Dialoogid Clin Neurosci. 2013 Dec;15(4):431-43.
Abstraktne
Hoolimata arvukate psühhosotsiaalsete tegurite tähtsusest on narkomaania tuumal bioloogiline protsess: korduv kokkupuude narkootikumidega, mis põhjustavad muutusi haavatavas ajus, mis juhib kompulsiivset otsimist ja narkootikumide võtmist ning kontrolli kaotamist narkootikumide tarvitamise üle, mis määratlevad sõltuvuse \ t Siin vaatame läbi teatud aju piirkondades esinevad molekulaarsed ja rakulised kohandused, et vahendada sõltuvusega seotud käitumishäireid. Nende hulka kuuluvad muutused geeniekspressioonis, mis saavutatakse osaliselt epigeneetiliste mehhanismide kaudu, neuronite ja sünapside neurofüsioloogilise funktsioneerimise plastilisus ning sellega seotud plastilisus neuronaalses ja sünaptilises morfoloogias, mida vahendab osaliselt muutunud neurotroofne faktor. Neid igat tüüpi ravimi poolt indutseeritud modifikatsioone võib vaadelda kui "rakulise või molekulaarse mälu" vormi. Pealegi on silmatorkav, et enamik sõltuvusega seotud plastilisuse vorme on väga sarnased plastilisuse liikidega, mis on seostatud klassikaliste „käitumismälu” vormidega, mis võib-olla peegeldavad neuronitele kättesaadavate adaptiivsete mehhanismide piiratud repertuaari, kui nad puutuvad kokku keskkonnaga. väljakutseid. Lõpuks hõlmavad sõltuvusega seotud molekulaarsed ja rakulised kohandused enamikku samadest aju piirkondadest, mis vahendavad rohkem klassikalisi mäluvorme, mis on kooskõlas seisukohaga, et ebanormaalsed mälestused on sõltuvussündroomide olulised tõukejõud. Nende uuringute eesmärk, mille eesmärk on selgitada narkomaania molekulaarset ja rakulist alust, on lõpuks välja töötada bioloogiliselt põhinevad diagnostilised testid ning tõhusamad sõltuvushäirete ravi.
Sissejuhatus
Narkomaania, mida võib määratleda kui kompulsiivset otsimist ja ravimite võtmist vaatamata hirmuäratavatele tagajärgedele või kontrolli kaotamisele uimastitarbimise üle, põhjustavad pikaajalised uimastitest põhjustatud muutused, mis esinevad teatud aju piirkondades.1 Ainult mõned inimesed jäävad sõltuvusele korduvate ravimite ekspositsiooni tõttu, samas kui teised on võimelised ravimit juhuslikult kasutama ja sõltuvussündroomist välja pääsema. Geneetilised tegurid moodustavad sõltuvustundlikkuse haavatavuse individuaalsest varieeruvusest umbes 50% ja selline pärilikkuse aste kehtib kõikide sõltuvust tekitavate ravimite peamiste klasside, sealhulgas stimulantide, opiaatide, alkoholi, nikotiini ja kannabinoidide puhul..2 Enamikku geene, mis sisaldavad seda geneetilist riski, ei ole veel võimalik tuvastada, tõenäoliselt tänu sadade geneetiliste variatsioonide kaasamisele, mis koondavad ühte üksikisikku sõltuvuse haavatavuse andmiseks (või teistes inimestes resistentsuse).
Ülejäänud 50% sõltuvusohust tuleneb paljudest kogu elu vältel esinevatest keskkonnateguritest, mis mõjutavad inimese geneetilist koosseisu, muutes ta suuremal või vähemal määral sõltuvuse suhtes haavatavaks. Sõltuvus on seotud mitut tüüpi keskkonnateguritega, sealhulgas psühhosotsiaalsete stressidega, kuid ülekaalukalt kõige võimsam tegur on kokkupuude narkootikumide endaga. On tõestatud, et teatud "värav" ravimid, eriti nikotiin, suurendavad haavatavust mõne teise narkomaania suhtes.3 Peale selle on üha rohkem tõendeid selle kohta, et hoolimata mitmesugustest sõltuvuste geneetilistest riskidest kogu elanikkonnast, võib pika aja jooksul ravimi piisavate suurte annuste kasutamine mõjutada suhteliselt madalama geneetilise koormusega isikut narkomaaniks.4
Viimase kahe aastakümne jooksul on tehtud suuri edusamme nii aju sõltumatuse sündroomi vahendamisel oluliste ajuosakeste piirkondade kindlakstegemisel kui ka nende molekulaar- ja rakutasandite muutuste puhul, mida narkootikumid nendes piirkondades põhjustavad põhiaspektide aluseks. sõltuvus.1,5 Kõige rohkem tähelepanu saanud ahelat nimetatakse mesolimbiliseks dopamiinsüsteemiks, mis hõlmab dopamiini neuroneid kesknärvisündroomi (VTA) ventraalses tegmentaalses piirkonnas (VTA) tuuma accumbensis (NAc, osa ventral striatum). Need VTA neuronid innerveerivad ka mitmeid teisi eesnäärme piirkondi, sealhulgas hipokampust, amygdala ja prefrontaalset ajukoort (PFC).
Mõttekas on kaaluda neid uimastitest tingitud sõltuvusmehhanisme selles mahus mällu kolmel kattuval põhjusel.6
- Esiteks võib kõiki ravimi poolt indutseeritud kohandusi vaadelda kui „molekulaar- või rakumälu tüüpe“: selliseid muutusi läbiv närvirakk on ravimi ekspositsiooni tõttu erinev ja seega reageerib sama ravimi suhtes erinevalt, teiste ravimitega või paljude teiste stiimulitega.
- Teiseks on huvitav, et paljud, võib-olla kõige enam, muutuste liigid, mis on seotud sõltuvuse olukorraga (nt muutunud geeni transkriptsioon, epigeneetika, sünaptiline ja kogu raku plastilisus ning neuronaalne morfoloogia ja neurotroofsed mehhanismid) on seotud ka "käitumismälu" traditsiooniliste vormidega, nagu ruumiline mälu, hirmude konditsioneerimine ja operandi konditsioneerimine.
- Kolmandaks on uimastitest mõjutatud aju piirkondade hulgas need, mis on peamised närvisubstraadid käitumismälu jaoks, kaasa arvatud hipokampus, amygdala ja PFC. See langeb kokku üha suureneva arusaamaga, et mõned kliiniliselt olulised sõltuvuse tunnused (nt narkootikumide iha ja ägenemine) peegeldavad kõrvalekaldeid traditsioonilistes mäluahelates koos pikaajaliste mälestustega narkootikumide kasutamise kogemusest, mis on sõltuvuspatoloogia tugevad draiverid.4,7,8 Vastupidi, aju tasulised piirkonnad (nt VTA ja NAc) mõjutavad tugevalt käitumismälu.
Käesolevas artiklis antakse ülevaade peamistest molekulaarsete ja rakuliste muutuste liikidest, mis esinevad mitmetes aju piirkondades sõltuvusloomade mudelites, keskendudes tuuma accumbensile, mille kohta enamik teavet on praegu saadaval. Oluline on see, et mõnda neist muutustest inimestel sõltuvuses on olnud võimalik järjest enam kinnitada postmortem-aju uuringute põhjal. Hoolimata asjaolust, et kuritarvitavatel ravimitel on erinevad keemilised struktuurid ja nad tegutsevad valgu sihtmärkide järgi, on hämmastav, et paljud silmapaistvad sõltuvusega seotud kohandused on ühised paljudele ja mõnel juhul kõikidele uimastitele, mis on kuritarvitatavad ja mis tõenäoliselt aitavad kaasa ühiste omaduste jagamisele. sõltuvuse sündroom.4,9 Seevastu on paljud teised ravimi poolt indutseeritud kohandused konkreetse ravimi suhtes spetsiifilised ja võivad vahendada antud sõltuvuse rohkem unikaalseid aspekte. Keskendume siin kuritarvitavatele stimulantidele ja opiaatidele, mis avaldavad loomade mudelitel võrreldes teiste ravimitega dramaatilisemat mõju. Samuti tõstame esile tulevaste teadusuuringute olulisi valdkondi, mis suurendavad veelgi meie teadmisi sõltuvuse sündroomidest ja muudavad need edusammud paremateks diagnostilisteks testideks ja raviks.
Transkriptsioonilised ja epigeneetilised mehhanismid
Teadmine, et sõltlased võivad jääda suurenenud retsidiivide riskiks, hoolimata sellest, et nad on aastaid pidanud hoiduma, tähendab, et sõltuvus hõlmab uimastitest tingitud muutusi ajus, mis võivad olla väga stabiilsed. See on viinud mitmete rühmade tähelepanu geeniekspressiooni muutustele sõltuvuse protsessi olulise osana (Joonis 1). Sellest tulenevalt uuritakse kandidaatgeene või genoomiga hõlmatud uuringuid, mis hõlmavad DNA mikrorakke ja viimasel ajal ka RNA-seq (ekspresseeritud RNA-de suure läbilaskvusega sekveneerimine). on tuvastanud mitmeid geene, mille ekspressioon on muutunud teatud aju piirkonnas näriliste ja primaatide sõltuvusmudelites ja inimeste sõltlastes (nt refs 10-17). Selliste geenide näiteid käsitletakse käesoleva läbivaatamise järgmistes osades.
Transkriptsiooni ja epigeneetilise reguleerimise mehhanismid kuritarvitamise ravimitega. Eukarüootsetes rakkudes organiseeritakse DNA histooni oktomeeride ümber, moodustades nukleosoome, mis seejärel järjestatakse ja kondenseeritakse, et moodustada kromosoomid (vasakpoolne osa). Ainult tihendatud kromatiini ajutiselt lahtiühendades saab spetsiifilise geeni DNA muuta transkriptsioonimasinale kättesaadavaks. Narkootikumide ravimid toimivad intratsellulaarsete signaliseerimiskaskaadide (parempoolne osa) muutmiseks sünaptiliste sihtmärkide, nagu tagasihaarde mehhanismide, ioonkanalite ja neurotransmitterite (NT) retseptorite kaudu. See viib transkriptsioonifaktorite (TF-de) ja paljude teiste tuuma-sihtmärkide, kaasa arvatud kromatiin-regulatiivsete valkude aktiveerumiseni või inhibeerimiseni (näidatud paksude nooltega); kromatiini reguleerivate valkude sünaptilises regulatsioonis osalevad üksikasjalikud mehhanismid on endiselt halvasti mõistetavad. Need protsessid toovad lõppkokkuvõttes kaasa teatud geenide indutseerimise või represseerimise, kaasa arvatud need, mis on mõeldud mittekodeerivate RNA-de nagu mikroRNA-de jaoks; mõnede nende geenide muutunud ekspressioon võib omakorda reguleerida geeni transkriptsiooni. On tehtud ettepanek, et mõned neist ravimiga indutseeritud muutustest kromatiini tasemel on äärmiselt stabiilsed ja seeläbi aluseks pikaajalisele käitumisele, mis määrab sõltuvust. CREB, tsükliline AMP-ga reageeriva elemendi siduv valk; DNMT-d, DNA metüültransferaasid; HAT-d, histooni atsetüültransferaasid; HDAC-d, histooni deatsetülaasid; HDM-id, histooni demetülaasid; HMT-d, histooni metüültransferaasid; MEF2, müotsüütide spetsiifiline võimendustegur 2; NF-kB, tuumategur-KB; pol II, RNA polümeraas II. Reprodutseeritud ref 44: Robison AJ, Nestler EJ. Sõltuvuse transkriptsioonilised ja epigeneetilised mehhanismid. Nat Rev Neurosci. 2011: 12: 623-637.
Samamoodi on paljude transkriptsioonifaktorite tüübid - valgud, mis seonduvad geenide regulatiivsete piirkondadega ja suurendavad või vähendavad nende geenide transkriptsiooni - seotud kuritarvitamise ravimi pikaajalise mõjuga geeniekspressioonile ajus.. Märkimisväärseteks näideteks on mitmed teised CREB (cAMP vastuselementi siduv valk), AFosB (Fos perekonna transkriptsioonifaktor), NFkB (tuumafaktor kB), MEF2 (müotsüütide suurendamise faktor-2) ja glükokortikoidiretseptorid.5,10,18-22 Üha enam on olnud võimalik mõista rakulisi signaalimisteid, mille kaudu kuritarvitatavad ravimid aktiveerivad ajus antud transkriptsioonifaktorit, ja seostada sellist aktivatsiooni põhjuslikult selle transkriptsioonifaktori sihtgeenidega ja sõltuvuse spetsiifiliste käitumuslike aspektidega (vt. Joonis 1). Seda arengut illustreerib CREB ja ΔFosB kaalumine, mis on sõltuvuse mudelite kõige paremini uuritud transkriptsioonifaktorid.
cAMP Vastuselemendi siduv valk
Stimuleerivad ja opiaadivastased ravimid aktiveeruvad CREB mitmetes sõltuvuse seisukohalt olulistes aju piirkondades, kaasa arvatud silmapaistvalt NAc-s.23,24 CREB on teadaolevalt aktiveeritud teistes süsteemides cAMP, Ca poolt2+ja kasvufaktorite teed,25 ja pole veel teada, milline neist vahendab kuritarvitamist põhjustavate ravimite aktiveerimist NAc-s. On näidatud, et CREB narkootikumide aktiveerimine NAc-s on klassikaline negatiivne tagasiside mehhanism, kusjuures CREB aitab vähendada looma tundlikkust nende ravimite kasulike mõjude suhtes (tolerantsus) ja vahendada negatiivset emotsionaalset seisundit ravimi ärajätmise ajal (sõltuvus).18,26,27 Need mõjud on hiljuti näidanud, et suurendavad ravimite eneseravastamist ja retsidiivi, eeldatavasti negatiivse tugevdamise teel.28 Need CREB-toimingud näivad hõlmavat mõlemat NAc keskmise spinni neuronite peamist alatüüpi, need, mis ekspresseerivad valdavalt D1 versus D2 dopamiini retseptorid.24 Isuur hulk kirjandust on näidanud, et hipokampuses ja amygdalas tegutsev CREB on võtmemolekul käitumismälus.29-31 See laialdane roll sõltuvuses ja käitumismälus peegeldab tõenäoliselt asjaolu, et neuronid läbivad piiratud arvu molekulaarseid mehhanisme, millega kohaneda pidevalt muutuva keskkonnaga.
Selle käitumusliku fenotüübi vahendusel CREB sihtmärgiks olevad geenid on identifitseeritud nii genoomiga hõlmatud testide kui ka rohkem valitud jõupingutuste kaudu.10,18,32 Üheks näiteks on opioidpeptiiddünorfiin: dünorfiini ekspressiooni stimuleeriv indutseerimine NAc neuronites, vahendatud CREB kaudu, \ t suurendab k opioidiretseptorite dünorfiini aktivatsiooni VTA dopamiini neuronites ja seeläbi pärsib dopamiinergilist ülekannet NAc-le ja kahjustab tasu.18 On näidatud, et mitmed teised CREB sihtmärgid on ravimi poolt indutseeritud sünaptilise plastilisuse jaoks olulised, nagu allpool kirjeldatud. Kuigi CREB aktiveeritakse stimulantide ja opiaatide poolt ka mitmetes teistes aju piirkondades,23,24 vähem on teada selle mõju käitumuslikest tagajärgedest ja sihtgeenidest, mille kaudu need tekivad. Samamoodi on vähem teada CREB-i rollist teiste kuritarvitavate ravimite tegevuse vahendamisel.19
ΔFosB
Akuutne kokkupuude praktiliselt iga kuritarvitamise ravimiga kutsub esile kõik Fos perekonna transkriptsioonifaktorid NAc-s ja mitmetes teistes aju piirkondades. See induktsioon on kiire, kuid ka väga mööduv, kui Fos-valgu tase muutub 8-is normaalseks 12-tunniks. Nende Fos perekonna valkude seas on ainulaadne FosB, FosB geeni kärbitud toode, mis oma ebatavalise stabiilsuse tõttu akumuleerub järk-järgult ravimi korduva ekspositsiooni käigus ja muutub nendes tingimustes ekspresseeritavaks domineerivaks Fos-valguks.22,33 Peale selle püsivad selle stabiilsuse tõttu ΔFosB tasemed nädalat pärast ravimi võtmist. Sellist kroonilist ΔFosB induktsiooni on näidatud praktiliselt kõigi kuritarvitamise ravimite puhul34 ja enamiku ravimite puhul on selektiivne Dl-tüüpi NAc neuronite suhtes.34,35 See on olnud ka inimestel.35 Suur hulk kirjandust on näidanud, et selline ΔFosB induktsioon D-s1-tüüpi NAc neuronid suurendavad nii looma tundlikkust ravimi suhtes kui ka looduslikke hüvesid ning soodustavad ravimi isemajandamist, eeldatavasti positiivse tugevdamise kaudu (vt viiteid 34 kuni 38). Huvitav on see, et ΔFosB uimastite indutseerimine NAc-s on noorukitel dramaatilisem, suurema sõltuvuse haavatavuse aeg,39 ja nikotiini indutseerimine on näidanud, et see vahendab nikotiini väravataolist kokaiinitasu suurendamist.40
CREB puhul on NAc-s identifitseeritud arvukalt ΔFosB sihtmärkgeene kandidaatgeeni ja genoomi hõlmavate lähenemisviiside abil.10,32 Kui CREB indutseerib dünorfiini, siis ΔFosB pärsib seda, mis aitab kaasa ΔFosB preemiat soodustavatele mõjudele.38 Teine ΔFosB sihtmärk on cFos: kuna ΔFosB koguneb koos korduva ravimi ekspositsiooniga, represseerib see c-Fos ja aitab kaasa molekulaarsele lülitile, mille korral AFosB indutseeritakse selektiivselt kroonilise ravimiga töödeldud olekus.41 On näidatud, et paljud teised AFosB sihtmärgid vahendavad teatud ravimite kuritarvitamise võimet indutseerida NAc-s sünaptilist plastilisust ja sellega seotud muutusi NAc-i keskmiste närvirakkude dendriitide arboriseerimisel, nagu allpool käsitletakse.
OsFosB induktsiooni funktsionaalsed tagajärjed teistes aju piirkondades on vähem arusaadavad, kuigi selle induktsiooni orbitofrontaalses ajukoores (OFC) on uuritud üksikasjalikult. Siin vahendab ΔFosB tolerantsust, mis tekib kroonilise ekspositsiooni käigus kokaiini kognitiivselt häirivate mõjude korral, ja see kohandamine on seotud suurenenud kokaiini eneseanalüüsiga.42,43
Genoomiga hõlmatud testid on näidanud mitmeid võimalikke sihtmärkgeene, mis vahendavad neid toimeid.42 Vaatamata ΔFosB ainulaadsetele ajalistele omadustele ja teadmisele, et see on indutseeritud traditsioonilistes mäluahelates (nt hipokampuses), ei ole ΔFosB rolli käitumismälus veel uuritud, mis on tulevaste uuringute jaoks huvitav teema.
Epigeneetilised mehhanismid
Viimastel aastatel on transkriptsiooniuuringud lükatud ühe sammu võrra edasi epigeneetika suunas44 (Vt Joonis 1), mida võib üldjoontes defineerida kui muutust geeniekspressioonis, mis esineb DNA järjestuse muutuse puudumisel. Epigeneetilised mehhanismid kontrollivad DNA pakendamist raku tuumas selle interaktsioonide kaudu histoonide ja paljude teiste tuumavalkudega, mis koos moodustavad kromatiini. Geeni ekspressiooni kontrollib selle pakendi seisund histoonide, teiste valkude ja DNA enda kovalentse modifitseerimise kaudu. Nagu ainult mõned näited, kaldub histoonide atsetüülimine soodustama geeni aktivatsiooni, histoonide metüülimine võib kas soodustada geeni aktivatsiooni või represseerimist sõltuvalt Lys jäägist, mis toimub selles modifikatsioonis, ja DNA metüülimine on üldiselt seotud geeni represseerimisega, kuigi teatud metüülimise variandid ( näiteks 5-hüdroksümetüülimine) võib olla seotud geeni aktiveerimisega.
Epigeneetika on ahvatlev mehhanism, sest teistes süsteemides, näiteks arengu ja vähi bioloogias, võivad teatud epigeneetilised modifikatsioonid olla püsivad. Sel põhjusel, epigeneetikat on järgitud nii õppe- kui ka mälumudelites (nt refs 45-48) ja sõltuvuses;44,49 Mõlemas süsteemis on histooni atsetüülimisel ja metüülimisel ning DNA metüülimisel esinenud põhjalikke muutusi. Nagu üks näide, on histooni metüültransferaas, G9a, seotud mõlema mäluga50 ja sõltuvus.51,52 Sõltuvusmudelites: G9a väljend on alareguleeritud NAc-s vastuseks stimuleerivatele või opiaadivastastele ravimitele ja tta on näidanud, et see parandab nende ravimite rahuldavat mõju.51,52 Huvitav on, et G9a kokaiini pärssimist vahendab ΔFosB. G9a katalüüsib histooni H9 (H3K3me9), geeni repressioonide peamise vahendaja, Lys2i dimetüülimist. ChIP-kiip või ChIP-seq (kromatiini immunosadestamine, millele järgneb vastavalt promootori kiibid või suure läbilaskevõimega järjestus) on kasutatud NAc-i geenide genoomi hõlmavate kaartide saamiseks, mis näitavad muutunud H3K9me2-i pärast stimuleerivat või opiaadiga kokkupuudet.32,52,53 Kattudes nende geenide nimekirjadega geeniekspressiooni muutuste genoomiga hõlmatud nimekirjadega ning paljude teiste epigeneetiliste modifikatsioonide genoomiga hõlmatud kaartidega (nt ΔFosB sidumine, CREB sidumine, muud histooni modifikatsioonid jne),32,53 peaks olema võimalik tuvastada järjest rohkem komplekte geene, mida reguleerivad narkootikumide kuritarvitamine, ja mõistma kaasnevaid epigeneetilisi mehhanisme.
Teine mälu ja sõltuvusega seotud epigeneetilise reguleerimise vorm on mikroRNA-de loomine. Need väikesed mittekodeerivad RNA-d seonduvad mRNA-de komplementaarsete piirkondadega ja seeläbi pärsivad nende translatsiooni või indutseerivad nende lagunemist. Argonauti, mis on miRNA-de töötlemiseks olulise valgu, kustutamine muudab kokaiini käitumuslikke vastuseid, täheldades D1- ja D2-tüüpi keskmiste närvirakkude suhtes täheldatavat mõju.54 Samuti on näidatud, et mitmed spetsiifilised miRNA-d on reguleeritud ravimi ekspositsiooniga ja mõjutavad omakorda käitumishäireid ravimitele (nt refs 55,56). Tulevaste uuringute puhul on huvitav tuvastada nende miRNA-de mRNA sihtmärgid ja iseloomustada, kuidas need mõjutavad sõltuvusprotsessi.
Sünaptiline plastilisus
Samad üldised sünaptiliste modifikatsioonide tüübid glutamatergilistel sünapsidel, mis on seotud hipokampuse ja amygdala käitumismäluga (vt ka teisi teemasid selles küsimuses), on sarnaselt näidanud, et need esinevad ajuhüvitiste piirkondades sõltuvusmudelites ja on olulised vahendamisel sõltuvusprotsessi.57,58 Sellist narkootikumide poolt põhjustatud sünaptilist plastilisust on kirjeldatud mitmetes aju piirkondades, kuid me keskendume siinkohal NAc-le, kus enamik uuringuid on seni keskendunud (Joonis 2).
Sõltuvusega seotud sünaptilise ja struktuurse plastiilsuse mudel tuuma accumbensis (NAc). Krooniline kokkupuude kokaiiniga põhjustab α-amino-3-hüdroksü-5-metüül-4-isoksasolepropioonhappe (AMPA) ja N-metüül-D-asparagiinhappe (NMDA) glutamaadi retseptorite ajast sõltuva ja mööduva ümberkorraldamise NAc keskkonnas närvirakkude (MSN) sünapsid, samuti NAc MSN-i selgroo peastruktuuri muutused, mis korreleeruvad sünaptilise plastilisuse erinevate vormidega. Näiteks põhjustab krooniline kokaiin NMDA retseptorite pinnaekspressiooni, vaikse sünapsi moodustumise ja pikaajalise depressiooni (LTD) varajase lahkumise ajahetkedel. Pikemaajalise tagasivõtmise ajal (wd) pöörduvad need sünaptilised muutused, mille tulemuseks on pindade AMPA retseptorite suurenenud ekspressioon, sünapsi konsolideerimine seene-kujuline selg ja pikaajaline potentseerumine (LTP). Need toimed pöörduvad kiiresti tagasi kokaiiniga kokkupuute tagajärjel, mille tulemuseks on selgroo ümberkujundamine õhukesteks selgudeks ja sünaptilise tugevuse depressioon.
Esialgsed katsed näitasid, et korduv kokkupuude stimuleerivate ravimitega kuritarvitab indutseerima LTD-i (pikaajaline depressioon) sarnane seisund glutamaatergiliste sünapside korral.59 Hiljem tehtud töö on näidanud, et plastilisus on väga ajast sõltuv, kusjuures LTD esineb pärast kokaiini viimast kokkupuudet varakult, muutudes pikemaks väljumisajaks pärast LTP-d (pikaajaline potentseerimine).60,61 See töö, mis on tänaseni läbi viidud peamiselt uurijate poolt manustatud ravimite asemel, on määratlenud vajadus süstemaatilisemate uuringute järele iseseisvate mudelite puhul, mis jälgivad glutamatergiliste sünapside sünapsisete plastilisuse vorme NAc üksikasjaliku aja jooksul alates iseseisva manustamise omandamisest kuni selle hoolduseni, erinevate väljalangemis- ja väljasuremisaegade kaudu ning vastusena retsidiivide tekitavatele stiimulitele. Senine töö on määratlenud ka mõningaid molekulaarseid mehhanisme, mis aitavad kaasa selle ravimi poolt põhjustatud sünaptilisele plastilisusele, sealhulgas AMPA retseptorite inimkaubandusega sünapsi, mis võib olla vahendatud osaliselt CaMKII kaudu (Ca2+/ kalmoduliinist sõltuva proteiinkinaasi II) teatud AMPA retseptori subühikute fosforüülimine, samuti AMPA retseptori allüksuste muutunud ekspressioon (nt 60,62-65, Arvud 2 ja 3). CREB ja ΔFosB roll on seotud nende nähtustega, samuti seotud muutustega glutamatergiliste sünapside morfoloogias (vt allpool). Näiteks on GluAl CREB sihtmärk NAc-s, kus GluA2 ja CaMKII on mõlemad ΔFosB sihtmärgid selles aju piirkonnas .35,36,66,67 Edasi liikudes on oluline siduda spetsiifilisi kohandusi ajast sõltuvatele sünaptilise funktsiooni muutustele ja sõltuvuse käitumuslikele omadustele.
Dendriitsete ogade kokaiini indutseerimise aluseks olevad molekulaarsed mehhanismid keskmistel tuumas neuronitel. A) näitab kokaiinist põhjustatud dendriitilise selgroo arvu suurenemist, mida saab blokeerida G9a või JunD (AP1-vahendatud transkriptsiooni antagonist) viiruse üleekspressiooniga või jäljendada FosB viiruse üleekspressiooniga. B) On näidatud, et olulist rolli mängivad AMPA retseptorite (AMPAR) ja aktiinitsütoskeleti (vasakul) reguleerimine ning glutamaadi retseptorite ja aktiini reguleerivate valkude transkriptsiooni reguleerimine (nt vahendatud ΔFosB kaudu, paremal) kokaiini NAc dendriitilise selgroo tiheduse reguleerimise vahendamisel. UMK, LIM domeeni kinaas; RAC, Rasiga seotud C3 botuliinitoksiini substraat.
Uued eksperimentaalsed tööriistad võimaldavad esmakordselt täpsustada, millistel vooluahelatel on need sünaptilise plastilisuse vormid ja millised käitumuslikud kõrvalekalded nad vahendavad. Näiteks tta näitab, et NAc tuum ja alampiirkonnad näitavad erinevusi uimastitest tingitud sünaptilises plastilisuses, nagu D1-versus D2-tüüpi keskmised närvilised neuronid igas alampiirkonnas.60,63,64,67 Samamoodi on optogeneetilised katsed andnud uudse ülevaate sünaptilise plastilisuse teatud vormi (nt LTD) panusest glutamatergiliste sünapside konkreetsetesse populatsioonidesse NAc-s, näiteks need, mis tulenevad meditsiinis kasutatavast PFC-st võrreldes basolateraalse amygdala ja ventral subiculum'iga (peamine väljund kohta).68-70 Lõppkokkuvõttes on vaja kõigi nende aferentsete neuronite ravimite indutseeritud molekulaarseid kohandusi katta sünapsispetsiifiliste kohandustega, mis esinevad nende postsünaptilistes dendritites, et saada täielik arusaam sellest, kuidas kuritarvitamise ravimid muudavad aju vooluringe, et juhtida sõltuvusseisund. See ettevõtmine nõuab nendest samadest ajupiirkondadest pärinevate inhibeerivate sünapside korral ravimi poolt indutseeritud plastilisuse suuremat väärtustamist - piirkonda, millele on seni pööratud väga vähe tähelepanu.65
Kogu raku plastilisus
Kuigi enamik neurofüsioloogilisi muutusi uimastite kuritarvitamise nähtuste neuronite muutustest, nagu õppimise ja mälu nähtused, on keskendunud sünaptilisele plastilisusele, on üha rohkem tõendeid ka kogu rakkude plastilisuse tähtsuse kohta. Kogu raku plastilisus, mida nimetatakse ka homeostaatiliseks plastilisuseks, \ t71 hõlmab muutusi kogu närviraku sisemisest ergastatavusest viisil, mis ei ole sünapsispetsiifiline. Arvestades, et uimastisõltuvuse teatud tunnused hõlmavad ravimi suhtes suurenenud või vähendatud tundlikkust, on mõttekas, et teatud närvirakkude suurenenud või vähenenud elektriline ergastuvus aitab kaasa nende käitumisviiside kohandamisele.5
. kõige paremini tõestatud näide rakkude plastiilsusest narkootikumide suhtes on krooniliste opiaatide võime suurendada lokus coeruleuse noradrenergiliste neuronite sisemist erutatavust (LC).72 See suurenenud erutusvõime on vahendatud CREB-ga ja selle teatud adenülüültsüklaasi isovormide indutseerimisega, mis juhivad LC-neuronite suurenenud põletamist Na + -kanalite indutseerimise teel.72-75 See LC neuronite hüperexcretilty esindab klassikalist sallivuse ja sõltuvuse mehhanismi ning juhib mõningaid opiaadi ärajätmise sümptomeid. Huvitav on, et CREB vahendab sarnase vormi kogu rakkude plastilisust NAc keskmise spinni neuronites, mis on samuti muutunud ülitundlikeks, kui CREB kaudu eksponeeritakse krooniliste ravimitega.76 Seega on tulevaste uuringute puhul kriitiline mõista, kuidas glutamatergiliste sünapside CREB-vahendatud sünaptiline plastiilsus NAc keskmise spinni neuronitel65,66 summeerib nende neuronite CREB-vahendatud sisemise ülitundlikkuse76 sõltuvuse käitumisomaduste kontrollimiseks.
Teine näide kogu rakkude plastilisusest sõltuvust käsitlevates mudelites on VTA dopamiini neuronite ülitundlikkus, mis tekib pärast kroonilist eksusiooniravimite ekspositsiooni.jaJoonis 4).77,78 Seda kohandamist, mis on seotud nende närvirakkude morfoloogiliste muutustega (vt järgmine lõik), ei vahenda CREB, vaid saavutatakse selle asemel, et reguleerida neurotroofseid signaaliülekandekaskaase, nagu allpool kirjeldatud.
Kroonilise morfiini indutseeritud kohanduste töömudel ventral tegmental area (VTA) dopamiini neuronites. Krooniline morfiin vähendab VTA dopamiini (DA) soma suurust, kuid suurendab neuronaalset erutatavust, samas kui dopamiini ülekandumine tuumaklundidesse väheneb. Morfiini netomõju on vähem reageeriv tasu rada, st tasu taluvus. IRS2-AKT signaali ülekandmine VTA-s vahendab kroonilise morfiini mõju soma suurusele ja elektrilisele ergastatavusele; mõju erutatavusele vahendatakse vähenenud γ-aminovõihappe (GABA) A voolude ja K 'kanali ekspressiooni pärssimise kaudu. Morfiini poolt indutseeritud mTORC2-i aktiivsuse vähenemine VTA-s on nende morfiin-indutseeritud morfoloogiliste ja füsioloogiliste kohanduste ning tasu tolerantsuse seisukohalt otsustava tähtsusega. Vastupidiselt mT0RC2ile suurendab krooniline morfiin mTORCI aktiivsust, mis ei mõjuta neid morfiini poolt põhjustatud kohandusi. BDNF, aju tuletatud neurotroofne tegur; IRS, insuliiniretseptori aine; mTORC, mTOR kompleks; AKT, proteiinkinaas B reprodutseeritud ref 77-ist
Morfoloogiline plastilisus ja neurotroofsed mehhanismid
Kasvav tõendusmaterjal, millest suur osa pärineb hipokampuse ja ajukoore neuronite uuringutest, on näidanud, et sünaptilise plastilisuse muutused on seotud sünapsi morfoloogiliste muutustega. Näiteks on LTD ja vaikse sünapsi genereerimine seotud õhukeste või kõvade dendriitrakkude moodustumisega, samas kui LTP seostatakse suuremate, seenekujuliste lülidega.79,80 Seega on huvitav, et uimastite kuritarvitamise valdkond on keskendunud uimastite põhjustatud muutustele dendriitilistes okastes juba üle 15 aasta. Krooniline kokkupuude kuritarvitamise stimuleerivad ravimid suurendavad NAc keskmise spinni neuronite dendriitrakkude tihedust, mis on domineeriv Dl-tüüpi neuronite puhul.67,81,82 Selgroogide esilekutsumine on olnud suures osas seotud tundlike käitumuslike reaktsioonidega nendele ravimitele, kuigi mõned tõendid on selle seisukohaga vastuolus.
Sarnaselt sünaptilise plastilisuse uuringutele on siiski vaja palju tööd, et süstemaatiliselt määratleda dendriitide lülisamba muutused, mis tekivad ravimi eneseanalüüsi, tagasivõtmise ja retsidiivi käigus. Sseni uuritud ja ise manustatava ravimi kasutamisega seotud uuringud viitavad väga erinevatele selgroo muutustele, mis esinevad erinevatel katkestusaegadel ja NAc kesta puhul võrreldes põhiregioonidega.83-86 Samuti on oluline määratleda täpsed molekulaarsed mehhanismid, mille abil kokaiin või muu stimulant tekitab need ajast sõltuvad ja rakutüüpi spetsiifilised toimed. On näidatud, et ΔFosB on vajalik ja piisav ebaküpsete selgroogide esilekutsumiseks Dl-tüüpi NAc neuronitel.35,51,67 Selline regulatsioon toimub koos kokaiini ja ΔFosB regulatsiooniga mitmete valkude puhul, mis teadaolevalt kontrollivad aktini tsütoskeleti reorganiseerimist. Üks näide on mitmete guaniini nukleotiidide vahetusfaktorite ja GTPaasi aktiveerivate valkude transkriptsiooniline regulatsioon väikese GTPaasi Rac1-i jaoks, mis on mööduv aktiivsuse vähenemine vastuseks igale kokaiini ekspositsioonile, ja sellised pulseeruvad Rac1-i aktiivsuse langused on näidatud, kasutades optogeneetilist kontrolli Rac1i \ t87 Need Racli toimed tekivad arvatavasti selle kaudu, et nad kontrollivad cofiliini ja teisi aktiini reguleerivaid valke, mis on samuti näidanud, et nad vahendavad seljaaju kasvu kokaiini reguleerimist.87,88 Siiski on oluline rõhutada, et see on ainult üks kokaiini ebaküpsete selgroolülide reguleerimise rada, kuna on näidatud, et olulist rolli mängivad ka mitmed muud valgud, sealhulgas CDK5 (tsükliinisõltuv kinaas-5), CaMKII, NFkB , MEF2, CREB, G9a ja DNMT3 (DNA metüültransfooni kustutamine 3a), kui nimetada vaid mõnda.20,21,35,51,67,89,90 Huvitav on see, et mitmete nende geenide kokaiini reguleerimine, kaasa arvatud CDK5i, CaMKII ja NFkB induktsioon, ning G9a represseerimine on vahendatud ka ΔFosB kaudu.20,35,51,91
Üllataval kombel avaldavad opiaadiravimid vastupidist mõju ja vähendavad dendriitide selgroo tihedust NAc keskmise spinni neuronites.81 Sellest kohanemisest ja selle aluseks olevatest molekulaarsetest mehhanismidest on vähe teada. See nähtus on siiski üllatav, arvestades, et nii stimulandid kui ka opiaatid indutseerivad CREB ja ΔFosB ning need on mõlemad seotud NAc dendriitilise selgroo tiheduse stimuleeriva vahendusega. See tõstatab küsimuse, kuidas opiaadid pärsivad NAc lülisamba tihedust vaatamata nende faktorite indutseerimisele.
Teine suur morfoloogilise plastilisuse vorm, mida täheldatakse narkootikumide kuritarvitamise mudelites, on kroonilise opiaadi manustamise poolt indutseeritud VTA dopamiini neuronite raku soma suuruse füüsiline vähenemine..77,92,93 Sarnane kohanemine toimub ka kannabinoidide korral.94 See VTA dopamiini neuronite kokkutõmbumine, mis esineb opiaadi füüsilisest manustamisest93 on dokumenteeritud inimese heroiinisõltlastel, kes uurisid postmortem,77 näib vahendavat tasu taluvust ja on seotud dopamiini vähenemisega NAc-s. Märkimisväärsed tõendid näitavad nüüd, et seda raku soma suuruse vähenemist vahendab aju pärineva neurotroofse faktor (BDNF) ekspressioon nende neuronite kaudu. Oleme otseselt seostanud selle opiaadi poolt indutseeritud BDNF toe ja VTA neuronite kokkutõmbumise vähenemise allapoole suunatud BDNF signaaliülekande kaskaadide aktiivsusega VTA dopamiini neuronites, spetsiifiliselt IRS2i (insuliiniretseptori substraat-2), AKT (seriin-treoniin) aktiivsuse vähendamisega. kinaas) ja TORC2 (rapamütsiini-2 sihtmärk, mis ei ole rapamütsiini suhtes tundlik).77,93 Oleme seostanud ka selle BDNF-i allakirjutamise otse suurenenud ergastatavusega, mida morfiin nendes neuronites indutseerib, nagu varem mainitud.77,78 Tõepoolest, rakkude vähenenud suurus ja suurenenud erutuvus on tihedalt seotud, kuna ühe indutseerimine viib teise ja vastupidi. See rakkude erutuvuse kontroll hõlmab K-i pärssimist+ kanalite ja GABAA praegustes neuronites.
See BDNF roll morfiini vastuste kontrollimisel VTA tasemel on vastuolus selle väga erineva osalusega kokaiini ja teiste stimulantide tegevuses. Stimulandid indutseerivad BDNF-i signaale NAc-le, mis on tingitud BDNF-i suurenenud kohalikust sünteesist, samuti suurenenud vabanemisest mitmetest afferentsetest piirkondadest.95 Lisaks on näidatud, et suurenenud BDNF signaaliülekanne NAc-s, kuid mitte VTA-s, soodustab nende ravimite käitumist mõjutavaid mõjusid, kaasa arvatud nende iseseisvat manustamist.95,96 BDNF-signaali vastupidine reguleerimine VTA-NAc rajal opiaatide ja stimulantide poolt tekitab võimaluse, et sellised erinevused vahendavad ravimite vastupidist NAc dendriitiliste selgroolülide reguleerimist, mida praegu uuritakse.
Edasised suunad
Ülaltoodud narratiivis rõhutatakse tohutuid edusamme, mida on tehtud ajuhüvitiste piirkondades toimuvate molekulaar- ja rakuliste kohanduste mõistmisel vastusena korduvale kokkupuutele narkootikumide kuritarvitamisega, ning individuaalsete kohanduste leidmisel sõltuvuse sündroomide teatavatele käitumuslikele omadustele loomamudelites. . Vaatamata nendele edusammudele jäävad suuremad küsimused. Enamik meie olemasolevatest teadmistest keskendub VTA-le ja NAc-le, kus on palju vähem teavet teiste oluliste limbiliste aju piirkondade kohta, mis on samuti narkomaania seisukohalt olulised. Lisaks on kõik katselised näidised molekulaar-rakulise kohanemise põhjuslikust rollist ravimiga seotud käitumises manipuleerinud ükshaaval üksikuid kohandusi. Paljude korrigeerimiste korraga manipuleerimine on ilmselgelt palju raskem, kuid see on samuti oluline, sest me teame, et ravimid toodavad suurel hulgal erinevat tüüpi muutusi isegi üksikute neuronite sees, mis tõenäoliselt kogunevad keerulistele viisidele, kuidas mõjutada käitumist. Selline süsteemibioloogiline lähenemine on otsustava tähtsusega sõltuvuse bioloogiliste aluste krakkimiseks. Lõpuks leiavad narkomaaniaga seotud mälestuste molekulaar-rakulised mehhanismid mõttekäigu hetkel, mil kõik muud pingutused, et mõista käitumusliku mälu bioloogilist alust, on nüüd võitluses: meie võime seostada bioloogilisi nähtusi keerulise käitumismäluga on endiselt väga raske. Selle lõhe ületamine kujutab endast suurimat väljakutset neuroteadustes.
Valitud lühendid ja akronüümid
- Nac
- tuum accumbens
- CREB
- cAMP vastuselemendi siduv valk
- ΔFosB
- Fose perekonna transkriptsioonifaktor
- VTA
- ventral tegmental ala
- AMPA
- a-amino-3-hüdroksü-5-metüül-4-isoksasolepropioonhape
- LTD
- pikaajaline depressioon
- LTP
- pikaajaline protentatsioon
- BDNF
- aju poolt saadud neurotroofne faktor
- NKkB
- tuumafaktor kB
VIITED