Plasticidad molecular y celular inducida por opiáceos de la zona tegmental ventral y las neuronas de catecolaminas del locus coeruleus (2012)

Siguiente sección

Antecedentes

El VTA ha sido ampliamente estudiado en el abuso de drogas dado su papel fundamental en la recompensa. Las neuronas de dopamina (DA) en VTA se proyectan a múltiples regiones cerebrales, incluido el núcleo accumbens (NAc), donde se ha observado un aumento en la liberación de DA en respuesta a cada clase de drogas de abuso (Di Chiara y Imperato 1988). Sin embargo, aunque las neuronas DA son una porción prominente (∼60% –65%) de este núcleo del cerebro medio, existe una considerable diversidad celular, con una porción significativa de neuronas GABA (30% –35%) así como descripciones de neuronas glutamatérgicas ( 2% –3%) (Swanson 1982; Nair-Roberts et al. 2008; Sesack y Grace 2010). Las neuronas DA y GABA dentro del cerebro medio ventral, en general, se proyectan topográficamente (medial a lateral) con las principales estructuras de salida que consisten en NAc, corteza prefrontal (PFC) y amígdala (AMY) (revisadas exhaustivamente en Sesack y Grace 2010) ( ). Los principales aferentes al VTA incluyen entradas excitadoras de PFC, pedunculopontina y tegmento laterodorsal (PPTg y LDT), así como muchas otras estructuras recientemente definidas (Geisler et al. 2007). La entrada inhibitoria al VTA está menos definida, pero se han informado entradas de NAc, pálvido ventral y núcleo tegmental rostromedial mesopontino (RMTg) (Sesack y Grace 2010). La investigación hasta la fecha se ha centrado de forma desproporcionada en las neuronas DA en VTA, y específicamente en aquellas que se proyectan a NAc, debido al papel crítico de esta proyección en la recompensa (Nestler 2004).

  

Ver versión más grande:  

• En esta pagina
• En una nueva ventana
• Descargar como PowerPoint Slide

Figura 1.  

Caricatura de una sección sagital del cerebro de roedor que ilustra el VTA y el LC y sus principales proyecciones aferentes y eferentes. Las neuronas DAergic (rojo) y GABAergic (azul) en VTA proyectan a estructuras límbicas y corticales y reciben glutamatérgica (black-dash, PFC) y GABAergic input (blue-dash, NAc, VP). Las neuronas noradrenérgicas (verdes) en LC inervan múltiples regiones, incluidas HIPP y PFC, y reciben información glutamatérgica de PGi. Abreviaturas: AMY, amígdala; HIPP, hipocampo; LC, locus coeruleus; NAc, núcleo accumbens; PFC, corteza prefrontal; PGi, núcleo paragigantocelular; VP, pálido ventral; VTA, área tegmental ventral.

Cambios agudos inducidos por opiáceos en la actividad neuronal

Dada la capacidad de la morfina aguda en el VTA para provocar una mayor liberación de DA en la NAc (Leone et al. 1991), una cantidad sustancial de trabajo ha examinado los efectos agudos de los opiáceos en el VTA. La morfina aguda aumenta la velocidad de activación de las neuronas DA en VTA (Gysling y Wang 1983). Este efecto está mediado al menos en parte por la unión de la morfina a la G_y/oAcoplamiento μ-receptor opioide (MOR) en las neuronas locales GABA, lo que disminuye su actividad y la posterior liberación de GABA en las neuronas DA y resulta en la desinhibición de las neuronas DA (Johnson y North 1992). Sin embargo, la interpretación de gran parte del trabajo inicial en electrofisiología se complica con la evidencia que destaca la naturaleza casi indistinguible de las neuronas VTA DA y GABA (por tamaño, morfología y propiedades electrofisiológicas) (Margolis et al. 2006), aclarando la necesidad de identificar neuronas VTA estudiadas más definitivamente (por ejemplo, mediante inmunohistoquímica, uso de ratones reporteros GFP, etc.), un punto que se tratará en detalle más adelante en esta revisión. Aquí, nos centramos principalmente en los opiáceos que actúan como agonistas en el MOR en VTA, como la morfina, ya que estos medicamentos producen los efectos gratificantes más estudiados en el campo del abuso de drogas. Sin embargo, se sabe que los receptores κ-opioides (KOR) también se expresan en las neuronas VTA DA, y que la activación de estos receptores puede inhibir directamente la velocidad de activación de las neuronas DA (Margolis et al. 2003), probablemente contribuyendo a los efectos aversivos de los agonistas kappa. La capacidad de los opiáceos para producir tanto la activación como la inhibición de las neuronas VTA DA, y los efectos gratificantes y aversivos, es intrigante, y esta modulación "yin-yang" y el papel de los péptidos opiáceos endógenos en la recompensa merecen ser un foco de estudio futuro.

Plasticidad sináptica aguda inducida por opiáceos

Además de los cambios en la actividad neuronal, hay muchos informes de plasticidad sináptica inducida por opiáceos agudos. Al igual que con la cocaína y otras drogas de abuso, se encontró que una sola inyección de morfina aumenta la proporción de ácido α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolepropiónico (AMPA) a N-Metil-D-ácido aspártico (NMDA), corrientes postsinápticas (EPSC) 24, horas después de la administración, compatibles con la potenciación a largo plazo (LTP) de las sinapsis glutamatérgicas en las neuronas DA (Saal et al. 2003). Recientemente, también se ha informado que la morfina aguda induce la redistribución del receptor de AMPAR (AMPAR) en VTA de una manera similar a la cocaína, específicamente una inserción de AMPAR que carecen de GluA2 (Brown et al. 2010). Brown et al. observó un aumento en el índice de rectificación y un aumento del AMPAR GluA2 citoplásmico en respuesta a la morfina aguda, un efecto que se recapitula mediante la estimulación directa de las neuronas DA en VTA utilizando la expresión selectiva de la proteína de canalinaza (VNR)Brown et al. 2010), implicando directamente la actividad / señalización de DA dentro de VTA a la regulación glutamatérgica. Estos datos son consistentes con trabajos anteriores que GluA1, pero no GluA2, la sobreexpresión en VTA sensibiliza a los animales a los comportamientos de activación y recompensa del locomotor de la morfina (Carlezon et al. 1997).

Los opiáceos agudos también influyen en la plasticidad en las sinapsis de GABAergic en VTA. Se ha encontrado que la estimulación de alta frecuencia provoca LTP en los terminales GABA (LTP_GABA) en las neuronas VTA DA, un efecto que depende de la activación de los receptores NMDA postsinápticos (NMDAR) y la liberación de óxido nítrico (NO) como un mensajero retrógrado de las neuronas DA (Nugent et al. 2007). El NO luego aumenta la actividad de la guanilil ciclasa (GC) en la neurona GABA, lo que lleva a un aumento de la liberación de GABA y LTP_GABA. Una sola dosis de morfina inhibe la LTP._GABA al interrumpir la cascada de señales de NO-GC – proteína quinasa G (PKG), lo que provoca una pérdida del control inhibitorio normal (se observan las horas 2 y 24 después de la inyección, pero no los días 5) (Nugent et al. 2007, 2009; Niehaus et al. 2010). Así, la interrupción de la LTP_GABA proporciona otro mecanismo para la capacidad de los opiáceos agudos para aumentar la actividad neuronal de VTA DA.

Más recientemente, se ha descrito otra forma de plasticidad VTA GABAérgica: depresión a largo plazo de las sinapsis GABAérgicas en las neuronas DA (LTD)_GABA) (Dacher y Nugent 2011a). Usando estimulación de baja frecuencia (LFS), un LTD estable_GABA En las células DA se indujo que, a diferencia de la LTP_GABA, se expresó postsinápticamente y no dependía de NMDAR. Este efecto tampoco fue dependiente de la señalización de endocannabinoides, pero fue bloqueado por el receptor de dopamina D2 (D2R) sulpirida. Curiosamente, una sola inyección de morfina fue suficiente para prevenir el LTD inducido por LFS_GABA 24 horas después de la administración, lo que sugiere que la morfina puede regular bidireccionalmente la plasticidad de GABA en VTA (Dacher y Nugent 2011a).

Plasticidad sináptica inducida por opiáceos crónicos

Aunque los cambios sinápticos que se producen con los opiáceos agudos han sido relativamente bien caracterizados, los cambios crónicos no lo han hecho. Hasta la fecha, pocos o ninguno de los estudios han examinado cambios en la plasticidad gluatamatérgica o GABAérgica en respuesta a la administración crónica de opiáceos. Esto incluye la falta de conocimiento acerca de si existen diferencias en la administración pasiva en comparación con la administración activa de medicamentos, una consideración importante dado el trabajo reciente que muestra que la persistencia de LTP en el VTA de animales abstinentes de autoadministración de cocaína (hasta 3 meses) ocurre solo con exposición contingente a la cocaína (Chen et al. 2008).

Sin embargo, se sabe que la morfina crónica, como la morfina aguda, aumenta la actividad neuronal de la DA. Las grabaciones in vivo después de la morfina crónica muestran aumentos tanto en la velocidad de disparo basal como en la actividad de estallido que vuelven a la línea de base durante la retiradaGeorges et al. 2006). Esto contrasta con el trabajo anterior que observó una disminución persistente en la actividad de DA en ratas que se retiraron de la morfina (Diana et al. 1995, 1999). Una posible razón para estas diferencias es el método de administración utilizado. Por ejemplo, Georges et al. el estudio utilizó un paradigma de sedimento de liberación sostenida subcutánea (sc), que se ha demostrado que tiene un perfil farmacodinámico muy diferente al paradigma de dosis escalada crónica utilizado en la versión anterior de Diana et al. estudios. Como se informó anteriormente (Fischer et al. 2008), 24 hr después de la última pastilla de morfina, los niveles de morfina en sangre no disminuyeron, permaneciendo relativamente estables con el pico (∼3000 ng / ml), mientras que el modelo de inyección crónica produce un pico mucho más alto (∼10,000 ng / ml) en 1 hr, con niveles en sangre por debajo de 100 ng / ml después de 4 hr y despreciable por 12 hr. El cambio en la velocidad de disparo de DA inducido por la retirada de la morfina crónica, ya sea un retorno a la línea de base o una disminución por debajo de la línea de base, parece depender de los cambios en la liberación de GABA. La retirada de la morfina crónica aumenta las corrientes postsinápticas inhibitorias de GABA (IPSCs) y la liberación de GABA en las neuronas VTA DA (Bonci y Williams 1997), un efecto que recientemente se ha encontrado que depende del reciclaje de MOR y de la señalización de adenosina-5'-monofosfato cíclico (cAMP) (Madhavan et al. 2010).

Otro posible contribuyente a las diferencias entre los estudios es la heterogeneidad de VTA en comparación con la LC (como se describe a continuación). No solo existe la complejidad de múltiples tipos de células (principalmente GABA vs. DA), sino que la distribución de los tipos de células también varía a lo largo del eje VTA rostral-caudal ( ). Específicamente, la proporción de neuronas DA a GABA es mucho mayor en las subregiones de VTA rostrales (IFN, RL) en comparación con las subregiones caudales (PN, PIF) (Nair-Roberts et al. 2008). Esta diferencia tiene relevancia funcional para los cambios de comportamiento inducidos por la morfina. La sobreexpresión de HSV-GluA1 incrementó el comportamiento de recompensa de la morfina con la inyección en VTA rostral, mientras que indujo un comportamiento aversivo en VTA caudal, un efecto también observado en la sobreexpresión viral de la proteína de unión al elemento de respuesta cAMP (CREB) o gamma fosfolipasa C (PLCγ)Carlezon et al. 2000; Bolanos et al. 2003; Olson et al. 2005). Esta diferencia también se puede ver a nivel molecular, como la transcripción mediada por el elemento de respuesta de AMPc (CRE) inducida por morfina crónica en las neuronas DA en VTA rostral y caudal, pero solo se observó en las neuronas no-DA en VTA rostral (Olson et al. 2005). Los estudios ultraestructurales confirman estas diferencias rostral-caudales y sugieren la complejidad adicional del régimen de tratamiento y el rendimiento de la proyección. GluA1 aumentó tanto en dendritas positivas a tirosina hidroxilasa (TH) (DAergic) como en TH-negativa (probablemente GABAergic) en el VTA parabrachial (PBP) con una sola inyección de morfina. En contraste, con la morfina crónica, hubo un aumento en GluA1 en el VTA paranigral (PN) además de la región PBP (Lane et al. 2008).

  

Ver versión más grande:  

• En esta pagina
• En una nueva ventana
• Descargar como PowerPoint Slide

Figura 2. 

Complejidad celular y de proyección dentro de VTA. La proporción de neuronas de DA (rojo) a GABA (azul) varía entre los subnúcleos de VTA con mayores relaciones de DA: GABA observadas en subregiones más rostrales como el núcleo lineal rostral (RL) en comparación con los subnúcleos más caudales como paranigral (PN) y parainterfascicular ( PIF) regiones. Además, las proyecciones neuronales de DA difieren a lo largo de VTA con más regiones laterales como el núcleo parabrachial (PBP) que se proyecta a NAc lateral shell (Lat Sh), mientras que las regiones mediales como PN tienen diversas proyecciones que incluyen amígdala (AMY), corteza prefrontal (PFC) , Núcleo NAc, y concha medial NAc (Med Sh). Trabajo limitado ha examinado proyecciones neuronales GABA; existe cierta evidencia de que las neuronas GABA en la PBP rostral tienen una fuerte proyección a la PFC, mientras que hay pocas neuronas DA de la PBP rostral que se proyectan a la PFC, pero una gran proyección de la DA PBP caudal; esto sugiere que la proyección PBP-PFC no solo está definida regionalmente, sino que también es específica del subtipo neuronal (Lammel et al. 2008). (Los recuentos de células utilizados son de Nair-Roberts et al. 2008 y las proyecciones son de estudios de etiquetado retrógrado por Lammel et al. 2008.)

Las diferencias entre las neuronas VTA DA, según su región de salida, han sido de gran interés recientemente, ya que ahora está bien establecido que las propiedades electrofisiológicas de las neuronas DA varían según la proyección. Las neuronas VTA DA que se proyectan a NAc tienen una I mucho más pequeña_h actual que las neuronas que se proyectan a la amígdala basolateral (BLA) (Ford et al. 2006), y hay diferencias en las proyecciones dentro de la propia NAc, con las neuronas DA que se proyectan a la capa lateral de la NAc que se muestra mucho más alta I_h actuales que las neuronas DA que se proyectan a NAc concha medial (Lammel et al. 2011). La duración del potencial de acción (AP) de las neuronas DA también varía según la proyección, ya que las neuronas DA que proyectan NAc tienen la duración más larga de AP, mientras que la neurona proyectora de PFC la duración de AP es más corta, y las neuronas DA que proyectan AMY tienen la duración más corta (Margolis et al. 2008). Es importante destacar que la capacidad de respuesta a los opiáceos también parece diferir dentro del VTA según el tipo de proyección: las neuronas DA que se proyectan a NAc respondieron más a los agonistas KOR que a las neuronas que proyectan BLA, mientras que el efecto opuesto se observó para la respuesta a un agonista MOR / delta (DOR) , que tuvo un mayor efecto sobre las neuronas que proyectan BLA (Ford et al. 2006). Esto se tradujo también en efectos opiáceos mediados presinápticamente, ya que un agonista KOR causó una mayor inhibición de GABA_A IPSCs de neuronas DA que se proyectan a BLA, mientras que hubo una mayor inhibición mediada por agonistas KOR de GABA_B IPSCs en neuronas proyectadas a NAc (Ford et al. 2006). Además, recientemente se ha observado que la modulación de las sinapsis excitatorias en las neuronas DA difiere según la proyección (Lammel et al. 2011). Lammel y sus colegas (2011) encontraron que la proporción de AMPA / NMDA se incrementó por la cocaína en las neuronas DA que se proyectaron a NAc, pero no en las neuronas DA que se proyectaron a PFC. Sin embargo, la relación AMPA / NMDA se incrementó en las células DA que se proyectan a PFC en respuesta a un estímulo aversivo (inyección de formalina en la pata trasera), un efecto que también se observó en las neuronas DA que se proyectaron en la cáscara lateral NAc, pero ausente en las neuronas DA que se proyectan en NAc cubierta medial: muestra heterogeneidad en la respuesta dentro de las subregiones de este objetivo de proyección (Lammel et al. 2011). Claramente, estos estudios indican que una comprensión más completa de las adaptaciones sinápticas que ocurren con los opiáceos agudos y crónicos necesitarán integrar la información sobre la salida de las neuronas DA estudiadas. El desarrollo de técnicas específicas de neuronas y proyecciones servirá para aclarar estos problemas, al permitir una modulación específica en esta región heterogénea.

Plasticidad celular y estructural inducida por opiáceos

La relevancia de la plasticidad estructural inducida por fármacos para los cambios sinápticos y de comportamiento se ha revisado recientemente (Russo et al. 2010). La mayoría de los estudios de plasticidad estructural hasta la fecha han examinado los cambios en la morfología de la columna vertebral o la ramificación dendrítica de las neuronas en las regiones objetivo de VTA, pero nuestro laboratorio ha investigado otra adaptación estructural en respuesta a la administración crónica de opiáceos, una alteración del tamaño del soma de las neuronas VTA DA. Primero observamos que el área de superficie de la neurona VTA DA de rata disminuye ∼25% en respuesta a la administración crónica, pero no aguda, de morfina (Sklair-Tavron et al. 1996). Este efecto fue específico para las neuronas DA en VTA., como las células TH-negativas (probablemente GABAérgicas) no fueron alteradas. Además, este cambio podría ser bloqueado por la naltrexona sistémica, lo que sugiere que se requería la señalización MOR, y la infusión local del factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF) en VTA también evitó la disminución, lo que sugiere que la disminución de la señalización neurotrófica puede ser la causa del cambio morfológico. Es importante destacar que esta reducción en el tamaño del soma neuronal VTA DA se observa con la administración crónica de heroína y morfina. (Russo et al. 2007), En protocolos pasivos y de autoadministración. (Spiga et al. 2003; Chu et al. 2007; Russo et al. 2007), y en todas las especies, como hemos caracterizado recientemente este efecto en el ratón y en el tejido postmortem de los consumidores de heroína humanos (Mazei-Robison et al. 2011). Los estudios de seguimiento no encontraron evidencia de muerte o lesión neuronal VTA DA (Sklair-Tavron et al. 1996; Russo et al. 2007) y que la disminución en el tamaño de la célula persiste durante los días 14 después de la administración crónica de morfina, pero regresa a la línea base en los días 30. Esta línea de tiempo refleja la tolerancia de la recompensa. (Russo et al. 2007), en el que el uso repetido de drogas disminuye el efecto gratificante de la droga y conduce a una escalada de la ingesta de drogas, como se ve en humanos (O'Brien 2001).

Dado que BDNF podría rescatar el cambio estructural crónico inducido por la morfina, quisimos examinar si las vías de señalización neurotróficas corriente abajo mediaron esta plasticidad estructural. Aunque existe cierta controversia sobre si los niveles de BDNF en sí mismos están alterados en VTA en respuesta a la administración crónica de opiáceos (Numan et al. 1998; Chu et al. 2007; Koo et al. 2010), la regulación se ha informado en las tres vías principales de señalización en sentido descendente desde BDNF: PLCγ, fosfatidilinositol 3'-quinasa (PI3K) y proteína quinasa activada por mitógenos (MAPK) (Russo et al. 2009). La morfina crónica aumenta la actividad de la vía PLCγ (Wolf et al. 1999, 2007), disminuye la actividad de la vía PI3K, medida por la disminución del sustrato del receptor de insulina-2 (IRS2) y los niveles de fosfo-AKT (Wolf et al. 1999; Russo et al. 2007; Mazei-Robison et al. 2011), y aumenta la señalización de MAPK, medida por el aumento de la fosforilación y la actividad catalítica de la proteína quinasa extracelular relacionada (ERK) (Ortiz et al. 1995; Berhow et al. 1996; Liu et al. 2007). Usando la sobreexpresión mediada por virus, encontramos que fue el cambio crónico inducido por morfina en la señalización de PI3K lo que contribuye al cambio morfológico: la sobreexpresión de un IRS2 dominante negativo (IRS2dn) o AKTdn fue suficiente para disminuir el tamaño del soma DA VTA, mientras que la sobreexpresión del IRS2 de tipo salvaje previno la disminución inducida por la morfina y la sobreexpresión de un AKT constitutivamente activo (AKTca) aumentó el tamaño del soma (Russo et al. 2007; Mazei-Robison et al. 2011). En contraste, la sobreexpresión de PLCγ o ERK no fue suficiente para alterar el tamaño del soma VTA DA (Russo et al. 2007). Es importante destacar que la sobreexpresión de IRS2 también fue capaz de prevenir la tolerancia a la recompensa de morfina, lo que implica un papel para la plasticidad estructural en la respuesta conductual.

Nuestro trabajo reciente sugiere que este cambio estructural puede estar íntimamente relacionado con los cambios de actividad inducidos por los opiáceos crónicos. Similar al estudio in vivo de Georges et al. discutido anteriormente, encontramos que la tasa de activación de VTA DA se incrementó en el mismo momento en que se reduce el tamaño del soma en ratones expuestos a morfina crónica (Mazei-Robison et al. 2011).

Sin embargo, encontramos que la salida de DA a la NAc, medida por voltamperometría cíclica in vivo, en realidad está disminuida, lo que sugiere una interrupción en la activación normal y la salida en el circuito de recompensa mesolímbica.

Además, caracterizamos este resultado y encontramos que la sobreexpresión de IRS2dn en VTA, que es suficiente para disminuir el tamaño del DA, reducir la salida de DA a NAc y también disminuir la expresión de varios K⁺ subunidades del canal, de manera similar a la morfina crónica.

En nuestros esfuerzos por identificar las vías de señalización en sentido descendente de IRS2 / AKT que median las neuroadaptaciones inducidas por morfina crónica, realizamos la sorprendente observación de que el objetivo de la rapamicina (mTOR) en los mamíferos, señalización 1 (mTORC1), una vía bien establecida en el crecimiento celular En realidad, fue aumentado por la morfina crónica. En contraste, observamos una disminución en la señalización del complejo mTOR 2 (mTORC2), que, como hemos visto, es necesaria y suficiente para los cambios inducidos por la morfina en el tamaño del soma y la actividad neuronal. Específicamente, encontramos que la sobreexpresión de mTOR (Rictor), una proteína componente esencial de mTORC2, insensible a la rapamicina, fue suficiente para prevenir la disminución en el tamaño del soma y también evitó el aumento en la tasa de activación de las neuronas DA de una manera autónoma de la célula: solo las células DA en VTA que expresaban en exceso Rictor tenían una velocidad de disparo atenuada, mientras que las células DA cercanas todavía mostraban el aumento. Esto sugiere que los cambios de señalización intrínsecos a las neuronas DA pueden mediar los cambios de excitabilidad inducidos por los opiáceos crónicos, posiblemente al alterar la modulación AKT de GABA_A corrientes (Krishnan et al. 2008) o la expresión de K⁺ canales (Mazei-Robison et al. 2011) ( ). Al igual que con la sobreexpresión de IRS2, encontramos que la alteración de la actividad de mTORC2 se correlacionaba con el comportamiento de recompensa de morfina, ya que la actividad de mTORC2 disminuía la preferencia de lugar condicionada por morfina (CPP), mientras que el aumento de la actividad de mTORC2 era suficiente para inducir la CPP a una dosis baja de morfina. Colocar acondicionamiento en animales de control.

  

Ver versión más grande:  

• En esta pagina
• En una nueva ventana
• Descargar como PowerPoint Slide

Figura 3. 

La morfina crónica disminuye el tamaño del soma DA VTA pero aumenta la excitabilidad neuronal, mientras que la transmisión de DA a NAc disminuye. El efecto neto de la morfina es una vía de recompensa menos sensible, es decir, la tolerancia de la recompensa. La regulación descendente de la señalización IRS2-AKT (azul) en VTA media los efectos de la morfina crónica en el tamaño del soma y la excitabilidad eléctrica; el efecto sobre la excitabilidad es mediado a través de la disminución de GABA_A corrientes y supresion de k⁺ expresión del canal. La regulación a la baja inducida por la morfina de la actividad mTORC2 en VTA es crucial para estas adaptaciones morfológicas y fisiológicas inducidas por la morfina, así como para la tolerancia de la recompensa. En contraste con mTORC2, la morfina crónica aumenta la actividad de mTORC1 (rojo), que no parece influir directamente en estas adaptaciones inducidas por la morfina. La morfina crónica también disminuye la producción de DA a NAc, así como la disminución de la ramificación dendrítica y el número de espinas dendríticas en neuronas GABA espinosas medias en NAc, lo que suprime aún más la señalización normal de DA en el circuito mesolímbico.

Es poco probable que el cambio de tamaño del soma sea la única adaptación estructural inducida por los opiáceos crónicos en el VTA. Dada la disminución del número de espinas dendríticas y la complejidad dendrítica de la ramificación de las neuronas espinosas medianas NAc de ratas previamente expuestas a la morfina crónica (Robinson y Kolb 1999; Robinson et al. 2002), esperamos que también ocurran cambios dendríticos en las neuronas VTA DA. Se están realizando estudios actuales para caracterizar los cambios en la morfología de la columna vertebral, una brecha enorme en el campo, ya que solo un estudio hasta la fecha ha examinado los cambios inducidos por fármacos en la arquitectura dendrítica VTA. Este estudio encontró un aumento en la densidad de la columna dendrítica en un subtipo de neurona VTA en respuesta a una inyección aguda de cocaína, el mismo subtipo mostró un aumento en la relación NMDA / AMPA (Sarti et al. 2007). Los datos de nuestro trabajo anterior indican que la duración de los procesos VTA DA disminuye (∼30%) en ratas tratadas con morfina crónica (Sklair-Tavron et al. 1996), es consistente con los cambios globales en la arquitectura VTA DA. Este cambio también podría ayudar a explicar la disminución de la producción de DA a la NAc después de la morfina crónica, ya que hemos informado previamente la disminución del transporte axonal y los niveles de proteínas de neurofilamento en VTA (Beitner-Johnson et al. 1992, 1993), lo que sugiere que la morfina crónica también afecta la estructura y función axonal. Dada la complejidad regional y de proyección en las neuronas VTA DA señaladas anteriormente, actualmente estamos examinando si estos cambios estructurales son inducidos en un subconjunto particular de neuronas VTA DA que utilizan marcadores retrógrados fluorescentes. Estos datos serán críticos para comprender los cambios estructurales y electrofisiológicos inducidos por los opiáceos crónicos y los circuitos de salida relevantes involucrados.

Como se mencionó anteriormente, varios estudios, tanto moleculares como electrofisiológicos, han proporcionado evidencia de que la administración crónica de opiáceos activa la vía cAMP-CREB en la VTA (Bonci y Williams 1997; Olson et al. 2005; Madhavan et al. 2010). Además, un estudio de microarrays definió los cambios globales en la expresión génica que ocurren en VTA en respuesta a la morfina crónica (McClung et al. 2005). Ahora se necesita trabajo para definir mejor la especificidad celular de estas neuroadaptaciones, así como delinear sus consecuencias funcionales. Además, aunque la mayor parte del trabajo sobre VTA se ha centrado en las neuroadaptaciones inducidas por opiáceos que se supone que ocurren en las neuronas DA, es esencial explorar la plasticidad inducida por fármacos que se produce en las neuronas GABAérgicas de VTA, que son uno de los objetivos iniciales clave de la acción de opiáceos en esta región del cerebro.

Antecedentes

La LC es el sitio principal de las neuronas que contienen norepinefrina (NE) en el cerebro (Dahlstrom y Fuxe 1965). Según lo revisado anteriormente (Aston-Jones y Bloom 1981a; Aston-Jones et al. 1991b; Berridge y Waterhouse 2003; Van Bockstaele et al. 2010), LC es un núcleo discreto, compacto y homogéneo, que consiste en casi exclusivamente neuronas NE. Los principales aportes a la LC provienen del núcleo medular paragigantocellularis (PGi) y del núcleo prepositus hipogloso, y las salidas de la LC están muy extendidas, como el cerebro anterior, el cerebelo, el tronco cerebral y la médula espinal ( ) (Berridge y Waterhouse 2003). La actividad neuronal de la LC es altamente sincrónica tanto basalmente como en respuesta a estímulos (Foote et al. 1980; Aston-Jones y Bloom 1981b; Aston-Jones et al. 1991a; Ishimatsu y Williams 1996). Las neuronas LC son espontáneamente activas (Williams et al. 1991) y su activación provoca la liberación de NE en varias regiones del cerebro anterior, incluyendo la corteza y el hipocampo. La LC sirve en gran parte como un núcleo de relevo, con una plasticidad sináptica limitada hasta la fecha, aunque los aferentes del glutamato controlan la actividad de la LC, en particular del PGi (Ennis et al. 1992). Las neuronas LC expresan las tres clases principales de receptores opioides: MOR, DOR y KOR con una distribución distinta, aunque, al igual que con el VTA, nuestra discusión está limitada a la MOR, que está más directamente implicada en la dependencia y adicción a los opiáceos.

Plasticidad celular inducida por opiáceos

Aunque no hay evidencia de plasticidad sináptica tradicional (es decir, LTP y LTD) en la LC, existe una plasticidad celular bien descrita. Una característica única de la LC es que muchas de sus respuestas in vivo a los opiáceos crónicos pueden recapitularse y estudiarse a nivel de una sola célula (Nestler et al. 1994; Nestler y Aghajanian 1997; Nestler 2004). La unión de opiáceos (p. Ej., Morfina) al MOR conduce a una disminución de la actividad de la adenilil ciclasa (AC) y la señalización de cAMP (Duman et al. 1988). La unión aguda de los opiáceos a la MOR también disminuye la actividad del marcapasos de las neuronas LC, en gran parte activando la proteína G activada por G rectificada interiormente.⁺ (GIRK) canales (Williams et al. 1982; Torrecilla et al. 2002). Sin embargo, con la administración crónica de opiáceos, tanto la tasa de activación como la señalización de cAMP vuelven a la línea de base debido a una regulación al alza de la vía del AMPc, que ilustra la tolerancia (Aghajanian 1978; Duman et al. 1988; Nestler y Tallman 1988; Guitart y Nestler 1989; Kogan et al. 1992; Ivanov y Aston-Jones 2001). Esta plasticidad inducida por la administración crónica de opiáceos (es decir, la regulación de la vía de cAMP) se vuelve funcionalmente evidente al retirar el opiáceo, cuando la velocidad de activación de las neuronas LC aumenta significativamente junto con un gran aumento en la actividad de cAMP, lo que ilustra la dependencia y el retiro ) (Aghajanian 1978; Rasmussen et al. 1990).

  

Ver versión más grande:  

• En esta pagina
• En una nueva ventana
• Descargar como PowerPoint Slide

Figura 4.  

Regulación al alza de la vía del cAMP en la LC como mecanismo de tolerancia y dependencia de los opiáceos. Notable panel, los opiáceos inhiben de forma aguda la actividad funcional de la vía del cAMP (indicada por los niveles celulares de cAMP y la fosforilación de la proteína dependiente de cAMP). Con la exposición continua a los opiáceos, la actividad funcional de la vía del cAMP se recupera gradualmente y aumenta mucho más que los niveles de control luego de la eliminación del opiáceo (p. Ej., Mediante la administración de la antagonista del receptor opioide naloxona). Estos cambios en el estado funcional de la vía del cAMP están mediados por la inducción de adenilil ciclasas (AC) y proteína quinasa A (PKA) en respuesta a la administración crónica de opiáceos. La inducción de estas enzimas explica la recuperación gradual en la actividad funcional de la vía de cAMP que se produce durante la exposición crónica a opiáceos (tolerancia y dependencia) y la activación de la vía de cAMP observada en la eliminación de opiáceos (abstinencia). Fondo panel, los opiáceos inhiben agudamente las neuronas LC al aumentar la conductancia de un K rectificador hacia dentro⁺ Canal vía acoplamiento con subtipos de G._y/o y, posiblemente, disminuyendo un Na.⁺- Corriente interna dependiente a través del acoplamiento con G_y/o y la consiguiente inhibición de AC, niveles reducidos de actividad de PKA y reducción de la fosforilación del canal o bomba responsable. La inhibición de la ruta de cAMP también disminuye la fosforilación de muchas otras proteínas y, por lo tanto, afecta a muchos otros procesos neuronales. Por ejemplo, reduce el estado de fosforilación de la proteína de unión al elemento de respuesta cAMP (CREB), que inicia algunos de los cambios a más largo plazo en la función de la CL. La administración crónica de morfina aumenta los niveles de ACI, ACVIII, PKA catalítico (cat.) Y subunidades reguladoras, y varias fosfoproteínas, incluidas CREB y tirosina hidroxilasa (TH) (indicada por flechas rojas). Estos cambios contribuyen al fenotipo alterado del estado adicto a las drogas. Por ejemplo, la excitabilidad intrínseca de las neuronas LC aumenta con la actividad mejorada de la ruta del AMPc y el Na⁺- Corriente interna dependiente, que contribuye a la tolerancia, dependencia y retirada mostradas por estas neuronas. La regulación ascendente de ACVIII y TH está mediada a través de CREB, mientras que la regulación ascendente de ACI y de las subunidades PKA parece ocurrir a través de un mecanismo no identificado, independiente de CREB.

Estas adaptaciones están mediadas a través de la regulación al alza de varias proteínas de señalización en la ruta de cAMP, incluyendo AC1 / 8 (Matsuoka et al. 1994; Lane-Ladd et al. 1997; Zachariou et al. 2008), proteína quinasa dependiente de AMPc (PKA) (Nestler y Tallman 1988), CREB (Guitart et al. 1992; Shaw-Lutchman et al. 2002; Han et al. 2006), y TH y BDNF, ambos objetivos CREB en sentido descendente (Guitart et al. 1989; Akbarian et al. 2002). Los opiáceos crónicos también inducen la expresión de GIRK2 / 3 en LC (Cruz et al. 2008), así como muchos otros genes como lo revela el análisis de microarrays (McClung et al. 2005). Además, recientemente se ha demostrado, usando un modelo de cultivo de corte de LC, que el aumento de la actividad eléctrica intrínseca de las neuronas LC inducida por opiáceos crónicos es causada por la activación directa de MOR en las neuronas NE de LC, lo que implica una adaptación homeostática intrínseca (Cao et al. 2010). Este enfoque identificó un papel crucial para CREB tanto en la actividad del marcapasos como en el aumento inducido por la morfina en la velocidad de disparo de la LC (Han et al. 2006; Cao et al. 2010), un efecto que también se observó en ratones con un golpe de desarrollo temprano de CREB específico para neuronas NE (Parlato et al. 2010). Finalmente, en numerosos estudios se ha demostrado que esta activación de la activación neuronal de la CL y la vía cAMP-CREB regulada por incremento, que media el aumento de la activación, es tanto necesaria como suficiente para mediar varios síntomas de la abstinencia física de opiáceos (Lane-Ladd et al. 1997; Punch et al. 1997; Han et al. 2006).

Aunque la mayor parte de la plasticidad inducida por opiáceos descrita aquí se postula como intrínseca a las neuronas LC NE, existe cierta evidencia de que la morfina crónica también puede influir en la entrada excitadora a la LC, ya que hay un aumento en la frecuencia de EPSC espontánea en cortes de ratones tratados con morfina. (Torrecilla et al. 2008). Además, hay un aumento en la liberación de glutamato y aspartato en LC in vivo en ratas retiradas de morfina y la aplicación local de antagonistas de aminoácidos excitadores en LC bloquea parcialmente el aumento inducido por el retiro en la actividad de LC (Akaoka y Aston-Jones 1991; Aghajanian et al. 1994).

Existe cierta controversia sobre si los cambios en la señalización de cAMP-CREB en las neuronas LC y en la actividad neuronal LC median en los comportamientos de abstinencia de opiáceos. Por ejemplo, las lesiones de LC, o la anulación del desarrollo de la actividad CREB en las neuronas LC NE, no pueden alterar de forma detectable los síntomas de abstinencia (Christie et al. 1997; Parlato et al. 2010). En contraste, hemos demostrado que la modulación de la actividad de la ruta del cAMP o de CREB en la LC de animales adultos bloquea de manera consistente varias conductas de abstinencia (Lane-Ladd et al. 1997; Punch et al. 1997; Han et al. 2006). Creemos que varias consideraciones clave explican estos diferentes hallazgos. Primero, la LC es solo una de las varias áreas del cerebro importantes para la dependencia física y la abstinencia de opiáceos (Koob y Le Moal 2001). No es sorprendente que los animales con LC lesionados todavía desarrollen una profunda dependencia física mediada por una mayor dependencia de estos otros sustratos neuronales. En segundo lugar, es muy plausible que algunas de las herramientas utilizadas para manipular la actividad de la ruta del AMPc en la CL (por ejemplo, la infusión local de los activadores o inhibidores de la PKA) influyan en los aferentes glutamatérgicos en esta región, que también parecen mostrar cambios plásticos (incluida la ruta hacia arriba del AMPc). regulación) después de la morfina crónica (Nestler 1992; Christie et al. 1997). En tercer lugar, a pesar de un papel probable para estos aferentes glutamatérgicos, no hay duda de que la plasticidad intrínseca a las neuronas LC NE también está involucrada, porque el knockout local de CREB del LC adulto (que no puede afectar las terminales nerviosas aferentes) bloquea el aumento de la excitabilidad inducida por la morfina de las neuronas LC NE y atenúa la abstinencia (Cao et al. 2010; V Zachariou y EJ Nestler, unpubl.). La falta de efecto del knockout CREB de estas neuronas en ratones knockout condicionales (Parlato et al. 2010) destaca las compensaciones de desarrollo que complican el uso de modelos precoces de nocaut y enfatiza la importancia de usar manipulaciones genéticas en el cerebro adulto completamente diferenciado al estudiar la plasticidad adulta.

Por lo tanto, una gran cantidad de pruebas experimentales establece una regulación al alza de la vía cAMP-CREB como un mecanismo de la plasticidad homeostática intrínseca en las neuronas LC NE en el desarrollo de la dependencia física de opiáceos. También es importante enfatizar la importancia histórica de este trabajo en la LC, ya que sirvió como un sistema modelo para las acciones a largo plazo de los opiáceos en el cerebro: con base en estas investigaciones anteriores de la LC, la regulación al alza de la AMPAP-CREB Desde entonces, se ha demostrado que la vía es un mecanismo común de tolerancia a los opiáceos, dependencia y abstinencia en numerosas regiones de los sistemas nerviosos central y periférico y, de hecho, representa uno de los modelos mejor establecidos de las bases moleculares de la adicción a las drogas (Nestler 2001, 2004).