Akcija strijatalnog balansiranja u ovisnosti o drogama: različite uloge izravnih i indirektnih puteva srednjih štapnih neurona (2011)

Uvod

Zlouporaba droga izaziva snažne molekularne i stanične promjene u dorzalnom striatumu (dStr) i ventralnom striatumu (nucleus acumbens, NAc), a mnoge od tih promjena događaju se u srednjim špijunskim neuronima (MSNs), glavnim projekcijskim neuronima u dStr i NAc, koji računaju 90-95% svih neurona u ovim regijama. Međutim, istraživači do nedavno nisu mogli jasno definirati diferencijalnu ulogu dviju MSN podtipova u pojavama povezanim s ovisnošću. Dvije MSN podvrsta razlikuju se obogaćivanjem dopaminskih receptora 1 (D₁) ili dopaminski receptor 2 (D₂) kao i nekoliko drugih gena (Gerfen i Young, 1988; Gerfen i sur., 1990; Le Moine i sur., 1990, 1991; Bernard i sur., 1992; Ince i sur., 1997; Lobo i sur., 2006, 2007; Heiman i sur., 2008; gensat.org) i njihovim izrazitim projekcijama kroz kortiko-bazalni put ganglija (izravni nasuprot neizravnim putovima; Gerfen, 1984, 1992). Rani rad sugerirao je da zlouporaba droga ima najviše utjecaja na D₁+ MSN, uz upotrebu brojnih agonista i antagonista receptora dopamina koji pružaju važan uvid u funkcionalne i molekularne uloge svake MSN u ponašanju nagrađivanja lijekova (Self, 2010). Međutim, trenutne metodologije specifične za stanični tip, uključujući fluorescentne reporter miševe koji eksprimiraju GFP pod D₁ ili D₂ umjetni kromosomi bakterija (BAC); Gong i sur., 2003; Valjent i sur., 2009; gensat.org), uvjetni modeli miša poput upotrebe inducibilnih transgeničnih miševa reguliranih tetraciklinom (Chen i sur., 1998; Kelz i sur., 1999), i transgenih miševa koji eksprimiraju Cre-rekombinazu koristeći D₁ ili D₂ BAC-ovi, umjetni kromosomi kvasca (YACs) ili novi miševi (Gong i sur., 2007; Lemberger i sur., 2007; Heusner i sur., 2008; Parkitna i sur., 2009; Valjent i sur., 2009; Bateup i sur., 2010; Lobo i sur., 2010; gensat.org) kao i virusni posredovani genski prijenos specifičan za ćelijski tip (Cardin i sur., 2010; Hikida i sur., 2010; Lobo i sur., 2010; Ferguson i sur., 2011) pružili su dubok novi uvid u precizne molekularne podloge svakog MSN podtipa i njihovo reguliranje zlouporabom lijekova (Tablica 1).

Tablica 1. Učinci genetskih manipulacija specifičnih za stanični tip kod D.₁+ i D₂+ MSN u modelima ovisnosti o drogama.

Nedavna otkrića podupiru zaključak prevladavajuće uloge D-a₁+ MSN-ovi pri stvaranju pojačavajućeg i senzibilizirajućeg učinka zlouporabe lijekova, a većina snažnih molekularnih promjena se događa u ovim MSN-ovima. Primjerice, akutno izlaganje psihostimulansima moćno inducira brojne signalne molekule, uključujući FosB, ERK, c-Fos i Zif268 u D₁+ MSN-ovi, dok ponovljeni kokain preferirano inducira ΔFosB, mijenja i GABA receptor i ostale podjedinice ionskog kanala i u ovoj vrsti ćelije (Robertson i sur., 1991; Young i sur., 1991; Berretta i dr., 1992; Cenci i sur., 1992; Moratalla i sur., 1992; Hope i sur., 1994; Bertran-Gonzalez i sur., 2008; Heiman i sur., 2008). Nadalje, poremećaj ili pretjerano ekspresiju specifičnih molekula, poput ΔFosB, DARPP-32 ili Nr3c1 (glukokortikoidni receptor), u D₁+ MSN obično oponaša ponašanje povezano s lijekovima opaženo kada su te promjene napravljene na ne-ćelijski specifičan način, istovremeno poremećujući takve gene u D₂+ MSN često izazivaju suprotan odgovor (Fienberg i dr., 1998; Kelz i sur., 1999; Deroche-Gamonet i sur., 2003; Zachariou i sur., 2006; Ambroggi i sur., 2009; Bateup i sur., 2010). Bez obzira na to, ne možemo isključiti važan doprinos D₂+ MSN-ovi u prilagodbama zlouporabe droga, jer izloženost kokainu mijenja ekspresiju gena u obje MSN podvrste (Heiman i sur., 2008) i D₂- agonisti i antagonisti receptora pokazuju snažne učinke u testovima ponašanja (Self, 2010). Doista, nedavna otkrića pokazuju da su molekularne signalne prilagodbe u D.₂+ MSN-ovi snažno modificiraju reakciju životinje na zlouporabu lijekova (Lobo i sur., 2010). Potonji nalazi pokazali su da je gubitak TrkB (receptora za BDNF) u D₂+ MSN-ovi rezultiraju sličnim bihevioralnim reakcijama na kokain kao totalni otkaz TrkB-a iz NAc, pokazujući prvi put selektivnu dominantnu ulogu za molekularni put u D₂+ MSN-ovi u posredovanju učinaka zlouporabe droga.

Najzad, nedavna literatura otkriva da dva MSN-a pokazuju antagonističke učinke u ponašanju povezanim s drogama, gdje aktiviranje D₁+ MSN ili inhibicija D₂+ MSN povećava osjetljivost životinja na zlouporabu (Hikida i sur., 2010; Lobo i sur., 2010; Ferguson i sur., 2011). Ovi su nalazi u skladu s suprotstavljenim ulogama dvaju MSN-a i njihovim izravnim nasuprot neizravnim putovima u bazalnim ganglijama u motoričkom ponašanju (Alexander i sur., 1986; Albin i sur., 1989; Graybiel, 2000; Kravitz i sur., 2010). Ova nedavna literatura u skladu je s općom idejom da dopaminergički neurotransmisija, koju aktiviraju svi lijekovi zlouporabe, olakšava glutamatergičku aktivaciju D₁+ MSN-ovi dok inhibiraju glutamatergičku aktivaciju D₂+ MSN-ovi kroz djelovanje na D₁ vs. D₂ dopaminskih receptora (slika 1). U ovom se pregledu obrađujemo trenutna saznanja o različitoj molekularnoj signalizaciji koju su izložila ove dvije podvrste MSN-a u odnosu na njihovu funkcionalnu ulogu i reakciju na zlouporabu lijekova.

Slika 1. Svi lijekovi zlouporabe povećavaju signalizaciju dopamina u striatumu, što može različito modulirati glutamatergičku aktivnost u dvije MSN podvrste, Kokain se posebno veže na dopaminski transporter i sprječava ponovni unos dopamina u terminale VTA dopaminskih neurona. Aktivacija G_s/_OLF spojen D₁ receptori pojačavaju PKA aktivnost i mijenjaju Ca²⁺ i K⁺ provodnici za poboljšanje glutamat-posredovanog "stanja" u tim MSN-ima. Suprotno tome, aktivacija G_i/G_o D₂-receptori smanjuju PKA aktivnost i mijenja Ca²⁺, Na⁺, i K⁺ vodljivosti za smanjenje glutamata posredovanog "up-state". To prebacuje ove MSN-ove natrag u njihovo stanje mirovanja.

Signalizacija receptora dopamina u D₁ vs. D₂ MSN

Kao što je već napomenuto, svi lijekovi za zlouporabu aktiviraju dopaminergički unos u NAc i povezana limbička područja mozga (Volkow i sur., 2004; Wise, 2004; Nestler, 2005). Na primjer, psihostimulansi poput kokaina ili amfetamina djeluju izravno na put dopaminergičke nagrade interferirajući s dopaminskim transporterom: kokain blokira transporter, a amfetamin preokreće transporter, obje akcije rezultiraju nakupljanjem dopamina u sinapsi što može aktivirati dopamin dolje receptora na ciljne neurone (slika 1). Ova dva MSN-a najviše se razlikuju obogaćivanjem D.₁ vs. D₂-receptori, premda jednostanične RT-PCR studije otkrivaju da je D₁+ MSN-ovi izražavaju nisku razinu D.₂receptor nalik D, D₃ i D₂+ MSN-ovi izražavaju nisku razinu D.₁receptor nalik D, D₅ (Surmeier i sur., 1996). Za dva MSN-a potrebna je glutamatergička inervacija za pokretanje neuronske aktivnosti; dopamin suprotno modulira ove funkcionalne reakcije stimulacijom različitih podtipova receptora dopamina: pozitivno modulirajući ekscitacijski glutamatergički unos kroz D₁ signalizacija receptora putem G_s ili G_OLF, što stimulira adenilil ciklazu što dovodi do povećane aktivnosti PKA, dok dopamin negativno modulira taj unos kroz D₂-receptorska signalizacija putem G_i i G_o koji inhibiraju adenil-ciklazu uzrokujući smanjenu aktivnost PKA (Surmeier i sur., 2007; Gerfen i Surmeier, 2011). U stvarnosti, svaki receptor djeluje složeno na mnoge dodatne signalne putove nizvodno. U mirovanju su dvije podtipove MSN općenito inhibirane, one se nalaze u onome što su istraživači nazvali silazno stanje. Ekscitacijska glutamatergička sinaptička aktivnost može osloboditi MSN-ove iz ovog silaznog stanja i prebaciti ih u više depolarizirano stanje (up-stanje). Dopamin suprotno modulira ekscitacijski glutamatergički pomak u gore stanje. D₁ aktivacija PKA pojačava Cav1 Ca tipa L²⁺ aktivnost kanala, smanjuje somatsku K⁺ aktivnost kanala i smanjuje vrijednost Cav2 Ca²⁺ kanali koji upravljaju aktivacijom Ca²⁺ ovisna mala provodljivost K⁺ (SK) kanala, što rezultira povećanim šiljanjem u ovim MSN-ovima (Surmeier i sur., 2007; Gerfen i Surmeier, 2011). Nasuprot tome, D₂ signalizacija inhibira prijelazno stanje i na taj način sprečava pojačano kliženje, redukcijom Cav1 L tipa Ca²⁺ aktivnost kanala i Nav1 Na⁺ aktivnost kanala uz povećanje K⁺ struje kanala (Surmeier i sur., 2007; Gerfen i Surmeier, 2011; Lik 1). Takve suprotne promjene u dva MSN-a sugeriraju da povećana signalizacija dopamina izazvana zlouporabom lijekova treba poboljšati glutamatergičku aktivaciju D₁+ MSN i smanjuju glutamatergičku aktivaciju D₂+ MSN-ovi. U stvarnosti su takvi odgovori daleko raznovrsniji i složeniji iz razloga koji se još uvijek slabo razumiju. Ovoj će se temi detaljnije pozabaviti u nastavku.

Uloga dopaminskih receptora u zlouporabi lijekova je složena i često neuhvatljiva (Self, 2010). O ulozi D-a postoji obilje literature₁ i D₂- agonisti i antagonisti receptora u modulaciji nagrađivanja svojstava i samo-primjeni lijekova zlouporabe, međutim, rezultati se razlikuju ovisno o vrsti agonista / antagonista koji se koristi, vrsti isporuke (sistemski u odnosu na regiju mozga) i vremenu liječenja (Self, 2010). Takve rezultate dodatno zbunjuju nestrijatalni specifični efekti, poput doprinosa pret-sinaptičke D₂-receptori iz VTA ili prisutnost D₁ receptora u mnogim drugim limbičkim regijama, i nedostatak specifičnosti korištenih agonista / antagonista kao i ekspresija D₁kao i D₂-obri receptore u obje MSN podtipove, kao što je napomenuto ranije. Općenito, misli se da je D₁ receptori igraju prevladavajuću ulogu u glavnim nagradnim svojstvima zlouporabe lijekova, dok D₂-receptori igraju ulogu u mehanizmima za traženje lijekova (Self i sur., 1996; Self, 2010). Studije s D₁ receptor i D₂-kaceptorni miševi receptora pružaju neki uvid u ulogu ovih receptora u dva MSN-a. D₁ nokaut miševi pokazuju izblijeđenu indukciju neposrednih ranih gena (IEG) c-Fos i Zif268 kao odgovor na kokain, umanjeni odgovor na lokomotornu aktivnost izazvanu psihostimulantom, ali bez izmjena preferencija mjesta uvjetovanih kokainom (CPP) - neizravna mjera nagrada za drogu i smanjena kokainska samouprava i potrošnja etanola (Miner i sur., 1995; Drago i sur., 1996; Crawford i sur., 1997; El-Ghundi i sur., 1998; Caine i sur., 2007). D₂ "knockout" miševi smanjuju efekte nagrađivanja opijata i kokaina, kao i smanjenu potrošnju etanola, ali ne smanjujući uzimanje kokaina (Maldonado i sur., 1997; Cunningham i sur., 2000; Risinger et al., 2000; Caine i sur., 2002; Chausmer i sur., 2002; Elmer i sur., 2002; Welter i sur., 2007). Takvi podaci podržavaju važne uloge D-a₁ i D₂-receptori u dva MSN-a u višestrukim aspektima zlouporabe droga, međutim, knockouts nemaju strijatalnu specifičnost i javljaju se rano u razvoju, pa se ne mogu isključiti ostale regije mozga i vrste stanica i faktori razvoja u posredovanju tih ponašanja. Konačno, smanjena razina D₂/D₃ receptori u striatumu, vizualizirani slikanjem mozga, postali su čest marker ovisnosti kod ljudskih pacijenata, posebno tijekom razdoblja povlačenja (Volkow i sur., 2009). Glodavci koji primaju virusni prijenos gena D.₂-receptori za NAc oslabljuju samo-davanje kokaina i potrošnju etanola (Thanos i sur., 2004, 2008). Ova ispitivanja nisu izvedena na stanični tip, tako da ne možemo isključiti mogući učinak D₂prekomjerna ekspresija receptora koja utječe na D₁+ MSN-ovi. Ova zbirka podataka naglašava potrebu za prelaskom na selektivnije pristupe, uključujući specifične za stanicu, regiju specifične, pa čak i vremenski specifične manipulacije dopaminskih receptora kako bi se bolje razjasnio njihove funkcionalne uloge u dvije MSN podvrste u ovisnosti o drogama.

Napokon, nedavno je objavljeno da je D₂-GFP homozigotni BAC transgeni miševi pokazuju povećane nivoe ekspresije D.₂-receptor u striatumu i pojačana osjetljivost na ponašanje i signaliziranje dopamina na D₂ agonistima. Štoviše, i homozigoti i hemizigoti pokazuju iskrivljene reakcije u ponašanju na kokain (Kramer i sur., 2011). Ova studija naglašava potrebu za temeljitom karakterizacijom D₁ i D₂ fluorescentni reporter i Creove linije vozača. Međutim, većina prikupljenih podataka u ovom istraživanju koristila je homozigote, što nije idealan eksperimentalni genotip jer 5 – 10% integracija transgena rezultira ubacivačkim mutacijama (Meisler, 1992); prema tome, genotip hemizote je pouzdaniji eksperimentalni genotip. Uz to, u ovom istraživanju nisu korištene kontrole divljih vrsta legla, već su korištene kontrole na sličnom podrijetlu (Swiss Webster) dobivene od Taconic-a, dok su njihove transgene linije dobivene od GENSAT i MMRRC. Napokon, druga skupina pokazala je normalne reakcije lokomotora na kokain u D₂-GFP hemizigoti (Kim i sur., 2011). Stoga se moraju provoditi buduće studije pomoću ispravnih kontrola i odgovarajućih genotipova da bi se u potpunosti karakterizirale različite transgenične linije specifične za stanicu.

Glutamat i GABA signalizacija u D₁ vs. D₂ MSN

Srednji špinatni neuroni primaju glutamatergički unos iz više regija mozga, uključujući prefrontalni korteks, amigdalu i hipokampus, te GABAergički unos od lokalnih interneurona i možda kolateralni unos drugih MSN-ova. Neto ekscitatorna i inhibicijska regulacija MSN-a bez sumnje je presudna za reguliranje stanja ovisnika, a sada postoji sve veća literatura o složenim načinima na koje droge zlouporabe mijenjaju glutamatergičku neurotransmisiju, posebno u NAc (Pierce i sur., 1996; Thomas i sur., 2001; Beurrier i Malenka, 2002; Kourrich i sur., 2007; Bachtell i Self, 2008; Bachtell i sur., 2008; Conrad i sur., 2008; Kalivas, 2009; Wolf, 2010). Iako se smatra da MSN primarno postoje u inhibiranom stanju u donjem stanju pod bazalnim uvjetima s aktivnostima pokretanja glutamata obje vrste stanica, još uvijek su ograničene informacije u vezi s različitom regulacijom koja se događa kod D₁ vs. D₂ MSN.

ΔFosB prekomjerna ekspresija u D₁+ MSN (više detalja potražite u nastavku) povećava korisne učinke kokaina i povećava razinu Ca²⁺- nepropusna podjedinica receptora glutamata, GluR2, u NAc. Nadalje, virusno posredovani prijenos gena GluR2 u NAc na sličan način pojačava korisne učinke kokaina (Kelz i sur., 1999). Međutim, nije poznato je li indukcija GluR2 primijećena kao odgovor na prekomjernu ekspresiju ΔFosB u D₁+ MSN-ovi su također specifični za ove neurone, a virusna prekomjerna ekspresija GluR2 nije specifična za stanični tip, stoga ne možemo izvesti izravne zaključke o funkciji GluR2 u ova dva MSN-a kao nagradu za lijek. Heusner i Palmiter (2005) procijenio je ulogu NMDA glutamatergičke provodljivosti u ponašanju kokaina izražavanjem NR1 podjedinice koja sadrži mutaciju u porama koja smanjuje protok kalcija, selektivno u D₁+ MSN-ovi. Ova je skupina pokazala da nedostatak NMDA vodljivosti u D₁+ MSN-ovi sprečavaju CPP i senzibilizaciju lokomotora na kokain, naglašavajući potrebu za NMDA signalizacijom u D₁+ MSN-ovi za korisne i osjetljive učinke kokaina (Heusner i Palmiter, 2005). Nadalje, nedavno je otkriveno da izbacivanje NR1 podjedinice u D.₁+ MSN smanjuje preosjetljivost na amfetamin i ovaj fenotip je spašen ponovnom primjenom NR1 podjedinice u D₁+ MSN-ovi posebno u NAc-u (Beutler i sur., 2011). Konačno, srušavanje mGluR5 podjedinice, pomoću RNA interferencije, u D₁+ MSN ne utječu na početna svojstva nagrađivanja kokaina, ali umanjuju ponovnu uspostavu zahtjeva za kokainom (Novak i sur., 2010). Dok ovi podaci otkrivaju uvjerljive uloge glutamatergičke signalizacije kod D₁+ MSNs, potreban je budući rad za proučavanje glutamatergičkih sustava u D₂+ MSN-ovi. Buduća istraživanja također bi trebala procijeniti kako modulacija ovih podjedinica receptora glutamata u dvije MSN podtipe utječe na strukturne sinaptičke promjene primijećene u NAc nakon zlouporabe lijekova (Dietz i dr., 2009; Russo i sur., 2010), posebno dendritičke promjene uočene nakon selektivnog izlaganja kokainu u D₁+ MSN-ovi (Lee i sur., 2006; Kim i sur., 2011) što može biti povezano s povećanjem minijaturnih ekscitacijskih postinaptičkih struja uočenih u D₁+ MSN-ovi (Kim i sur., 2011). Zanimljivo je da je indukcija ΔFosB u D₁+ MSN su izravno povezane s takvim dendritičkim adaptacijama nakon kroničnog kokaina (Maze i sur., 2010).

Za razliku od glutamata, nedostaje istraživanja o funkciji GABA u dva MSN-a u modelima ovisnosti, što je iznenađujuće s obzirom da etanol i benzodiazepini pojačavaju učinak GABA-e, a dva MSN-a dobivaju gusti unos GABAergic kao što je gore navedeno. Postoje i značajni dokazi koji ukazuju na pojačanu inhibiciju NAc barem nakon kronične izloženosti kokainu (White i sur., 1995; Peoples et al., 1998; Zhang et al., 1998; Thomas i sur., 2001; Beurrier i Malenka, 2002). Heiman i sur. (2008) izveli su visoku propusnu genetsku provjeru u dva MSN-a nakon kronične izloženosti kokainu i, što je zanimljivo, najpromijenjeni biološki proces u D₁+ MSN-ovi bili su GABA signalizacija. Osobito je došlo do snažne regulacije GABA-e_A receptorska podjedinica Gabra1 i Gabra4 kao i GABA_B subjedinica receptora Gabrb3, a ova skupina otkrila je da kronični kokain povećava učestalost malih amplituda GABAergičnih mini inhibicijskih postinaptičkih struja (mIPSC) u D₁+ MSN-ovi (Heiman i sur., 2008). S druge strane, druga skupina nedavno je pokazala da kronični kokain rezultira suprotnim odgovorom sa smanjenom učestalošću i amplitudom mIPSC-a u D1 + MSN (Kim i sur., 2011). Međutim, potonja skupina pokazala je smanjenu ekscitabilnost membrane u D.₁+ MSN nakon kroničnog kokaina, što bi moglo biti odraz pojačanog GABA tona i u skladu je s terenskom procjenom pojačane inhibicije NAc nakon izlaganja kroničnom kokainu. Nadalje, takve razlike između dviju skupina jednostavno bi mogle biti posljedica vremena izlaganja i povlačenja kokaina. Općenito, postoji potreba za proučavanjem glutamatergičke i GABAergičke funkcije u dva MSN-a kao odgovor na zlouporabu lijekova, a polje je sada opremljeno resursima koji omogućavaju takvo ispitivanje tipa ćelije i regije.

Ostala signalizacija receptora u D₁ vs. D₂ Podtipovi MSN-a

Ta dva MSN-a različito su obogaćena drugim receptorima vezanim za G-protein, osim dopaminskih receptora. D₁+ MSN-ovi izražavaju više razine acetilkolin-muskarinskog receptora 4 (M₄; Bernard i sur., 1992; Ince i sur., 1997) i D₂+ MSN su obogaćeni u oba adenosinskog receptora 2A (A_2A; Schiffmann i sur., 1991; Schiffmann i Vanderhaeghen, 1993) i G-protein-vezan receptor 6 (Gpr6; Lobo i sur., 2007; gensat.org). M₄ vezan je sa G_{I / O}, što bi proizvelo suprotan odgovor, u odnosu na D₁ receptore, u D₁+ MSNs inhibiranjem aktivnosti cAMP / PKA. Doista, D₁+ MSN selektivno M₄ nokaut pokazuje pojačanu osjetljivost na ponašanje na kokain i amfetamin (Jeon i dr., 2010). Nadalje, nedavne studije upotrebe dizajnerskog receptora isključivo aktiviranog sintetičkim lijekom (DREADD) pokazale su da je aktivacija humanog M-a povezanog s DREADD Gi / o₄ receptor (hM₄D) u D₁+ MSN-ovi su umanjili osjetljivost na ponašanje na amfetamin, a suprotan odgovor opažen u D₂+ MSN-ovi (Ferguson i sur., 2011). Takvi podaci otkrivaju neprijateljsku ulogu M₄ receptore u D₁+ MSN u zlouporabi droga. Isto tako, od hM₄D receptor snažno inhibira ove MSN, podaci pružaju uvid u učinak izmijenjene aktivnosti ova dva MSN-a na zlouporabu lijekova, o čemu će biti govora u nastavku.

Oba A_2A i Gpr6 su pozitivno spojeni s G_s/G_OLF bjelančevine, implicirajući njihovu ulogu u antagoniziranju D₂-receptor u D₂+ MSN-ovi. Doista, stimulacija A_2A Pokazano je da receptori smanjuju i razvoj i izražavanje preosjetljivosti na kokain (Filip i sur., 2006), narušavaju pokretanje samokokacije kokaina (Knapp i sur., 2001) i spriječiti vraćanje kokaina koji traži kokain, D₂stimulacija receptora ili kokain uvjetovan (Bachtell i Self, 2009). Kako je Gpr6 obogaćen i u D₂+ MSN-ovi (Lobo i sur., 2007), treba procijeniti njegovu ulogu u bihevioralnim funkcijama striatuma. Do danas je dokazano da utječe na instrumentalno učenje (Lobo i sur., 2007), ali njegova uloga u modelima zlouporabe droga još nije poznata.

Kanabinoidni receptor 1 (CB1) izražava se sveprisutno kroz središnji živčani sustav (Mackie, 2008), stoga je teško secirati preciznu ulogu određenih regija mozga i tipova stanica u posredovanju ovisnosti o Δ9-tetrahidrokanabinolu (THC). Nedavno je brisanje CB1 iz D₁Nađeno je da MSN-ovi skromno utječu na bihevioralne odgovore na THC, uključujući pojačane efekte u hipolokomociji uzrokovanoj THC-om, hipotermiji i analgeziji (Monory i sur., 2007). Bilo bi zanimljivo procijeniti funkciju kanabinoidnih receptora u D₂+ MSN jer ovi MSN-ovi izražavaju endokanabinoidno posredovanu dugoročnu depresiju (eCB-LTD), za što je potreban dopamin D₂-aktivacija receptora (Kreitzer i Malenka, 2007).

Glukokortikoidni receptor, Nr3c1, također je široko eksprimiran u CNS-u i periferiji. Izlučivanje glukokortikoida izazvano stresom može pojačati neprilagođeno ponašanje, uključujući ovisnost o drogama (Frank i sur., 2011). Konkretno, remeti glukokortikoidnu signalizaciju kod D₁+ MSN-ovi brisanjem Nr3c1 umanjili su motivaciju ovih miševa za samostalno davanje kokaina, a to je u skladu s prethodnim podacima gdje je Nr3c1 izbrisan iz cijelog mozga (Ambroggi i sur., 2009). Ti su podaci u skladu s ostalim nalazima opisanima u ovom pregledu, koji pokazuju dominantnu ulogu za D₁+ MSN-ovi u posredovanju mnogih učinaka zlouporabe droga.

Konačno, nedavno smo poremetili BDNF signalizaciju u dva MSN-a tako što smo selektivno izbrisali njegov TrkB receptor iz svake MSN podvrste. Uočili smo suprotne učinke na ponašanje izazvano kokainom: lokomotorna aktivnost izazvana kokainom i indukcija kokainskog CPP pojačani su nakon brisanja TrkB-a iz D₁+ MSN-ovi, ali oslabljeni nakon brisanja iz D₂+ MSN-ovi (Lobo i sur., 2010). Zanimljivo je brisanje TrkB-a iz D₂+ MSN-ovi oponašaju efekte potpunog brisanja TrkB-a iz NAc-a kao i poremećaj BDNF signalizacije iz VTA (Horger et al., 1999; Graham i sur., 2007, 2009; Bahi i sur., 2008; Crooks i sur., 2010). Ovi nalazi tako pokazuju po prvi put dominantnu ulogu signalne kaskade u D-u₂+ MSN-ovi u posredovanju učinaka zlouporabe droga. Prevladavajuća uloga D₂+ MSN-ovi u posredovanju učinaka BDNF-a na ponašanje izazvano kokainom nije iznenađujuće s obzirom na to da su i TrkB mRNA i protein obogaćeni u D₂+ MSN-ovi (Lobo i sur., 2010; Baydyuk i sur., 2011). Promjene u ponašanju uočene kod ovih miševa bile su popraćene pojačanom aktivnošću neurona u D.₂+ MSN-ovi nakon selektivnog nokauta TrkB-a. Ova otkrića navela su nas da koristimo optogenetsku tehnologiju za selektivno manipuliranje MSN-ovom aktivnošću u nagradnji kokaina (vidi dolje).

Faktori transkripcije u D₁ vs. D₂ MSN

Najuvjerljiviji dokaz za robusniju ulogu D-a₁+ MSN-ovi pri zlouporabi lijekova potječu iz literature kojom se procjenjuje indukcija unutarćelijskih signalnih molekula. Kao što je gore navedeno, akutne doze psihostimulansa potiču ekspresiju IEG, uključujući c-Fos, Zif268 (Egr1) i FosB prvenstveno u D₁+ MSN-ovi u NAc i dStr (Robertson i sur., 1991; Young i sur., 1991; Berretta i dr., 1992; Cenci i sur., 1992; Moratalla i sur., 1992; Bertran-Gonzalez i sur., 2008). Ova indukcija zahtijeva aktiviranje D₁ receptora, a nedavno je potvrđena upotreba D kao specifična za staničnu vrstu IEG indukcije kao odgovor na akutni kokain₁-GFP i D₂-GFP reporterski miševi (Bertran-Gonzalez i sur., 2008). Zanimljivo je da je potvrda indukcije kokaina c-Fos prvenstveno u D₁-GFP kroz striatum s malom indukcijom u D₂-GFP MSN-ovi samo u dStr-u potvrđeni su korištenjem paradigme ovisne o kontekstu (miševi su ubrizgani u novo okruženje izvan svog kućnog kaveza). Nadalje, prethodna studija koja koristi na licu mjesta hibridizacija kod miševa također je pokazala indukciju c-Fos u D₁+ i D₂+ MSN-ovi u dStr-u, iako u ovom istraživanju reprezentativni bar-grafikoni pokazuju veći broj D-a₁+ c-Fos pozitivni neuroni (Ferguson i sur., 2006). Zanimljivo je da ova studija otkriva značajno pojačanu c-Fos indukciju kod D₂+ MSN-ovi u dStr-u nakon gubitka ERK1-a, što je paralelno s našim nalazima pojačane c-Fos-indukcije u D₂+ MSN-ovi posebno u ljusci NAc nakon poremećaja BDNF signalizacije za koju se zna da pojačava ERK aktivnost (Lobo i sur., 2010). Međutim, primjećeni su suprotni bihevioralni odgovori na kokain u svakoj studiji, što može odražavati indukciju c-Fos u D₂+ MSN-ovi u dStr u odnosu na NAc školjku. Konačno, prethodna literatura koja koristi na licu mjesta hibridizacija / imunohistokemija u štakora pokazala je da akutni psihostimulansi mogu inducirati c-Fos jednako u obje MSN kada se lijek daje u novom okruženju (Badiani i dr., 1999; Uslaner i sur., 2001a,b; Ferguson i Robinson, 2004) i izvještava se da kronična primjena amfetamina selektivno inducira c-Fos u D₂+ MSN-ovi (Mattson i sur., 2007). Ovi različiti rezultati mogu biti odraz korištenih eksperimentalnih postupaka (na licu mjesta hibridizacija naspram GFP miševa) ili čak zbog životinjskih vrsta koje su korištene kao posljednji eksperimenti na štakorima.

Nedavno su istraživači genetski profilisali neurone ovisne o kokainu, c-Fos štakora štakorom koristeći imunološki obilježeno sortiranje stanica aktiviranim fluorescencijom (FACS) i pokazali da su c-Fos + neuroni obogaćeni u D₁+ MSN gen, prodinnorfin (Pdyn), ali imaju nižu razinu D₂ i A_2A, oba D₂+ MSN geni (Guez-Barber i sur., 2011), sugerirajući da se c-Fos + aktivirani neuroni sastoje prije svega od D₁+ MSN-ovi. Nadalje, ova je skupina ranije pokazala da su c-Fos koji eksprimira MSN važan za senzibilizaciju ovisnu o kontekstu, jer ablacija ovih neurona ukida ovaj fenotip ponašanja (Koya i sur., 2009). Iako su prethodni podaci pokazali da indukcija c-Fos o kokainu ovisi o kontekstu kokaina u oba D₁+ i D₂+ MSN kod štakora, noviji rezultati odgovaraju nalazima u kojima je brisanje c-Fos selektivno iz D₁+ MSN-ovi tupim senzibilizacijom lokomotora uzrokovanih kokainom miševa (Zhang et al., 2006). Nadalje, ova je skupina otkrila brisanje c-Fosa u D₁+ MSN-ovi prigušuju dendritične promjene kralježnice koje se obično induciraju kokainom u NAc, što ukazuje na ulogu c-Fos-a u posredovanju tih promjena sinaptičke plastičnosti. Konačno, grupa je primijetila da nema promjene u indukciji CP kokaina, ali je otkrila da je gubitak c-Fos u D₁+ MSN-ovi spriječili su izumiranje CPE kokaina. Takvi podaci ilustriraju dinamičnu ulogu za c-Fos indukciju u D₁+ MSN, međutim, ne može se isključiti različiti učinci na razini ponašanja kao posredovani u bilo kojem od drugih limbičkih područja mozga koja izražavaju D₁ receptor.

Drugi IEG koji je detaljno proučen u dvije MSN podvrste je FosB. Akutna izloženost kokainu inducira FosB u D₁+ MSN-ovi (Berretta i dr., 1992), budući da kronična izloženost inducira ΔFosB, stabilan proizvod FosB gena generiran alternativnim spajanjem (Hope i sur., 1994; Nestler et al., 2001; Nestler, 2008), u D₁+ MSN-ovi (Nye i sur., 1995; Moratalla i sur., 1996; Lee i sur., 2006). Slična su otkrića i kod mnogih drugih droga kao i s prirodnim nagradama poput hrane, seksa i trčanja s kotačima. Na primjer, kronično trčanje na kotačima, što je prirodna nagrada (Iversen, 1993; Belke, 1997; Lett i sur., 2000), inducira ΔFosB u D₁+ MSN-ovi, ali ne i D₂+ MSN-ovi (Werme i sur., 2002). Da bi stekli funkcionalni uvid u ulogu ΔFosB u dva MSN-a, naša grupa je generirala NSE-tTa linije, nazvane 11A i 11B, koje usmjeravaju ekspresiju transgena na bilo D₁+ ili D₂+ MSNs (Chen i sur., 1998; Kelz i sur., 1999; Werme i sur., 2002). Linijski 11A miševi koji su ukršteni s Tet-Op ΔFosB linijom pokazuju povećane reakcije na korisne i lokomotorne učinke kokaina (Kelz i sur., 1999), što je u skladu s ΔFosB indukcijom u D₁+ MSN-ovi (Nye i sur., 1995; Moratalla i sur., 1996). Nadalje, ti isti miševi povećavaju nagradu za morfij (procjenjuje CPP), kao i smanjenu analgeziju morfija i pojačanu toleranciju na morfij, dok 11B Tet-Op ΔFosB miševi ne pokazuju promjenu nagrade za morfij. Prekomjerna ekspresija dominantnog negativnog antagonista ΔFosB ima efekte suprotne onima koje vidimo s ΔFosB, iako ovaj model miša ne razlikuje D₁ vs. D₂ MSN-ovi (Peakman i sur., 2003). Ovi podaci zajedno podržavaju ulogu indukcije ΔFosB u D₁+ MSN-ovi kao važan molekularni igrač u nagrađivanju svojstava zlouporabe droga (Zachariou i sur., 2006). Ovaj se fenomen primjećuje i kod drugih ponašanja nagrađivanja, posebice u trčanju na kotačima: 11A Tet-Op ΔFosB miševi povećavaju ponašanje u vožnji kotača, dok 11B Tet-Op ΔFosB miševi smanjuju rad kotača (Werme i sur., 2002). Nalaz da je ΔFosB indukcija u D₁ MSN promovira nagradu u skladu je s nedavnim nalazima da takva indukcija selektivnog tipa ćelije također potiče reakcije otpornosti na kronični stres (Vialou i sur., 2010). Konačno, kronična indukcija kokaina ΔFosB u D₁Pokazalo se da MSN-ovi prate snažna dugotrajna povećanja gustoće dendritičke kralježnice (Lee i sur., 2006), a nedavno se pokazalo da je ΔFosB u NAc i potreban i dovoljan u posredovanju povećane gustoće dendritičnih bodlji u ovoj regiji mozga (Maze i sur., 2010). Takvi podaci podržavaju ulogu ΔFosB u D₁+ MSN-ovi u posredovanju nagradnih aspekata zlouporabe droga i prirodnih nagrada kao i pratećih strukturnih promjena plastičnosti. Podaci također sugeriraju da je indukcija ΔFosB u D₂+ MSN-ovi pružaju negativne posljedice na nagrađivanje podražaja. Budući da je indukcija ΔFosB u D₂+ MSN vide se kao odgovor na kronični stres i izloženost antipsihotičkim lijekovima (Hiroi i Graybiel, 1996; Perrotti i sur., 2004) potrebne su daljnje studije potonjih radnji.

Ostali intracelularni signalni molekuli u D.₁ vs. D₂ MSN

Jedna signalna molekula koja je dobro proučena u dva MSN-a u kontekstu zlouporabe droga je protein kinaza, ERK (kancera povezana sa izvanstaničnom signalom). Akutno ili kronično izlaganje kokainu inducira fosforilirani ERK (pERK), aktivirani oblik proteina, u NAc i dStr u D₁+ MSN-ovi koji koriste D₁-GFP i D₂-GFP BAC transgeni reporterski miševi (Bertran-Gonzalez i sur., 2008) i taj se odgovor posreduje kroz D₁ receptori (Valjent i sur., 2000; Lu et al., 2006). Ova je skupina također pokazala da su pMSK-1 (fosfo-MAP i kinaza na stres aktivirana-1) i histon H3, oba cilja signala pERK-a, snažno inducirani u pERK-u koji sadrži D₁+ MSN nakon akutne izloženosti kokainu i blago porasta nakon kroničnog kokaina (Bertran-Gonzalez i sur., 2008). pERK se također inducira kao reakcija na kronični morfij, posebno pERK je snažno induciran u D₁+ MSN i skromno inducirani u D₂+ MSN-ovi u ljusci NAc nakon povlačenja kao odgovor na povezanost s morfijom specifičnim za kontekst (Borgkvist i dr., 2008). Precizna funkcionalna uloga PERK-a u ovisnosti o drogama tek treba biti utvrđena. Pokazalo se da farmakološki tretman ERK inhibitorima smanjuje nagradu kokaina, međutim, broj ERK1 potencira nagradu za kokain, sugerirajući da ERK inhibitori mogu povoljno utjecati na ERK2. Nedavno smo pokazali da je optogenetska aktivacija D₁+ MSN u NAc, što povećava korisne reakcije životinja na kokain, snažno smanjuje i pERK1 i pERK2. Buduće studije koje manipuliraju ekspresijom ERK-a na ćelijski specifičan način neophodne su za potpuno rješavanje funkcionalne uloge ERK signalizacije u dva MSN-a u zlouporabi droga.

DARPP-32 je još jedna signalna molekula koja je opsežno proučavana kao odgovor na zlouporabu lijekova. Poznato je da akutni psihostimulansi dovode do PKA fosforilacije DARPP-32 na treoninu 34 (T34), zbog čega on postaje moćan inhibitor proteinske fosfataze 1 (PP-1), koji regulira stanje fosforilacije mnogih proteinskih efektora, uključujući transkripcijski faktori, ionotropni receptori i ionski kanali (Greengard i dr., 1999). Međutim, donedavno nije bilo jasno koja podvrsta MSN posreduje u toj biokemijskoj promjeni. Greengard i sur. (1999) generirani BAC transgeni modeli miša koji omogućuju procjenu DARPP-32 fosforilacije u D₁+ ili D₂+ MSN-ovi izražavanjem označenih verzija DARPP-32 pomoću D₁ ili D₂ BAC-ovi koji omogućuju imunoprecipitaciju DARPP-32 iz svake MSN podvrste. Ove su studije pokazale da akutno liječenje kokainom povećava T34 fosforilaciju u D₁+ MSN i inducira fosforilaciju treonina 75 (T75) Cdk5, koji inhibira PKA signalizaciju, selektivno u D₂+ MSN-ovi (Bateup i sur., 2008). Konačno, ova je skupina pokazala da je brisanje DARPP-32 iz svake MSN podvrste pomoću D₁-Cre i D₂-Cre transgeni miševi rezultiraju suprotnom regulacijom lokomotorne aktivnosti izazvane kokainom (Bateup i sur., 2010). Gubitak DARPP-32 od D₁+ MSN su umanjili lokomotorne učinke kokaina, koji oponašaju prethodne podatke ocjenjujući ukupni knockout DARPP-32 (Fienberg i dr., 1998), dok je gubitak DARPP-32 od D₂+ MSN-ovi poboljšani reakcije lokomotora kokaina. Takvi podaci pružaju konkretne dokaze za različite uloge DARPP-32 u dva MSN-a kao odgovor na zlouporabu lijekova i ilustriraju važnost metoda specifičnih za stanični tip da bi se u potpunosti razumio doprinos ove dvije vrste neurona u ovisnosti o drogama.

Modulirajuća aktivnost D₁ ili D₂ MSN

Izravno moduliranje aktivnosti dviju MSN podvrsta nedavno je pružilo novi uvid u molekularnu i funkcionalnu ulogu D₁ i D₂ MSN-ovi u ovisnosti. Koristili smo optogenetske alate kombinirane s uvjetnim (tj. Cre-ovisnim) adeno-pridruženim virusnim (AAV) vektorom koji izražava kationski kanal aktiviran plavim svjetlom, kanalrhodopsin-2 (ChR2). Ubrizgali smo vektor ili kontrolnu tvar u NAc of D₁-Cre ili D₂-Cre BAG transgene miševe i zatim stimulira ubrizgano područje plavom svjetlošću da selektivno aktivira D₁+ vs. D₂+ MSN u kontekstu kokaina CPP. Otkrili smo da je aktiviranje D-a₁+ MSN potenciraju indukciju CPD kokaina, dok aktiviranje D₂+ MSN inhibira ovu indukciju (Lobo i sur., 2010). Kao što je prethodno napomenuto, primijetili smo iste efekte u ponašanju kada je TrkB bio selektivno izbrisan iz MSN podtipova: poboljšani CPD kokaina i lokomotorna aktivnost nakon brisanja TrkB-a iz D₁+ MSN-a i smanjeni CPK kokaina i lokomotorna aktivnost nakon brisanja TrkB-a iz D₂+ MSN-ovi. Vjerojatno zajedničko djelovanje TrkB-a nokautom i optogenetskom stimulacijom u D₂+ MSNs je njihova povećana aktivnost, jer brisanje TrkB iz ovih stanica povećava njihovu električnu ekscitabilnost. Kao što smo ranije spomenuli, također smo otkrili snažno smanjenje pERK-a nakon brisanja TrkB-a iz D₁+ MSN-ovi. pERK je poznati nizvodni cilj BDNF signalizacije, stoga su zajednički efekti ponašanja primijećeni nakon TrkB brisanja iz D₁+ MSN-ovi i optogenetska aktivacija ovih stanica mogu biti posljedica konvergencijskih učinaka na pERK aktivnost. No, potreban je budući rad da bi se utvrdile precizne, zajedničke molekularne osnove koje upravljaju učincima ponašanja uočenim nakon poremećaja BDNF signalizacije i optogenetske kontrole ove dvije neuronske podvrste.

Ostale su skupine koristile različite alate za moduliranje aktivnosti dvaju MSN-a u modelima zlouporabe droga. Hikida i sur. (2010) koristili AAV vektore za ekspresiju tetraciklin-represivnog faktora transkripcije (tTa) upotrebom tvari P (a D₁+ MSN gen) ili enkefalin (a D₂+ MSN geni) promotora. Ti su vektori ubrizgani u NAc miševa, u kojem je laki lanac (TN) - tetanski toksin - bakterijski toksin koji cijepa protein koji je povezan sa sinaptičkim vezikulama, VAMP2 - bio kontroliran elementom koji reagira na tetraciklin, kako bi se selektivno ukinuo sinaptički prijenos u svakom Podtip MSN. U skladu s našim optogenetskim pristupom, ti su podaci pokazali ulogu D.₁+ MSN aktivnost u povećanju CPD kokaina kao i lokomotorna aktivnost izazvana kokainom, jer ukida sinaptički prijenos u D₁+ MSN-ovi su umanjili učinke ponašanja. Za razliku od optogenetskih studija, autori nisu našli promjene u CPK kokaina nakon ukidanja sinaptičkog prijenosa u D₂+ MSN, ali su primijetili smanjenu lokomotornu aktivnost izazvanu kokainom kao odgovor na prve dvije izloženosti kokainu. Zanimljivo je da je ova skupina pokazala tu inaktivaciju D.₂+ MSN-ovi su odigrali dublju ulogu u posredovanju averzivnog ponašanja.

Kao što je ranije navedeno, Ferguson i sur. (2011) koristili su vektori herpes simplex virusa (HSV) za izražavanje projektiranog GPCR-a (G_{I / O}muskarinski spoj M₄ dizajnerski receptor isključivo aktiviran dizajnerskim lijekom, hM₄D) koji se aktivira inače farmakološki inertnim ligandom koristeći enkefalin i dinorfin promotore da selektivno utišaju D₁+ ili D₂+ MSN-ovi u dStr. Autori su pokazali da prolazno remete D₂+ MSN aktivnost u dStr olakšala je osjetljivost na amfetamin, dok smanjuje ekscitabilnost D₁+ MSN-ovi su oslabili trajnost preosjetljivosti izazvane amfetaminom. Napokon, ukidanje D₂+ MSN-ovi u NAc u odrasloj dobi koji koriste receptor za toksin difteriju pojačavaju učinak amfetamina (Durieux i sur., 2009). Takvi su podaci u skladu s našim optogenetskim nalazima i zajedno impliciraju suprotne uloge D.₁+ vs. D₂+ MSN u ovisnosti o drogama, s D₁+ MSN-ovi koji promoviraju i nagradnu i osjetljivu reakciju na psihostimulanse i D₂+ MSN-ovi prigušujući takva ponašanja.

Buduće smjernice

Područje je postiglo ogroman napredak na razumijevanju selektivne uloge D-a₁+ i D₂+ MStipne podtipove NAc i dStr u posredovanju učinaka zlouporabe lijekova. Konkretno, nedavno razvijeni alati koji omogućuju selektivnu manipulaciju ovim staničnim tipovima igrali su dominantnu ulogu u dobivanju većine tih podataka. Koji su sljedeći koraci? Kako osnovne molekularne prilagodbe u modelima ovisnosti o drogama nisu statične, već vrlo dinamične, presudno je razviti sposobnost za selektivno manipuliranje signalnim molekulama od interesa za D₁+ vs. D₂+ MSN-ovi na vremenski precizan način. DREADD i optogenetski alati mogu vam pomoći u manipulaciji vremenskom skalom. DREADD ligandi se mogu davati u različitim vremenskim tečajevima kroz paradigme ponašanja lijeka kako bi se razdvojila selektivna uloga signalnih receptora u dva MSN-a u modelima lijekova. Posebno optogenetski alati daju iznimno snažno sredstvo za vremensku regulaciju ne samo aktivnosti neurona, već i signalizacije receptora vezanog za protein, koristeći OptoXR (Airan i dr., 2009), glutamatergička signalizacija (Volgraf i sur., 2006; Numano i sur., 2009), GABAergička signalizacija, pa čak i određene unutarćelijske signalne molekule (Wu i sur., 2009; Hahn i Kuhlman, 2010). Konačno, moguće je proširiti te mogućnosti na optogenetsku regulaciju aktivnosti transkripcije. Isto tako, optogenetski alati omogućuju po prvi put proučavanje utjecaja specifičnih ulaza na striatum i utvrđivanje da li takvi ulazi selektivno utiču na D₁+ vs. D₂+ MSN-ovi (Higley i Sabatini, 2010). Sposobnost upravljanja takvim signalizacijskim i molekularnim svojstvima s velikom vremenskom razlučivosti omogućit će važne korake prema sveobuhvatnijem razumijevanju dviju MSN podtipova i ostalih podtipova stanica u NAc i dStr, u posredovanju vremenskog tijeka i različitih faza lijeka ovisnost.

Izjava o sukobu interesa

Autori izjavljuju da je istraživanje provedeno u nedostatku komercijalnih ili financijskih odnosa koji bi se mogli protumačiti kao potencijalni sukob interesa.

Reference