Drug-evozierte Potenzierung an exzitatorischen Synapsen in der VTA

Eine wegweisende Studie von Ungless und Kollegen aus dem Jahr 2001 zeigte, dass eine einmalige Kokainexposition die synaptische Stärke an exzitatorischen Synapsen von dopaminergen Neuronen im ventralen Tegmentum (VTA) erhöhte, wie 24 Stunden später in Hirnschnitten gemessen wurde (Ungless et al., 2001 ). Dies wurde als Anstieg des Verhältnisses von AMPA-vermittelten zu NMDA-vermittelten exzitatorischen postsynaptischen Strömen (EPSCs) (AMPA/NMDA-Verhältnis) gemessen. Die nachfolgende elektrisch induzierte Langzeitpotenzierung (LTP) war an exzitatorischen VTA-Synapsen in kokainbehandelten Mäusen gehemmt, während die Langzeitdepression (LTD) verstärkt war. Diese Beobachtungen sowie eine Reihe weiterer elektrophysiologischer Messungen deuteten darauf hin, dass die beobachtete Veränderung der Plastizität möglicherweise ähnliche Mechanismen wie die synaptisch induzierte LTP aufweist (Ungless et al., 2001 ). Inzwischen konnte gezeigt werden, dass auch die Verabreichung anderer Drogen wie Amphetamin, Morphin, Ethanol, Nikotin und Benzodiazepine eine Steigerung der synaptischen Stärke im VTA induzieren kann. Dieser Effekt tritt bei psychoaktiven Substanzen ohne Missbrauchspotenzial nicht auf (Saal et al., 2003 ; Gao et al., 2010 ; Tan et al., 2010 ). Diese Beobachtung belegt eine Konvergenz zellulärer Reaktionen im VTA durch alle missbrauchten Substanzen und liefert einen möglichen neuronalen Mechanismus, durch den initiale Neuroadaptationen, die der Sucht zugrunde liegen, ausgelöst werden könnten.

Die Wirkung einer nicht-kontingenten Drogenverabreichung auf die synaptische Plastizität im VTA ist vorübergehend und hält mindestens 5, aber weniger als 10 Tage an. Sie korreliert positiv mit der initialen Entwicklung einer Verhaltenssensibilisierung, jedoch nicht mit deren Ausprägung (Ungless et al., 2001 ; Saal et al., 2003 ; Borgland et al., 2004 ). Bei Selbstverabreichung von Kokain ist das Ergebnis deutlich anders: Die Plastizität im VTA wird persistent und ist selbst noch 90 Tage nach Beginn des Entzugs nachweisbar (Chen et al., 2008 ).

Die Potenzierung glutamaterger Synapsen an VTA-DA-Zellen ist vermutlich mit der Fähigkeit von Drogenmissbrauchsmitteln verknüpft, die extrazelluläre DA-Konzentration im NAc zu erhöhen (Di Chiara und Imperato, 1988 ) und stellt möglicherweise den Beginn eines „pathologischen“ Belohnungslernens dar, bei dem eine Verfestigung von Drogen-Reiz-Assoziationen stattfindet. Tatsächlich wurden NMDA-Rezeptor-abhängige Erhöhungen der glutamatergen synaptischen Stärke in VTA-DA-Neuronen während des Erwerbs einer Reiz-Belohnungs-Assoziation beschrieben (Stuber et al., 2008 ). Kürzlich wurde bestätigt, dass Kokain selektiv das AMPA/NMDA-Verhältnis von VTA-Neuronen erhöht, die zum NAc projizieren, im Gegensatz zu solchen, die zum PFC projizieren (Lammel et al., 2011 ). Es ist bekannt, dass die Dopamin-Transmission innerhalb des NAc entscheidend für den Erwerb einer klassischen Konditionierung ist (Kelley, 2004 ). Es ist daher möglich, dass diese Potenzierung der VTA-DA-Neuronen eine neuronale Kodierung ähnlich der LTP darstellt, möglicherweise einen assoziativen Lernprozess, der für frühe kokaininduzierte Verhaltensreaktionen essenziell sein könnte und das Potenzial besitzt, langfristige Anpassungen auszulösen, die der Sucht zugrunde liegen, ohne jedoch den Suchtzustand selbst zu repräsentieren. Wie bereits von anderen Forschern vorgeschlagen, könnten Suchtmittel die Belohnungsschaltkreise des Gehirns nutzen, um den Wert einer Droge für den Organismus zu „überlernen“ (Kauer und Malenka, 2007 ).

Die Ursprünge der relevanten glutamatergen Projektionen zum VTA, die an der drogeninduzierten Plastizität beteiligt sind, sind noch nicht vollständig aufgeklärt. Eine Studie zeigte, dass glutamaterge Synapsen im VTA, die sowohl vom VTA selbst als auch vom Nucleus pedunculopontinus (PPN) projiziert werden, eine verstärkte Potenzierung durch Kokain aufweisen. Im Gegensatz dazu werden nur die Synapsen, die Input von PPN-Afferenzen erhalten, durch Δ9-Tetrahydrocannabinol (THC) potenziert ⁽ Good und Lupica, 2010 ). Demnach scheinen die spezifischen glutamatergen Afferenzen, die an der drogeninduzierten Potenzierung beteiligt sind, je nach Substanz zu variieren. Es ist auch möglich, dass eine bestimmte Projektion allen drogeninduzierten exzitatorischen Plastizitäten im VTA gemeinsam ist; Letzteres muss noch untersucht werden. Das VTA erhält umfangreiche Projektionen aus verschiedenen Hirnregionen, darunter dem PFC, der Amygdala und dem Nucleus subthalamicus (Geisler und Wise, 2008 ). Viele dieser Projektionen beeinflussen nachweislich die Burst-Aktivität dopaminerger Neuronen im VTA ( Grillner und Mercuri, 2002 ). Zukünftige Experimente mit optogenetischen Techniken könnten dazu beitragen, die spezifischen Projektionen zu identifizieren, die für die drogeninduzierte Potenzierung an VTA-Synapsen verantwortlich sind, welche als Reaktion auf verschiedene Drogenmissbrauchsmittel beobachtet wird. Dadurch könnte die genaue Natur dieser Neuroadaptation aufgeklärt werden.

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

Wie bei der elektrisch induzierten LTP in dopaminergen Neuronen des Mittelhirns wurde gezeigt, dass die durch Kokain und Nikotin hervorgerufene Steigerung der synaptischen Stärke im VTA von der Aktivierung von NMDA-Rezeptoren abhängt (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 (Ho et al., 2012 ), einer autonom aktiven Isoform der Proteinkinase C (PKC), erfordert, wohingegen die spike-timing-abhängige LTP in dopaminergen VTA-Neuronen von drogennaiven Mäusen von konventionellen PKC-Isoformen abhängt (Luu und Malenka, 2008 ). Im Falle von Nikotin erfordert die synaptische Potenzierung im VTA die Erregung von DA-Neuronen durch somatodendritische α4β2-nikotinische Acetylcholinrezeptoren (nAChRs) (Mao et al., 2011 ). Nikotininduzierte Erhöhungen der präsynaptischen Glutamatfreisetzung tragen ebenfalls zur Induktion dieser spezifischen synaptischen Plastizität bei, wahrscheinlich durch eine 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 gezeigt, dass der Einbau von GluR2-losen AMPA-Rezeptoren in exzitatorische VTA-Synapsen als Reaktion auf die Verabreichung von Substanzen verschiedener Klassen wie Nikotin und Morphin sowie nach optogenetischer Aktivierung von DA-Neuronen im VTA erfolgt (Brown et al., 2010 ). Dies führte zu der Annahme, dass der Einbau von kalziumpermeablen, GluR2-losen AMPA-Rezeptoren einen universellen Mechanismus darstellt, der der medikamenteninduzierten Potenzierung von VTA-Synapsen zugrunde liegen könnte ( Brown et al., 2010 ), obwohl die Daten für Amphetamin nicht unbedingt mit dieser Hypothese übereinstimmen (Faleiro et al., 2004 ). Da GluR2-lose AMPA-Rezeptoren zudem einwärtsgleichrichtend sind und daher bei +40 mV nur einen sehr geringen Strom leiten, kann ihr Einbau allein die medikamenteninduzierten Erhöhungen des AMPA/NMDA-Verhältnisses nicht erklären. Eine kürzlich durchgeführte Studie, die durch eine hochlokalisierte Glutamatquelle hervorgerufene unitäre synaptische Antworten (Zwei-Photonen-Photolyse von maskiertem Glutamat) maß, zeigte, dass Kokainkonsum neben AMPA-Rezeptor-vermittelten EPSCs auch unitäre NMDA-Rezeptor-vermittelte EPSCs verringerte (Mameli et al., 2011 ). Dies liefert einen möglichen Mechanismus, durch den das AMPA/NMDA-Verhältnis in diesem Szenario erhöht werden könnte (indem der Nenner des Verhältnisses verringert wird). Dies muss noch mit anderen Drogenmissbrauchsmitteln untersucht werden.

Der durch Medikamente induzierte Austausch von GluR2-haltigen gegen GluR2-freie AMPA-Rezeptoren kann durch Aktivierung von mGluR1-Rezeptoren im VTA rückgängig gemacht werden (Bellone und Luscher, 2006 ; Mameli et al., 2007 ). Der mGluR1-vermittelte Austausch von AMPA-Rezeptoren liefert somit einen Mechanismus, der erklärt, warum die durch Medikamente hervorgerufene Potenzierung von VTA-Synapsen nur vorübergehend ist und 5, nicht aber 10 Tage anhält (Ungless et al., 2001 ; Mameli et al., 2007 ). Tatsächlich hält die durch Kokain induzierte Einwärtsgleichrichtung länger als 7 Tage an, wenn die mGluR1-Funktion im VTA 24 Stunden vor der Kokainverabreichung reduziert ist (Mameli et al., 2007 , 2009 ). Eine mögliche Erklärung dafür, warum die durch Kokain hervorgerufene synaptische Verstärkung im VTA nach Selbstverabreichung von Kokain (im Gegensatz zur nicht-kontingenten Verabreichung) anhält, könnte daher sein, dass die Selbstverabreichung von Kokain zu einer Depression der mGluR1-Signalgebung im 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.

Es wurde kürzlich gezeigt, dass die langsame GABA-Transmission auch durch Drogenmissbrauch beeinflusst wird . So genügt eine Einzeldosis Methamphetamin oder Kokain, um die Fähigkeit von GABA_{_B} -Rezeptoren, die Aktivität von GABA-Neuronen im VTA zu steuern, signifikant zu schwächen, wie ex vivo 24 Stunden später gemessen wurde (Padgett et al., 2012 ). Der durch Methamphetamin induzierte Verlust des langsamen inhibitorischen postsynaptischen Potenzials (IPSC) beruht auf einer Reduktion der GABA_{_B}-Rezeptor-G-Protein-gekoppelten, einwärtsgleichrichtenden Kaliumkanalströme (GIRK-Ströme) aufgrund von Veränderungen im Proteintransport und geht mit einer signifikanten Verringerung der Sensitivität präsynaptischer GABA_{_B} -Rezeptoren in GABA-Neuronen des VTA einher. Im Gegensatz zu drogeninduzierten Einflüssen auf GABA_{_A}-Synapsen hält diese Depression der GABA_{_B}-Rezeptor-GIRK-Signalübertragung über Tage nach der Injektion an (Padgett et al., 2012 ).

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

Wie bereits erwähnt, ist der Effekt einer nicht-kontingenten Medikamentengabe auf die synaptische Plastizität in VTA-DA-Neuronen vorübergehend und hält mindestens 5, aber weniger als 10 Tage an. Er korreliert positiv mit der initialen Entwicklung einer Verhaltenssensibilisierung, jedoch nicht mit deren Ausprägung (Ungless et al., 2001 ; Saal et al., 2003 ; Borgland et al., 2004 ). Zur Unterstützung der Hypothese, dass die medikamenteninduzierte Potenzierung von VTA-Synapsen die Induktion einer Verhaltenssensibilisierung darstellt, reduzieren Glutamat-Antagonisten in der VTA die lokomotorischen sensibilisierenden Eigenschaften von Medikamenten, während eine viral vermittelte GluR1-Hochregulation diese verstärkt (Carlezon et al., 1997 ; Carlezon und Nestler, 2002 ). Starke Hinweise auf die Beteiligung von NR2A- und B-haltigen NMDA-Rezeptoren liefert die Beobachtung, dass die pharmakologische Hemmung beider Rezeptoren sowohl die Entwicklung einer Sensibilisierung als auch den damit verbundenen kokaininduzierten Anstieg des AMPA/NMDA-Verhältnisses verhindert (Schumann et al., 2009 ). Mäuse mit gezielter Deletion von NR1 oder GluR1 (selektiv für dopaminerge Neuronen im Mittelhirn) oder globaler GluR1-Deletion zeigen jedoch eine intakte Verhaltenssensibilisierung, weisen aber nach Kokainbehandlung beeinträchtigte AMPA-Rezeptorströme auf (Dong et al., 2004 ; Engblom et al., 2008 ). Eine zusätzliche Komplikation ergibt sich aus der Beobachtung, dass CPP und konditioniertes Lokomotorverhalten bei GluR1-Knockout-Mäusen fehlen (Dong et al., 2004 ) und die Extinktion der Kokain-CPP bei Mäusen mit einer auf dopaminerge Neuronen im Mittelhirn gerichteten GluR1-Deletion ausbleibt (Engblom et al., 2008 ). Im Gegensatz dazu sind bei NR1-Knockout-Mäusen die Wiederherstellung der Kokain-CPP und die Expression der Verhaltenssensibilisierung abgeschwächt (Engblom et al., 2008 ; Zweifel et al., 2008 ). Selbst unter Berücksichtigung einer möglichen entwicklungsbedingten Kompensation bei den Mutantenmäusen und/oder einer möglichen unvollständigen Deletion ist es daher denkbar, dass die neuronalen Prozesse, die die drogeninduzierte Potenzierung dopaminerger Neuronen und die Verhaltenssensibilisierung steuern, voneinander entkoppelt sind. Vielmehr könnte es sein, dass eine Potenzierung der VTA-Synapsen zur Zuschreibung von Anreizwirkung an drogenassoziierte Reize beiträgt.

Die Messung synaptischer Veränderungen nach nicht-kontingenter Drogenverabreichung liefert nur begrenzte Erkenntnisse über den tatsächlichen Krankheitszustand der Sucht. Relevanter für den Menschen sind Studien, die Veränderungen der synaptischen Plastizität nach kontingenter Drogenverabreichung, z. B. operanter Selbstverabreichung, messen. In diesem Zusammenhang ist die durch Kokain-Selbstverabreichung induzierte synaptische Stärkung von VTA-DA-Zellen einzigartig persistent; sie hält bis zu drei Monate nach Beginn der Abstinenz an und ist resistent gegenüber Extinktionstraining (Chen et al., 2008 ). Obwohl ursprünglich von einem vorübergehenden Ereignis ausgegangen wurde, scheint die drogeninduzierte Plastizität im VTA also langfristig wirken zu können. Dies zeigt, dass die Art der Verabreichung (kontingent vs. nicht-kontingent) ein entscheidender Faktor für ihre Dauer ist. Unterstützt wird diese Annahme durch die Beobachtung, dass die Kontrollgruppe in dieser Studie keinen vergleichbaren Anstieg des AMPA/NMDA-Verhältnisses zeigte. Dies deutet darauf hin, dass das Erlernen der Reiz-Belohnungs- oder Handlungs-Ergebnis-Assoziation die Plastizität antreibt. Im Gegensatz dazu führt die Selbstverabreichung von Nahrung oder Saccharose unter ähnlichen Bedingungen zu einem Anstieg des AMPA/NMDA-Verhältnisses, der zwar 7, aber nicht 21 Tage nach Beginn der Abstinenz anhält und somit deutlich kürzer ist als der durch Kokain induzierte Effekt (Chen et al., 2008 ). Das Fehlen einer Persistenz der nahrungsinduzierten Plastizität zeigt, dass die durch Kokain hervorgerufene Veränderung der synaptischen Stärke nicht lediglich eine neuronale Repräsentation der instrumentellen oder reiz-belohnungsbezogenen Lernprozesse im operanten Selbstverabreichungsparadigma darstellt , sondern vielmehr ein drogenspezifischer Effekt, der möglicherweise eine pathologische Verstärkung der Drogen-Reiz-Assoziationen repräsentiert. Wie bereits erwähnt, wurde auch für belohnungsvorhersagende Reize ein Anstieg des AMPA/NMDA-Verhältnisses im VTA beobachtet, wenn auch nicht so persistent. Dies stützt die Annahme, dass diese Modifikation der exzitatorischen synaptischen Funktion eine Rolle beim Belohnungslernen spielt (Stuber et al., 2008 ).

Interessanterweise ist das Ausmaß des Anstiegs des AMPA/NMDA-Verhältnisses unabhängig von der Anzahl der Injektionen (einmalig vs. mehrfach) , dem Verabreichungsprotokoll (kontingent vs. nicht-kontingent) und der Dauer des Zugangs (begrenzter vs. verlängerter Zugang) (Borgland et al., 2004 ; Chen et al., 2008 ; Mameli et al., 2009 ). Dies deutet darauf hin, dass der in VTA-DA-Zellen beobachtete Anstieg des AMPA/NMDA-Verhältnisses möglicherweise ein permissives Ereignis darstellt, das möglicherweise „Salienz“ signalisiert, anstatt den Beginn einer zugrunde liegenden Neuropathologie darzustellen, die sich vermutlich mit fortgesetzter Exposition verstärken würde.

Drogen-evozierte Plastizität an exzitatorischen Synapsen im NAc

Im Gegensatz zum VTA führt eine einzelne Kokaininjektion im NAc nicht zu einer Erhöhung der synaptischen Stärke, wenn diese 24 Stunden später gemessen wird (Thomas et al., 2001 ; Kourrich et al., 2007 ). Diese Beobachtung und die bidirektionale Zeitskala, die sich bei wiederholter Verabreichung und Entzug ergibt, zeigen, dass die drogeninduzierte Plastizität im NAc sich deutlich von der im VTA unterscheidet . Tatsächlich wird bei wiederholter Kokaininjektion (zur Induktion einer Verhaltenssensibilisierung) 24 Stunden nach der letzten Verabreichung eine Abnahme des AMPA/NMDA-Verhältnisses an den NAc-Shell-Synapsen beobachtet (Kourrich et al., 2007 ). Diese synaptische Depression durch wiederholtes Kokain scheint mit der Plastizität im VTA zusammenzuhängen. Nach selektiver Störung der mGluR1-Funktion im VTA genügt eine einzige Kokaininjektion, um dieselbe Depression der NAc-Synapsen hervorzurufen (Mameli et al., 2009 ). Die Autoren dieser Studie postulieren, dass eine verstärkte Erregung der VTA-Projektionen die gleichzeitige Freisetzung von Dopamin (DA) und Glutamat im NAc durch eine erhöhte DA-Freisetzung begünstigen kann . Dies könnte wiederum die Schwelle für die Induktion lokaler Plastizität im NAc verschieben, indem es die Erregbarkeit neuronaler Schaltkreise beeinflusst oder intrazelluläre Signalprozesse integriert (Mameli et al., 2009 ).

Die funktionelle Bedeutung der Depression von NAc-Synapsen während des akuten Entzugs ist derzeit unklar. Eine mögliche Erklärung wäre, dass die Depression der mittelgroßen Stachelneuronen (MSNs) im NAc deren Reaktion auf natürliche Belohnungsreize verringert und somit zur Anhedonie während des akuten Entzugs beiträgt. Es ist auch möglich, dass die beobachtete Abnahme des AMPA/NMDA-Verhältnisses auf den Einbau von NR2B-haltigen NMDA-Rezeptoren in die Membran zurückzuführen ist (wodurch der Nenner des Verhältnisses steigt), da nach Kokainexposition neue stille Synapsen in der NAc-Schale entstehen (Huang et al., 2009 ). Stille glutamaterge Synapsen, die funktionelle NMDA-Rezeptor-vermittelte Ströme in Abwesenheit von AMPA-Rezeptor-vermittelten Strömen exprimieren, besitzen vermutlich eine erhöhte Fähigkeit zur Verstärkung der synaptischen Übertragung (Isaac et al., 1995 ). Einmal entstanden, können diese stillen Synapsen die Rekrutierung von AMPA-Rezeptoren erleichtern und dadurch die exzitatorische synaptische Übertragung verstärken. Dies bietet einen möglichen Mechanismus zur Erklärung des Anstiegs der AMPA-Rezeptoren an der Zelloberfläche und des daraus resultierenden AMPAR/NMDAR-Verhältnisses im Nucleus accumbens (NAc) während eines verlängerten Entzugs (Boudreau und Wolf, 2005 ; Boudreau et al., 2007 ; Kourrich et al., 2007 ; Conrad et al., 2008 ). NR2B-haltige NMDA-Rezeptoren im NAc könnten ebenfalls an der Bildung von Wirkstoff-Kontext-Assoziationen beteiligt sein, da die siRNA-vermittelte Herunterregulierung dieser Untereinheit die konditionierte Platzpräferenz (CPP) von Morphin bei Mäusen verhindert, nicht aber die Verhaltenssensibilisierung (Kao et al., 2011 ).

Im Gegensatz zu Kokain führt eine wiederholte intermittierende Ethanolgabe zu einer Potenzierung der Synapsenreaktion auf ein zuvor LTD-induzierendes Stimulationsprotokoll, gemessen 24 Stunden nach der letzten Exposition (Jeanes et al., 2011 ). Diese NMDA-abhängige Potenzierung ist transient, da sie nach weiteren 48 Stunden Entzug abklingt und weder LTP noch LTD induziert werden können (Jeanes et al., 2011 ). Die Autoren interpretieren diese deutlichen Veränderungen der NAc-Plastizität als Indikator für die potenzielle Bedeutung dieses Prozesses bei ethanolinduzierten Neuroadaptationen. Darüber hinaus kann Ethanol, anders als Psychostimulanzien, an NMDA-Rezeptoren wirken und somit die glutamaterge Signalübertragung direkt beeinflussen.

Synaptische Potenzierung beobachtet in der NAc nach einer Periode des Rückzugs

Im Gegensatz zur Depression, die während des akuten Entzugs beobachtet wird, zeigt sich nach 10–14 Tagen Entzug von wiederholter Kokain- oder Morphinverabreichung eine Potenzierung der Synapsen im Nucleus accumbens (NAc) (Kourrich et al., 2007 ; Wu et al., 2012 ). Darüber hinaus findet sich nach 7 Tagen Entzug von einer einmaligen Kokainverabreichung sowohl in Kern- als auch in Schalenneuronen des NAc, die den Dopamin-D1-Rezeptor exprimieren, eine erhöhte Amplitude der mEPSCs sowie ein Verlust der durch Hochfrequenzstimulation (HFS) induzierten Langzeitpotenzierung (LTP) ₍ Pascoli et al., 2012 ). Diese Veränderung der Fähigkeit zur Induktion synaptischer Plastizität wird als Metaplastizität bezeichnet. Kokaininduzierte Metaplastizität wird auch nach dem Entzug von Kokain-Selbstverabreichung beobachtet. Ratten, die sich selbst Kokain verabreichten und anschließend drei Wochen lang entweder eine Extinktionsphase oder eine Abstinenz durchliefen, zeigten ein deutliches Defizit in vivo hinsichtlich der Fähigkeit, nach Stimulation des präfrontalen Kortex (PFC) eine Langzeitpotenzierung (LTP) im Nucleus accumbens (NAc) zu entwickeln. Diese Beobachtung ging mit einer Linksverschiebung der Input-Output-Kurve einher, was auf eine Potenzierung der fEPSP-Amplitude hindeutet (Moussawi et al., 2009 ). Eine Potenzierung der NAc-Synapsen wurde auch in Form erhöhter AMPA-vermittelter Ströme nach einer längeren Abstinenzphase nach Selbstverabreichung beobachtet (Conrad et al., 2008 ). Zusammengenommen legen diese Daten nahe, dass sich die synaptische Potenzierung im NAc entweder in Abhängigkeit von der Dauer des Entzugs oder in Abhängigkeit vom Zeitpunkt der ersten Kokainverabreichung entwickelt. Eine aktuelle Studie stützt die letztgenannte Interpretation, da ähnliche Frequenzerhöhungen von mEPSCs in D1-Rezeptor-exprimierenden MSNs bei Mäusen beobachtet wurden, _unabhängig davon, ob nach wiederholter Kokainverabreichung eine verlängerte Entzugsphase auftrat oder nicht (Dobi et al., 2011 ). Demnach scheinen die Ereignisse, die zu den Veränderungen der glutamatergen Transmission im NAc führen, eine gewisse Zeit zur Entwicklung zu benötigen.

Der Beitrag spezifischer AMPA-Rezeptor-Untereinheiten zu dieser Veränderung variiert je nach Entzugsstadium und Verabreichungsmethode. 10–21 Tage nach Beginn des Entzugs, sowohl nach passiver als auch nach Selbstverabreichung, scheinen GluR2-haltige AMPA-Rezeptoren für Veränderungen der AMPA-Transmission verantwortlich zu sein (Boudreau und Wolf, 2005 ; Boudreau et al., 2007 ; Kourrich et al., 2007 ; Ferrario et al., 2010 ). Ab dem 21. Tag werden hingegen GluR2-freie AMPA-Rezeptoren in die Synapsen eingebaut. Letzteres scheint nur bei der Selbstverabreichung von Kokain der Fall zu sein (Conrad et al., 2008 ; McCutcheon et al., 2011 ), siehe jedoch auch Mameli et al., 2009 . Angesichts der erhöhten Leitfähigkeit von AMPA-Rezeptoren ohne GluR2 ist es möglich, dass deren Einbau als Reaktion auf die durch Kokain-Selbstverabreichung verursachte Depression der NAc-Synapsen erfolgt. Dies könnte zu einer erhöhten MSN-Reaktivität auf exzitatorische Reize führen, die zukünftig Kokainverlangen auslösen. Tatsächlich verhindert die Blockierung von AMPA-Rezeptoren ohne GluR2 im NAc die Expression von durch inkubierte Reize induziertem Kokainverlangen (Conrad et al., 2008 ). Auch die Injektion von Antisense-Oligonukleotiden der GluR1-mRNA in den NAc blockiert das durch AMPA oder Kokain induzierte Kokainverlangen (Ping et al., 2008 ).

Arzneimittelexposition nach Entzug kehrt die synaptische Potenzierung in Depression um

Die durch Kokain im Nucleus accumbens (NAc) nach Entzug von nicht-kontingenter Kokaingabe induzierte Steigerung der synaptischen Stärke und der Oberflächenexpression von AMPA-Rezeptor-Untereinheiten wird durch erneute Kokaininjektionen (Re-Challenge) wieder aufgehoben (Thomas et al., 2001 ; Boudreau et al., 2007 ; Kourrich et al., 2007 ; Ferrario et al., 2010 ). Daher ist 24 Stunden nach dieser Kokaininjektion erneut eine synaptische Depression im NAc-Shell zu beobachten (Thomas et al., 2001 ; siehe jedoch Pascoli et al., 2012 ). Verhaltensbezogen scheint dies mit der Expression von Sensibilisierung zu korrelieren, und zumindest im Fall von Amphetamin wurde gezeigt, dass es Clathrin-vermittelt und von der GluR2-abhängigen Endozytose postsynaptischer AMPA-Rezeptoren abhängig ist (Brebner et al., 2005 ). Die Abnahme der Oberflächenexpression von AMPA-Rezeptoren nach Kokaingabe ist vorübergehend, da sich die Oberflächenexpression innerhalb von 7 Tagen auf ein Niveau erholt, das mit dem von nicht behandelten, kokainvorbehandelten Ratten vergleichbar ist (Ferrario et al., 2010 ). Demnach scheint eine Kokainexposition und ein damit einhergehender Entzug die Richtung der synaptischen Plastizität im Nucleus accumbens (NAc) leicht verändern zu können.

Kürzlich wurde ein direkter Zusammenhang zwischen der Potenzierung kortiko-akkumbaler Synapsen an D_₁-Rezeptor-positiven Zellen nach 7-tägigem Entzug und der Expression von Sensibilisierung hergestellt. Wie bereits erwähnt, zeigen diese Synapsen nach 7-tägigem Entzug nach einmaliger Kokaingabe eine Potenzierung sowohl im Kern als auch in der Schale (gemessen an einer Erhöhung der mEPSC-Amplitude), und die durch HFS induzierte LTP ist reduziert. Dasselbe wurde für Synapsen an D_₂-Rezeptor-positiven Zellen nicht beobachtet (Pascoli et al., 2012 ). Wurde die Sensibilisierung in vivo optogenetisch mittels eines Protokolls, das bekanntermaßen LTD induziert, rückgängig gemacht, zeigten kortiko-akkumbale Synapsen an D_₁-Rezeptor-positiven Zellen reduzierte mEPSCs, und die Expression von lokomotorischer Sensibilisierung wurde verhindert. Wichtig ist, dass die Fähigkeit der HFS, LTP auszulösen, in diesen Neuronen wiederhergestellt wurde (Pascoli et al., 2012 ), wodurch ein direkter Zusammenhang zwischen dieser spezifischen synaptischen Anpassung an cortico-accumbalen Synapsen und der Expression der Sensibilisierung gegenüber Kokain nachgewiesen wurde.

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 vermuteten Rolle bei der medikamenteninduzierten Plastizität im Fokus zahlreicher Forschungsarbeiten stand (McPherson und Lawrence, 2007 ). CREB wird ubiquitär im Gehirn exprimiert und kann durch eine Vielzahl intrazellulärer Signalwege aktiviert werden, die in seiner Phosphorylierung an Serin 133 münden (Mayr und Montminy, 2001 ). Phosphoryliertes CREB (pCREB) stimuliert die Rekrutierung des CREB-bindenden Proteins (CBP), welches die Transkription verschiedener nachgeschalteter Gene fördert (Arias et al., 1994 ). pCREB wird im Striatum nach Exposition gegenüber Psychostimulanzien rasch induziert (Konradi et al., 1994 ; Kano et al., 1995 ; Walters und Blendy, 2001 ; Choe et al., 2002 ). Es wird angenommen, dass dies einen homöostatischen Mechanismus darstellt, der Verhaltensreaktionen auf Drogenmissbrauch entgegenwirkt (McClung und Nestler, 2003 ; Dong et al., 2006 ). Dies wird dadurch bestätigt, dass die Überexpression von CREB im Nucleus accumbens (NAc) die belohnenden Eigenschaften von Kokain in einem konditionierten Ortspräferenzparadigma (CPP) reduziert, während die Hemmung von CREB in dieser Region das Gegenteil bewirkt (Carlezon et al., 1998 ; Pliakas et al., 2001 ). In ähnlicher Weise führt die genetische Herunterregulierung oder Hemmung von CREB im dorsalen Striatum zu einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber den lokomotorisch aktivierenden Eigenschaften von Psychostimulanzien, was diese Hypothese weiter stützt (Fasano et al., 2009 ; Madsen et 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 existiert mit verschiedenen Definitionen, wird in den Neurowissenschaften jedoch üblicherweise als Veränderung der Genexpression durch Modulation des Chromatins definiert, die nicht durch Veränderungen der zugrundeliegenden DNA-Sequenz bedingt ist (McQuown und Wood, 2010 ). Chromatin beschreibt den Zustand der DNA in ihrer zellulären Verpackung. Die grundlegende repetitive Einheit des Chromatins ist das Nukleosom. Es besteht aus 147 Basenpaaren DNA, die um ein Oktamer gewickelt sind, das aus Paaren der vier Kernhistone (H2A, H2B, H3 und H4) besteht (Luger et al., 1997 ). Die N-terminalen Enden dieser Kernhistone können verschiedene posttranslationale Modifikationen erfahren, darunter Acetylierung, Methylierung, Phosphorylierung, Ubiquitinierung und SUMOylierung (Berger, 2007 ). Die Anlagerung und Entfernung dieser funktionellen Gruppen an Histonschwänze erfolgt durch eine Vielzahl von Histon-modifizierenden Enzymen, darunter Acetyltransferasen, Deacetylasen, Methyltransferasen, Demethylasen und Kinasen (Kouzarides, 2007 ). Diese Histonmodifikationen dienen der Signalisierung der Rekrutierung von Transkriptionsfaktoren und anderen an der Transkriptionsregulation beteiligten Proteinen und verändern die Chromatin-Konformation, um die DNA für die Transkriptionsmaschinerie mehr oder weniger zugänglich zu machen (Strahl und Allis, 2000 ; Kouzarides, 2007 ; Taverna et al., 2007 ). Epigenetische Mechanismen stellen somit ein wichtiges Mittel dar, durch das Umweltreize die Genexpression und letztlich das Verhalten regulieren können.

Chromatinmodifikationen gelten seit Kurzem als wichtiger Mechanismus, der drogeninduzierten Veränderungen der Plastizität und des Verhaltens zugrunde liegt (Renthal und Nestler, 2008 ; Bredy et al., 2010 ; McQuown und Wood, 2010 ; Maze und Nestler, 2011 ; Robison und Nestler, 2011 ). Erste Hinweise darauf lieferten Kumar und Kollegen in Experimenten, die mittels Chromatin-Immunpräzipitation (ChIP) zeigten, dass Kokain Histonmodifikationen an spezifischen Genpromotoren im Striatum induziert (Kumar et al., 2005 ). Konkret führte die akute Gabe von Kokain zu einer H4-Hyperacetylierung des cFos- Promotors, während die chronische Gabe eine H3-Hyperacetylierung der BDNF- und Cdk5 -Promotoren zur Folge hatte. Die Histonacetylierung beinhaltet die enzymatische Übertragung einer Acetylgruppe auf den basischen N-Terminus eines Histons. Dadurch wird die elektrostatische Wechselwirkung zwischen dem Histon und der negativ geladenen DNA neutralisiert, wodurch diese für den Transkriptionsapparat besser zugänglich 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 et al., 1991 ), während BDNF und Cdk5 erst bei chronischer Exposition induziert werden (Bibb et al., 2001 ; Grimm et al., 2003 ).

Ein hyperacetylierter Histonzustand lässt sich experimentell durch die Gabe von Histon-Deacetylase-(HDAC)-Inhibitoren erreichen. Diese Substanzen wurden eingesetzt, um die Auswirkungen einer globalen Erhöhung der Histonacetylierung auf das Verhalten nach Drogenkonsum zu untersuchen. Die systemische Gabe von HDAC-Inhibitoren verstärkt synergistisch die im Striatum beobachtete Hyperacetylierung nach Kokainkonsum (Kumar et al., 2005 ). Dies potenziert die kokaininduzierte Lokomotion und die belohnende Wirkung von Kokain (Kumar et al., 2005 ; Sun et al., 2008 ; Sanchis-Segura et al., 2009 ). Die Hemmung von HDAC kann auch die lokomotorische Sensibilisierung gegenüber Ethanol und Morphin erhöhen und die konditionierte Platzpräferenz (CPP) von Morphin fördern (Sanchis-Segura et al., 2009 ). Gleichzeitig wurde jedoch auch festgestellt, dass HDAC-Inhibitoren die Entwicklung einer Sensibilisierung nach einmaliger Morphin-Exposition verhindern (Jing et al., 2011 ) und die Motivation zur Selbstverabreichung von Kokain reduzieren (Romieu et al., 2008 ). Diese widersprüchlichen Ergebnisse könnten auf Unterschiede in den Verabreichungsprotokollen zurückzuführen sein und zeigen vor allem, dass HDAC-Inhibitoren die Verhaltensreaktionen auf Drogen nicht unter allen Bedingungen wahllos verstärken.

Aufgrund ihrer permissiven Wirkung auf die Gentranskription können HDAC-Inhibitoren auch bestimmte Lernprozesse fördern (Bredy et al., 2007 ; Lattal et al., 2007 ). Kürzlich wurde gezeigt, dass die Gabe eines HDAC-Inhibitors nach erneuter Exposition gegenüber einer zuvor mit Kokain assoziierten Umgebung die Extinktion der kokaininduzierten konditionierten Platzpräferenz (CPP) erleichtern kann. Dies steht wahrscheinlich im Zusammenhang mit einer erhöhten Acetylierung von Histon H3 im Nucleus accumbens (NAc) (Malvaez et al., 2010 ). Die Infusion des HDAC-Inhibitors Suberoylanilidhydroxamsäure (SAHA) direkt in den NAc während der Konditionierungsphase der CPP erhöht die konditionierte Kokainbelohnung (Renthal et al., 2007 ). Dies deutet darauf hin, dass die HDAC-Hemmung in dieser Region sowohl belohnungsbezogenes Lernen als auch Extinktionslernen fördern kann, abhängig vom Kontext der Medikamentengabe. Weitere Experimente haben eine Rolle von HDAC5 und des im Nucleus accumbens (NAc) stark exprimierten endogenen HDAC bei der Modulation der Kokainbelohnung aufgezeigt. Die Verabreichung von Kokain erhöht die Funktion von HDAC5 durch die Regulation seiner Dephosphorylierung und des anschließenden nukleären Imports. Die Dephosphorylierung von HDAC5 im NAc beeinträchtigt die Entwicklung einer konditionierten Platzpräferenz (CPP) für Kokain (Taniguchi et al., 2012 ). Ebenso schwächt die Überexpression von HDAC5 im NAc während der Konditionierungsphase der CPP die Kokainbelohnung ab, und dieser Effekt wird durch die Expression einer mutierten Form von HDAC5 im NAc aufgehoben (Renthal et al., 2007 ). Es ist möglich, dass HDAC5 diese Effekte durch die Hemmung der drogeninduzierten Gentranskription ausübt, die normalerweise die belohnenden Eigenschaften von Kokain verstärkt.

Genomweite Analysen von Chromatinmodifikationen im Nucleus accumbens (NAc) infolge von Kokainkonsum haben eine Vielzahl von Chromatinmodifikationen in den Promotorregionen von Genen stromabwärts von CREB und ΔFosB aufgezeigt (Renthal et al., 2009 ). Diese Analysen ergaben auch eine Hochregulation der beiden Sirtuine SIRT1 und SIRT2, Proteine ​​mit HDAC-Aktivität, die zudem andere zelluläre Proteine ​​deacetylieren können (Denu, 2005 ). Die Induktion von SIRT1 und SIRT2 ist mit einer erhöhten H3-Acetylierung und einer verstärkten Bindung von ΔFosB an ihre Genpromotoren assoziiert, was darauf hindeutet, dass sie stromabwärts gelegene Zielgene von ΔFosB sind (Renthal et al., 2009 ). Die Hochregulation von SIRT1 und SIRT2 wird als relevant für das Verhalten angesehen. Sirtuine verringern die Erregbarkeit von NAc MSNs in vitro , und die pharmakologische Hemmung von Sirtuinen verringert die Kokainbelohnung, wohingegen ihre Aktivierung die belohnenden Reaktionen auf Kokain erhöht (Renthal et al., 2009 ).

Neben der funktionellen Rolle von HDACs haben genetische Studien auch eine Beteiligung von Histonacetyltransferasen (HATs) an der Vermittlung einiger Verhaltensreaktionen auf Drogenmissbrauch aufgezeigt. Der wohl wichtigste Mechanismus, durch den CBP die Gentranskription steigern kann, ist seine intrinsische HAT-Aktivität (Bannister und Kouzarides, 1996 ). Jüngste Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die HAT-Aktivität von CBP an einigen epigenetischen Veränderungen beteiligt ist, die durch Drogenkonsum hervorgerufen werden. Als Reaktion auf akuten Kokainkonsum wird CBP an den FosB -Promotor rekrutiert, wo es Histon H4 acetyliert und die Expression von FosB erhöht (Levine et al., 2005 ). Bei Mäusen mit einer Haploinsuffizienz für CBP wird weniger CBP an den Promotor rekrutiert, was zu einer verminderten Histonacetylierung und FosB-Expression führt. Dies korrespondiert auch mit einer geringeren Akkumulation von ΔFosB im Striatum, und es überrascht daher nicht, dass diese Mäuse eine verminderte Sensibilisierung nach Kokaingabe zeigen (Levine et al., 2005 ). Kürzlich untersuchten Malvaez und Kollegen mithilfe des Cre-lox-Rekombinationssystems die Rolle der CBP-Aktivität im Nucleus accumbens (NAc) bei der kokaininduzierten Gentranskription und dem Verhalten (Malvaez et al., 2011 ). Es wurde berichtet, dass die gezielte Deletion von CBP im NAc zu einer reduzierten Histonacetylierung und c-Fos-Expression sowie zu einer beeinträchtigten lokomotorischen Aktivierung als Reaktion auf akutes und chronisches Kokain führte (Malvaez et al., 2011 ). Auch die konditionierte Kokainbelohnung war bei diesen Mäusen gehemmt, was den ersten Beweis dafür lieferte, dass die CBP-Aktivität im NAc für die Bildung drogenassoziierter Erinnerungen wichtig ist (Malvaez et al., 2011 ).

Jüngste Experimente aus dem Kandel-Labor haben gezeigt, dass epigenetische Mechanismen der vermuteten Fähigkeit von Nikotin, als Einstiegsdroge zu wirken, zugrunde liegen könnten. Mäuse, die vor der Kokainexposition chronisch mit Nikotin vorbehandelt wurden, zeigten im Vergleich zu nikotinnaiven Mäusen eine verstärkte lokomotorische Sensibilisierung und eine stärkere Kokain-Belohnung (Levine et al., 2011 ). Darüber hinaus führte die Nikotin-Vorbehandlung zu einer verstärkten Kokain-induzierten Depression der Langzeitpotenzierung (LTP) an exzitatorischen Synapsen im Nucleus accumbens (NAc), ein Effekt, der bei alleiniger Nikotin-Gabe nicht beobachtet wurde. Die Analyse von Histonmodifikationen nach 7-tägiger Nikotin-Exposition ergab eine erhöhte Acetylierung von H3 und H4 am FosB- Promotor im Striatum, ein Effekt, der nach 7-tägiger Kokain-Gabe weniger ausgeprägt war. Die HDAC-Aktivität war im Striatum nikotinbehandelter Mäuse reduziert, blieb aber bei kokainbehandelten Mäusen unverändert. Bemerkenswerterweise konnte die Infusion eines HDAC-Inhibitors direkt in den Nucleus accumbens (NAc) die Wirkung einer Nikotin-Vorbehandlung hinsichtlich der Verstärkung der Kokainwirkung nachahmen. Keine dieser Veränderungen wurde beobachtet, wenn Mäuse vor Nikotin mit Kokain behandelt wurden, was die zeitliche Spezifität dieser Effekte bestätigt. Diese elegante Versuchsreihe liefert eine mögliche epigenetische Erklärung dafür, warum Zigarettenrauchen beim Menschen fast immer dem Kokainkonsum vorausgeht (Kandel, 1975 ; Kandel et al., 1992 ).

Neben der Histonacetylierung wurde in jüngster Zeit auch die Histonmethylierung als verhaltensrelevante Chromatinmodifikation identifiziert, die durch Drogenmissbrauch induziert wird (Laplant et al., 2010 ; Maze et al., 2010 , 2011 ). Bei der Histonmethylierung werden enzymatisch ein, zwei oder drei Methylgruppen an Lysin- oder Argininreste am N-Terminus der Histonschwänze angehängt. Je nach Art der Modifikation ist sie mit einer Aktivierung oder Repression der Transkription verbunden (Rice und Allis, 2001 ). Die ersten Studien zur durch Kokain induzierten Histonmethylierung führten zur Identifizierung zweier Histonmethyltransferasen, G9a und des G9a-ähnlichen Proteins (GLP), deren Expression im Nucleus accumbens (NAc) 24 Stunden nach nicht-kontingenter Kokainexposition und Kokain-Selbstverabreichung anhaltend reduziert war (Renthal et al., 2009 ; Maze et al., 2010 ). Diese Reduktion korrelierte mit ähnlichen Abnahmen der Methylierung von Histon H3 Lysin 9 (H3K9) und 27 (H3K27). Anschließend konnte gezeigt werden, dass die Überexpression von G9a im NAc die kokaininduzierte Expression ausgewählter Gene verringert, die Kokain-Belohnung (gemessen mittels konditionierter Platzpräferenz, CPP) abschwächt und den normalerweise nach wiederholter Kokaingabe beobachteten Anstieg der dendritischen Dornendichte hemmt (Maze et al., 2010 ). Das Gegenteil trat ein, wenn die G9a-Expression im Nucleus accumbens (NAc) gehemmt wurde, was zu einer erhöhten Dichte dendritischer Dornen und einer verstärkten Belohnungswirkung von Kokain führte. Es gibt Hinweise darauf, dass diese kokaininduzierten Veränderungen der G9a-Expression und die daraus resultierenden Abnahmen von H3K9 und H3K27 durch ΔFosB reguliert werden (Maze et al., 2010 ). Zusammenfassend zeigen diese Experimente eine wichtige Rolle der Histonmethylierung durch G9a für einige der langfristigen Verhaltens- und biochemischen Folgen wiederholten Kokainkonsums.

Kürzlich wurde gezeigt, dass die Trimethylierung von Histon H3 Lysin 9 (H3K9me3), die zuvor als relativ stabile heterochromatische Markierung galt, im Nucleus accumbens (NAc) durch akuten und chronischen Kokainkonsum dynamisch reguliert wird (Maze et al., 2011 ). Wiederholter Kokainkonsum führte zu einer anhaltenden Verringerung der repressiven H3K9me3-Bindung, die insbesondere in nicht-kodierenden genomischen Regionen angereichert war (Maze et al., 2011 ). Diese ersten Ergebnisse deuten darauf hin, dass wiederholter Kokainkonsum zur Aktivierung bestimmter retrotransponierbarer Elemente in NAc-Neuronen führen kann. Es wäre daher von großem Interesse, die Verhaltenskonsequenzen dieser neuartigen epigenetischen Anpassungen zu untersuchen.

Angesichts der anhaltenden Natur der Sucht untersuchten neuere Studien auch die Rolle der DNA-Methylierung, einer stabileren epigenetischen Anpassung im Vergleich zur Histonmodifikation. Bei der DNA-Methylierung werden Methylgruppen an Cysteinbasen der DNA angehängt, und sie ist im Allgemeinen mit der Repression der Transkription verbunden (Stolzenberg et al., 2011 ). Analysen des Gehirns von Ratten, denen über sieben Tage passiv Kokain injiziert oder die sich über 13 Tage selbst Kokain verabreicht hatten, zeigten eine Herunterregulierung der DNA-Methyltransferase DNMT3a im Nucleus accumbens (NAc) 24 Stunden nach der letzten Kokainexposition (Laplant et al., 2010 ). Im Gegensatz dazu war nach chronischer Kokainexposition (sowohl passiv als auch selbstverabreicht über drei Wochen oder länger) und einer 28-tägigen Entzugsphase die dnmt3a- mRNA im NAc signifikant erhöht (Laplant et al., 2010 ). Die Hemmung der DNA-Methylierung/DNMT3a spezifisch im Nucleus accumbens (NAc) verstärkte sowohl die konditionierte Platzpräferenz (CPP) als auch die lokomotorische Sensibilisierung gegenüber Kokain, während nach Überexpression von DNMT3a in dieser Region das Gegenteil beobachtet wurde. Darüber hinaus verhinderte die Hemmung von DNMT3a im NAc auch den kokaininduzierten Anstieg der dendritischen Dornendichte (Laplant et al., 2010 ). Die Verhaltensrelevanz der kokaininduzierten Veränderungen der Dornendichte im NAc ist noch nicht vollständig geklärt. Manipulationen, die die drogeninduzierte Dornenbildung hemmen, reduzierten nachweislich die belohnenden Eigenschaften von Kokain (Russo et al., 2009 ; Maze et al., 2010 ); andere Studien zeigten jedoch, dass die Hemmung der Dornenbildung die belohnende Wirkung von Kokain verstärkt (Pulipparacharuvil et al., 2008 ; Laplant et al., 2010 ). Da Kokain im Verlauf der Exposition und des Entzugs eine hochkomplexe Regulation verschiedener dendritischer Dornen auszulösen scheint (Shen et al., 2009 ), wurde vorgeschlagen, dass diese Unterschiede von der Art der veränderten dendritischen Dornen abhängen könnten (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.