Az átmeneti idegsejt-gátlás a közvetett és közvetlen utak ellentétes szerepét mutatja be a szenzitizációban (2011)

PMCID: PMC3058296
NIHMSID: NIHMS245934
A kiadó ennek a cikknek a végleges szerkesztett változata elérhető a következő weboldalon: Nat Neurosci
Lásd a PMC egyéb cikkeit idéz a közzétett cikket.

Absztrakt

A dorsalis striatum fontos szerepet játszik a kábítószer-függőség kialakulásában; ugyanakkor pontos megértése striatopallid (közvetett) és striatonigrál (közvetlen) útvonal a viselkedés szabályozása során a neuronok továbbra is megfoghatatlanok.

Olyan új megközelítést alkalmazva, amely egy mesterséges GPCR vírus által közvetített expressziójára támaszkodik (hM4D), kimutattuk, hogy a hM aktiválása4D receptorok klozapinnal \ tN-oxid (CNO) erőteljesen csökkentette a striatális neuronok ingerlékenységét. Amikor hM4A D-receptorokat szelektíven expresszáltuk patkányok közvetlen vagy közvetett neuronjaiban, a CNO nem változtatta meg az amfetamin akut lokomotoros válaszát, hanem megváltozott viselkedési plaszticitást mutatott az ismételt gyógyszeres kezeléssel. Kifejezetten, a striatopallidális neuronális aktivitás átmeneti megszakítása megkönnyítette a viselkedési szenzitizációt, míg a striatonigrális neuronok ingerlékenységének csökkenése rontotta annak tartósságát. Ezek az eredmények arra engednek következtetni, hogy az akut gyógyszerhatások az ismételt hatóanyag-expozícióval összefüggő viselkedési adaptációkból értelmezhetők, és hangsúlyozzák ennek a megközelítésnek a hasznosságát az idegrendszeri járulékok dekonstruálásához olyan viselkedésekhez, mint a szenzibilizáció.

A kábítószerfüggőség túlnyomó negatív következményei ellenére a pszichostimuláns használat és a visszaélés továbbra is elterjedt. A kezdeti hatóanyag-expozíciótól a rendszeres használatig és végül a kényszeres, szokásos viselkedésig és a gátló kontrollok elvesztéséig terjedő progresszió a molekuláris adaptációk sorozatát tartalmazza a diszkrét neurocircuitsben1,2,3. A striatumot a viselkedésbeli és neurobiológiai adaptációk sok olyan kulcsfontosságú helyeként azonosították, amelyek a függőséget közvetítő alapvető folyamatokat alkotják.1,2,3. A striatumon belüli neuronok többsége (~ 95%) GABAerg közepes tüskés vetületi neuronok (MSN) ta kalap a neuropeptid expressziójában különbözik, és két fő efferens útvonalat képez4.

  • A striatopallidális MSN-ek enkefalint (ENK) tartalmaznak és a közvetett útvonalat képezik
  • mivel a striatonigrális MSN-ek dinamorfint (DYN) és P anyagot tartalmaznak, és a közvetlen útvonalat alkotják.

Számos fogalmi modell feltételezi, hogy ezek az MSN-populációk mechanikusan és funkcionálisan ellenállnak egymásnak5,6. Azonban kevés empirikus bizonyíték van arra, hogy támogassa a viselkedés szabályozásában betöltött szerepüket, mivel ezek a sejtpopulációk fizikailag összekeverednek és morfológiailag megkülönböztethetetlenek, hogy a szelektív manipuláció technikailag megfoghatatlan.

Ezen striatális sejtpopulációk szerepének vizsgálatára a visszaélésszerű kábítószerekkel való ismételt expozíció utáni viselkedés kialakulásában két új stratégiát kombináltunk: virális vektorokat, amelyek az ENK vagy DYN gén promotereket használják a transzgén expressziójának sztriatopallidális vagy striatonigrális neuronok célpontjához és egy megtervezett GPCR (Gi / o- összekapcsolt emberi muskarin M4 DREADD; A tervezői receptort kizárólag egy tervező drog aktiválja; hM4D)7 amely egyébként farmakológiailag inert ligandummal, klozapinnal aktiválódik.N-oxid8,9 (CNO; 1a, h). A tenyésztett neuronokban történő expresszió után a CNO-t G stimuláljai / ohM4A D receptorok így aktiválják a befelé rektifikáló kálium 3 (Kir3) csatornákat, ami membrán hiperpolarizációt és átmeneti idegrendszeri csillapítást eredményez.9.

ábra 1  

A striatális sejtjelzés átmeneti és célzott csillapítása. (a, h) PENK-HM4D/pENK-GFP (a) és pDYN-HM4D/pDYN-GFP (h) célzó vektorok. (b, i) A konfokális mikroszkópia azt mutatta, hogy pENK-HM4D a receptorokat szelektíven expresszáltuk striatopallidában ...

A vírus vektorok sejtfenotípus-specifitásának teszteléséhez kettős címkével ellátott immunfluoreszcens mikroszkópiát használtunk a vírusok dorsalis striatum infúziója után.Kiegészítő ábra 1), amelyek hemagglutinint jelölt hM-et expresszálnak4D receptorok vagy az ENK promoter irányítása alatt (pENK-HM4D) vagy a DYN promoter (pDYN-HM4D). Azt találtuk, hogy pENK-HM4D az expresszió elsősorban az ENK-tartalmú MSN-ekben volt (a hemagglutinin sejtek 90% -a ENK +, 85 az 94-ból; 6% hemagglutinin sejtek P +, 4 az 70 sejtekből; 1b) mivel pDYN-HM4D az expresszió elsősorban P-tartalmú MSN-ekben volt (a hemagglutinin sejtek 95% -a P + anyag, 109 az 115 sejtekből; a hemagglutinin sejtek 5% -a ENK +, 5 az 97 sejtekből; 1i). Hasonló eredményeket kaptunk a fluoreszcens fehérjét expresszáló promóterspecifikus vírusok infúziója után (pENK-GFP és pDYN-GFP; SupplementaryFigs. 2a és 3a).

Mivel a striatopallidális MSN-ek elsősorban a globus pallidus külső (GPe) és a striatonigrális MSN-ekre irányulnak, elsősorban a materia nigra pars reticulata (SNpr) -re irányulnak, a Fluoro-Gold retrográd nyomjelzőt injekciókat használtuk az agyi régiókba, majd kettős címke fluoreszcens immunhisztokémia a pENK és pDYN a vírusok út-specifikus fertőzést eredményeztek. Megfigyeltük, hogy pENK-GFP a sejtek együtt lokalizálódtak a striatum Fluoro-Gold expresszióval a GPe-be történő infúziót követően, de nem az SNpr-nek (Kiegészítő ábra 2b) mivel pDYN-GFP az SNpr-be adott infúziókat követően a striatus Fluoro-Gold expresszióval együtt lokalizált sejtek, de nem a GPe (Kiegészítő ábra 3b). A virális vektorok expressziója nem változtatta meg az ENK + vagy P + neuronok számát a vírusfertőzés régiójában, ami arra utal, hogy ezek a promóterek a vírus által közvetített génátvitelre nem befolyásolják az endogén neuropeptid szinteket. Mindezek az eredmények azt mutatják, hogy a pENK és pDYN a vírusvektorok géneket expresszálnak megfelelően szegregált striatális sejtpopulációjukban.

Bár hM4Kimutatták, hogy a D receptor alapú technikák modulálják más neuronális típusok aktivitását9nem vizsgálták a striatális neuronokra gyakorolt ​​hatásukat. Ezért hM-sel fertőzöttünk striatum közepes tüskés neuronokat4A herpesz szimplex vírus (HSV) promóter kontrollja alatt álló D receptorok két nappal később dorsalis striatum koronális szeleteket készítettek, és megvizsgálták, hogyan hM4A D-expresszáló közepes tüskés striatális neuronok reagálnak a CNO-ra. Megfigyeltük, hogy a CNO (10 μM) lokális alkalmazása a membránpotenciál hiperpolarizációját indukálja (~ 7 mV, az alapvonal membránpotenciálját -80 mV-ra állítottuk be; 1c) és csökkentette a neuronok bemeneti ellenállását a CNO alkalmazás után (1d, e), ami arra utal, hogy a kálium-vezetőképesség (azaz a Kir3-közvetített áram) a CNO által aktiválva4D receptor-expresszáló neuronok. Továbbá a CNO perfúziója lényegesen csökkentette a kiváltott akciós potenciálok számát hM-ben4D-expresszáló neuronok, de nem a kontroll sejtekben, ezáltal hatékonyan gátolva a virálisan fertőzött neuronok funkcionális kimenetét.4A D receptorok önmagukban nem változtatták meg a bemeneti ellenállást (P = 0.84) vagy cselekvési potenciál tüzelése (P = 0.64). (1f, g). Összességében ezek az adatok arra utalnak, hogy a hippocampális neuronokhoz hasonlóan9, a hM4A D / CNO-alapú módszer hatékonyan csökkenti a patkány striatális neuronok ingerlékenységét.

A koncepció további bizonyítékaként teszteltük, hogy hM4A D receptorok blokkolnák a neurotranszmissziót egy jól megalapozott áramkörben, ahol a neurális aktivitást a viselkedés szempontjából releváns ingerek előre jelezhetik. Ennek megfelelően a ventralis tegmentális terület (VTA) neuronjait hM-sel fertőzöttük4D receptorok egy HSV promoter irányítása alatt, amely erősen expresszálódik a dopamin neuronokban10és a gyors beolvasási ciklikus voltammetriát használták a dopamin felszabadulásában a magban az accumbensben bekövetkező változások mérésére az élelmiszer-jutalom váratlan kiszállítása után11. A CNO beadása jelentősen gyengítette az élelmiszer-pellet által kiváltott dopamin felszabadulást a magban accumbensben, összehasonlítva a vivőanyaggal (Kiegészítő ábra 4). Végül megvizsgáltuk, hogy a striatumban a specifikus neuronális sejttípusok aktivitása csökken in vivo megváltoztathatja az amfetamin képességét a Fos expressziójának stimulálására. A pszichostimulánsok, mint amfetamin, a c- \ tfos a striatumban12 és növeli a c-fos mind a striatonigrális, mind a striatopallid neuronokban kísérleti körülmények között13. A neuronális aktivitás markerként történő alkalmazása mellett a pszichostimuláns c- \ tfos úgy gondolják, hogy fontos szerepet játszik a pszichomotoros szenzibilizációval kapcsolatos neurális adaptációk megindításában és fenntartásában1,14. Megállapítottuk, hogy a pENK-HM4D A receptorok szignifikánsan csökkentették az amfetamin által indukált c-Fos sejtek1k és a Kiegészítő ábra 5a). Ez a csökkenés mind a hemagglutinin-pozitív neuronokban (azaz a hM-et expresszáló neuronokban) történt4D receptorok) és hemagglutinin-negatív neuronok (azaz azok, amelyek nem expresszálják a hM-et)4D receptorok; 1l), ami azt sugallja, hogy a hM neuronális átfutási hatása van4D-expresszáló neuronok és nem fertőzött neuronok. Az amfetamin által kiváltott c-Fos sejtek teljes számának jelentős csökkenése és a hemagglutinin-pozitív c-Fos sejtek száma is megfigyelhető, amikor hM4A D receptorokat a közvetlen útvonal neuronokban aktiváltuk (1n, o és a Kiegészítő ábra 5b). Fontos, hogy ezek a hatások nem egyszerűen egy új receptor vírusos expressziójából erednek, mivel pENK-HM4D vagy pDYN-HM4D A CNO kezelés hiányában a receptorok nem befolyásolták az amfetamin által kiváltott Fos sejtek számát (Kiegészítő ábrák. 6 és 7). Így ezek az eredmények azt mutatják, hogy a hM CNO-közvetített aktiválása4A D receptorok az idegrendszeri aktivitás csökkenéséhez is vezethetnek a neurotranszmitter felszabadulásának csökkentésével és az intracelluláris jelátvitel enyhítésével.

Az addiktív gyógyszerek ismételt expozíciója a viselkedésérzékenység fokozatos és tartós növekedéséhez vezethet, amelyet gyakran viselkedési érzékenységnek neveznek. Fontos, hogy a szenzibilizáció magában foglalja ugyanazokat a neurális áramköröket, amelyek az emberi drogfüggőség kialakulásához kapcsolódnak3. Itt új eszközöket használunk a striatális neuron aktivitás áramkörspecifikus csillapításának hatására az amfetamin-szenzibilizáció kialakulására. Feltételeztük, hogy a közvetlen és közvetett útvonalak neuronjai ellentétes szerepet játszanak abban az esetben, ha a striatonigrális neuronok elősegítik a szenzibilizációt és a striatopallidális neuronok elnyomják a szenzitizációt, összhangban a viselkedés aktiválásában és gátlásában betöltött szerepükkel.5,6. Ennek megfelelően megvizsgáltuk, hogy a striatopallidális neuronok biokémiailag csökkenő neuronális ingerlékenysége olyan szenzibilizációt vált ki-e, amely egy szenzitizációs küszöbszintet eredményez, és hogy a striatonigrális neuronok csökkenő neuronális ingerlékenysége megakadályozza-e az érzékenységet olyan protokollban, amely általában erős érzékenységet okoz.

Az első vizsgálatban olyan kezelési rendet alkalmaztunk, amely a mozgásszervi szenzibilizáció küszöbszintjét indukálja a GFP-kontrollokban (négy hatóanyag-expozíció). A visszavonási időszakot követően mérsékelten az amfetamin dózist (2 mg / kg) adtunk be CNO-indukált neuronális aktivitás csillapítása nélkül, hogy meghatározzuk, hogy a szenzibilizáció tartós-e. A pENK-HM4D Az amfetamin-kezelés során a receptorok nem változtatták meg az amfetaminra adott akut lokomotoros \ t2a). Azonban a neuronális aktivitás CNO-közvetített megszakítása közvetett útvonalak neuronjaiban megkönnyítette a GFP-kontrollhoz képest lényegesen robusztusabb szenzibilizáció kialakulását (2b). Ezt a fokozott érzékenységet az amfetamin-kihíváson tartottuk, amelyet egy héttel később CNO-kezelés nélkül hajtottak végre.2c, d). Ezek a hatások a striatopallidális neuronok CNM-függő redukciójának tulajdoníthatóak hM által4D receptorok, mert hM4A D-receptor expresszió CNO-kezelés nélkül nem eredményez mozgásszervi szenzibilizációt az amfetamin enyhe adagolási rendjében (Kiegészítő ábra 6).

ábra 2  

A striatopallidális vagy striatonigrális neuronok ingerlékenységének átmeneti csökkentése ellentétes hatással volt az amfetamin-szenzibilizációra. (a, e) Az amfetaminra adott akut lokomotoros válasz a pOENK-HM4D (a) és pDYN-HM4D (e) receptorok. ...

Annak megállapítása érdekében, hogy a striatonigrális neuronok ellentétes módon szabályozhatják-e a gyógyszer-válaszreakciót, azt követően megvizsgáltuk a striatonigrális neuronok biokémiai csökkenésének hatását a dorsomedialis striatumban az amfetamin gyógyszeres kezelési rendje során, amely erős szenzibilizációt eredményez a GFP kontrollokban (hat hatóanyag-expozíció) ), valamint az amfetamin (0.5 mg / kg) alacsony kihívású dózisa során a neuronális aktivitás receptor-közvetített megszakításának hiányában. A közvetett útcsökkentéshez hasonlóan az amfetamin-kezelés során a közvetlen út neuronok ingerlékenységének CNO-közvetítésű csökkenése nem változtatta meg az amfetaminra adott akut lokomotoros választ (2e). Bár a szenzitizáció kialakulása hasonló volt, mint a GFP kontrollok, amelyek a pODYN-HM4D receptorok a kezelési fázis alatt (2f), a szenzibilizáció a pDYN-HM4D csoport, de továbbra is erőteljesen megtartották a GFP ellenőrzéseiben (2g, h). Ezek a hatások a striatonigrális neuronok CNM-függő csökkenésének tulajdoníthatóak a hM által4D receptorok, mert hM4A D-receptor expresszió CNO-kezelés hiányában nem gátolta a lokomotoros szenzibilizáció kialakulását, mivel a szenzitizáció a kezelés fázisában és a hatóanyag-kihívás során megfigyelhető volt.Kiegészítő ábra 7). Ezek az adatok arra utalnak, hogy a striatonigrális neuronok különösen fontosak lehetnek az ismételt kábítószer-használat következményeinek hosszú távú viselkedésmódosításainak szabályozásában.

Összefoglalva, ezek az adatok az első bizonyítékot szolgáltatják a striatopallid és striatonigrális neuronok kritikus és ellentétes szerepére a kábítószer-tapasztalat-függő viselkedés plaszticitásának szabályozásában. Továbbá, az idegrendszeri gátlásnak az amfetaminra adott akut lokomotoros válaszra gyakorolt ​​hatásának hiánya további bizonyítékot szolgáltat arra, hogy a kábítószerekkel szembeni akut reakciókat szabályozó mechanizmusok különböznek azoktól, amelyek modulálják az ismétlődő gyógyszer-expozíció során fellépő tartós alkalmazásokat. Végül, a fenotípus-specifikus virális vektorok párosítása a neuronális aktivitást megváltoztató tervező receptorokkal, a sejtfunkció végleges megszakítása nélkül, új és hatékony megközelítést kínál a függőség molekuláris alapjának dekonstruálására.

Kiegészítő anyag

Köszönetnyilvánítás

Ezt a munkát az NIH K99 DA024762 (SMF), T32 GM07266 és T32 GM07108 (DE), T32 AA009455 és F32 DA026273 (MJW), R21 DA021793 (PEMP), R01 DA023206 (YD), U19MH82441 és NIMH-PDSP (BLR ), és az R21 DA021273 (JFN), a Kollégium tudósai (DE) elért eredményei és a NARSAD Distinguished Investigator Award (BLR)

Lábjegyzetek

Versenyes érdekeltségi nyilatkozat

A szerzők kijelentik, hogy nincsenek versengő pénzügyi érdekeik.

Referenciák

1. Berke JD, Hyman SE. Idegsejt. 2000; 25: 515-532. [PubMed]
2. Neslter EJ. Nat Rev Neurosci. 2001; 2: 119-128. [PubMed]
3. Robinson TE, Berridge KC. Függőség. 2001; 96: 103-114. [PubMed]
4. Smith Y, Bevan MD, Shink E, Bolam JP. Neuroscience. 1998; 86: 353-387. [PubMed]
5. Shen W, Flajolet M, Greengard P, Surmeier DJ. Tudomány. 2008; 321: 848-851. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
6. Durieux PF és mtsai. Nat Neurosci. 2009; 12: 393-395. [PubMed]
7. Conklin BR és mtsai. Nat módszerek. 2008; 5: 673-678. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
8. Alexander GM és mtsai. Idegsejt. 2009; 63: 27-39. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
9. BN fegyverzet, Li X, Pausch MJ, Herlitze S, Roth BL. Proc Natl Acad Sci USA. 2007; 104: 5163-5168. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
10. Choi KH et al. Ann NY Acad Sci. 2003; 1003: 372-374. [PubMed]
11. Clark JJ et al. Nat módszerek. 2010; 7: 126-129. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
12. Harlan RE, Garcia MM. Mol Neurobiol. 1998; 16: 221-267. [PubMed]
13. Badiani A, Oates MM, nap HE, Watson SJ, Akil H, Robinson TE. Behav Brain Res. 1999; 103: 203-209. [PubMed]
14. Hyman SE, Malenka RC. Nat Rev Neurosci. 2001; 2: 695-703. [PubMed]