Pencernaan sukrosa menginduksi perdagangan reseptor AMPA cepat (2013)

J Neurosci. Naskah penulis; tersedia dalam PMC Okt 3, 2013.
Diterbitkan dalam bentuk yang diedit akhir sebagai:
Versi terakhir penerbit artikel ini tersedia gratis di J Neurosci
Lihat artikel lain di PMC itu mengutip artikel yang diterbitkan.

Abstrak

Mekanisme di mana imbalan alami seperti gula mempengaruhi penularan dan perilaku sinaptik sebagian besar belum diselidiki. Di sini, kami menyelidiki regulasi nukleus accumbens synapses dengan asupan sukrosa. Studi sebelumnya telah menunjukkan bahwa perdagangan reseptor AMPA adalah mekanisme utama untuk mengatur kekuatan sinaptik, dan itu in vitro, perdagangan reseptor AMPA yang mengandung subunit GluA1 terjadi melalui mekanisme dua langkah yang melibatkan pengangkutan ekstra-sinaptik dan kemudian reseptor sinaptik. Kami melaporkan bahwa pada tikus, konsumsi sehari-hari dari larutan sukrosa 25% secara sementara meningkatkan pergerakan spontan dan potensi sinapsis inti yang bertambah dengan menggabungkan Ca2+-reseptor AMPA yang dapat ditembus (CPAR), yang mengandung GluA1, reseptor AMPA yang kurang GluA2. Studi mikroskop elektron elektrofisiologi, biokimia dan kuantitatif mengungkapkan bahwa pelatihan sukrosa (7 hari) menyebabkan populasi GluA24 intraspinous yang stabil (> 1 jam), dan bahwa pada tikus ini stimulus sukrosa tunggal dengan cepat (5 menit) tetapi sementara (<24 jam) meningkat GluA1 di situs ekstrasinaptik. CPAR dan reseptor dopamin D1 diperlukan in vivo untuk pergerakan tinggi setelah konsumsi sukrosa. Secara signifikan, protokol 7-hari konsumsi harian larutan 3% dari sakarin, pemanis non-kalori, GluA1 yang diinduksi sinaptik mirip dengan konsumsi sukrosa 25%. TTemuan-temuan ini mengidentifikasi perdagangan multi-langkah GluA1, yang dijelaskan sebelumnya in vitro, sebagai mekanisme pengaturan akut penularan sinaptik in vivo oleh hadiah orosensori alami. Perdagangan manusia dirangsang oleh jalur kemosensor yang tidak tergantung pada nilai kalori sukrosa.

Pengantar

Konsumsi sukrosa yang berlebihan merupakan masalah kesehatan masyarakat yang signifikan (Hu dan Malik, 2010), tetapi mekanisme yang alami, penghargaan orosensori seperti sukrosa mengatur transmisi sinaptik untuk mempengaruhi perilaku tidak diketahui. Plastisitas sinaptik dalam nucleus accumbens, komponen integral dari sirkuit hadiah otak (Sesack dan Grace, 2010), berkontribusi pada banyak bentuk perilaku termotivasi, termasuk pembelajaran hadiah (Day dan Carelli, 2007), respons terhadap stres sosial (LaPlant et al., 2010), dan patologi kecanduan (Luscher dan Malenka, 2011). Paparan kokain yang berulang menyebabkan plastisitas sinaptik pada neuron accumbens dan area ventral tegmental (VTA) (Brebner et al., 2005; Grueter et al., 2010; Mameli et al., 2009; Pascoli et al., 2012; Thomas et al., 2001; Ungless et al., 2001). Pada akses yang diperpanjang pemberian kokain secara mandiri diikuti dengan penarikan yang berkepanjangan, sinapsis diperkuat melalui penggabungan Ca2+-permeable, reseptor glutamat tipe-AMPA yang kekurangan GluA2, yang pensinyalannya menengahi inkubasi keinginan kokain (Conrad et al., 2008; McCutcheon et al., 2011a). Mirip dengan kokain, penghargaan orosensorik seperti sukrosa secara kuat meningkatkan accumbens dopamine (Smith, 2004), tetapi induksi hadiah orosensori dari plastisitas accumbens belum diselidiki.

Reseptor AMPA (AMPARs) adalah mediator utama transmisi rangsang sistem saraf pusat, dan perdagangan mereka berkontribusi pada beragam proses saraf, termasuk pembelajaran dan memori. (Nedelescu et al., 2010; Rumpel et al., 2005; Whitlock et al., 2006). AMPAR terdiri dari empat subunit berbeda, GluA1-4. AMPAR yang mengandung GluA2 adalah Ca2+-tenang dan lalu lintas secara konstitutif ke sinapsis, sementara GluA2-reseptor (CPARs), yang sebagian besar adalah homomers GluA1, melakukan2+ dan menunjukkan perbaikan ke dalam. GluA1 mengalami perdagangan sinaptik yang bergantung pada aktivitas melalui jalur dua langkah di mana Ser 845 fosforilasi oleh protein kinase (PKA) yang bergantung pada cAMP dan protein kinase II (cGKII) yang bergantung pada cGMP mempromosikan akumulasi reseptor di lokasi ekstrasynaptik di dalam membran plasma (Esteban et al., 2003; Serulle et al., 2007; Sun et al., 2008; Sun et al., 2005). Setelah difusi lateral ke sinaps, fosforilasi Ser 818 oleh PKC menstabilkan AMPAR dalam sinaps (Boehm et al., 2006), berlabuh ke kepadatan postsinaptik (Ehlers et al., 2007; Oh et al., 2006; Serulle et al., 2007). Sebagai2+/ fosforilasi protein kinase II (CaMKII) yang bergantung pada calmodulin dari Ser 567 dan Ser 831 juga berkontribusi terhadap penggabungan sinaptik dan penargetan ekstrasinaptik (Lu et al., 2010; Roche et al., 1996), masing-masing. Namun, belum diketahui apakah in vivo penggabungan CPAR menggunakan mekanisme multi-langkah yang cepat ini in vitro.

Untuk menyelidiki mekanisme dengan mana hadiah orosensori seperti sukrosa mengatur accumbens synapses rangsang, kami telah menggunakan paradigma konsumsi sukrosa singkat dan mengukur perubahan dalam transmisi sinaptik dalam neuron accumbens. Kami mengamati bahwa konsumsi sukrosa berulang kali memperkuat sinapsis accumbens melalui penggabungan CPAR, dan bahwa pada hewan yang dilatih sukrosa, satu stimulus sukrosa cukup untuk mendorong perdagangan GluA1 yang cepat ke situs ekstrasynaptik. Karena sakarin, pemanis non-kalori, memicu perdagangan sinaptik yang mirip dengan sukrosa, perdagangan adalah respons terhadap jalur orosensor daripada jalur kalori. Lebih jauh, blokade CPAR mencegah peningkatan aktivitas lokomotor spontan yang diinduksi sukrosa in vivo, lebih jauh mengidentifikasi accumbens CPARs sebagai pengatur penting dari tanggapan terhadap imbalan alami.

Bahan dan Metode

Subjek dan prosedur bedah

Subjek penelitian adalah tikus Sprague-Dawley jantan (Taconic; eksperimen perilaku) yang menimbang 150-300 gram pada saat kedatangan dan betina E18 betina Sprague-Dawley yang hamil (Taconic; percobaan kultur sel). Tikus ditempatkan 2 per kandang untuk percobaan perilaku pada siklus gelap-terang 12h / 12h (lampu 18: 00) dan memiliki akses ke makanan dan air. ad libitum selalu. Semua prosedur eksperimental disetujui oleh Komite Perawatan dan Penggunaan Hewan Institusi Sekolah Kedokteran Universitas New York dan dilakukan sesuai dengan "Prinsip-prinsip Perawatan Hewan Laboratorium" (nomor publikasi NIH 85-23).

Pelatihan sukrosa dan pengukuran alat gerak

Tikus diangkut ke ruang uji 3 hari berturut-turut selama 2 jam / hari di kandang rumah mereka. Pada hari keempat botol yang mengandung air atau sukrosa 25% dimasukkan melalui sangkar penutup selama 5 min. Botol kemudian ditimbang. Untuk semua percobaan, tikus diminta untuk minum setidaknya 1 g sukrosa selama akses min 5 dalam 3 hari dimulainya pelatihan untuk dimasukkan dalam penelitian; pada kenyataannya, semua tikus memenuhi kriteria ini. Setelah pengeluaran botol, tikus tetap di ruang uji selama 30 menit sebelum diangkut kembali ke fasilitas hewan. Pada hari pengorbanan, tikus tidak sadarkan diri oleh CO2, dipenggal oleh guillotine, dan sampel jaringan dikumpulkan di atas es. Untuk percobaan alat gerak, tikus ditempatkan di ruang pengukuran alat gerak (Accuscan, Columbus, OH) untuk total 35-min. Setelah 15-mnt di dalam bilik, botol dengan penghenti manik dimasukkan melalui bagian atas bilik dan distabilkan. Botol dikeluarkan dari bagian atas bilik setelah 5-mnt, dan tikus tetap berada di bilik selama 15-mnt tambahan setelah pelepasan botol. Prosedur ini diulang secara identik selama 7 hari berturut-turut. Jarak yang ditempuh diukur menggunakan Sistem VersaMax (Accuscan, Columbus, OH), yang memantau aktivitas hewan melalui kisi sinar inframerah 16 × 16 yang melintasi kandang hewan (42 × 42 × 30 cm) depan ke belakang dan kiri ke kanan . Informasi tentang status berkas, dipindai dengan laju 100 kali per detik, disimpan ke disk. Aktivitas dinyatakan sebagai jarak rawat jalan yang diukur dalam cm selama 12 tempat sampah 3-min yang berbeda dalam sesi min 35 (tempat terakhir adalah 2-min).

Pelatihan sakarin

Untuk membandingkan perdagangan yang diinduksi sukrosa dari GluA1 dengan efek konsumsi sakarin, tikus 12 dewasa jantan (250 g) ditempatkan di fasilitas hewan pada 12 jam siklus cahaya / gelap. Semua tikus kemudian terbiasa ke ruang uji dengan diangkut ke ruang uji, dibiarkan selama 2 jam, dan diangkut kembali ke fasilitas hewan. Suatu hari di 4th (setelah 3 hari pembiasaan), tikus diberi botol akses yang berisi, air, sukrosa, atau sakarin. Tikus 4 diberi akses ke botol berisi air yang diletakkan di atas sangkar dengan semburan yang menyembul ke dalam sangkar melalui sungkup. Waktu akses adalah 5 menit, kemudian botol dikeluarkan, dan setelah 15 menit lagi tikus diangkut kembali ke fasilitas hewan. Tikus 4 diberi akses ke larutan sukrosa 25% dan tikus 4 diberi akses ke larutan sakcharin 3% (Sweet'n Low). Volume cairan yang dikonsumsi diukur. Prosedur ini diulangi selama 7 hari. Pada hari 7 minum, segera setelah pengeluaran botol, tikus dikorbankan dan inti accumbens dipanen dan kadar GluA1 diperiksa oleh Western blot.

Elektrofisiologi

Tikus dilatih sukrosa seperti yang dijelaskan di atas dalam kandang plastik jernih dan, setelah pengeluaran botol pada hari 7, dibius dengan ketamin (100 mg / kg ip) dan xylazine (10 mg / kg ip) dan diperfusi secara transcardial dengan saline dingin (percobaan mEPSC) atau segera dipenggal (percobaan perbaikan). Otak dengan cepat dipindahkan ke cairan serebrospinal buatan (ACSF) terdiri dari yang berikut (dalam mM): untuk eksperimen mEPSC: NaCl (118), KCl (2.5), CaCl2 (3), MgCl2 (1), NaHCO3 (26), NaH2PO4 (1), D-glukosa (10), osmolaritas disesuaikan dengan 325 mOsm dan diangin-anginkan oleh 95% O2/ 5% CO2 (pH 7.4); untuk percobaan perbaikan: 75 sukrosa, 87 NaCl, 2.5 KCl, 1.25 NaH2PO4, 0.5 CaCl2, 7 MgCl2 6 H2O, 25 NaHCO3, 10 dextrose, menggelegak dengan 95% O2 / 5% CO2 (pH 7.4). Irisan koral (tebal 300μm) yang mengandung nukleus accumbens dipotong dalam ACSF sedingin es menggunakan vibrotome (Leica, VT1200S) dan disimpan terendam dalam ACSF (ACSF, dalam mM: 124 NaCl, 2.5 KCl, 1.25 NaH2PO4, 2.5 CaCl2, 1.5 MgSO4 7H2O, 26 NaHCO3, dan 10 dekstrosa) selama <30 menit; kemudian disimpan dalam pra-inkubator irisan pada suhu kamar selama minimal 1 jam untuk memungkinkan pemulihan. Untuk percobaan mEPSC: satu irisan kemudian dipindahkan ke ruang perekam yang direndam oleh jaring nilon pada suhu 32 ° C dengan pemanas dan pengontrol solusi in-line TC324B (Instrumen Warner, CT). Ruang tersebut terus menerus disemprot oleh ACSF dengan kecepatan konstan 2 ml / menit. Neuron berduri sedang dari wilayah inti nukleus accumbens diidentifikasi di bawah panduan visual menggunakan mikroskop video kontras interferensi diferensial inframerah (Hamamatsu C5405) dengan mikroskop tegak Olympus BX50WI yang dilengkapi dengan tujuan pencelupan air jarak kerja 40x jarak jauh. Elektroda patch (4–6 MΩ) diisi dengan larutan pipet intraseluler yang terdiri dari (dalam mM): CsCl (145), HEPES (10), EGTA (0.5), dan MgATP (5). Osmolaritas disesuaikan menjadi 290 mOsm dengan sukrosa, dan pH disesuaikan menjadi 7.4 dengan CsOH. Miniatur arus eksitatori pasca-sinaptik (mEPSCs) dicatat dengan adanya bicuculline (10μM) dan tetrodotoxin (1μM) menggunakan penguat Axopatch 200B (Molecular Devices, CA) dan didigitalisasi oleh Digidata 1322A (Molecular Devices, CA). Untuk percobaan rektifikasi: irisan dipindahkan ke ruang perekam dan perfusi (min 2.0-2.5 ml-1) dengan ACSF teroksigenasi pada 33 – 35 ° C yang mengandung 50 μm picrotoxin untuk mengisolasi EPSCs. Rekaman seluruh sel somatik dibuat dari neuron berduri medium wilayah inti dalam penjepit tegangan dengan penguat Multiclamp 700B (Perangkat Molekuler) menggunakan mikroskop video IR-DIC. Pipet tambalan (4 – 6 MΩ) diisi dengan larutan intraseluler (dalam mM: 125 Cs-glukonat, 2 CsCl, 5 Mg-ATP, 4 Gg-ATP, 0.3 GTP, 10 fosfokreatin, 10 0.5, HEPES, XEP, XEP -3.5). Data disaring di 314 kHz, didigitalkan di 2 kHz, dan dianalisis dengan Clampfit 10 (Perangkat Molekuler). Stimulasi ekstraseluler (10-0.01 ms, 1-5 μA, 150 Hz) diaplikasikan dengan elektroda bipolar gelas kecil 0.2-0.05 mm dari elektroda rekaman. Setelah ~ 0.5 menit dari pencatatan awal, larutan yang mengandung Naspm (10 μM) dimasukkan ke dalam bak selama 200 min. Perubahan amplitudo EPSC diukur sebelum dan sesudah aplikasi obat pada potensi −10, −70, −50, 30, + 0, + 20, + 40 mV. Indeks perbaikanir) dihitung dengan mengoreksi setiap potensi pergeseran dalam potensi pembalikan dan dihitung dari persamaan berikut: ir = (I-70 / 70) / (I+40 / 40), di mana I-70 dan I+40 adalah amplitudo EPSC yang direkam masing-masing pada −70 mV dan + 40 mV.

Fraksinasi subseluler dan Western blotting

Accumbens dikumpulkan di atas es seperti dijelaskan di atas. Ketika inti dan cangkang dibedah secara terpisah, pemisahan dikonfirmasi dengan menyelidiki fraksi synaptosome untuk dopamin β-hidroksilase, enzim yang ditemukan di terminal akson ke cangkang tetapi bukan inti (Sesack dan Grace, 2010). Fraksi sel utuh, sinaptosom, dan PSD disiapkan seperti yang dijelaskan sebelumnya (Jordan et al., 2004). Pelet sinaptosomal disuspensikan kembali dalam 200 μl 25 mM Tris dengan 1% Triton X-100, diguncang pada 4 ° C untuk 30-min, dan disentrifugasi pada 13,800 × g untuk 15-mnt dalam micellentrifuge untuk pellet PSD. Pelet yang mengandung PSD mentah disuspensikan kembali dalam 25 mM Tris dengan 2% SDS. Fraksi dianalisis dengan Western blot pada SDS-PAGE gel seperti yang dijelaskan sebelumnya (Jordan et al., 2004). Antibodi berikut digunakan: dopamin β-hidroksilase (1: 1,000, Abcam), GluA1 (1: 1,000, Millipore), fosfor-Ser 845 GluA1 (1: 1,000, Millipore), GXXXXX2X (1) (1,000: 1, Sigma).

Mikroskop elektron

Pada hari pengambilan jaringan (hari 7 pelatihan sukrosa), tikus dari kelompok uji 3 (Air, Sukrosa / Air, Sukrosa; Tikus 3 / kelompok uji) ditempatkan di ruang pengukuran alat gerak untuk 15-min; di 15-mnt botol diperkenalkan melalui bagian atas bilik. Tikus dalam kelompok Air menerima air, tikus dalam kelompok ucrose menerima sukrosa 25%, tikus dalam kelompok Sukrosa / Air, yang telah mengkonsumsi sukrosa 25% selama hari 6, menerima air. Tikus dianestesi secara mendalam dengan Nembutal (50 mg / kg ip) dan secara transcardIAL diperfusi dengan buffer fosfat 0.1 M (pH 7.4) yang mengandung 4% paraformaldehyde dan 0.1% glutaraldehyde pada laju 50 ml / menit selama 3 ml / menit selama 20-menit, kemudian pada tingkat 7 ml / mnt untuk XNUMX-min berikutnya. Jaringan disiapkan untuk pelabelan immunogold postembed (PEG) dan gambar ditangkap seperti yang dijelaskan sebelumnya (Nedelescu et al., 2010). Immunolabel dikategorikan menurut posisinya relatif terhadap PSD pada persimpangan sinaptik asimetris sebagai “sumbing,” “dekat PSD” (dalam 1 lebar PSD dari PSD), “di PSD,” “intraspinous,” atau “extrasynaptic membrane.” Dari setiap hewan, sinapsis 93 adalah sampel dari inti accumbens. Pengambilan sampel secara acak dipastikan dengan menganalisis semua sinapsis 93 pertama yang ditemukan secara acak saat kami menyapu secara sistematis di grid, kemudian mengumpulkan jumlah sinapsis yang sama dari masing-masing dari tiga hewan yang menerima perawatan ante mortem yang identik. Dua jenis kuantifikasi dilakukan. Salah satunya adalah untuk mengevaluasi tingkat immunoreaktivitas GluR1, dengan menghitung jumlah partikel PEG yang terjadi pada domain fungsional diskrit dari tulang belakang. Yang lain adalah untuk menilai proporsi sinapsis yang diberi label di PSD oleh sejumlah partikel PEG. Bahkan sinapsis yang diberi label hanya dengan partikel 1 PEG dianggap diberi label, berdasarkan penelitian sebelumnya yang menunjukkan spesifisitas prosedur GluR1-PEG (Nedelescu et al., 2010). Efek pengobatan pada proporsi dan tingkat imunolabeling GluR1 dianalisis dengan ANOVA satu arah dengan perbandingan post hoc yang direncanakan (Fisher's LSD). Untuk menghilangkan bias eksperimental, data menjadi tiga-buta: satu eksperimen melakukan pelatihan sukrosa dan menyimpan catatan hewan dalam tiga kelompok uji, eksperimen kedua membuat mikrograf elektron dan menetapkan kode alfanumerik baru untuk masing-masing mikrograf dan menjaga kode disegel , dan tiga peneliti tambahan memindai mikrograf dan partikel PEG yang diukur. Setelah kuantifikasi PEG selesai, para peneliti berkumpul untuk mengungkapkan identitas setiap mikrograf.

Implantasi kanula dan injeksi intrakranial

Injeksi intrakranial digunakan untuk mengirim Naspm dan APV ke inti accumbens. Untuk implantasi kanula, seperti yang dijelaskan sebelumnya (Carr et al., 2010), tikus dibius secara mendalam dengan ketamin (100 mg / kg ip) dan xylazine (10 mg / kg ip) dan disuntikkan pasca operasi dengan benamine analgesik (1 mg / kg subkutan). Tikus diimplantasikan secara stereotoksik dengan dua kannula pengukur 26-gauge (PlasticsOne, Roanoke, VA) secara bilateral dalam inti accumbens dengan koordinat: 1.6 mm anterior ke bregma; 2.9 mm lateral ke jahitan sagital, ujung miring 8 ° menuju garis tengah, 5.6 mm ventral ke permukaan tengkorak. Kanula ditahan oleh akrilik gigi dan patensi dipertahankan dengan oklusi stylet. Untuk injeksi intrakranial, larutan Naspm dan APV dimasukkan ke dalam dua panjang 30 cm dari tabung PE-50 yang terpasang di satu ujung ke 25-μl Jarum suntik Hamilton diisi dengan air suling dan di ujung lainnya ke kanula jarum pengukur 31, yang diperpanjang 2.0 mm di luar panduan yang ditanamkan. Jarum suntik dipasang pada pemegang kembar dari pompa jarum suntik mikroliter Harvard 2272 Harvard yang menghasilkan volume injeksi 0.5 μl selama periode 100 dtk. Satu menit setelah selesainya injeksi, kanula injektor dikeluarkan dari panduan, stylet diganti, dan hewan ditempatkan di ruang pengujian alat gerak untuk pelatihan sukrosa. Setelah pengorbanan hewan, bagian otak kriogenik dianalisis untuk lokalisasi kanula; 2 dari hewan 15 dikeluarkan dari penelitian karena penempatan kanula yang tidak tepat.

Analisis statistik

ANOVA satu arah yang diikuti oleh uji post hoc Fisher digunakan untuk percobaan mikroskop elektron, imunositokimia, dan biotinilasi. Uji t Student dua sisi digunakan untuk elektrofisiologi. Untuk percobaan hiperaktif sukrosa, ANOVA dua arah digunakan, diikuti oleh uji post hoc Fisher.

HASIL

Karakterisasi dari paradigma konsumsi sukrosa

Kami menggunakan paradigma konsumsi sukrosa untuk menyelidiki efek dari hadiah alami, orosensori pada transmisi sinaptik (Gambar 1A). Tikus jantan dewasa diangkut ke ruang uji pada tiga hari berturut-turut. Pada hari keempat (hari pertama pelatihan), tikus ditempatkan di ruang pengukuran alat gerak. Setelah 15 menit pengukuran aktivitas lokomotor di dalam bilik, botol yang berisi air (untuk hewan air) atau larutan sukrosa 25% (untuk hewan sukrosa) dimasukkan ke dalam bilik pengukuran melalui lubang di tutup bilik. Botol-botol dikeluarkan setelah menit 5 dan aktivitas alat gerak diukur untuk 15 menit tambahan sebelum hewan dikembalikan ke kandang. Kami mengulangi prosedur ini selama 7 hari berturut-turut. Dalam beberapa percobaan, pelatihan sukrosa diperluas ke 8th hari. Akses singkat dan non-kontingen ini ke solusi yang sangat enak memungkinkan kami untuk menyelidiki efek akut dan kumulatif dari asupan sukrosa, karena hewan menyerap sukrosa dengan kuat selama jendela akses dalam waktu tiga hari pelatihan (Gambar 1B). Kondisi eksperimental ini memungkinkan perbandingan kelompok uji segera setelah penghentian konsumsi. Kriteria kami untuk dimasukkan dalam penelitian ini adalah bahwa tikus mulai mengkonsumsi setidaknya satu gram sukrosa selama periode akses dalam waktu tiga hari sejak dimulainya pelatihan; tidak ada hewan yang dikeluarkan dari penelitian berdasarkan kriteria ini.

Gambar 1  

Tertelan sukrosa berulang menyebabkan peningkatan sementara pergerakan spontan.

Kami mengamati bahwa dalam tiga hari pelatihan, hewan sukrosa mengonsumsi lebih banyak larutan sukrosa secara signifikan daripada hewan air yang mengonsumsi air (Gambar 1B). Selain itu, sementara tidak ada perbedaan yang signifikan dalam pergerakan spontan yang diamati pada hari pelatihan 1-6 (data tidak ditampilkan), kami mengamati peningkatan yang signifikan dari total jarak yang ditempuh pada hewan sukrosa dibandingkan dengan hewan air dalam tiga menit setelah pelepasan botol pada hari 7 (Gambar 1D), dan perbedaan ini juga ada pada hari 8 (Gambar 1E). Tidak ada perbedaan dalam jarak total yang ditempuh yang diamati antara hewan Air dan Sukrosa dalam tiga menit sebelum pengenalan botol pada hari pengujian (Gambar 1C), menunjukkan peningkatan gerak adalah respon akut terhadap konsumsi sukrosa khusus untuk tikus yang dilatih sukrosa, daripada respon terkondisi ke ruang lokomotor. Sesuai dengan kemungkinan ini, ada korelasi positif yang signifikan antara jumlah sukrosa yang dikonsumsi dan total jarak yang ditempuh (Gambar 1F). Tidak ada perbedaan dalam bobot hewan antara kelompok Sukrosa dan Air sebelum atau setelah hari pelatihan 7 (data tidak ditampilkan).

Konsumsi sukrosa menginduksi penggabungan CPAR

Pelatihan sukrosa menyebabkan peningkatan gerak sementara pada hari pelatihan terakhir. Untuk menentukan apakah konsekuensi dari konsumsi sukrosa ini disertai dengan perubahan elektrofisiologis pada nucleus accumbens, sebuah wilayah yang mengatur perilaku penghargaan, kami menyiapkan irisan nucleus accumbens segera setelah pelepasan botol pada hari 7 dan direkam dari neuron dari inti accumbens (Gambar 2A). Subregion inti telah terlibat dalam respons lokomotor terhadap rangsangan yang bermanfaat (Sesack dan Grace, 2010). Kami menemukan bahwa baik amplitudo dan frekuensi spontan miniatur aliran postsinaptik (mEPSCs) secara signifikan lebih besar dalam inti accumbens hewan sukrosa dibandingkan dengan hewan air (Gambar 2B). Ini menunjukkan bahwa konsumsi sukrosa berulang dapat secara positif mengatur transmisi sinaptik dalam inti accumbens. Untuk menentukan apakah penggabungan CPAR berperan dalam potensiasi setelah sukrosa, kami menentukan indeks perbaikan untuk neuron inti yang terakumulasi dengan mengukur EPSC pada potensi membran yang berbeda (Angka 2C, 2D dan 2E). CPAR secara internal diperbaiki pada potensi terdepolarisasi karena blokade poliamina endogen. Kami mengamati perbaikan yang signifikan dalam rekaman dari neuron hewan sukrosa, seperti yang ditunjukkan oleh nonlinier dalam hubungan I / V, dibandingkan dengan hewan air (Gambar 2E), selain peningkatan yang signifikan dalam indeks rektifikasi (Gambar 2F).

Gambar 2  

Sinapsis inti accumbens dipotensiasi setelah konsumsi sukrosa berulang.

Untuk mengkonfirmasi peningkatan kadar CPAR dengan metode lain, kami mencatat dari accumbens core neuron setelah dimasukkannya blocker CPAR spesifik, 1-Naphthylacetyl spermine (Naspm) di kamar mandi. Kami menemukan bahwa Naspm secara signifikan mengurangi amplitudo EPSC dalam rekaman dari neuron dari Sukrosa tetapi bukan hewan Air (Gambar 3A – C). Selain itu, setelah pengobatan Naspm, hubungan I / V dalam neuron dari hewan sukrosa menjadi linier, yang mencerminkan penghambatan CPAR pada sinapsis hewan sukrosa, sementara tidak ada efek yang signifikan pada hubungan I / V yang diamati setelah pengobatan Naspm pada neuron dari hewan air (Angka 3D). Hasil ini menunjukkan bahwa konsumsi sukrosa berulang kali menginduksi penggabungan CPAR dalam sinapsis inti accumbens.

Gambar 3  

Konsumsi sukrosa menyebabkan penggabungan reseptor AMPA yang dapat Ca2 +.

Konsumsi sukrosa menginduksi perdagangan GluA1

CPAR adalah reseptor AMPA yang tidak memiliki subunit reseptor GluA2 AMPA. Dengan demikian, penggabungan sinaptik dari CPAR paling sering melibatkan perdagangan yang bergantung pada aktivitas sinaptik dari subunit GluA1 (He et al., 2009; Isaac et al., 2007; Liu dan Zukin, 2007; Plant et al., 2006). Untuk mengkonfirmasi penggabungan sinaptik CPAR setelah pelatihan sukrosa, kami menyelidiki apakah konsumsi sukrosa meningkatkan ekspresi sinaptik GluA1. Tikus diberi akses ke sukrosa seperti yang dijelaskan di atas selama 7 hari berturut-turut. Pada hari-hari 1, 3, 5, dan 7, kami mengisolasi seluruh sel, fraksi synaptosome, dan postsynaptic density (PSD) dari tiga daerah otak: accumbens core (core), accumbens shell (shell) dan somatosensory cortex (cortex). Kami menganalisis seluruh sel dan fraksi PSD oleh Western blot untuk ekspresi GluA1 dan GluA2.

Kami tidak menemukan perubahan dalam GluA1 atau GluA2 di seluruh fraksi sel lumbat accumbens pada hari-hari pengujian yang diuji, menunjukkan konsumsi sukrosa berulang tidak mengatur tingkat keseluruhan protein ini (Gambar 4A – C). Dalam fraksi PSD accumbens, bagaimanapun, GluA1 meningkat secara signifikan pada hari 7 dalam inti tetapi tidak di shell sementara GluA2 tidak berubah secara signifikan dalam fraksi mana pun (Angka 4D – 4F dan data tidak ditampilkan). Kami mengamati tidak ada peningkatan yang signifikan dalam GluA1 dalam fraksi PSD inti accumbens pada hari-hari uji sebelumnya (Angka 4D – F) dan GluA1 atau GluA2 tidak berubah dalam fraksi korteks PSD pada hari tes (data tidak ditampilkan). Peningkatan GluA1, terutama relatif terhadap GluA2, dalam accumbens core PSDs setelah konsumsi sukrosa berulang sejalan dengan peningkatan rektifikasi yang diamati pada accumbens core neuron, seperti dijelaskan di atas.

Gambar 4  

Kepadatan postsinaptik GluA1, tetapi tidak GluA2, meningkat dalam inti accumbens inti setelah konsumsi sukrosa.

Perdagangan GluA1 yang bergantung pada aktivitas telah terbukti berkontribusi plastisitas sinaptik in vitro dan juga in vivo (Lu dan Roche, 2011). Mekanisme multi-langkah yang cepat untuk perdagangan GluA1 telah ditunjukkan in vitro (Serulle et al., 2007; Sun et al., 2008; Sun et al., 2005). Namun sejauh ini, kontribusi mekanisme multi-langkah ini untuk akumulasi sinaptik GluA1 in vivo belum diuji. Untuk menentukan apakah pelatihan sukrosa menginduksi perdagangan GluA1 secara akut oleh mekanisme multistep, kami melokalkan GluA1 pada nucleus accumbens sinapsis dari hewan yang diberi sukrosa dan yang dilatih oleh mikroskop elektron kuantitatif. Jaringan inti Accumbens dipanen pada hari ketujuh pelatihan sukrosa dari kelompok uji 3 tikus. Ini adalah tikus yang: 1) mengkonsumsi air selama 7 hari (Air), 2) mengkonsumsi sukrosa selama 7 hari (Sucrose), dan 3) mengkonsumsi sukrosa selama 6 hari dan air pada hari 7 (Sucrose / Water). Tikus dikorbankan di 7th hari, 5 menit setelah konsumsi sukrosa atau air. Dengan demikian, perbandingan dua kelompok uji, hewan Sukrosa / Air dan sukrosa, satu sama lain dan untuk hewan Air mengungkapkan skala waktu dari perubahan postinaptik yang disebabkan oleh konsumsi sukrosa pada tikus yang dilatih sukrosa. Kami mengukur postlued immunogold (PEG) -labeled GluA1 di 5 kompartemen postinaptik yang berbeda: cendosol tulang belakang dendritik (intraspinous), membran plasma ekstrasinaptik (membran), PSD, dekat PSD, dan celah sinaptik, dengan tiga kompartemen akhir dikelompokkan bersama sebagai PS ' '(Fig. 5A). Untuk menghilangkan bias eksperimen, identitas kelompok uji mikrograf elektron buta tiga.

Gambar 5  

Mikroskopi elektron mengungkap induksi perdagangan multi-langkah GluA1 dengan konsumsi sukrosa.

Baik hewan Sukrosa dan Sukrosa / Air menunjukkan GluA1 intraspinous yang meningkat secara signifikan dibandingkan dengan hewan Air (Gbr. 5B dan 5C). Ini menunjukkan bahwa konsumsi sukrosa kronis meningkatkan kumpulan intraseluler dari reseptor AMPA yang mengandung GluA1 yang berdekatan dengan situs sinaptik, reseptor yang mungkin tersedia untuk perdagangan sinaptik, dan, yang penting, bahwa kumpulan intraseluler ini dapat bertahan selama 24 jam setelah konsumsi akhir sukrosa . Kami kemudian mengeksplorasi pertanyaan penting apakah stimulus sukrosa akut dapat menginduksi perdagangan GluA1 yang cepat. Kami mengamati bahwa membran plasma ekstrasinaptik GluA1 secara signifikan meningkat pada hewan sukrosa dibandingkan dengan hewan sukrosa / air dan air (Angka 5B dan 5D). Pengamatan ini menunjukkan bahwa hadiah orosensori alami yang diberikan oleh stimulus sukrosa tunggal dapat dengan cepat (<5 menit) tetapi sementara (waktu peluruhan <24 jam) meningkatkan populasi ekstrasinaptik reseptor AMPA yang mengandung GluA1, menciptakan kumpulan labil dari mana reseptor mungkin berpindah ke sinapsis.

Secara signifikan, in vitro penelitian menunjukkan bahwa penggabungan sinaptik dari reseptor AMPA terjadi dalam langkah 2. Dalam fosforilasi Ser 845 yang bergantung pada glutamat atau bergantung dopamin meningkatkan kadar reseptor di lokasi ekstrasinaptik dalam membran plasma (Esteban et al., 2003; Serulle et al., 2007; Sun et al., 2008; Sun et al., 2005), sedangkan pada yang kedua, Ser 818 fosforilasi mempromosikan penggabungan sinaptik (Boehm et al., 2006). Perbandingan mikroskop elektron kami dari hewan Sukrosa dengan Hewan sukrosa / Air dan Air menunjukkan bahwa langkah pertama dari perdagangan GluA1 diamati in vitro (Makino dan Malinow, 2009), perdagangan cepat ke membran ekstrasinaptik, juga terjadi in vivo mengikuti pemberian hadiah orosensori.

Sesuai dengan hasil elektrofisiologi dan biokimia yang dijelaskan di atas, PEG EM menunjukkan bahwa asupan sukrosa juga menginduksi langkah kedua dalam perdagangan reseptor GluA1 masuknya reseptor GluA1 ke sinaps karena tingkat GluA1-immunoreactivity di PSD secara signifikan lebih besar untuk Sucrose dibandingkan dengan tikus air, dan ada kecenderungan peningkatan GluA1 di Sukrosa / Air dibandingkan dengan tikus Air (Angka 5B dan 5E). Peningkatan hewan Sukrosa / Air konsisten dengan penggabungan cepat GluA1 yang meluruh dengan waktu paruh sinaptik ~ 24 jam ,, atau penggabungan cepat GluA1 dan penggantian dengan sinaptik GluA1 / 2 selama periode waktu yang sama. Persentase sinapsis yang mengekspresikan GluA1 di PSD juga secara signifikan lebih besar pada tikus sukrosa dibandingkan dengan tikus air (Gambar 5F), menunjukkan bahwa GluA1 diperdagangkan ke sinapsis yang sebelumnya tidak memiliki GluA1. Hal ini juga menunjukkan bahwa peningkatan amplitudo mEPSC yang diamati pada tikus sukrosa dihasilkan dari peningkatan sinaptik GluA1, dan bahwa peningkatan frekuensi mEPSC dapat dihasilkan dari perekrutan GluA1 ke sinapsis accumbens yang sebelumnya diam, meskipun potensiasi pelepasan glutamat tidak dapat diabaikan. Kami juga mengukur jumlah sinapsis di masing-masing dari tiga kelompok uji untuk menentukan apakah konsumsi sukrosa menyebabkan sinaptogenesis; tidak ada perbedaan di antara ketiga kelompok uji (data tidak ditampilkan). Kami menyimpulkan bahwa konsumsi sukrosa berulang meningkatkan kumpulan GluA24 yang stabil (> 1 jam), dan stimulus sukrosa tunggal untuk tikus yang dilatih sukrosa (6 hari) cukup untuk dengan cepat (5 menit) meningkatkan GluA1 dalam membran plasma ekstrasynaptik, berpotensi menggambar reseptor dari kolam intraspinous. Kami menyarankan bahwa sebagian dari reseptor ekstrasinaptik ini secara stabil dimasukkan ke dalam PSD, yang mengarah ke indeks rektifikasi yang diamati dan perubahan PSD GluA1, sebelum kumpulan ekstrasinaptik kembali ke baseline pada 24 jam setelah stimulasi. Hasil ini mengungkapkan bahwa hadiah alami dapat secara akut menyebabkan perdagangan GluA1 yang cepat pada hewan terlatih.

Aktivitas CPAR diperlukan untuk pergerakan tinggi setelah konsumsi sukrosa

Neuron berduri sedang menerima input dopaminergik dan glutamatergik (Calabresi, et al., 1992). Untuk menilai keterlibatan pensinyalan glutamat dalam peningkatan daya gerak spontan yang kami amati setelah konsumsi sukrosa pada tikus yang terlatih sukrosa, kami menanamkan kanula ke dalam inti tikus yang telah hancur, dan hewan terlatih di ruang pengukuran lokomotor seperti dijelaskan di atas. Pada hari 8 pelatihan sukrosa, kami memasukkan mikroba ke dalam inti sebelum penempatan di ruang uji alat gerak. Injeksi menurunkan total jarak yang ditempuh hewan-hewan sukrosa dan menghilangkan perbedaan antara sukrosa dan hewan air yang terlihat segera setelah pengeluaran botol (Gambar 6A). Untuk memverifikasi bahwa stres yang disebabkan oleh penanganan hewan tidak mempengaruhi respons sukrosa, kami menyuntikkan garam ke dalam inti pada hari berikutnya (hari 9 pelatihan sukrosa); lagi hiperaktif yang signifikan diamati pada hewan sukrosa segera setelah pengeluaran botol (Gambar 6B). Ini menunjukkan bahwa Naspm secara khusus menghambat peningkatan gerak yang disebabkan oleh sukrosa. Injeksi antagonis NMDAR, APV, ke dalam inti pada hari-hari berikutnya juga menghilangkan perbedaan antara sukrosa dan hewan air (Gambar 6C), menunjukkan bahwa NMDAR juga diperlukan untuk peningkatan pergerakan spontan setelah konsumsi sukrosa. Untuk menentukan apakah respons terkondisi terhadap ruang uji berperan dalam induksi hiperaktif, hewan ditempatkan di dalam ruang selama 35 menit tanpa memasukkan botol; tidak ada perbedaan dalam jarak perjalanan diamati antara sukrosa dan hewan Air (Gambar 6D). Naspm dan APV tidak mempengaruhi konsumsi sukrosa (Gambar 6E), menunjukkan bahwa CPAR inti dan NMDAR tidak diperlukan untuk asupan sukrosa yang kuat. Hewan di mana kanula tidak ditempatkan di inti accumbens (2 dari hewan 15), sebagaimana dievaluasi pasca-kurban (Gambar 6F), tidak dimasukkan dalam penelitian ini. Kesimpulannya, data ini bersama-sama menunjukkan bahwa konsumsi sukrosa oleh tikus yang dilatih sukrosa menginduksi perdagangan sinaptik GluA1 dalam menit 5, dan blokade mekanisme pensinyalan yang mengendalikan perdagangan ini mencegah peningkatan aktivitas lokomotor spontan setelah sukrosa.

Gambar 6  

Peningkatan gerakan spontan setelah konsumsi sukrosa membutuhkan CPAR dan NMDAR.

Dua jalur untuk pensinyalan sukrosa dapat dipertimbangkan. Satu, jalur chemosensory atau orosensory yang ketat, dimulai dengan pengikatan sukrosa ke reseptor rasa manis, yang sesuai dengan kompleks reseptor ditambah protein heteromerik G, T1R2 / T2R3 (Kitagawa et al., 2001; Max et al., 2001; Nelson et al., 2001; Sainz et al., 2001). Nutrisi yang kaya kalori juga dapat mengatur fungsi otak dengan jalur metabolisme yang tidak tergantung selera, meskipun mekanismenya tidak dipahami dengan baik (de Araujo et al., 2008). Untuk membedakan antara dua alternatif ini untuk jalur perdagangan GluA1 yang disebabkan oleh sukrosa, kami mengulangi protokol pelatihan dengan tiga kelompok tikus (tikus / kelompok 4) yang diberi akses menit 5 ke botol yang berisi air, 25% larutan sukrosa , atau 3% sakarin (Manis dan Rendah). Botol-botol dikeluarkan dan tikus tetap selama 15 menit lebih lama di kandang pelatihan. Pelatihan diulangi selama 7 hari. Volume cairan yang dikonsumsi oleh sukrosa dan kelompok uji sakarin tidak berbeda secara signifikan satu sama lain dan keduanya lebih besar daripada konsumsi oleh kelompok air, konsisten dengan hadiah oleh kedua zat manis (Gambar 7A). Pada hari 7 minum, segera setelah pengeluaran botol, tikus dikorbankan, jaringan inti accumbens dipanen dan dikumpulkan untuk setiap kelompok uji, fraksi PSD diisolasi dan kadar GluA1 diperiksa oleh Western blot (Gambar 7B). Seperti sebelumnya, hewan yang mengonsumsi sukrosa menunjukkan peningkatan GluA1 di fraksi PSD relatif terhadap kelompok air (Gambar 7C). Secara signifikan, GluA1 juga meningkat pada fraksi PSD hewan yang mengonsumsi sakarin. Tidak ada perbedaan yang signifikan dalam kadar GluA1 di seluruh fraksi sel dari inti hewan air, sukrosa dan sakarin, menunjukkan bahwa peningkatan GluA1 khusus untuk fraksi sinaptik (Gambar 7D). Karena sakarin menstimulasi kompleks reseptor rasa protein heteromerik G yang sama dengan sukrosa (Masuda et al., 2012; Nelson et al., 2001), tetapi tidak memiliki nilai kalori, kami menyimpulkan bahwa stimulasi reseptor rasa manis cukup untuk memulai pensinyalan yang meningkatkan kadar GluA1 pada nukleus accumbens sinapsis inti.

Gambar 7  

Pelatihan Sakarin Menginduksi Peningkatan Synaptic GluA1 Mirip dengan Pelatihan Sukrosa.

Diskusi

Kami telah menunjukkan bahwa hadiah orosensori, konsumsi sukrosa berulang, dapat secara akut mendorong penggabungan sinaptik GluA1 melalui mekanisme perdagangan multi-langkah yang dijelaskan sebelumnya in vitro. Konsumsi sukrosa berulang selama 6-7 hari mempotensiasi accumbens core sinapsis secara elektrofisiologis melalui penyisipan CPAR. Efek ini disertai oleh akumulasi GluA1 tetapi tidak GluA2 dalam PSD inti, dan spesifik regional dan temporal, karena tidak ada perubahan yang diamati sebelum hari pelatihan 7 dalam inti, dan tidak ada perubahan yang diamati pada cangkang accumbens atau dalam korteks somatosensori. Analisis mikroskopis elektron mengungkapkan bahwa konsumsi sukrosa berulang meningkatkan relatif stabil (t1/2 > 24 jam) populasi reseptor yang mengandung GluA1 intraspinous. Sukrosa juga cepat (5 menit) dan sementara (t1/2 <24 jam) peningkatan kadar reseptor yang mengandung GluA1 di tempat ekstrasinaptik pada hewan yang dilatih sukrosa, meningkatkan populasi AMPAR yang mampu berdifusi secara lateral ke dalam sinaps. Synaptic GluA1, baik yang diwakili oleh fraksi PSD dan dideteksi oleh PEG-EM, meningkat secara signifikan pada sukrosa dibandingkan dengan hewan air. Dari hasil ini kami mengusulkan bahwa mekanisme dua langkah eksositosis ekstrasynaptik diikuti oleh perdagangan sinaptik untuk penyisipan sinaptik AMPAR yang telah dijelaskan sebelumnya. in vitro (Boehm et al., 2006; Makino dan Malinow, 2009; Oh et al., 2006; Serulle et al., 2007; Sun et al., 2005) dapat dimulai dengan cepat in vivo oleh hadiah alami, orosensori.

Perubahan level GluA1 sinaptik hanya diamati setelah sesi pelatihan 7, menunjukkan bahwa proses beberapa hari diperlukan untuk potensiasi. Dalam percobaan biokimia in vivo, kami tidak mengamati peningkatan signifikan dalam level inti PSD GluA1 accumbens pada hari 1, 3, dan 5 pelatihan sukrosa; hanya setelah 7 hari pelatihan sukrosa, GluA1 di PSD meningkat secara signifikan. Dalam percobaan mikroskop elektron, kami mengamati bahwa hewan Sukrosa / Air, yang telah dilatih sukrosa selama beberapa hari 6 tetapi belum menerima stimulus sukrosa dalam jam 24, menunjukkan tren peningkatan PSD GluA1. Hewan-hewan ini juga menunjukkan peningkatan GluA1 intraspinous dibandingkan dengan hewan air, tetapi tidak ada perubahan dalam membran ekstrasinaptik GluA1 yang diamati. Dari hasil ini kami menarik tiga kesimpulan. Pertama, reseptor AMPA yang mengandung GluA1 terakumulasi secara intraspinous dengan stimulasi sukrosa berturut-turut. Mengingat bahwa penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa konsumsi sukrosa menginduksi pelepasan dopamin dalam accumbens (Cacciapaglia et al., 2012; McCutcheon et al., 2012; Rada et al., 2005), dan D1R dapat mendorong terjemahan GluA1 lokal dalam dendrit (Smith et al., 2005), pelepasan dopamin setelah konsumsi sukrosa dapat memicu sintesis GluA1 lokal yang mengarah pada akumulasi GluA1 intraspinous. Atau peningkatan intraspinous mungkin mencerminkan perdagangan GluA1 dari situs-situs yang jauh. Sangat mungkin bahwa perdagangan eksositotik dari kelompok intraspinous yang meningkat ini berkontribusi pada kelompok ekstrasinaptik dalam membran plasma. Kedua, pengamatan peningkatan membran ekstrasinaptik GluA1 dalam sukrosa, tetapi tidak pada sukrosa / hewan air atau air menunjukkan bahwa reseptor ekstrasinaptik bergerak melalui langkah kedua ke sinaps atau endositosis dalam 24 setelah konsumsi sukrosa, membuat transien kolam ekstrasinaptik. Ketiga, peningkatan hewan sukrosa PSD GluA1 dibandingkan dengan hewan air, tetapi bukan hewan sukrosa / air juga menunjukkan bahwa setelah setiap stimulus sukrosa, reseptor bergerak ke lateral sinaps dari kumpulan reseptor yang diperdagangkan dengan cepat ke membran plasma ekstrasynaptik. Kami tidak dapat mengesampingkan bahwa perdagangan GluA1 langsung dari kumpulan intraspinous ke sinaps. Namun demikian, jalan seperti itu tampaknya tidak mungkin karena penelitian yang menunjukkan GluA1 dimasukkan secara ekstra-sinaptik (Boehm et al., 2006; Makino dan Malinow, 2009; Oh et al., 2006; Serulle et al., 2007; Sun et al., 2005). Temuan ini mewakili demonstrasi pertama bahwa perjalanan waktu untuk perdagangan GluA1 (<5 menit) dan jalur yang diamati in vitro juga diamati in vivo. Selain itu, hasil kami menunjukkan bahwa rangsangan bermanfaat berulang memodifikasi kapasitas untuk potensi sinapsis dengan meningkatkan kumpulan reseptor intraspinous yang mampu diperdagangkan.

Karena sakarin menginduksi perdagangan GluA1 mirip dengan sukrosa, kandungan kalori sukrosa tidak diperlukan. Sakarin merangsang reseptor rasa manis yang sama, T1R2 / T2R3, seperti sukrosa (Masuda et al., 2012; Nelson et al., 2001), smenyarankan aktivasi reseptor ini kemungkinan memulai penggabungan GluA1 ke dalam sinapsis MSN. Sukrosa meningkatkan pelepasan dopamin dalam accumbens dari neuron VTA (Cacciapaglia et al., 2012; McCutcheon et al., 2012; Rada et al., 2005) lmenuju ke perdagangan permukaan GluA1. Dengan demikian jalur yang menghubungkan reseptor rasa manis ke VTA cenderung menjadi pusat plastisitas yang dipelajari di sini.

Sangat mungkin bahwa perdagangan GluA1 yang cepat setelah konsumsi sukrosa berperan dalam mengatur pergerakan spontan. Memang, pada hewan yang terlatih dengan sukrosa, penghambatan CPAR mencegah peningkatan aktivitas alat gerak spontan segera setelah konsumsi sukrosa. Total jarak yang ditempuh oleh tikus setelah konsumsi sukrosa yang diukur pada hari-hari berturut-turut meningkat secara signifikan hanya untuk periode 3 menit segera setelah konsumsi sukrosa pada hari ketujuh pelatihan. Peningkatan aktivitas segera setelah sukrosa diamati mulai pada hari 3 pelatihan, tetapi tidak menjadi berbeda secara signifikan sampai hari 7. Aktivitas waktu ini berkorelasi dengan periode waktu akumulasi GluA1 dalam dendrit inti yang terakumulasi. Peningkatan pergerakan adalah konsekuensi fungsional dari perdagangan CPAR ke sinapsis MSN di teras accumbens karena injeksi Naspm ke dalam inti menghambat peningkatan aktivitas. Pencegahan peningkatan gerak oleh inhibitor reseptor NMDA menunjukkan bahwa pensinyalan glutamat melalui reseptor NMDA serta CPAR diperlukan untuk meningkatkan aktivitas lokomotor. Akan tetapi konsumsi sukrosa tidak dipengaruhi oleh blokade pensinyalan glutamat, sesuai dengan penelitian sebelumnya yang menunjukkan bahwa inti accumbens terlibat dalam orkestrasi respon motorik yang berkaitan dengan hadiah orosensorik tetapi bukan konsumsi itu sendiri (Smith, 2004). Kursus waktu yang sama untuk pengembangan hiperlocomotion telah dilaporkan untuk pengembangan hiperaktivitas terkondisi pada hewan yang diberi makan setiap hari di lingkungan yang berbeda (Matthews et al., 1996). Jika respon saat ini adalah hiperaktif terkondisi yang timbul dari pasangan konteks dan sukrosa, bagaimanapun, itu akan mendahului pengiriman sukrosa, yang tidak diamati. Ada kemungkinan bahwa subjek menampilkan gairah eksplorasi. Percobaan lebih lanjut akan diperlukan untuk membedakan apakah peningkatan gerak setelah konsumsi sukrosa adalah gairah eksplorasi yang bertentangan dengan bentuk kepekaan motorik atau perilaku lainnya. Dalam setiap kasus, peningkatan pergerakan spontan membutuhkan pensinyalan glutamat, dan menghasilkan, setidaknya sebagian, dari penggabungan CPAR dalam inti accumbens.

Peningkatan aktivitas lokomotor setelah konsumsi sukrosa dapat terjadi secara langsung dari potensiasi yang diamati dari sinapsis inti accumbens, karena peningkatan output dari jalur ganglia basal langsung meningkatkan pergerakan melalui disinhibisi motor thalamus (Sesack dan Grace, 2010). Tia berpotensi sinapsis berada di jalur langsung accumbens neuron inti, yang mengekspresikan D1Rs. Potensiasi sinapsis neuron jalur langsung akan terjadi jika aktivitas D1R mendorong perdagangan AMPAR yang mengandung GluA1 ke sinapsis pada neuron ini setelah pelepasan dopamin yang kuat. Potensiasi yang dihasilkan akan meningkatkan aktivitas dalam proyeksi penghambatan neuron jalur langsung ke inti output ganglia basal, dengan demikian melarutkan motor thalamus dan mempromosikan aktivitas korteks motorik (Gerfen dan Surmeier, 2011; Kravitz et al., 2010; Sesack dan Grace, 2010). Potensiasi sinaptik yang diamati setelah konsumsi sukrosa berulang kemungkinan terjadi secara khusus pada neuron jalur langsung karena tindakan dopamin melalui reseptor D1 dapat menginduksi fosforilasi GluA1 S845, yang mengarah pada perdagangan permukaan.

Sejumlah penelitian telah meneliti efek stimulasi berulang dengan kokain diikuti dengan penghentian, pengobatan yang memberikan efek mendalam pada fungsi sistem penghargaan dan akhirnya mengarah pada kepekaan kokain, yang ditandai dengan peningkatan respons motorik terhadap kokain, keinginan obat dan kekambuhan (Kalivas et al., 1998). Injeksi IP berulang dengan kokain selama 5 – 10 hari diikuti dengan penarikan menghasilkan peningkatan bertahap selama 14 hari di permukaan reseptor AMPA yang mengandung GluA2 yang mengandung (Boudreau et al., 2007; Kourrich et al., 2007). Namun, pada 45 hari penarikan setelah 10 d pemberian sendiri, peningkatan besar dalam indeks perbaikan diamati pada MSN tikus (McCutcheon et al., 2011b) menunjukkan peningkatan CPAR. Dengan demikian, perdagangan CPAR telah diamati setelah konsumsi sukrosa, dalam pekerjaan saat ini, dan pemberian kokain secara mandiri, walaupun dalam kondisi perawatan yang sangat berbeda.. Karena konsekuensi langsung dari pemberian atau injeksi sendiri kokain (misalnya, pada menit 5 menit) tidak diketahui, tindakan kokain tidak dapat dibandingkan secara langsung dengan kerja sukrosa saat ini. Demikian juga, tidak diketahui apakah CPAR bertahan dalam sinapsis MSN pada hewan yang dilatih sukrosa setelah penghentian pelatihan sukrosa atau jika hewan tersebut menunjukkan sensitisasi sukrosa setelah penarikan yang lama.

Memahami bagaimana rangsangan yang memuaskan mengatur plastisitas dan perilaku accumbens sangat penting untuk mengatasi kecanduan, hyperphagia, perjudian patologis, dan gangguan perilaku lainnya (Basar et al., 2010; Berridge, 2009; Luscher dan Malenka, 2011). Konsumsi gula yang berlebihan berkontribusi pada epidemi obesitas (Hu dan Malik, 2010), dan meskipun berpotensi mirip dengan penyalahgunaan narkoba (Avena et al., 2008), mekanismenya belum dieksplorasi secara luas. Temuan saat ini membentuk unsur-unsur dasar plastisitas yang diinduksi oleh hadiah, yang darinya studi di masa depan dapat membahas regulasi perilaku kompleks, yang berpotensi memberikan jalan baru untuk menghadapi patologi terkait hadiah.

Ucapan Terima Kasih

Kami berterima kasih kepada anggota Laboratorium Ziff, dulu dan sekarang, atas bantuan teknis dan diskusi yang bermanfaat, termasuk H. Girma, L. Lee dan Drs. B. Fernholz, B. Jordan, W. Lu, G. Rameau, S. Restituito & Y. Serulle. Pekerjaan ini didukung oleh National Institute of Mental Health Predoctoral Fellowship F31MH76617-01 dan NIH Training Grant 5T32DC000063 untuk New York University Training Program in the Neurosciences (DST), R01NS061920 dari National Institute of Neurological Disorders and Stroke (EBZ), 1R21MH091445- 01 dari National Institute of Mental Health and Office of Research on Women's Health, Klarman Family Foundation Grants Program in Eating Disorders Research, NYU's Research Challenge Fund dan P30EY13079 (CA), National Institute on Drug Abuse grant DA003956 dan Independent Investigator Award dari NARSAD (KDC), National Institute on Deafness and other Communications Disorders memberikan DC009635 kepada RCF, dan dengan hibah awal di Center of Excellence on Addiction dari New York University Langone Medical Center.

Catatan kaki

Benturan kepentingan: Penulis menyatakan tidak ada kepentingan finansial yang bersaing.

Referensi

  1. Avena NM, Rada P, Hoebel BG. Bukti untuk kecanduan gula: efek perilaku dan neurokimiawi dari asupan gula yang terputus-putus dan berlebihan. Neurosci Biobehav Rev. 2008; 32: 20 – 39. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  2. Basar K, Sesia T, Groenewegen H, Steinbusch HW, Visser-Vandewalle V, Temel Y. Nucleus accumbens dan impulsif. Prog Neurobiol. 2010; 92: 533 – 557. [PubMed]
  3. Berridge KC. Hadiah makanan 'menyukai' dan 'menginginkan': substrat otak dan peran dalam gangguan makan. Fisiologi & perilaku. 2009; 97: 537–550. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  4. Boehm J, Kang MG, Johnson RC, Esteban J, Huganir RL, Malinow R. Penggabungan sinaptik dari reseptor AMPA selama LTP dikendalikan oleh situs fosforilasi PKC di GluR1. Neuron. 2006; 51: 213 – 225. [PubMed]
  5. Boudreau AC, Reimers JM, Milovanovic M, Wolf ME. Reseptor AMPA permukaan sel dalam nukleus accumbens meningkat selama penarikan kokain tetapi diinternalisasi setelah tantangan kokain dalam kaitannya dengan perubahan aktivasi protein kinase yang diaktifkan-mitogen. J Neurosci. 2007; 27: 10621 – 10635. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  6. Brebner K, Wong TP, Liu L, Liu Y, Campsall P, Gray S, Phelps L, Phillips AG, Wang YT. Nukleus mengakumulasi depresi jangka panjang dan ekspresi kepekaan terhadap perilaku. Ilmu. 2005; 310: 1340 – 1343. [PubMed]
  7. Cacciapaglia F, Saddoris MP, Wightman RM, Carelli RM. Dinamika pelepasan dopamin diferensial dalam nukleus accumbens core dan shell melacak aspek-aspek berbeda dari perilaku yang diarahkan pada tujuan sukrosa. Neurofarmakologi 2012 [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  8. Calabresi P, Maj R, Pisani A, Mercuri NB, Bernardi G. Depresi sinaptik jangka panjang dalam striatum: karakterisasi fisiologis dan farmakologis. J Neurosci. 1992; 12: 4224 – 4233. [PubMed]
  9. Carr KD, Chau LS, Cabeza de Vaca S, Gustafson K, Stouffer M, Tukey DS, Restituito S, Ziff EB. Subunit reseptor AMPA GluR1 hilir stimulasi reseptor dopamin D-1 dalam cangkang nuclei accumbens memediasi peningkatan besaran hadiah obat pada tikus yang dibatasi makanan. Ilmu saraf. 2010; 165: 1074 – 1086. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  10. Conrad KL, Tseng KY, Uejima JL, Reimers JM, Heng LJ, Shaham Y, Marinelli M, Wolf ME. Pembentukan accumbens reseptor AMPA yang kekurangan GluR2 memediasi inkubasi keinginan kokain. Alam. 2008; 454: 118 – 121. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  11. Hari JJ, Carelli RM. Inti accumbens dan Pavlovian menghargai pembelajaran. Ahli saraf. 2007; 13: 148 – 159. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  12. dari Araujo IE, Oliveira-Maia AJ, Sotnikova TD, RR Gainetdinov, Caron MG, Nicolelis MA, Simon SA. Hadiah makanan tanpa adanya sinyal reseptor rasa. Neuron. 2008; 57: 930 – 941. [PubMed]
  13. Ehlers MD, Heine M, Groc L, Lee MC, Choquet D. Trapping difusional reseptor GluR1 AMPA oleh aktivitas sinaptik input-spesifik. Neuron. 2007; 54: 447 – 460. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  14. Esteban JA, Shi SH, Wilson C, Nuriya M, Huganir RL, Malinow R. PKA fosforilasi subunit reseptor AMPA mengendalikan perdagangan sinaptik plastisitas yang mendasari plastisitas. Nat Neurosci. 2003; 6: 136 – 143. [PubMed]
  15. Gerfen CR, Surmeier DJ. Modulasi sistem proyeksi striatal oleh dopamin. Ulasan tahunan neuroscience. 2011; 34: 441 – 466. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  16. Grueter BA, Brasnjo G, Malenka RC. TRPV1 pascasinaps memicu depresi jangka panjang tipe spesifik sel dalam nukleus accumbens. Ilmu saraf alam. 2010; 13: 1519 – 1525. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  17. He K, Song L, Cummings LW, Goldman J, Huganir RL, Lee HK. Stabilisasi reseptor AMPA Ca2 + -permeable di situs perisynaptic oleh GluR1-S845 fosforilasi. Proc Natl Acad Sci US A. 2009; 106: 20033 – 20038. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  18. Hu FB, Malik VS. Minuman yang dimaniskan dengan gula dan risiko obesitas dan diabetes tipe 2: bukti epidemiologis. Fisiologi & perilaku. 2010; 100: 47–54. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  19. Isaac JT, Ashby MC, McBain CJ. Peran subunit GluR2 dalam fungsi reseptor AMPA dan plastisitas sinaptik. Neuron. 2007; 54: 859 – 871. [PubMed]
  20. Jordan BA, Fernholz BD, Boussac M, Xu C, Grigorean G, Ziff EB, Neubert TA. Identifikasi dan verifikasi protein densitas postinaptik tikus baru. Proteomik Sel Mol. 2004; 3: 857 – 871. [PubMed]
  21. Kalivas PW, Pierce RC, Cornish J, Sorg BA. Peran untuk kepekaan dalam keinginan dan kambuh dalam kecanduan kokain. J Pharmacol. 1998; 12: 49 – 53. [PubMed]
  22. Kitagawa M, Kusakabe Y, Miura H, Ninomiya Y, Hino A. Identifikasi genetik molekuler dari gen reseptor kandidat untuk rasa manis. Komunikasi riset biokimia dan biofisika. 2001; 283: 236 – 242. [PubMed]
  23. Kourrich S, Rothwell PE, Klug JR, Thomas MJ. Pengalaman kokain mengontrol plastisitas sinaptik dua arah dalam nukleus accumbens. J Neurosci. 2007; 27: 7921 – 7928. [PubMed]
  24. Kravitz AV, Freeze BS, PR Parker, Kay K, Thwin MT, Deisseroth K, Kreitzer AC. Regulasi perilaku motorik parkinson oleh kontrol optogenetik dari sirkuit ganglia basal. Alam. 2010; 466: 622 – 626. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  25. LaPlant Q, Vialou V, Covington HE, 3rd, D Dumitriu, Feng J, Warren BL, Labirin I, Dietz DM, Watt EL, Iniguez SD, dkk. Dnmt3a mengatur perilaku emosional dan plastisitas tulang belakang di nucleus accumbens. Nat Neurosci. 2010; 13: 1137 – 1143. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  26. Liu SJ, Zukin RS. Reseptor AMPA Ca2 + -permeable dalam plastisitas sinaptik dan kematian neuron. Tren dalam ilmu saraf. 2007; 30: 126 – 134. [PubMed]
  27. Lu W, Isozaki K, Roche KW, Nicoll RA. Penargetan sinaptik dari reseptor AMPA diatur oleh situs CaMKII dalam loop intraseluler pertama GluA1. Proc Natl Acad Sci US A. 2010; 107: 22266 – 22271. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  28. Lu W, Roche KW. Regulasi pasca-perdagangan tentang perdagangan dan fungsi reseptor AMPA. Pendapat saat ini dalam neurobiologi 2011 [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  29. Luscher C, Malenka RC. Plastisitas sinaptik yang ditimbulkan oleh obat dalam kecanduan: dari perubahan molekuler hingga remodeling sirkuit. Neuron. 2011; 69: 650 – 663. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  30. Makino H, penggabungan reseptor Malinow R. AMPA ke dalam sinapsis selama LTP: peran pergerakan lateral dan eksositosis. Neuron. 2009; 64: 381 – 390. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  31. Mameli M, Halbout B, Creton C, Engblom D, Parkitna JR, Spanagel R, Luscher C. Plastisitas sinaptik yang ditimbulkan kokain: kegigihan dalam VTA memicu adaptasi di NAc. Nat Neurosci. 2009; 12: 1036 – 1041. [PubMed]
  32. Masuda K, Koizumi A, Nakajima K, Tanaka T, Abe K, Misaka T, Ishiguro M. Karakterisasi mode pengikatan antara reseptor rasa manis manusia dan senyawa manis berbobot molekul rendah. Ya, satu. 2012; 7: e35380. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  33. Matthews K, Wilkinson LS, Robbins TW. Pemisahan berulang tikus preweanling ibu melemahkan respons perilaku terhadap insentif primer dan terkondisi di masa dewasa. Physiol Behav. 1996; 59: 99 – 107. [PubMed]
  34. Max M, Shanker YG, Huang L, Rong M, Liu Z, Campagne F, H Weinstein, Damak S, Margolskee RF. Tas1r3, yang mengkode calon reseptor rasa baru, merupakan alelik bagi kantung manis responsif manis Sac. Genetika alam. 2001; 28: 58 – 63. [PubMed]
  35. McCutcheon JE, Beeler JA, Roitman MF. Isyarat prediktif sukrosa membangkitkan pelepasan dopamin fasik yang lebih besar daripada isyarat prediksi sakarin. Sinaps. 2012; 66: 346 – 351. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  36. McCutcheon JE, Wang X, Tseng KY, Wolf ME, Marinelli M. Reseptor AMPA yang dapat ditembus kalsium hadir dalam sinapsis nukleus accumbens setelah penarikan yang lama dari pemberian sendiri kokain tetapi tidak diberikan kokain yang dikelola oleh eksperimen. The Journal of neuroscience: jurnal resmi Society for Neuroscience. 2011a; 31: 5737 – 5743. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  37. McCutcheon JE, Loweth JA, Ford KA, Marinelli M, Wolf ME, Tseng KY. Aktivasi mGluR Grup I membalikkan akumulasi yang diinduksi kokain dari reseptor AMPA yang permeabel kalsium dalam nucleus accumbenssynapses melalui mekanisme protein-kinase C-dependent. J Neurosci. 2011b; 31: 14536 – 14541. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  38. Nedelescu H, Kelso CM, Lazaro-Munoz G, Purpura M, Cain CK, Ledoux JE, Aoki C. GluR1 yang mengandung GluR2010 yang mengandung endogen berubah menjadi sinapsis asimetris pada amygdala lateral selama fase awal pembentukan memori takut: imunocytochemical mikroskopis elektron. belajar. Jurnal neurologi komparatif. 518; 4723: 4739 – XNUMX. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  39. Nelson G, Hoon MA, Chandrashekar J, Zhang Y, Ryba NJ, Zuker CS. Reseptor rasa manis mamalia. Sel. 2001; 106: 381 – 390. [PubMed]
  40. Oh MC, Derkach VA, Guire ES, Soderling TR. Perdagangan membran ekstrasinaptik yang diatur oleh GluR1 serine 845 fosforilasi merupakan reseptor AMPA untuk potensiasi jangka panjang. J Biol Chem. 2006; 281: 752 – 758. [PubMed]
  41. Pascoli V, Turiault M, Luscher C. Pembalikan potensiasi sinaptik yang ditimbulkan kokain mengatur ulang perilaku adaptif yang diinduksi oleh obat. Alam. 2012; 481: 71 – 75. [PubMed]
  42. Pabrik K, Pelkey ​​KA, Bortolotto ZA, Morita D, Terashima A, McBain CJ, Collingridge GL, Isaac JT. Penggabungan sementara reseptor AMPA yang kekurangan GluR2 asli selama potensiasi jangka panjang hippocampal. Nat Neurosci. 2006; 9: 602 – 604. [PubMed]
  43. Rada P, Avena NM, Hoebel BG. Makan setiap hari dengan gula berulang kali melepaskan dopamin dalam cangkang accumbens. Ilmu saraf. 2005; 134: 737 – 744. [PubMed]
  44. Roche KW, RJ O'Brien, Mammen AL, Bernhardt J, Huganir RL. Karakterisasi beberapa situs fosforilasi pada reseptor AMPA GluR1 subunit. Neuron. 1996; 16: 1179 – 1188. [PubMed]
  45. Rumpel S, LeDoux J, Zador A, Malinow R. Perdagangan reseptor sinaptik yang mendasari suatu bentuk pembelajaran asosiatif. Ilmu. 2005; 308: 83 – 88. [PubMed]
  46. Sainz E, Korley JN, Battey JF, Sullivan SL. Identifikasi anggota baru keluarga T1R dari reseptor rasa diduga. Jurnal neurokimia. 2001; 77: 896 – 903. [PubMed]
  47. Serulle Y, Zhang S, Ninan I, Puzzo D, M McCarthy, Khatri L, Arancio O, Ziff EB. Interaksi GluR1-cGKII mengatur perdagangan reseptor AMPA. Neuron. 2007; 56: 670 – 688. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  48. Sesack SR, Grace AA. Jaringan hadiah Cortico-Basal Ganglia: mikrosirkuit. Neuropsychopharmacology: publikasi resmi American College of Neuropsychopharmacology. 2010; 35: 27 – 47. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  49. Smith GP. Accumbens dopamine memediasi efek penghargaan stimulasi orosensori oleh sukrosa. Nafsu makan. 2004; 43: 11 – 13. [PubMed]
  50. Smith WB, Starck SR, Roberts RW, Schuman EM. Stimulasi dopaminergik sintesis protein lokal meningkatkan ekspresi permukaan GluR1 dan transmisi sinaptik dalam neuron hippocampal. Neuron. 2005; 45: 765 – 779. [PubMed]
  51. Sun X, Milovanovic M, Zhao Y, Wolf ME. Stimulasi reseptor dopamin akut dan kronis memodulasi perdagangan reseptor AMPA dalam nukleus accumbens neuron yang dikolaborasikan dengan neuron korteks prefrontal. The Journal of neuroscience: jurnal resmi Society for Neuroscience. 2008; 28: 4216 – 4230. [Artikel gratis PMC] [PubMed]
  52. Sun X, Zhao Y, Serigala ME. Stimulasi reseptor dopamin memodulasi insersi sinaptik reseptor AMPA dalam neuron korteks prefrontal. J Neurosci. 2005; 25: 7342 – 7351. [PubMed]
  53. Thomas MJ, Beurrier C, Bonci A, Malenka RC. Depresi jangka panjang pada nucleus accumbens: korelasi saraf dari kepekaan perilaku terhadap kokain. Nat Neurosci. 2001; 4: 1217 – 1223. [PubMed]
  54. MA yang tidak terkontrol, Whistler JL, Malenka RC, Bonci A. Eksposur kokain tunggal in vivo menginduksi potensiasi jangka panjang pada neuron dopamin. Alam. 2001; 411: 583 – 587. [PubMed]
  55. Whitlock JR, Heynen AJ, Shuler MG, Bear MF. Belajar menginduksi potensiasi jangka panjang di hippocampus. Ilmu. 2006; 313: 1093 – 1097. [PubMed]