Plasticité Moléculaire Et Cellulaire Induite Par Les Opiacés Des Neurones De La Zone Du Tegmental Ventral Et Du Locus Coeruleus (2012)

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Contexte

La VTA a été largement étudiée dans le domaine de la toxicomanie en raison de son rôle fondamental dans la récompense. Les neurones dopaminergiques (DA) du projet VTA s’appliquent à plusieurs régions du cerveau, y compris le noyau accumbens (NAc), où une libération accrue de DA a été observée en réponse à toutes les classes de drogues maltraitées (Di Chiara et Imperato 1988). Cependant, alors que les neurones DA constituent une partie importante (60% –65%) de ce noyau du cerveau moyen, il existe une diversité cellulaire considérable, avec une portion significative de neurones GABA (30% –35%) ainsi que des descriptions de neurones glutamatergiques ( 2% –3%) (Swanson 1982; Nair-Roberts et al. 2008; Sesack et Grace 2010). Les neurones DA et GABA du cerveau moyen ventral, en général, se projettent topographiquement (médial à latéral) avec les structures de sortie principales consistant en NAc, le cortex préfrontal (PFC) et l’amygdale (AMY) Sesack et Grace 2010) (Fig. 1). Les afférents principaux de la VTA comprennent des apports excitateurs de PFC, de pédonculopopines et de tegmentum latérodorsal (PPTg et LDT), ainsi que de nombreuses autres structures récemment définies (Geisler et al. 2007). La contribution inhibitrice à la VTA est moins bien définie, mais des entrées provenant de NAc, du pallidum ventral et du noyau tegmental rostromédial mésopontine (RMTg) ont été rapportées (Sesack et Grace 2010). À ce jour, les recherches se sont concentrées de manière disproportionnée sur les neurones DA de la VTA, et plus particulièrement sur ceux qui se projettent sur le NAc, en raison du rôle critique de cette projection en récompense (Nestler 2004).

  

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Figure 1.  

Caricature d'une coupe sagittale du cerveau de rongeur illustrant la VTA et la LC et leurs principales projections afférentes et efférentes. Les neurones DAergiques (en rouge) et GABAergiques (en bleu) dans le projet VTA se dirigent vers les structures limbiques et corticales et reçoivent des entrées glutamatergiques (trait noir, PFC) et GABAergiques (tiret bleu, NAc, VP). Les neurones noradrénergiques (verts) de la LC innervent de multiples régions, notamment HIPP et PFC, et reçoivent une entrée glutamatergique de la part de PGi. Abréviations: AMY, amygdala; HIPP, hippocampe; LC, locus coeruleus; NAc, noyau accumbens; PFC, cortex préfrontal; PGi, noyau paragigantocellularis; VP, pallidum ventral; VTA, zone tegmentale ventrale.

Changements Aiguës Induits Par Les Opiacés Dans L'activité Neuronale

Compte tenu de la capacité de la morphine aiguë dans la VTA à induire une libération accrue de DA dans le NAc (Leone et al. 1991), de nombreux travaux ont porté sur les effets aigus des opiacés dans la VTA. La morphine aiguë augmente la cadence de déclenchement des neurones DA dans la VTA (Gysling et Wang 1983). Cet effet est médiatisé au moins en partie par la liaison de la morphine au G_{i / o}μ-opioïde (MOR) couplé aux neurones GABA locaux, ce qui diminue leur activité et la libération ultérieure de GABA sur les neurones DA et entraîne la désinhibition des neurones DA (Johnson et North 1992). Cependant, l'interprétation de la plupart des premiers travaux d'électrophysiologie est compliquée par des preuves mettant en évidence la nature presque indiscernable des neurones VTA DA et GABA (en termes de taille, de morphologie et de propriétés électrophysiologiques) (Margolis et al. 2006), clarifiant la nécessité d’identifier les neurones VTA étudiés de manière plus définitive (par exemple, par immunohistochimie, utilisation de souris reporter GFP, etc.), point qui sera traité en détail plus loin dans cette revue. Ici, nous nous concentrons principalement sur les opiacés qui agissent comme des agonistes du MOR dans la VTA, tels que la morphine, car ces médicaments produisent les effets gratifiants les plus souvent étudiés dans le domaine de la toxicomanie. Cependant, il est connu que les récepteurs κ-opioïdes (KOR) sont également exprimés sur les neurones VTA DA, et que l'activation de ces récepteurs peut directement inhiber la cadence de déclenchement des neurones DA (Margolis et al. 2003), contribuant probablement aux effets aversifs des agonistes kappa. La capacité des opiacés à produire à la fois l’activation et l’inhibition des neurones VTA DA, ainsi que des effets valorisants et aversifs, est intrigante, et cette modulation «yin-yang» et le rôle des peptides opioïdes endogènes méritent d’être étudiés dans le futur.

Plasticité Synaptique Aiguë Induite Par Les Opiacés

Outre les modifications de l'activité neuronale, de nombreux rapports font état de plasticité synaptique induite par les opiacés aigus. Comme avec la cocaïne et d’autres drogues maltraitées, il a été constaté qu’une seule injection de morphine augmentait le rapport α-amino-3-hydroxy-5-méthyl-4-acide isoxazolepropionique (AMPA) à Ncourants post-synaptiques excitateurs (EPSC) 24 heures après l'administration, concordant avec la potentialisation à long terme (LTP) de synapses glutamatergiques sur les neurones DA (Saal et al. 2003). Récemment, il a également été signalé que la morphine aiguë induit une redistribution du récepteur AMPAR (AMPAR) dans la VTA d’une manière similaire à la cocaïne, en particulier une insertion d’AMPARs manquant de GluA2 (Brown et al. 2010). Brown et al. observé une augmentation de l'index de rectification et une augmentation du GluA2 AMPAR cytoplasmique en réponse à la morphine aiguë, un effet qui est récapitulé par la stimulation directe des neurones DA dans l'ATV en utilisant l'expression sélective de la rhodposine de canal (2) (Brown et al. 2010), impliquant directement l'activité / la signalisation de DA dans la VTA vers la régulation glutamatergique. Ces données concordent avec les travaux antérieurs selon lesquels la surexpression de GluA1, mais non de GluA2 dans la VTA, sensibilise les animaux aux comportements stimulant et locomoteur de la morphine (Carlezon et al. 1997).

Les opiacés aigus influent également sur la plasticité des synapses GABAergiques lors de la VTA. On a constaté que la stimulation à haute fréquence induisait la LTP aux terminaux GABA (LTP_GABA) sur les neurones VTA DA, effet dépendant de l'activation des récepteurs NMDA postsynaptiques (NMDAR) et de la libération d'oxyde nitrique (NO) en tant que messager rétrograde des neurones DA (Nugent et al. 2007). NO augmente alors l’activité de la guanylyl cyclase (GC) dans le neurone GABA, entraînant une augmentation de la libération de GABA et de la LTP_GABA. Une seule dose de morphine inhibe la LTP_GABA en interrompant la cascade de signaux NO – GC – protéine kinase G (PKG) entraînant une perte du contrôle inhibiteur normal (heures observées 2 et 24 après l'injection, mais pas les jours 5) (Nugent et al. 2007, 2009; Niehaus et al. 2010). Ainsi, la perturbation de la PLT_GABA fournit un autre mécanisme pour la capacité des opiacés aigus à augmenter l'activité neuronale de la VTA DA.

Plus récemment, une autre forme de plasticité de la VTA et du GABAergique a été décrite: dépression à long terme des synapses GABAergiques sur les neurones DA (LTD)._GABA) (Dacher et Nugent 2011a). Utilisation de la stimulation basse fréquence (LFS), une LTD stable_GABA dans les cellules DA a été induite que, contrairement à la LTP_GABA, a été exprimé de manière postsynaptique et ne dépend pas de NMDAR. Cet effet n'était pas non plus dépendant de la signalisation des endocannabinoïdes, mais était bloqué par le sulpiride antagoniste du récepteur D2 de la dopamine (D2R). Fait intéressant, une seule injection de morphine était suffisante pour prévenir l’invalidité à long terme induite par l’EPA_GABA 24 heures après l'administration, ce qui suggère que la morphine peut réguler de manière bidirectionnelle la plasticité du GABA dans le VTA (Dacher et Nugent 2011a).

Plasticité Synaptique Induite Par Les Opiacés Chroniques

Bien que les changements synaptiques qui se produisent avec les opiacés aigus aient été relativement bien caractérisés, les changements chroniques ne l’ont pas été. À ce jour, peu d'études, voire aucune, n'ont examiné les modifications de la plasticité gluatamatergique ou gABAergique en réponse à l'administration chronique d'opiacés. Cela inclut le manque de connaissances quant à savoir s’il existe des différences entre l’administration passive et active de la drogue, une considération importante étant donné les travaux récents montrant que persiste la LTP dans la VTA des animaux qui ne sont pas auto-administrés à la cocaïne (jusqu’à quelques mois 3) uniquement avec une exposition occasionnelle à la cocaïne (Chen et al. 2008).

Cependant, il est connu que la morphine chronique, comme la morphine aiguë, augmente l'activité neuronale de la DA. Les enregistrements in vivo faisant suite à la morphine chronique montrent des augmentations à la fois du taux de déclenchement basal et de l’activité de rafale qui retrouvent leur niveau de référence lors du sevrage (Georges et al. 2006). Ceci contraste avec les travaux antérieurs qui avaient observé une diminution persistante de l'activité de la DA chez le rat retiré de la morphine (Diana et al. 1995, 1999). Une des raisons possibles de ces différences est la méthode d'administration utilisée. Par exemple, Georges et al. L’étude utilise un paradigme sous-cutané (sous-cutané) à libération prolongée de pellets, dont le profil pharmacodynamique est très différent de celui utilisé dans le paradigme de l’augmentation progressive de la dose utilisée précédemment par Diana et al. études. Comme indiqué précédemment (Fischer et al. 2008), 24 h après le dernier granule de morphine, les taux sanguins de morphine ne sont pas diminués et restent relativement stables avec le pic (n3000 ng / ml), tandis que le modèle d’injection chronique produit un pic beaucoup plus élevé (10,000 ng / ml) à 1 h, avec des taux sanguins inférieurs à 100 ng / ml après 4 h et négligeables à 12 h. Le changement du taux d'allumage de l'AD induit par le retrait de la morphine chronique, qu'il s'agisse d'un retour au niveau initial ou d'une diminution inférieure au niveau initial, semble dépendre des modifications de la libération de GABA. Le retrait de la morphine chronique augmente les courants postsynaptiques inhibiteurs du GABA (IPSC) et la libération de GABA sur les neurones VTA DA (Bonci et Williams 1997), un effet qui a récemment été démontré qu'il dépend du recyclage du MOR et de la signalisation cyclique de l'adénosine-5'-monophosphate (AMPc) (Madhavan et al. 2010).

L'hétérogénéité de la VTA par rapport à la CL (comme décrit ci-dessous) est un autre facteur pouvant contribuer aux différences entre les études. Non seulement existe-t-il une complexité de types de cellules multiples (principalement GABA versus DA), mais la distribution des types de cellules varie également le long de l'axe de la VTA rostral-caudal (Fig. 2). Plus précisément, la proportion de neurones DA / GABA est beaucoup plus élevée dans les sous-régions de VTA rostrale (IFN, RL) par rapport aux sous-régions caudales (PN, PIF) (Nair-Roberts et al. 2008). Cette différence a une pertinence fonctionnelle pour les changements de comportement induits par la morphine. La surexpression HSV-GluA1 a augmenté le comportement de récompense de la morphine avec une injection dans la VTA rostrale, alors qu’elle induisait un comportement aversif dans la VTA caudale, un effet également observé sur la surexpression virale de la protéine de liaison aux éléments de réponse à l’AMPc (CREB) ou de la phospholipase C gamma (PLCγ) (Carlezon et al. 2000; Bolanos et al. 2003; Olson et al. 2005). Cette différence est également visible au niveau moléculaire, car la transcription médiée par l’élément réponse cAMP (CRE) induite par la morphine dans les neurones DA de la VTA rostrale et caudale n’a été observée que dans les neurones non DA de la VTA rostrale (Olson et al. 2005). Les études ultrastructurales confirment ces différences rostrales-caudales et suggèrent la complexité accrue du schéma thérapeutique et du résultat de la projection. GluA1 a augmenté dans les dendrites positives pour la tyrosine hydroxylase (TH) (DAerg) et négatives (GABAergiques) dans la VTA parabrachiale (PBP) avec une seule injection de morphine. En revanche, avec la morphine chronique, il y avait une augmentation de GluA1 dans la VTA paranigral (PN) en plus de la région PBP (Lane et al. 2008).

  

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Figure 2. 

Complexité cellulaire et projection au sein de la VTA. La proportion de neurones DA (rouge) à GABA (bleu) varie entre les sous-noyaux de la VTA, les rapports DA: GABA étant plus élevés dans davantage de sous-régions rostrales telles que le noyau linéaire rostral (RL) par rapport aux sous-noyaux plus caudaux tels que le paranigral (PN) et le parainterfascicular ( PIF). De plus, les projections neuronales de l'AD diffèrent partout avec l'AVT avec davantage de régions latérales telles que le noyau parabrachial (PBP) se projetant sur l'enveloppe latérale de NAc (Lat Sh), tandis que les régions médiales telles que PN ont diverses projections, notamment l'amygdale (AMY), le cortex préfrontal (PFC). , Noyau NAc et coque médiane NAc (Med Sh). Des travaux limités ont examiné les projections neuronales GABA; il existe certaines preuves que les neurones GABA dans la PBP rostrale ont une forte projection vers le PFC, alors qu'il y a peu de neurones DA PBP rostraux qui se projettent vers le PFC, mais une projection de grande envergure DA PBP caudale; ceci suggère que la projection PBP-PFC n'est pas seulement définie au niveau régional, mais est également spécifique au sous-type neuronal (Lammel et al. 2008). (Le nombre de cellules utilisées provient de Nair-Roberts et al. 2008 et les projections proviennent d'études sur l'étiquetage rétrograde par Lammel et al. 2008.)

Les différences entre les neurones DA de VTA, basées sur leur région de sortie, ont récemment suscité un grand intérêt, car il est maintenant bien établi que les propriétés électrophysiologiques des neurones DA varient par projection. Les neurones VTA DA projetant vers NAc ont un I beaucoup plus petit_h courant que les neurones projetant vers l'amygdale basolatérale (BLA) (Ford et al. 2006), et il existe des différences dans les projections au sein de NAc lui-même, les neurones DA se projetant vers la coque latérale de NAc affichant une valeur I beaucoup plus élevée_h que les neurones DA qui se projettent dans la coquille médiane de NAc (Lammel et al. 2011). La durée du potentiel d'action (PA) des neurones DA varie également en fonction de la projection: les neurones DA projetant NAc ont la durée la plus longue, alors que la durée du neurone PA projetant est plus courte et les neurones DA projetant AMY ayant la durée la plus courte (Margolis et al. 2008). Il est important de noter que la réactivité aux opiacés semble également différer au sein de la VTA en fonction du type de projection: les neurones DA projetant vers l'ANc réagissent davantage aux agonistes du KOR que les neurones projetant de la BLA, alors que l'effet opposé était observé en ce qui concerne la réactivité à un agoniste MOR / delta (DOR) , qui a eu un effet plus important sur les neurones projetant BLA (Ford et al. 2006). Cela s'est traduit également par des effets d'opiacés à médiation présynaptique, puisqu'un agoniste du KOR a provoqué une plus grande inhibition du GABA._A IPSC de neurones DA se projetant vers la BLA, alors qu’il y avait une plus grande inhibition du GABA médiée par l’agoniste du KOR_B IPSC dans des neurones projetés vers le NAc (Ford et al. 2006). De plus, il a récemment été observé que la modulation des synapses excitatrices sur les neurones DA diffère en fonction de la projection (Lammel et al. 2011). Lammel et ses collègues (2011) ont trouvé que le rapport AMPA / NMDA était augmenté par la cocaïne dans les neurones DA qui projetaient vers NAc, mais pas dans les neurones DA qui projetaient vers PFC. Cependant, le rapport AMPA / NMDA était augmenté dans les cellules DA se projetant vers le PFC en réponse à un stimulus aversif (injection de formol dans la patte postérieure), un effet également observé dans les neurones DA projetant dans la coquille latérale de NAc, mais absent dans les neurones DA projetant dans NAc coquille médiale - montrant une hétérogénéité en réponse dans les sous-régions de cette cible de projection (Lammel et al. 2011). Il est clair que ces études indiquent qu’une compréhension plus approfondie des adaptations synaptiques qui se produisent avec les opiacés aigus et chroniques devra intégrer l’information sur le rendement des neurones DA étudiés. Le développement de techniques spécifiques aux neurones et aux projections permettra de clarifier ces questions en permettant une modulation spécifique dans cette région hétérogène.

Plasticité cellulaire et structurelle induite par les opiacés

La pertinence de la plasticité structurelle induite par le médicament sur les changements synaptiques et comportementaux a été examinée récemment (Russo et al. 2010). À ce jour, la plupart des études sur la plasticité structurelle ont porté sur les modifications de la morphologie de la colonne vertébrale ou sur la ramification dendritique des neurones dans les régions cibles de la VTA, mais notre laboratoire a étudié une autre adaptation structurelle en réponse à une administration chronique d'opiacés, à savoir une modification de la taille du soma du neurone VTA DA. Nous avons d’abord observé que la surface des neurones VTA DA de rat diminue ∼25% en réponse à une administration chronique, mais non aiguë, de morphine. (Sklair-Tavron et al. 1996). Cet effet était spécifique des neurones DA dans la VTA, les cellules TH négatives (probablement GABAergic) n’ont pas été modifiées. De plus, ce changement pourrait être bloqué par la naltrexone systémique, ce qui suggère que la signalisation par MOR était nécessaire, et une perfusion locale de facteur neurotrophique dérivé du cerveau (BDNF) dans l'AVT a également empêché la diminution, suggérant qu'une diminution de la signalisation neurotrophique pourrait sous-tendre le changement morphologique. Il est important de noter que cette réduction de la taille du soma neurone VTA DA est observée lors de l'administration chronique d'héroïne ainsi que de morphine. (Russo et al. 2007), dans les protocoles passifs et d'auto-administration (Spiga et al. 2003; Chu et al. 2007; Russo et al. 2007), et parmi les espèces, comme nous l'avons récemment caractérisé dans les tissus de souris et post mortem provenant d'héroïnomanes humains (Mazei-Robison et al. 2011). Des études de suivi n'ont révélé aucune preuve de mort ou de blessure neuronale liée à la VTA DA (Sklair-Tavron et al. 1996; Russo et al. 2007) et que la diminution de la taille des cellules persiste pendant les jours 14 après l'administration chronique de morphine, mais retourne à l'état initial au bout de 30 jours. Cette chronologie reflète la tolérance aux récompenses (Russo et al. 2007), dans lequel l'utilisation répétée de drogues diminue son effet bénéfique et entraîne une augmentation de la consommation de drogues, comme chez l'homme (O'Brien 2001).

Etant donné que le BDNF pourrait sauver le changement structurel chronique induit par la morphine, nous avons voulu examiner si les voies de signalisation neurotrophiques en aval induisaient cette plasticité structurelle. Bien qu'il y ait une certaine controverse quant à savoir si les niveaux de BDNF sont eux-mêmes modifiés dans la VTA en réponse à l'administration chronique d'opiacés (Numan et al. 1998; Chu et al. 2007; Koo et al. 2010), une régulation a été rapportée dans les trois principales voies de signalisation en aval du BDNF: PLCγ, phosphatidylinositol 3′-kinase (PI3K) et protéine kinase activée par un mitogène (MAPK) (Russo et al. 2009). La morphine chronique augmente l'activité de la voie PLCγ (Wolf et al. 1999, 2007), diminue l’activité de la voie PI3K, mesurée en diminuant les niveaux de 2 (IRS2) et de phospho-AKT dans les récepteurs de l’insuline (Wolf et al. 1999; Russo et al. 2007; Mazei-Robison et al. 2011) et augmente la signalisation MAPK, mesurée par l'augmentation de la phosphorylation et de l'activité catalytique de la protéine kinase extracellulaire (ERK) (Ortiz et al. 1995; Berhow et al. 1996; Liu et al. 2007). En utilisant la surexpression à médiation virale, nous avons découvert que c’est le changement induit par la morphine dans la signalisation PI3K qui contribue au changement morphologique.: la surexpression d’un IRS2 (IRS2dn) ou AKTdn dominant-négatif était suffisante pour réduire la taille du soma DA de la VTA DA, tandis que la surexpression d’IRS2 de type sauvage empêchait la diminution induite par la morphine et la surexpression d’un AKT (AKTca) constitutivement actif (Russo et al. 2007; Mazei-Robison et al. 2011). En revanche, la surexpression de PLCγ ou de ERK n’était pas suffisante pour modifier la taille du soma DA de VTA (Russo et al. 2007). Fait important, la surexpression de IRS2 était également capable d’empêcher la tolérance à la récompense de la morphine, impliquant un rôle de la plasticité structurelle dans la réponse comportementale.

Nos travaux récents suggèrent que ce changement structurel peut être intimement lié aux changements d'activité induits par les opiacés chroniques. Similaire à l'étude in vivo de Georges et al. discuté ci-dessus, nous avons constaté que la vitesse de décharge de la VTA DA était augmentée au même moment où la taille du soma diminuait chez les souris exposées à la morphine chronique (Mazei-Robison et al. 2011).

Cependant, nous avons constaté que la sortie de DA vers le NAc, telle que mesurée par voltamétrie cyclique in vivo, est en fait diminuée, ce qui suggère une interruption de l'activation normale et une sortie dans le circuit de récompense mésolimbique.

Nous avons en outre caractérisé ce résultat et avons trouvé que la surexpression de IRS2dn dans la VTA était suffisante pour réduire la taille du soma de DA, diminuer la production de DA en NAc et également diminuer l’expression de plusieurs K⁺ sous-unités du canal, de manière similaire à la morphine chronique.

Dans nos efforts pour identifier les voies de signalisation en aval d'IRS2 / AKT qui médient les neuroadaptations chroniques induites par la morphine, nous avons fait l'observation surprenante qu'une cible mammalienne du complexe 1 (mTORC1) de la rapamycine, une voie bien établie dans la croissance cellulaire , a effectivement été augmenté par la morphine chronique. En revanche, nous avons observé une diminution de la signalisation du complexe mTOR 2 (mTORC2), que nous avons ensuite montrée nécessaire et suffisante pour les modifications induites par la morphine de la taille du soma et de l'activité neuronale. Plus précisément, nous avons constaté que la surexpression de mTOR (Rictor), un composant essentiel de la protéine mTORC2 insensible à la rapamycine, était suffisante pour empêcher la diminution de la taille du soma et également pour prévenir l’augmentation du taux de mise à feu de neurones DA de manière autonome: Seules les cellules DA dans la VTA qui surexprimaient Rictor présentaient une cadence de tir atténuée, alors que les cellules DA à proximité montraient toujours cette augmentation. Cela suggère que les modifications de signalisation intrinsèques aux neurones DA peuvent induire des modifications de l'excitabilité induites par les opiacés chroniques, éventuellement en modifiant la modulation AKT du GABA._A courants (Krishnan et al. 2008) ou l'expression de K⁺ canaux (Mazei-Robison et al. 2011) (Fig. 3) Comme avec la surexpression de IRS2, nous avons constaté que la modification de l'activité de mTORC2 était corrélée au comportement de récompense de la morphine, car une diminution de l'activité de mTORC2 diminuait la préférence de place conditionnée par la morphine (CPP), tandis qu'une augmentation de l'activité de mTORC2 était suffisante pour induire une diminution de l'activité de mTORCXNUMX conditionnée par la morphine. placez le conditionnement chez les animaux témoins.

  

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Figure 3. 

La morphine chronique diminue la taille du soma de la VTA DA, tout en augmentant l'excitabilité neuronale, tandis que la transmission de l'AD à l'ANc diminue. L’effet net de la morphine est une voie de récompense moins sensible, c’est-à-dire une tolérance à la récompense. La régulation à la baisse de la signalisation IRS2-AKT (bleue) dans la VTA atténue les effets de la morphine chronique sur la taille du soma et l'excitabilité électrique; l'effet sur l'excitabilité est médié par une diminution du GABA_A courants et suppression de K⁺ expression de canal. La régulation à la baisse de l'activité de mTORC2 induite par la morphine dans la VTA est cruciale pour ces adaptations morphologiques et physiologiques induites par la morphine, ainsi que pour la tolérance aux récompenses. Contrairement à mTORC2, la morphine chronique augmente l'activité de mTORC1 (rouge), ce qui ne semble pas influer directement sur ces adaptations induites par la morphine. La morphine chronique diminue également la production de DA en NAc, ainsi que la diminution des ramifications dendritiques et du nombre d'épines dendritiques sur les neurones GABA à épines moyennes dans NAc, supprimant davantage la signalisation de DA normale dans le circuit mésolimbique.

Il est peu probable que le changement de taille du soma soit la seule adaptation structurelle induite par les opiacés chroniques dans la VTA. Compte tenu du nombre réduit d'épines dendritiques et de la complexité dendritique de la ramification des neurones épineux au moyen de NAc de rats précédemment exposés à la morphine chronique (Robinson et Kolb 1999; Robinson et al. 2002), nous nous attendons à ce que des changements dendritiques se produisent également dans les neurones VTA DA. Des études sont en cours pour caractériser les changements morphologiques de la colonne vertébrale, une énorme lacune sur le terrain, car une seule étude à ce jour a examiné les modifications induites par les médicaments dans l'architecture dendritique de la VTA. Cette étude a révélé une augmentation de la densité des épines dendritiques dans un sous-type de neurone VTA en réponse à une injection aiguë de cocaïne, le même sous-type montrant une augmentation du rapport NMDA / AMPA (Sarti et al. 2007) Les données de nos travaux précédents montrent que la durée des processus de la VTA DA est réduite (30%) chez les rats traités avec de la morphine chronique (Sklair-Tavron et al. 1996), est compatible avec les modifications globales de l’architecture VTA DA. Ce changement pourrait également aider à expliquer la diminution de la production de DA dans le NAc après la morphine chronique, comme nous l’avions précédemment signalé dans une diminution du transport axonal et des taux de protéines de neurofilament dans la VTA (Beitner-Johnson et al. 1992, 1993), suggérant que la morphine chronique affecte également la structure et la fonction axonales. Compte tenu de la complexité régionale et de la projection des neurones VTA DA susmentionnés, nous examinons actuellement si ces changements structurels sont induits dans un sous-ensemble particulier de neurones VTA DA à l’aide de traceurs fluorescents rétrogrades. Ces données seront essentielles pour comprendre les changements structurels et électrophysiologiques induits par les opiacés chroniques et les circuits de sortie pertinents impliqués.

Comme mentionné précédemment, plusieurs études, tant moléculaires que électrophysiologiques, ont démontré que l'administration chronique d'opiacés active la voie AMPc-CREB dans le VTA (Bonci et Williams 1997; Olson et al. 2005; Madhavan et al. 2010) Une étude sur une micropuce a également défini les modifications globales de l’expression génique qui se produisent dans la VTA en réponse à la morphine chronique (McClung et al. 2005) Des travaux sont maintenant nécessaires pour mieux définir la spécificité cellulaire de ces neuro-adaptations, ainsi que pour définir leurs conséquences fonctionnelles. De plus, alors que la plupart des travaux sur la VTA se sont concentrés sur les neuro-adaptations induites par les opiacés, supposées se produire dans les neurones DA, il est essentiel d'explorer la plasticité induite par le médicament qui se produit dans les neurones GABAergiques de la VTA, qui sont l'une des cibles initiales clés de l'action opiacée dans cette région du cerveau.

Contexte

La LC est le site principal des neurones du cerveau contenant de la norépinéphrine (NE) (Dahlstrom et Fuxe 1965) Comme examiné précédemment (Aston-Jones et Bloom 1981a; Aston-Jones et al. 1991b; Berridge et Waterhouse 2003; Van Bockstaele et al. 2010), LC est un noyau discret, compact et homogène, composé presque exclusivement de neurones NE. Les principaux apports de la LC proviennent du noyau médullaire paragigantocellularis (PGi) et du noyau prépositif hypoglosse. Les sorties de la LC sont très répandues, y compris le cerveau antérieur, le cervelet, le tronc cérébral et la moelle épinière (Fig. 1) (Berridge et Waterhouse 2003) L’activité neuronale de LC est hautement synchrone, à la base et en réponse à des stimuli (Foote et al. 1980; Aston-Jones et Bloom 1981b; Aston-Jones et al. 1991a; Ishimatsu et Williams 1996) Les neurones LC sont spontanément actifs (Williams et al. 1991) et leur activation provoque la libération de NE dans plusieurs régions du cerveau antérieur, y compris le cortex et l'hippocampe. La LC sert en grande partie de noyau de relais, avec une plasticité synaptique limitée à ce jour, bien que des afférences du glutamate contrôlent l’activité de la LC, notamment celle du PGi (Ennis et al. 1992) Les neurones LC expriment les trois classes principales de récepteurs opioïdes: MOR, DOR et KOR avec une distribution distincte, bien que, comme pour la VTA, notre discussion se limite au MOR, qui est le plus directement impliqué dans la dépendance aux opiacés et la dépendance.

Plasticité cellulaire induite par les opiacés

Bien qu'il n'y ait aucune preuve de plasticité synaptique traditionnelle (c'est-à-dire, LTP et LTD) en LC, il existe une plasticité cellulaire bien décrite. Une caractéristique unique de LC est que beaucoup de ses réponses in vivo aux opiacés chroniques peuvent être récapitulées et étudiées au niveau de la cellule unique (Nestler et al. 1994; Nestler et Aghajanian 1997; Nestler 2004) La liaison des opiacés (par exemple, la morphine) au MOR entraîne une diminution de l’activité de l’adenylyl cyclase (AC) et une signalisation de l’AMPc (Duman et al. 1988) La liaison aiguë des opiacés au MOR diminue également l'activité du stimulateur cardiaque des neurones LC, principalement en activant le K régulé intérieurement par la protéine G⁺ (GIRK) canaux (Williams et al. 1982; Torrecilla et al. 2002) Cependant, avec l'administration chronique d'opiacés, le taux d'allumage et la signalisation de l'AMPc reviennent à la base en raison d'une régulation à la hausse de la voie de l'AMPc, illustrant la tolérance (Aghajanian 1978; Duman et al. 1988; Nestler et Tallman 1988; Guitart et Nestler 1989; Kogan et al. 1992; Ivanov et Aston-Jones 2001). Cette plasticité induite par l’administration chronique d’opiacés (c’est-à-dire la régulation à la hausse de la voie de l'AMPc) devient évidente lors du sevrage de l'opiacé, lorsque la cadence de décharge des neurones LC augmente de manière significative, parallèlement à une forte augmentation de l'activité de l'AMPc, illustrant la dépendance et le retrait (Fig. 4) (Aghajanian 1978; Rasmussen et al. 1990).

  

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Figure 4.  

Régulation à la hausse de la voie de l'AMPc en LC comme mécanisme de tolérance aux opiacés et de dépendance. Bien panel, Les opiacés inhibent de manière aiguë l'activité fonctionnelle de la voie de l'AMPc (indiquée par les taux cellulaires de phosphorylation de la protéine de l'AMPc et de l'AMPc dépendante). Avec l'exposition continue aux opiacés, l'activité fonctionnelle de la voie de l'AMPc se rétablit progressivement et augmente bien au-dessus des niveaux de contrôle après l'élimination de l'opiacé (par exemple, par l'administration de l'antagoniste des récepteurs des opioïdes, la naloxone). Ces modifications de l'état fonctionnel de la voie de l'AMPc sont médiées par l'induction d'adénylyl cyclases (AC) et de la protéine kinase A (PKA) en réponse à l'administration chronique d'opiacés. L'induction de ces enzymes explique la récupération progressive de l'activité fonctionnelle de la voie de l'AMPc qui se produit lors d'une exposition chronique aux opiacés (tolérance et dépendance) et l'activation de la voie de l'AMPc observée lors de l'élimination de l'opiacé (sevrage). Bas et Leggings panel, les opiacés inhibent de façon aiguë les neurones LC en augmentant la conductance d’un K⁺ canal par couplage avec des sous-types de G_{i / o} et, éventuellement, en diminuant un Na⁺-courant entrant indépendant par couplage avec G_{i / o} et l'inhibition consécutive de l'AC, la réduction des niveaux d'activité de la PKA et la réduction de la phosphorylation du canal ou de la pompe responsable. L'inhibition de la voie de l'AMPc diminue également la phosphorylation de nombreuses autres protéines et affecte ainsi de nombreux autres processus neuronaux. Par exemple, il réduit l’état de phosphorylation de la protéine de liaison aux éléments de réponse à l’AMPc (CREB), ce qui déclenche certains des changements à plus long terme de la fonction LC. L’administration chronique de morphine augmente les niveaux des sous-unités régulatrices de l’ACI, de l’ACVIII, de la PKA (cat.) Et de la régulation, ainsi que de plusieurs phosphoprotéines, notamment la CREB et la tyrosine hydroxylase (TH) (indiquées par des flèches rouges). Ces modifications contribuent au phénotype modifié de l’état toxicomane. Par exemple, l’excitabilité intrinsèque des neurones LC est augmentée par une activité accrue de la voie de l’AMPc et du Na⁺- courant entrant dépendant, qui contribue à la tolérance, à la dépendance et au retrait montrés par ces neurones. La régulation à la hausse de ACVIII et de TH est médiée par CREB, alors que la régulation à la hausse de ACI et des sous-unités de PKA semble se produire via un mécanisme non identifié et indépendant de CREB.

Ces adaptations sont médiées via la régulation à la hausse de plusieurs protéines de signalisation dans la voie de l'AMPc, y compris AC1 / 8 (Matsuoka et al. 1994; Lane-Ladd et al. 1997; Zachariou et al. 2008), protéine kinase dépendante de l'AMPc (PKA) (Nestler et Tallman 1988), CREB (Guitart et al. 1992; Shaw-Lutchman et al. 2002; Han et al. 2006) et TH et BDNF, deux cibles CREB en aval (Guitart et al. 1989; Akbarian et al. 2002). Les opiacés chroniques induisent également l’expression de GIRK2 / 3 dans les LC (Cruz et al. 2008) ainsi que de nombreux autres gènes révélés par l’analyse par microréseau (McClung et al. 2005). En outre, il a été récemment montré, à l’aide d’un modèle de culture sur tranche LC, que l’activité électrique intrinsèque accrue des neurones LC induite par les opiacés chroniques est provoquée par l’activation directe de la MOR sur les neurones LC NE, impliquant une adaptation homéostatique intrinsèque (Cao et al. 2010). Cette approche a identifié un rôle crucial pour le CREB dans l’activité du stimulateur cardiaque et dans l’augmentation du taux de déclenchement de la LC induite par la morphine (Han et al. 2006; Cao et al. 2010), un effet également observé chez les souris présentant une inhibition précoce du développement de CREB spécifique des neurones NE (Parlato et al. 2010). Enfin, de nombreuses études ont montré que cette activation de l'activation neuronale LC et la voie cAMP-CREB régulée positivement, qui induit l'augmentation de l'activation inflammatoire, sont à la fois nécessaires et suffisantes pour atténuer plusieurs symptômes de sevrage physique aux opiacés (Lane-Ladd et al. 1997; Punch et al. 1997; Han et al. 2006).

Bien que la plus grande partie de la plasticité induite par les opiacés décrite ici soit supposée être intrinsèque aux neurones NE à LC, il existe certaines preuves que la morphine chronique peut également influer sur l'entrée excitatrice dans LC, car il y a une augmentation de la fréquence d'EPSC spontanée dans les tranches de souris traitées à la morphine. (Torrecilla et al. 2008). En outre, il y a une augmentation de la libération de glutamate et d'aspartate dans la LC in vivo chez des rats retirés de la morphine et l'application locale d'antagonistes d'acides aminés excitateurs dans la LC bloque partiellement l'augmentation de l'activité de la LC induite par le retrait (Akaoka et Aston-Jones 1991; Aghajanian et al. 1994).

Une certaine controverse demeure quant à savoir si les modifications de la signalisation cAMP-CREB dans les neurones LC et de l'activité neuronale LC induisent des comportements de sevrage aux opiacés. Par exemple, les lésions de LC, ou l’affaiblissement du développement de l’activité de CREB dans les neurones de LC NE, ne modifient pas de manière détectable les symptômes de sevrage (Christie et al. 1997; Parlato et al. 2010). En revanche, nous avons montré que la modulation de l'activité de la voie de l'AMPc ou de CREB dans la LC d'animaux adultes bloque systématiquement plusieurs comportements de sevrage (Lane-Ladd et al. 1997; Punch et al. 1997; Han et al. 2006). Nous croyons que plusieurs considérations clés expliquent ces résultats différents. Premièrement, la LC n’est que l’une des nombreuses zones du cerveau importantes pour la dépendance physique aux opiacés et le sevrage (Koob et Le Moal 2001). Il n'est pas surprenant que les animaux présentant des lésions lésées développent toujours une dépendance physique profonde induite par une dépendance accrue à ces autres substrats neuronaux. Deuxièmement, il est très plausible que certains des outils utilisés pour manipuler l'activité de la voie de l'AMPc dans la LC (par exemple, la perfusion locale d'activateurs ou d'inhibiteurs de la PKA) influencent les afférences glutamatergiques dans cette région, qui semblent également montrer des modifications plastiques (y compris la voie de l'AMPc). régulation) après une morphine chronique (Nestler 1992; Christie et al. 1997). Troisièmement, malgré le rôle probable de ces afférences glutamatergiques, il ne fait aucun doute que la plasticité intrinsèque des neurones LC NE est également impliquée, car la neutralisation locale de CREB de la CL adulte (qui ne peut pas affecter les terminaisons nerveuses afférentes) bloque l'excitabilité accrue induite par la morphine neurones LC NE et atténue le sevrage (Cao et al. 2010; V Zachariou et EJ Nestler, inédit). L’absence d’effet de CREB knock-out de ces neurones chez des souris knock-out conditionnelles (Parlato et al. 2010) met en évidence les compensations développementales qui compliquent l’utilisation des modèles d’inactivation précoce et souligne l’importance de l’utilisation de manipulations géniques dans le cerveau adulte totalement différencié lors de l’étude de la plasticité adulte.

Ainsi, de nombreuses preuves expérimentales établissent la régulation à la hausse de la voie AMPc-CREB en tant que mécanisme de la plasticité homéostatique intrinsèque des neurones LC NE dans le développement de la dépendance physique aux opiacés. Il est également important de souligner l’importance historique de ce travail sur la LC, car il a servi de système modèle aux actions à long terme des opiacés sur le cerveau: sur la base de ces recherches antérieures sur la LC, la régulation à la hausse de la CAMP-CREB. Depuis lors, il a été démontré que cette voie est un mécanisme commun de tolérance aux opiacés, de dépendance et de sevrage dans de nombreuses régions des systèmes nerveux central et périphérique et constitue en fait l’un des modèles les mieux établis des bases moléculaires de la toxicomanie (Nestler 2001, 2004).