderen Drogen untersucht werden.

Der Arzneimittel-induzierte Austausch von GluR2-haltigen mit GluR2-fehlenden AMPA-Rezeptoren kann durch Aktivierung von mGluR1-Rezeptoren in der VTA umgekehrt werden (Bellone und Luscher, 2006; Mameli et al., 2007). Somit stellt der mGluR1-vermittelte Austausch von AMPA-Rezeptoren einen Mechanismus bereit, der erklären kann, warum die durch Arzneimittel hervorgerufene Potenzierung von VTA-Synapsen vorübergehender Natur ist und 5-, aber nicht 10-Tage anhält (Ungless et al., 2001; Mameli et al., 2007). Wenn die mGluR1-Funktion in der VTA vor der Kokaingabe 24 h reduziert wird, bleibt die Kokain-induzierte Rektifikation nach 7 Tagen bestehen (Mameli et al., 2007, 2009). Daher könnte eine mögliche Erklärung dafür, warum Kokain-hervorgerufene synaptische Verstärkung in der VTA nach der Selbstverabreichung von Kokain besteht (im Gegensatz zur folgenden nicht-kontingenten Verabreichung), sein, dass die Selbstverabreichung von Kokain zu einer Depression der mGluR1-Signalgebung in der VTA führt.

Drogen-evozierte synaptische Plastizität an inhibitorischen Synapsen in der VTA

EXcitatorische Synapsen sind nicht die einzige Art von Synapsen in VTA-DA-Neuronen, die von einer nicht-kontingenten Verabreichung von Missbrauchsdrogen betroffen sind. Inhibitorische Synapsen in der VTA spielen auch eine kritische Rolle bei der Steuerung der Feuerrate von DA-Neuronen, so dass die Plastizität an GABAergen Synapsen die DA-Übertragung dramatisch beeinflussen kann. In der Tat können Kokain, Morphin und Ethanol die inhibitorische synaptische Plastizität in der VTA beeinflussen (Melis et al., 2002; Liu et al., 2005; Nugent et al., 2007). Wiederholte Kokain-Exposition in vivo für 5-7 Tage verursacht eine Verringerung der Amplituden der GABA-vermittelten synaptischen Ströme, wodurch die LTP-Induktion in VTA-Zellen erleichtert wird, indem die Stärke der GABAergen Hemmung verringert wird (Liuet al., 2005). Nachfolgende Studien zeigen den Mechanismus dieser Hemmung zu sein Endocannabinoid-abhängige LTD an GABAergen Synapsen Aktivierung von ERK1 / 2 (Pan et al., 2008, 2011). GABA_A Rezeptor-Synapsen an VTA-Dopamin-Neuronen zeigen ebenfalls ein robustes NMDA-abhängiges LTP (LTP genannt)_GABA) als Reaktion auf die Hochfrequenzstimulation (Nugent et al., 2007). Diese LTP_GABA fehlt in VTA-Slices 2 und / oder 24 h nach in vivo Verabreichung von Morphin, Nikotin, Kokain oder Ethanol (Nugent et al., 2007; Guan und Ye, 2010; Niehaus et al., 2010). Im Falle von Ethanol die Verhinderung von LTP_GABA wird durch den μ-Opioidrezeptor (Guan und Ye, 2010) Zusammen mit synaptischer Potenzierung an exzitatorischen Synapsen, dieser Verlust von LTP_GABA sollte das Feuern von VTA-DA-Neuronen nach der Arzneimittelexposition erhöhen.

Eine langsame GABA-Übertragung hat sich ebenfalls in jüngster Zeit als von Missbrauchsdrogen betroffen erwiesen. So ist eine einzelne Dosis Methamphetamin oder Kokain ausreichend, um die Fähigkeit von GABA signifikant zu schwächen_B Rezeptoren zur Kontrolle der VTA-GABA-Neuronenfeuerung, wenn sie gemessen werden ex vivo 24 h später (Padgett et al., 2012). Der Methamphetamin-induzierte Verlust des langsamen inhibitorischen postsynaptischen Potentials (IPSC) resultiert aus einer Reduktion von GABA_B -Rezeptor-G-Protein-gekoppelte nach innen korrigierende Kaliumkanal (GIRK) -Ströme, aufgrund von Änderungen in Protein-Trafficking, und wird von einer signifikanten Abnahme der Empfindlichkeit der präsynaptischen GABA begleitet_B Rezeptoren in GABA-Neuronen der VTA. Im Gegensatz zu medikamenteninduzierten Einflüssen auf GABA_A Synapsen dieser Depression von GABA_BR-GIRK-Signalgebung besteht noch Tage nach der Injektion (Padgett et al., 2012).

Verhaltenskorrelate der Arzneimittel-hervorgerufenen Potenzierung in VTA-DA-Zellen

Wie zuvor erwähnt, wird der Effekt einer nicht-kontingenten Arzneimittelverabreichung auf die synaptische Plastizität in VTA-DA-Neuronen transient exprimiert, der mindestens 5, aber weniger als 10 Tage andauert und sich positiv mit der anfänglichen Entwicklung der Verhaltenssensibilisierung, aber nicht mit dessen Expression korreliert (Ungless et al., 2001; Saal et al., 2003; Borglandet al., 2004). Zur Unterstützung der Hypothese, dass die durch Arzneimittel hervorgerufene Potenzierung von VTA-Synapsen die Induktion einer Verhaltenssensibilisierung darstellt, reduziert die intra-VTA-Verabreichung von Glutamatantagonisten die virusvermittelte GluR1-Hochregulierung die lokomotorisch sensibilisierenden Eigenschaften von Arzneimitteln (Carlezon et al., 1997; Carlezon und Nestler, 2002). Ein starker Beweis für eine NR2A- und B-haltige NMDA-Rezeptorbeteiligung wird durch die Beobachtung erbracht, dass die pharmakologische Inhibierung entweder die Entwicklung einer Sensibilisierung und die damit verbundene Kokain-induzierte Zunahme der AMPA / NMDA-Verhältnisse verhindert (Schumann et al., 2009). Mäuse mit gezielter Deletion von NR1 oder GluR1 (selektiv für Mittelhirn-DA-Neuronen) oder globale GluR1-Deletion zeigen jedoch eine intakte Sensibilisierung des Verhaltens und zeigen dennoch beeinträchtigte AMPA-Rezeptorströme nach Kokainbehandlung (Dong et al., 2004; Engblom et al. 2008). Eine zusätzliche Wendung ergibt sich aus der Beobachtung, dass CPP und konditioniertes lokomotorisches Verhalten in GluR1-Knockout-Mäusen fehlt (Dong et al., 2004) und das Aussterben von Kokain CPP fehlt bei Mäusen mit GluR1-Deletion, die auf Mittelhirn-DA-Neuronen abzielen (Engblom et al., 2008), während in NR1-Knockout-Mäusen die Wiederaufnahme von Kokain-CPP und die Expression von Verhaltenssensibilisierung abgeschwächt ist (Engblom et al., 2008; Zweifel et al. 2008). Somit ist es möglich, selbst unter Berücksichtigung einer möglichen Entwicklungskompensation in mutierten Mäusen und / oder einer möglichen unvollständigen Deletion, dass neurale Prozesse, die die durch Arzneimittel hervorgerufene Potenzierung von DA-Neuronen und die Verhaltenssensibilisierung steuern, dissoziiert sind. Es kann vielmehr sein, dass die Potenzierung von VTA-Synapsen zur Zuschreibung von Anreizsalienzen zu drogenassoziierten Signalen beiträgt.

Die Messung von synaptischen Veränderungen nach nicht-konditionaler Verabreichung von Medikamenten ist hinsichtlich der Information über den tatsächlichen Krankheitszustand der Abhängigkeit begrenzt. Relevanter für den menschlichen Zustand sind Studien, in denen Änderungen der synaptischen Plastizität gemessen werden, die der konditionellen Verabreichung von Medikamenten folgen, zB operante Selbst-Verabreichung. In dieser Hinsicht ist die durch Selbstverabreichung von Kokain induzierte synaptische Verstärkung von VTA-DA-Zellen einzigartig persistent, hält 3 Monate in Abstinenz und zeigt sich als resistent gegen Extinktionstraining (Chen et al., 2008). Obwohl es ursprünglich als vorübergehendes Ereignis vorgeschlagen wurde, scheint es, dass die durch Drogen hervorgerufene Plastizität in der VTA die Fähigkeit besitzt, langanhaltend zu sein, was zeigt, dass die Verabreichungsmethode (kontingent oder nichtkontingent) eine kritische Determinante für ihre Langlebigkeit ist . Dies wird durch die Beobachtung gestützt, dass die jokierten Kontrollen in dieser Studie keinen ähnlichen Anstieg des AMPA / NMDA-Verhältnisses zeigten; Es ist naheliegend, dass das Lernen der Suggestion oder der Verknüpfung von Handlung und Ergebnis die Plastizität antreibt. Im Gegensatz dazu führt die Selbstverabreichung von Nahrung oder Saccharose unter ähnlichen Parametern zu einem Anstieg der AMPA / NMDA-Verhältnisse, der für 7-, jedoch nicht für 21-Tage in Abstinenz besteht, nachweislich vorübergehend im Vergleich zu Kokain (Chen et al., 2008). Die mangelnde Persistenz von nahrungsmittelinduzierter Plastizität zeigt, dass die Veränderung der synaptischen Stärke, die durch Kokain induziert wird, nicht nur eine neuronale Repräsentation der instrumentellen Lernprozesse oder der Cue-Reward-Lernprozesse im operanten Selbstverwaltungsparadigma ist an sicheher eine drogenspezifische Wirkung, die möglicherweise eine pathologische Verstärkung von Drogen-Cue-Assoziationen darstellt. Wie bereits erwähnt, wurde auch bei der Vorhersage der Belohnung ein Anstieg der AMPA / NMDA-Verhältnisse in der VTA festgestellt, allerdings nicht so persistent, was eine Rolle für diese Modifikation der exzitatorischen synaptischen Funktion beim Belohnungslernen unterstützt (Stuber et al., 2008).

Interessanterweise ist das Ausmaß des Anstiegs des AMPA / NMDA-Verhältnisses unabhängig von der Anzahl der Injektionen ähnlich (single vs. multiple)., Verwaltungsprotokoll (kontingent vs. nicht kontingent) und Zugangsdauer (beschränkter Zugang vs. erweiterter Zugang) (Borgland et al., 2004; Chen et al., 2008; Mameli et al., 2009). Dies zeigt, dass der Anstieg des AMPA / NMDA-Verhältnisses, der in VTA-DA-Zellen beobachtet wird, möglicherweise ein permissives Ereignis ist, möglicherweise "Salienz" im Gegensatz zu einer Initiierung der zugrundeliegenden Neuropathologie, die vermutlich mit fortgesetzter Exposition zunehmen würde.

Drogen-evozierte Plastizität an exzitatorischen Synapsen im NAc

Im Gegensatz zur VTA verursacht eine einzelne Kokaininjektion keine Erhöhung der synaptischen Stärke in der NAc, wenn XnUMX h später gemessen wird (Thomas et al., 2001; Kourrich et al. 2007). Diese Beobachtung und die bidirektionale Zeitskala, die bei wiederholter Verabreichung und Entnahme folgt, dweist darauf hin, dass sich die medikamenteninduzierte Plastizität in NAc deutlich von der in der VTA beobachteten unterscheidet. Tatsächlich, Wenn wiederholte Injektionen von Kokain verabreicht werden (um eine Verhaltenssensibilisierung zu induzieren), wird eine Verringerung des AMPA / NMDA-Verhältnisses an NAc-Schalensynapsen beobachtet, wenn 24 h nach der letzten Verabreichung gemessen wirdn (Kourrich et al., 2007). Diese synaptische Depression von wiederholtem Kokain scheint mit der Plastizität in der VTA verbunden zu sein; nach selektiver Unterbrechung der mGluR1-Funktion in der VTA ist dann nur eine einzige Injektion von Kokain erforderlich, um die gleiche Depression von NAc-Synapsen zu verursachen (Mameli et al., 2009). TDie Autoren dieser Studie postulieren, dass eine verstärkte Anregung von VTA-Projektionen die gleichzeitige Freisetzung von DA und Glutamat in der NAc durch eine verstärkte Freisetzung von DA erleichtern kann. Dies kann dann die Schwelle für die Induktion lokaler Plastizität in der NAc verschieben, indem es die Erregbarkeit der Schaltung beeinflusst oder intrazelluläre Signalprozesse integriert (Mameli et al., 2009).

Die funktionelle Bedeutung der Depression von NAc-Synapsen bei akutem Entzug ist in diesem Stadium unklar. Eine mögliche Erklärung könnte sein, dass die Depression von NAc-Medium-Spiny-Neuronen (MSNs) ihre Reaktion auf natürliche Belohnungsreize reduziert und somit zur Anhedonie beiträgt, die während des akuten Entzugs auftritt. Es könnte auch sein, dass die beobachtete Abnahme des AMPA / NMDA-Verhältnisses das Ergebnis der Membraninsertion von NR2B-haltigen NMDA-Rezeptoren ist (wodurch der Nenner des Verhältnisses erhöht wird), wenn neue stumme Synapsen in der NAc-Schale bei Kokainexposition gefunden werden (Huang et al., 2009). Es wird angenommen, dass stille glutamaterge Synapsen, die funktionelle NMDA-Rezeptor-vermittelte Ströme in Abwesenheit von AMPA-Rezeptor-vermittelten Strömen exprimieren, eine erhöhte Fähigkeit zur Verstärkung der synaptischen Transmission besitzen (Isaac et al., 1995). Einmal erzeugt, können diese stillen Synapsen die Rekrutierung von AMPA-Rezeptoren erleichtern, wodurch die exzitatorische synaptische Übertragung verstärkt wird. Dies stellt einen möglichen Mechanismus bereit, um Erhöhungen des Oberflächenpegels von AMPA-Rezeptoren und das nachfolgende AMPAR / NMDAR-Verhältnis zu erklären, das in der NAc während eines protrahierten Entzugs beobachtet wird (Boudreau und Wolf, 2005; Boudreauet al., 2007; Kourrich et al. 2007; Conrad et al., 2008). NR2B-haltige NMDA-Rezeptoren in der NAc könnten auch an der Bildung von Assoziationen im Drogenkontext beteiligt sein, da der siRNA-Knockdown dieser Untereinheit Morphin-CPP in Mäusen, aber nicht die Verhaltenssensibilisierung verhindert (Kao et al., 2011).

Im Gegensatz zu Kokain führt eine wiederholte Behandlung mit intermittierender Ethanolexposition zu einer Potenzierung von Synapsen als Reaktion auf ein zuvor LTD-induzierendes Stimulationsprotokoll, wenn 24 h nach der letzten Exposition gemessen wurde (Jeanes et al., 2011). Diese NMDA-abhängige Potenzierung ist vorübergehend, da sie nach einer weiteren 48 h des Entzugs abgebaut ist und weder LTP noch LTD induziert werden kann (Jeanes et al., 2011). Die Autoren interpretieren solche robusten Änderungen in der NAc-Plastizität als einen Indikator für die potentielle Bedeutung dieses Prozesses bei Ethanol-induzierten Neuroadaptationen. Darüber hinaus kann Ethanol im Gegensatz zu Psychostimulanzien an NMDA-Rezeptoren wirken und hat daher die Fähigkeit, die glutamaterge Signalgebung direkt zu beeinflussen.

Synaptische Potenzierung beobachtet in der NAc nach einer Periode des Rückzugs

Im Gegensatz zu der Depression, die während des akuten Entzugs beobachtet wurde, wird die Potenzierung der NAc-Shell-Synapsen nach 10-14-Tagen nach Entzug wiederholter Kokain- oder Morphin-Verabreichung beobachtet (Kourrich et al., 2007; Wuet al., 2012). Darüber hinaus, nach 7 Tagen Rückzug von einer einzigen Verabreichung von Kokain, eine Erhöhung der Amplitude von mEPSCs sowie ein Verlust von LTP durch Hochfrequenzstimulation (HFS) induziert wird in beiden NAc-Kern-und Shell-Neuronen gefunden, die Dopamin D exprimieren₁ Rezeptor (Pascoli et al., 2012). Tseine Veränderung in der Fähigkeit, synaptische Plastizität zu induzieren, wird als Metaplastizität bezeichnet. Kokain-induzierte Metaplastizität wird auch nach dem Entzug der Selbstverabreichung von Kokain beobachtet. Daher zeigen Ratten, die sich selbst Kokain gegeben haben, gefolgt von 3-Wochen entweder vom Aussterben oder von der Abstinenz, eine deutliche Wirkung in vivo Defizit in der Fähigkeit, LTP im NAc-Kern nach Stimulation der PFC zu entwickeln. Diese Beobachtung wurde von einer Verschiebung der Eingangs- / Ausgangskurve nach links begleitet, was auf eine Verstärkung der fEPSP-Amplitude hindeutet (Moussawi et al., 2009). Die Potenzierung von NAc-Synapsen wird auch in Form von erhöhten AMPA-vermittelten Strömen nach einer längeren Periode der Abstinenz nach der Selbstverabreichung beobachtet (Conrad et al., 2008). Zusammenfassend legen diese Daten nahe, dass die synaptische Potenzierung in der NAc entweder als eine Funktion der Dauer des Entzugs oder als eine Funktion der Zeit seit der ersten Verabreichung von Kokain entwickelt wird. Eine neuere Studie unterstützt die letztere Interpretation, da ähnliche Zunahmen der Häufigkeit von mEPSCs in D beobachtet wurden₁ Rezeptor-exprimierenden MSNs in Mäusen trotz der Abwesenheit oder Anwesenheit einer verlängerten Wartezeit nach wiederholter Kokainverabreichung (Dobi et al., 2011). Daher scheinen die Ereignisse, die zu Veränderungen der glutamatergen Transmission im NAc führen, einige Zeit zu entwickeln.

Der Beitrag von spezifischen AMPA-Rezeptor-Untereinheiten zu dieser Veränderung variiert entsprechend dem Stadium des Entzugs und der Art der Verabreichung; 10-21-Tage nach Entzug von passiven und selbstverabreichenden GluR2-haltigen AMPA-Rezeptoren scheinen für Veränderungen der AMPA-Übertragung verantwortlich zu sein (Boudreau und Wolf, 2005; Boudreauet al., 2007; Kourrich et al. 2007; Ferrario et al., 2010) während über 21-Tage GluR2-fehlende AMPA-Rezeptoren zu Synapsen hinzugefügt werden. Letzteres scheint nur dann der Fall zu sein, wenn Kokain sich selbst verabreicht (Conrad et al., 2008; McCutcheon et al., 2011), obwohl (Mameli et al., 2009). Angesichts der erhöhten Leitfähigkeit von GluR2-fehlenden AMPA-Rezeptoren kann es sein, dass ihre Insertion als Reaktion auf die Depression von NAc-Synapsen auftritt, die durch die Selbstverabreichung von Kokain verursacht werden, was zu einer erhöhten MSN-Ansprechbarkeit auf erregende Inputs führt, die in Zukunft Kokainsuchen auslösen. In der Tat verhindert die Blockierung von GluR2-fehlenden AMPA-Rezeptoren im NAc die Expression von Inkubations-Cue-induziertem Kokain-Suchen (Conrad et al., 2008) und Kokainsucht, die entweder durch AMPA oder Kokain induziert wird, wird auch durch Injektionen von Antisense-Oligonukleotiden von GluR1-mRNA in die NAc blockiert (Ping et al., 2008).

Arzneimittelexposition nach Entzug kehrt die synaptische Potenzierung in Depression um

Die Zunahme der synaptischen Stärke und Oberflächenexpression von AMPA-Rezeptor-Untereinheiten, die durch Cocain in NAc nach Absetzen von nicht-konditionaler Verabreichung induziert wurde, wird anschließend bei Verabreichung von weiteren Kokain-Injektionen umgekehrt (erneute Challenge) (Thomas et al., 2001; Boudreauet al., 2007; Kourrich et al. 2007; Ferrario et al., 2010). Somit wird synaptische Depression in der NAc-Schale erneut beobachtet, wenn 24 h nach dieser Kokaininjektion gemessen wird (Thomas et al., 2001), obwohl (Pascoli et al., 2012). Im Verhalten scheint dies mit der Expression der Sensibilisierung zu korrelieren, und zumindest im Fall von Amphetamin wurde gezeigt, dass es Clathrin-vermittelt ist und auf GluR2-abhängiger Endozytose von postsynaptischen AMPA-Rezeptoren angewiesen ist (Brebner et al., 2005). Die Abnahme der Oberflächenexpression von AMPA-Rezeptoren nach Cocain-Provokation ist vorübergehend, da sich die Oberflächenexpression innerhalb von 7-Tagen auf Werte wieder erholt, die mit unbelasteten Kokain-vorbehandelten Ratten vergleichbar sind (Ferrario et al., 2010). Als solche scheint es, dass die Geschichte der Kokain-Exposition und des Entzugs leicht die Richtung der synaptischen Plastizität in der NAc verändern kann.

Eine direkte Verbindung wurde kürzlich zwischen der Potenzierung von kortiko-akkumbal Synapsen auf D hergestellt₁ rezeptor-positive Zellen nach 7 Tage Entzug und die Expression von Sensibilisierung. Wie bereits erwähnt, wurde festgestellt, dass diese Synapsen nach einer 7-Tage-Abhebung von einer einzigen Kokaingabe sowohl im Kern als auch in der Hülle (gemessen durch eine Zunahme der mEPSC-Amplitude) potenziert werden und durch HFS induzierte LTP reduziert wird. Dasselbe wurde für Synapsen auf D nicht gefunden₂ Rezeptor-positive Zellen (Pascoli et al., 2012). Wenn optogenetisch umgekehrt in vivo über ein Protokoll, von dem bekannt ist, dass es LTD, cortico-accumbal Synapsen auf D induziert₁-Rezeptor-positive Zellen zeigten reduzierte mEPSCs und die Expression der lokomotorischen Sensibilisierung wurde verhindert. Wichtig ist, dass die Fähigkeit von HFS, LTP zu induzieren, bei diesen Neuronen wiederhergestellt wurde (Pascoli et al., 2012), Dies zeigt eine direkte Verbindung zwischen dieser speziellen synaptischen Adaptation an kortiko-akkumbal Synapsen und dem Ausdruck der Sensibilisierung gegenüber Kokain.

Transkriptionsfaktoren

Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die an spezifische DNA-Sequenzen binden, um die Gentranskription durch Wechselwirkung mit dem RNA-Polymerase-II-Komplex zu regulieren (Mitchell und Tjian, 1989). Transkriptionsfaktoren können als Reaktion auf Umweltreize induziert oder unterdrückt werden, was zu Veränderungen in der Genexpression und letztlich zur neuronalen Funktion führt. Eine Anzahl von Transkriptionsfaktoren wurde für ihre potentielle Rolle bei der Sucht identifiziert, da ihre Expression und Aktivierung in dem mesokortikolimbischen Weg bei der Exposition gegenüber Missbrauchsdrogen reguliert wird. ΔFosB ist ein solcher Transkriptionsfaktor, der aufgrund seiner ungewöhnlichen Stabilität besondere Beachtung fand. & Dgr; FosB ist eine verkürzte Spleißvariante des FosB-Gens, und sie teilt Homologie mit anderen Mitgliedern der Fos-Familie, einschließlich c-Fos, FosB, Fra1 und Fra2, die alle mit Proteinen der Jun-Familie (c-Jun, JunB oder JunD) heterodimerisieren Aktivator Protein-1 (AP-1) Transkriptionsfaktoren (Morgan und Curran, 1995). Diese anderen Fos-Familienmitglieder werden im Striatum als Reaktion auf die akute Verabreichung von Psychostimulanzien schnell induziert, jedoch ist diese Expression aufgrund ihrer Instabilität vorübergehend und kehrt innerhalb von Stunden zu basalen Niveaus zurück (Graybiel et al., 1990; Young und andere, 1991; Hope et al., 1992). Umgekehrt akkumuliert ΔFosB im Striatum nach chronischer Arzneimittelverabreichung, und seine Expression bleibt für mehrere Wochen nach der letzten Arzneimittelexposition bestehen (Hope et al., 1994; Nye et al., 1995; Nye und Nestler, 1996; Pichet al., 1997; Müller und Unterwald, 2005; McDaid et al., 2006). Daten aus Verhaltensexperimenten unterstützen eine Rolle von ΔFosB bei einigen der anhaltenden Wirkungen, die durch Missbrauchsdrogen vermittelt werden. Überexpression von ΔFosB im Striatum führt zu erhöhten lokomotorischen Reaktionen sowohl auf akutes als auch auf chronisches Kokain und erhöht die verstärkenden Eigenschaften von Kokain und Morphin (Kelz et al., 1999; Colbyet al., 2003; Zachariouet al., 2006), während die Hemmung von ΔFosB die entgegengesetzten Verhaltenseffekte hervorruft (Peakman et al., 2003). Aufgrund seiner Fähigkeit, die Anreizmotivationseigenschaften von Missbrauchsdrogen zu erhöhen, wurde vorgeschlagen, dass dieser Transkriptionsfaktor einen "molekularen Schalter" darstellt, der den Übergang zur Sucht erleichtert (Nestler, 2008).

Das cAMP-Response-Element-bindende Protein (CREB) ist ein weiterer Transkriptionsfaktor, der aufgrund seiner vorgeschlagenen Rolle bei der medikamenteninduzierten Plastizität im Mittelpunkt zahlreicher Forschungen steht (McPherson und Lawrence, 2007). CREB wird ubiquitär im Gehirn exprimiert und kann durch eine Vielzahl von intrazellulären Signalwegen aktiviert werden, die in seiner Phosphorylierung an Serin 133 (Mayr und Montminy, 2001). Phosphoryliertes CREB (pCREB) stimuliert die Rekrutierung von CREB-bindendem Protein (CBP), das die Transkription verschiedener Downstream-Gene erleichtert (Arias et al., 1994). pCREB wird bei Einwirkung von Psychostimulanzien im Striatum schnell induziert (Konradi et al., 1994; Kano et al., 1995; Walters und Blendy, 2001; Choeet al., 2002) und es wird vermutet, dass dies ein homöostatischer Mechanismus ist, der Verhaltensreaktionen auf Missbrauchsdrogen entgegenwirkt (McClung und Nestler, 2003; Dong et al., 2006). In Übereinstimmung damit reduziert die Überexpression von CREB in der NAc-Schale die belohnenden Eigenschaften von Kokain in einem CPP-Paradigma, während das Gegenteil bei der Hemmung von CREB in dieser Region beobachtet wird (Carlezon et al., 1998; Pliakaset al., 2001). In ähnlicher Weise verleiht der genetische Knockdown oder die Hemmung von CREB im dorsalen Striatum erhöhte Empfindlichkeit für die lokomotorisch aktivierenden Eigenschaften von Psychostimulanzien, was diese Hypothese weiter stützt (Fasano et al., 2009; Madsenet al., 2012).

Während Daten aus CPP-Experimenten die Idee unterstützen, dass CREB zumindest im Hinblick auf Kokain als negativer Modulator der Belohnung von Drogen wirkt, mag dies eine zu starke Vereinfachung sein. Eine Reihe von Studien mit verschiedenen Techniken zur Veränderung der CREB-Funktion in der NAc-Schale haben gezeigt, dass die Hemmung von CREB die Kokainverstärkung in einem Selbstverwaltungsparadigma reduziert (Choi et al., 2006; Green et al., 2010; Larson et al., 2011), während die Kokainverstärkung durch CREB-Überexpression in dieser Region verstärkt wird (Larson et al., 2011). Diese abweichenden Befunde sind wahrscheinlich auf fundamentale Unterschiede zwischen instrumentellen und pawlowschen Konditionierungsverfahren sowie auf freiwilliger Basis zurückzuführen vs. unfreiwillige Verabreichung von Medikamenten. CPP umfasst assoziative Lernprozesse und wird als indirektes Maß für die hedonischen Eigenschaften eines Medikaments und nicht als Verstärkung von Medikamenten angesehen an sich (Bardo und Bevins, 2000). Die freiwillige Selbstverabreichung von Medikamenten kann durch eine Reihe von emotionalen Faktoren beeinflusst werden, und die Fähigkeit der CREB-Aktivität in NAc, die Reaktionen auf anxiogene Stimuli zu reduzieren (Barrot et al., 2002) und dämpfendes depressives Verhalten (Pliakas et al., 2001) könnte die Neigung zur Selbstmedikation beeinflussen. Interessanterweise führt die Deletion von CREB aus dem PFC zu einer verminderten Motivation, Kokain selbst zu verabreichen (McPherson et al., 2010), die zeigen, dass die Wirkung der CREB-Manipulation auf das Verhalten auch für verschiedene Hirnregionen variiert. Dies ist vielleicht nicht überraschend, da sich das CREB-Transkriptom je nach Zelltyp deutlich unterscheidet (Cha-Molstad et al., 2004) und es wäre daher wichtig, die Veränderungen in der Genexpression zu identifizieren, die stromabwärts von CREB auftreten und zu diesen Phänotypen beitragen. Erschwerend kommt hinzu, dass CREB in der NAc-Schale essentiell für Nikotin CPP ist (Brunzell et al., 2009), was darauf hindeutet, dass die Mechanismen, die der konditionierten Nikotinbelohnung zugrunde liegen, sich von denen unterscheiden, die Kokain und Morphin zugrunde liegen, die beide durch CREB-Hemmung in der NAc-Schale verstärkt werden (Carlezon et al., 1998; Pliakaset al., 2001; Barrotet al., 2002).

Epigenetische Mechanismen

Epigenetik hat eine Reihe von Definitionen, aber in der Neurowissenschaft wird es allgemein als Veränderungen in der Genexpression definiert, die durch Modulation von Chromatin auftreten, die nicht durch Veränderungen in der zugrunde liegenden DNA-Sequenz verursacht werden (McQuown und Wood, 2010). Chromatin beschreibt den Zustand der DNA, wenn sie in der Zelle verpackt ist. Die Grundeinheit des Chromatins ist das Nukleosom, das aus 147-Basenpaaren besteht, die um ein Oktamer gewickelt sind, das aus Paaren der vier Kernhistone (H2A, H2B, H3 und H4) besteht (Luger et al., 1997). Die aminoterminalen Enden dieser Kernhistone können eine Reihe von posttranslationalen Modifikationen durchlaufen, einschließlich Acetylierung, Methylierung, Phosphorylierung, Ubiquitinierung und Sumoylierung (Berger, 2007). Die Addition und Entfernung dieser funktionellen Gruppen von Histonschwänzen wird durch eine große Anzahl von Histon-modifizierenden Enzymen ausgeführt, einschließlich Acetyltransferasen, Deacetylasen, Methyltransferasen, Demethylasen und Kinasen (Kouzarides, 2007). Diese Histonmodifikationen dienen dazu, die Rekrutierung von Transkriptionsfaktoren und anderen Proteinen, die an der Transkriptionsregulation beteiligt sind, zu signalisieren und die Chromatinkonformation zu verändern, um DNA für die Transkriptionsmaschinerie mehr oder weniger zugänglich zu machen (Strahl und Allis, 2000; Kouzarides, 2007; Taverna et al., 2007). Epigenetische Mechanismen stellen daher ein wichtiges Mittel dar, mit dem Umweltreize die Genexpression und letztlich das Verhalten regulieren können.

In jüngster Zeit wurde die Chromatinmodifikation als wichtiger Mechanismus für medikamenteninduzierte Plastizitäts- und Verhaltensänderungen erkannt (Renthal und Nestler, 2008; Bredy et al., 2010; McQuown und Holz, 2010; Labyrinth und Nestler, 2011; Robison und Nestler, 2011). Die ersten Beweise dafür lieferten Experimente von Kumar und Kollegen, die Chromatin-Immunopräzipitation (ChIP) -Assays verwendeten, um zu zeigen, dass Kokain Histonmodifikationen an spezifischen Genpromotoren im Striatum induziert (Kumar et al., 2005). Insbesondere führte die akute Verabreichung von Kokain zu einer Hyperacetylierung von H4 cFos Promotor, während die chronische Verabreichung zu einer H3 - Hyperacetylierung führte BDNF und Cdk5 Promotoren. Die Histonacetylierung beinhaltet die enzymatische Übertragung einer Acetylgruppe auf den N-terminalen Schwanz eines Histons, wodurch die elektrostatische Wechselwirkung zwischen dem Histon und der negativ geladenen DNA neutralisiert und für den Transkriptionsapparat zugänglicher wird (Loidl, 1994). Dies steht im Einklang mit der Fähigkeit von Kokain, die Expression von Transkriptionsfaktoren der Fos-Familie akut zu erhöhen (Graybiel et al., 1990; Young und andere, 1991), während BDNF und Cdk5 nur bei chronischer Exposition induziert werden (Bibb et al., 2001; Grimm et al., 2003).

Ein Histon-hyperacetylierter Zustand kann auch experimentell durch Verabreichung von Histon-Deacetylase (HDAC) -Inhibitoren erreicht werden, und diese Arzneimittel wurden verwendet, um die Wirkungen einer globalen Zunahme der Histonacetylierung auf Verhaltensreaktionen auf Missbrauchsdrogen zu untersuchen. Die systemische Verabreichung von HDAC-Inhibitoren erhöht synergistisch die Hyperacetylierung, die als Reaktion auf Kokain innerhalb des Striatums beobachtet wird (Kumar et al., 2005), und dies potenziert Kokain-induzierte Fortbewegung und Kokainbelohnung (Kumar et al., 2005; Sun et al., 2008; Sanchis-Segura et al. 2009). Die HDAC-Hemmung kann auch die lokomotorische Sensibilisierung gegenüber Ethanol und Morphin erhöhen und die Morphin-CPP erleichtern (Sanchis-Segura et al., 2009), Es wurde jedoch auch festgestellt, dass HDAC-Inhibitoren die Entwicklung einer Sensibilisierung gegenüber einer einzelnen Morphin-Exposition verhindern (Jing et al., 2011), und reduzieren die Motivation zur Selbstverabreichung von Kokain (Romieu et al., 2008). Diese kontrastierenden Befunde können Unterschiede in den Verabreichungsprotokollen widerspiegeln, und vor allem zeigen sie, dass HDAC-Inhibitoren unter allen Umständen nicht wahllos Verhaltensreaktionen auf Arzneimittel potenzieren.

Aufgrund ihrer permissiven Wirkung auf die Gentranskription können HDAC-Inhibitoren auch dazu dienen, bestimmte Arten des Lernens zu erleichtern (Bredy et al., 2007; Lattal et al., 2007). Es wurde kürzlich gezeigt, dass die Verabreichung eines HDAC-Inhibitors nach erneuter Exposition gegenüber einer zuvor Kokain-gepaarten Umgebung die Extinktion von Kokain-induziertem CPP erleichtern kann, und dies ist wahrscheinlich mit erhöhter Histon-H3-Acetylierung in der NAc verbunden (Malvaez et al., 2010). Infusion des HDAC-Inhibitors Suberoylanilid-Hydroxamsäure (SAHA) direkt in die NAc während der Konditionierungsphase von CPP erhöht die konditionierte Kokain-Belohnung (Renthal et al., 2007), was darauf hinweist, dass die HDAC-Inhibierung in dieser Region sowohl belohnungsbezogenes Lernen als auch Extinktionslernen erleichtern kann, abhängig von dem Kontext, in dem das Medikament verabreicht wird. Weitere Experimente haben eine Rolle für HDAC5 gezeigt, und endogenes HDAC, das hoch in der NAc bei der Modulation der Kokainbelohnung exprimiert wird. Die Kokainverabreichung erhöht die HDAC5-Funktion, indem sie ihre Dephosphorylierung und den nachfolgenden Kernimport reguliert, und die Dephosphorylierung von HDAC5 in der NAc beeinträchtigt die Entwicklung eines Kokain-CPP (Taniguchi et al., 2012). In ähnlicher Weise dämpft die Überexpression von HDAC5 in der NAc während der Konditionierungsphase von CPP die Kokainbelohnung, und dieser Effekt kehrt sich bei der Expression einer mutierten Form von HDAC5 in der NAc um (Renthal et al., 2007). Es ist möglich, dass HDAC5 diese Wirkungen ausübt, indem es die Arzneimittel-induzierte Gentranskription hemmt, die normalerweise die lohnenden Eigenschaften von Kokain erhöht.

Eine genomweite Analyse von Chromatinmodifikationen, die im NAc als Folge der Kokainexposition auftreten, hat eine Vielzahl von Chromatinmodifikationen in den Promotorregionen von Genen nach CREB und ΔFosB gezeigt (Renthal et al., 2009). Diese Analyse ergab auch eine Hochregulierung von zwei Sirtuinen, SIRT1 und SIRT2, die Proteine ​​sind, die HDAC-Aktivität besitzen und auch andere zelluläre Proteine ​​deacetylieren können (Denu, 2005). Die Induktion von SIRT1 und SIRT2 ist mit einer erhöhten H3-Acetylierung und einer erhöhten Bindung von ΔFosB an ihren Genpromotoren verbunden, was darauf hindeutet, dass sie Downstream-Ziele von ΔFosB sind (Renthal et al., 2009). Es wird angenommen, dass die Hochregulierung von SIRT1 und SIRT2 eine Verhaltensrelevanz hat; Sirtuine verringern die Erregbarkeit von NAc-MSNs in vitround die pharmakologische Hemmung von Sirtuinen verringert die Kokainbelohnung, während ihre Aktivierung lohnende Reaktionen auf Kokain verstärkt (Renthal et al., 2009).

Neben der funktionellen Rolle von HDACs haben genetische Studien auch eine Rolle von Histon-Acetyltransferasen (HATs) bei der Vermittlung einiger Verhaltensreaktionen auf Drogen aufgedeckt. Der wohl wichtigste Mechanismus, durch den CBP die Gentranskription verbessern kann, ist über seine intrinsische HAT-Aktivität (Bannister und Kouzarides, 1996), und neuere Ergebnisse weisen auf die HAT-Aktivität von CBP bei einigen der epigenetischen Veränderungen hin, die aus der Arzneimittelexposition resultieren. Als Reaktion auf akutes Kokain wird CBP rekrutiert FosB Promotor, wo es Histon H4 acetyliert und die Expression von FosB erhöht (Levine et al., 2005). Bei Mäusehaploins, die für CBP ausreichend sind, wird weniger CBP zum Promotor rekrutiert, was zu einer verringerten Histonacetylierung und FosB-Expression führt. Dies entspricht auch einer geringeren Akkumulation von & Dgr; FosB im Striatum, und es ist nicht überraschend, dass diese Mäuse eine verringerte Sensibilisierung als Antwort auf eine Kokain-Provokation zeigen (Levine et al., 2005). Kürzlich untersuchten Malvaez und Kollegen mithilfe des cre-lox-Rekombinationssystems die Rolle der spezifisch im NAc lokalisierten CBP-Aktivität nach Kokain-induzierter Gentranskription und -verhalten (Malvaez et al., 2011). Es wurde berichtet, dass eine gezielte Deletion von CBP im NAc zu einer verminderten Histonacetylierung und c-Fos-Expression sowie einer gestörten lokomotorischen Aktivierung als Reaktion auf akutes und chronisches Kokain führte (Malvaez et al., 2011). Konditionierte Kokain-Belohnung wurde auch in diesen Mäusen inhibiert, was den ersten Beweis liefert, dass CBP-Aktivität in NAc für die Bildung von Arzneimittel-assoziierten Erinnerungen wichtig ist (Malvaez et al., 2011).

Kürzlich haben Experimente aus dem Kandel-Labor gezeigt, dass epigenetische Mechanismen der hypothetischen Fähigkeit von Nikotin zugrunde liegen können, als „Gateway-Medikament“ zu wirken. Mäuse, die vor der Kokainexposition chronisch mit Nikotin vorbehandelt wurden, zeigten im Vergleich zu nikotin-naiven Mäusen eine erhöhte Sensibilisierung des Bewegungsapparates und eine erhöhte Kokainbelohnung (Levine et al., 2011). Zusätzlich führte die Nikotinvorbehandlung zu einer verstärkten Kokain-induzierten LTP-Senkung in exzitatorischen Synapsen im NAc-Kern, eine Wirkung, die bei Nikotin allein nicht beobachtet wurde. Die Analyse von Histonmodifikationen, die durch 7-Tage-Nikotin-Exposition induziert wurden, zeigte eine erhöhte H3- und H4-Acetylierung am FosB Promotor im Striatum, ein Effekt, der als Reaktion auf die 7-tägige Kokainverabreichung nicht so ausgeprägt war. Die HDAC-Aktivität war im Striatum von mit Nikotin behandelten Mäusen verringert, bei mit Kokain behandelten Mäusen jedoch unverändert. Bemerkenswerterweise konnte die Infusion eines HDAC-Inhibitors direkt in das NAc die Auswirkungen der Nikotinvorbehandlung bei der Potenzierung der Kokainwirkung nachahmen. Keine dieser Veränderungen wurde beobachtet, wenn Mäuse vor Nikotin mit Kokain behandelt wurden, was die zeitliche Spezifität dieser Effekte bestätigte. Diese elegante Reihe von Experimenten hat eine mögliche epigenetische Erklärung dafür geliefert, warum das Rauchen von Zigaretten fast immer dem Kokainkonsum in der menschlichen Bevölkerung vorausgeht (Kandel, 1975; Kandelet al., 1992).

Zusätzlich zur Histonacetylierung wurde kürzlich auch die Histonmethylierung als verhaltensrelevante Chromatinmodifikation durch Missbrauchsdrogen erkannt (Laplant et al., 2010; Maze et al., 2010, 2011). Die Histonmethylierung umfasst die enzymatische Addition von ein, zwei oder drei Methylgruppen an Lysin- oder Argininreste am N-Terminus von Histonschwänzen und ist abhängig von der Art der Modifikation (Rice und Allis) entweder mit transkriptionaler Aktivierung oder Repression assoziiert , 2001). Die ersten Studien zur Untersuchung der durch Kokain induzierten Histonmethylierung führten zur Identifizierung zweier Histon-Methyltransferasen, G9a und G9a-like Protein (GLP), die in der NAc 24 h sowohl nach nicht-konditionaler Kokainexposition als auch nach Kokain-Selbsthemmung kontinuierlich herunterreguliert wurden -Verwaltung (Renthal et al., 2009; Maze et al., 2010). Diese Herunterregulierung war mit ähnlichen Verringerungen der Histon-H3-Lysin-9- (H3K9) und 27- (H3K27) -Methylierung verbunden. Anschließend wurde gezeigt, dass die G9a-Überexpression in NAc die Kokain-induzierte Expression ausgewählter Gene reduziert, die Kokainbelohnung, wie durch CPP gemessen, verringert und den Anstieg der dendritischen Dorndichte hemmt, der normalerweise als Reaktion auf wiederholtes Kokain beobachtet wird (Maze et al., 2010). Das Gegenteil trat auf, wenn die G9a-Expression in NAc inhibiert wurde, was zu einer erhöhten dendritischen Wirbelsäulendichte und verstärkter Kokainbelohnung führte. Es gibt Belege dafür, dass diese Kokain-induzierten Veränderungen der G9a-Expression und nachfolgende Abnahmen von H3K9 und H3K27 durch ΔFosB reguliert werden (Maze et al., 2010). Zusammenfassend identifizierten diese Experimente eine wichtige Rolle für die Histon-Methylierung durch G9a bei einigen der langfristigen verhaltensbedingten und biochemischen Konsequenzen einer wiederholten Kokain-Exposition.

Kürzlich wurde gezeigt, dass die Trimethylierung von Histon H3 Lysin 9 (H3K9me3), von dem man zuvor angenommen hatte, dass es eine relativ stabile heterochromatische Markierung ist, in der NAc durch akute und chronische Kokain-Exposition dynamisch reguliert wird (Maze et al., 2011). Wiederholtes Kokain führte zu einer anhaltenden Abnahme der reprimierenden H3K9me3-Bindung, die insbesondere in nicht-kodierenden genomischen Regionen angereichert war (Maze et al., 2011). Diese ersten Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine wiederholte Kokainexposition zur Verstimmung bestimmter retrotransposibler Elemente in NAc-Neuronen führen könnte, und es wäre von großem Interesse, die Konsequenzen dieser neuartigen epigenetischen Anpassungen zu untersuchen.

Angesichts der anhaltenden Natur der Abhängigkeit haben neuere Forschungen auch die Rolle der DNA-Methylierung untersucht, die eine stabilere epigenetische Anpassung im Vergleich zur Histonmodifikation darstellt. Die DNA-Methylierung umfasst die Addition von Methylgruppen an Cysteinbasen in der DNA und ist im Allgemeinen mit einer transkriptionellen Repression assoziiert (Stolzenberg et al., 2011). Die Analyse von Gehirnen von Ratten, denen über 7-Tage passive Kokaininjektionen verabreicht wurden, oder das selbst verabreichte Kokain über 13-Tage zeigten eine Herunterregulierung der DNA-Methyltransferase DNMT3a in der NAc 24 h nach der letzten Kokainexposition (Laplant et al., 2010). Umgekehrt, nach mehr chronischer Kokain-Exposition (sowohl passive als auch selbst-administriert für 3-Wochen oder mehr) und einer 28-Tage-Widerrufsfrist, dnmt3a Es wurde gefunden, dass mRNA im NAc signifikant erhöht ist (Laplant et al., 2010). Die Hemmung der DNA-Methylierung / DNMT3a spezifisch im NAc verbesserte anschließend sowohl die CPP als auch die lokomotorische Sensibilisierung gegenüber Kokain, während das Gegenteil nach Überexpression von DNMT3a in dieser Region beobachtet wurde. Darüber hinaus verhinderte die Hemmung von DNMT3a in NAc auch Kokain-induzierte Erhöhungen der dendritischen Dorndichte (Laplan et al., 2010). Die Verhaltensrelevanz von Kokain-induzierten Veränderungen der NAc-Dorn-Dichte ist noch nicht gut verstanden. Es wurde gezeigt, dass Manipulationen, die die medikamenteninduzierte Induktion der Wirbelsäule hemmen, die belohnenden Eigenschaften von Kokain reduzieren (Russo et al., 2009; Maze et al., 2010); Andere Studien haben jedoch gezeigt, dass die Hemmung der Spinogenese die Kokainbelohnung potenziert (Pulipparacharovil et al., 2008; Laplant et al., 2010). Da Kokain im Verlauf der Exposition und des Entzugs eine hochkomplexe Regulation verschiedener dendritischer Dornen zu induzieren scheint (Shen et al., 2009) wurde vermutet, dass diese Unterschiede von der Art der veränderten dendritischen Stacheln abhängen (Laplant et al., 2010).

Aus den hierin beschriebenen Experimenten ist es klar, dass die medikamenteninduzierte Regulation des Transkriptionspotentials von Zellen einen Schlüsselmechanismus darstellt, der die Verhaltensreaktionen auf Drogen und Belohnungs-bezogenes Lernen beeinflusst. Ein wichtiger nächster Schritt wäre, zu identifizieren, welche dieser epigenetischen Veränderungen für den menschlichen Krankheitszustand der Sucht am relevantesten sind. Angesichts der Tatsache, dass eine bloße Exposition gegenüber Drogen nicht ausreicht, um "Sucht" bei Mensch und Tier zu erzeugen, wird die Einbeziehung von Modellen, die Verhaltensmarken der Abhängigkeit genauer messen, wie zwanghafter Drogenkonsum und Rückfall, von signifikantem Wert sein.