Nat Neurosci. Januar 2011; 14(1): 22–24.
Verëffentlecht online 2010 Dezember 5. doi: 10.1038 / nn.2703
mythologesch
D'dorsal Striatum spillt eng wichteg Roll an der Entwécklung vun Drogenofhängeger; awer, eng präzis Versteesdemech vun de Rollen vun striatopallidal (indirekt) an striatonigral (direkt) Wee Neuronen bei der Reguléierung vu Verhalen bleift onkloer.
Mat enger neier Approche déi op de viral-mediéierten Ausdrock vun engem manipuléierten GPCR (hM) hänkt4D), hu mir bewisen datt d'Aktivatioun vun hM4D Rezeptoren mat Clozapin-N-Oxid (CNO) staark reduzéiert striatal Neuron Excitabilitéit. Wann hM4D Rezeptoren goufen selektiv an entweder direkten oder indirekten Wee Neuronen bei Ratten ausgedréckt, CNO huet keng akuter Lokomotorreaktiounen op Amphetamin geännert, awer verännert Verhalensplastizitéit verbonne mat widderholl Drogenbehandlung. Speziell, transient stéierend striatopallidal neuronal Aktivitéit erliichtert Verhalenssensibiliséierung wärend d'Ofsenkung vun der Excitabilitéit vu striatonigral Neuronen seng Persistenz behënnert huet. Dës Erkenntnisser suggeréieren datt akut Medikamenteffekter aus de Verhalensadaptatiounen, déi mat widderholl Drogenbelaaschtung assoziéiert kënne ginn, parséiert kënne ginn an d'Utilitéit vun dëser Approche fir d'Dekonstruktioun vun neuronale Wee Bäiträg zu Behuelen wéi Sensibiliséierung beliicht.
Trotz den iwwerwältegend negativ Konsequenze vun der Drogenofhängeger, bleift psychostimulant Notzung a Mëssbrauch verbreet. De Fortschrëtt vun der initialer Drogenbelaaschtung op reegelméisseger Benotzung a schlussendlech zu compulsive, gewéinleche Verhalen an de Verloscht vun der inhibitorescher Kontroll involvéiert eng Serie vu molekulare Adaptatiounen an diskreten Neurocircuits1,2,3. De Striatum gouf identifizéiert als Schlësselplaz fir vill vun de Verhalens- an neurobiologeschen Adaptatiounen, déi geduecht sinn d'Kärprozesser ze bilden, déi Sucht vermëttelen1,2,3. D'Majoritéit vun Neuronen am Striatum (~ 95%) si GABAergesch mëttel spiny Projektiounsneuronen (MSNs) tHutt ënnerscheede sech an hirem Neuropeptid Ausdrock a bilden zwee grouss efferent Weeër4.
- Striatopallidal MSNs enthalen Enkephalin (ENK) a bilden den indirekte Wee
- wärend striatonigral MSNs Dynorphin (DYN) a Substanz P enthalen a bilden den direkte Wee.
Vill konzeptuell Modeller hypothetiséieren datt dës Populatiounen vun MSN sech souwuel mechanesch wéi och funktionell géintenee sinn.5,6. Wéi och ëmmer, et gëtt wéineg empiresch Beweiser fir hir differenziell Roll an der Kontroll vum Verhalen z'ënnerstëtzen, well dës Zellpopulatiounen kierperlech vermëschen a morphologesch net z'ënnerscheeden, déi selektiv Manipulatioun technesch onfäheg sinn.
Fir d'Roll vun dëse striatal Zellpopulatiounen an der Entwécklung vu Behuelen z'ënnersichen, déi no widderholl Belaaschtung fir Drogen vu Mëssbrauch optrieden, hu mir zwee nei Strategien kombinéiert: viral Vektoren déi entweder ENK oder DYN Genpromotoren benotze fir transgen Ausdrock op striatopallidal oder striatonigral Neuronen ze zielen. , respektiv, an en manipuléierten GPCR (Gi / o-koppelt mënschlech muskarinesch M4 DREADD; Designer Rezeptor exklusiv aktivéiert vun engem Designer Medikament; hM4D)7 dat ass aktivéiert vun engem soss pharmakologesch inert Ligand, Clozapine-N- oxid8,9 (CNO; Abb. 1a, h). No Ausdrock a kultivéierten Neuronen stimuléiert d'Verwaltung vu CNO Gi / o-gekoppelt hM4D Rezeptoren aktivéieren domat bannenzeg rectifiéierend Kalium 3 (Kir3) Kanäl, wat zu Membranhyperpolariséierung an transient neuronal Silencing resultéiert9.
Fir d'Zellphenotyp Spezifizitéit vun de virale Vektoren ze testen, hu mir Dual-Label Immunofluoreszenzmikroskopie benotzt no dorsal Striatum Infusioun vu Viren (Ergänzlech Fig. 1) déi hemagglutinin-tagged hM ausdrécken4D Rezeptoren ënner der Kontroll vun entweder den ENK Promoteur (pENK-hM4D) oder den DYN Promoteur (PDYN-hM4D). Mir hu fonnt, datt pENK-hM4D Ausdrock war virun allem an ENK-haltege MSNs (90% vun hemagglutinin Zellen waren ENK +, 85 vun 94; 6% vun hemagglutinin Zellen waren Substanz P +, 4 vun 70 Zellen; Fig. 1b) wuel pDYN-hM4D Ausdrock war virun allem an Substanz P-haltege MSNs (95% vun hemagglutinin Zellen waren Substanz P +, 109 vun 115 Zellen; 5% vun hemagglutinin Zellen waren ENK +, 5 vun 97 Zellen; Figebam. 1i). Ähnlech Resultater goufen no Infusioun vu Promoteur-spezifesche Viren kritt déi gréng fluoreszent Protein ausdrécken (pENK-GFP an pDYN-GFP; Supplementaire Fig. 2a a 3a).
Gitt datt striatopallidal MSNs haaptsächlech op de Globus pallidus extern (GPe) projizéieren a striatonigral MSNs primär op d'substantia nigra pars reticulata (SNpr) projizéieren, hu mir Injektiounen vum retrograde Tracer Fluoro-Gold an dës Gehirregiounen gefollegt vun Dual-Label fluoreszent Immunhistochemistry. fir ze bestätegen, datt de pENK an pDYN Viren hunn pathway-spezifesch Infektioun ginn. Mir hu festgestallt, datt pENK-GFP Zellen co-lokaliséiert mat striatal Fluoro-Gold Ausdrock no Infusiounen an de GPe awer net de SNpr (Zousaz Fig. 2b) wuel pDYN-GFP Zellen co-lokaliséiert mat striatal Fluoro-Gold Ausdrock no Infusiounen an de SNpr awer net de GPe (Zousaz Fig. 3b). Ausdrock vun de virale Vecteure huet d'Zuel vun ENK + oder Substanz P + Neuronen an der Regioun vun der viraler Infektioun net geännert, wat suggeréiert datt d'Benotzung vun dësen Promoteuren fir viral-mediéiert Gentransfer net mat endogene Neuropeptidniveauen stéiert. All dës Resultater weisen datt de pENK an pDYN viral Vektoren ausdrécken Genen an hire passend getrennte striatal Zellpopulatiounen.
Obwuel hM4D Rezeptor-baséiert Techniken goufen bewisen fir d'Aktivitéit vun aneren neuronalen Typen ze moduléieren9, hir Fäegkeet fir striatal Neuronen ze beaflossen ass net ënnersicht ginn. Dofir hu mir striatal mëttel spiny Neuronen mat hM infizéiert4D Rezeptoren ënner der Kontroll vun engem Herpes Simplex Virus (HSV) Promoteur, virbereet coronal Scheiwen vun dorsal striatum zwee Deeg méi spéit, an iwwerpréift wéi hM4D-ausdréckend mëttel spiny striatal Neuronen reagéieren op CNO. Mir beobachtet datt lokal Uwendung vu CNO (10 μM) eng Hyperpolariséierung vum Membranpotenzial induzéiert (~ 7 mV, de Baseline Membranpotential war op -80 mV ugepasst; Fig. 1c) a reduzéiert d'Inputresistenz vun den Neuronen no der CNO Uwendung (Abb. 1d, e), suggeréiert datt d'Kaliumkonduktioun (dh Kir3-mediéierte Stroum) vum CNO an hM aktivéiert gëtt4D-Rezeptor-ausdréckende Neuronen. Ausserdeem huet d'Perfusioun vum CNO d'Zuel vun de evokéierten Handlungspotentialer an hM wesentlech ofgeholl4D-ausdréckend Neuronen, awer net a Kontrollzellen, doduerch effektiv d'funktionell Ausgab vun de viral infizéierte Neuronen hemmen Ausdrock vun hM4D Rezeptoren eleng hunn d'Inputresistenz net geännert (P = 0.84) oder Aktiounspotenzial Feier (P = 0.64). (Abb. 1f, g). Zesummegefaasst suggeréieren dës Donnéeën datt ähnlech wéi Hippocampal Neuronen9, dem hM4D / CNO-baséiert Method kann effektiv d'Excitabilitéit vu Ratten Striatal Neuronen reduzéieren.
Als zousätzlech Beweis vum Konzept hu mir getest ob hM4D Rezeptoren blockéieren d'Neurotransmissioun an engem gutt etabléierte Circuit wou neural Aktivitéit viraussiichtlech duerch Verhalensrelevant Reizen entworf gëtt. Deementspriechend hu mir ventral tegmental Beräich (VTA) Neuronen mat hM infizéiert4D Rezeptoren ënner Kontroll vun engem HSV Promoteur, dee staark an Dopamin Neuronen ausdréckt10, a benotzt séier-Scan zyklesch Voltammetrie fir Ännerungen an der Dopaminverëffentlechung am Nukleus accumbens ze moossen no der onerwaarter Liwwerung vun enger Liewensmëttelbelounung11. Administratioun vu CNO wesentlech ofgeschwächt Liewensmëttelpellet-evokéiert Dopamin Verëffentlechung am Nukleus accumbens am Verglach zum Gefier (Ergänzlech Fig. 4). Schlussendlech hu mir getest ob d'Aktivitéit vu spezifesche neuronalen Zelltypen am Striatum reduzéiert gëtt an vivo kéint d'Fäegkeet vum Amphetamin änneren fir de Fos Ausdrock ze stimuléieren. Psychostimulanten, wéi Amphetamin, si robust Aktivatoren vu c-fos am Striatum12 a wäert c-fos a béid striatonigral a striatopallidal Neuronen ënner eisen experimentellen Bedéngungen13. Zousätzlech zu senger Benotzung als Marker vun neuronaler Aktivitéit, psychostimulant Induktioun vu c-fos gëtt geduecht eng wichteg Roll ze spillen an der Initiatioun an Ënnerhalt vun den neuralen Adaptatiounen, déi mat der psychomotorescher Sensibiliséierung verbonne sinn1,14. Mir hu fonnt datt CNO-mediéiert Aktivatioun vu pENK-hM4D Rezeptoren hunn d'total Zuel vun Amphetamin-induzéierten c-Fos Zellen am Striatum wesentlech reduzéiert (Abb. 1k an Zousaz Figur 5a). Dës Reduktioun ass a béid Hämagglutinin-positiven Neuronen geschitt (dh déi, déi hM ausdrécken4D Rezeptoren) an Hämagglutinin-negativ Neuronen (dh déi déi net hM ausdrécken4D Rezeptoren; Abb. 1l), suggeréiert en neuronalen Cross-Talk Effekt tëscht hM4D-ausdréckend Neuronen an oninfizéiert Neuronen. Bedeitend Reduktiounen an der Gesamtzuel vun Amphetamin-evokéierten c-Fos Zellen an an der Unzuel vun Hämagglutinin-positiven c-Fos Zellen goufen och gesi wann hM4D Rezeptoren goufen an direkten Wee Neuronen aktivéiert (Abb. 1n, o an Zousaz Fig. 5b). Wichteg sinn dës Effekter net einfach verursaacht duerch viralen Ausdrock vun engem Roman Rezeptor zënter Ausdrock vun entweder pENK-hM4D oder pDYN-hM4D Rezeptoren an der Ofwuelung vun der CNO Behandlung haten keen Effekt op d'Zuel vun Amphetamin-evokéiert Fos Zellen (Supplément Fig. 6 et7). Also weisen dës Erkenntnisser datt d'CNO-mediéiert Aktivatioun vun hM4D Rezeptoren kënnen och zu enger Ofsenkung vun der neuronaler Aktivitéit féieren andeems d'Neurotransmitter Verëffentlechung reduzéiert gëtt an d'intrazellulär Signalisatioun ze attenuéieren.
Widderholl Belaaschtung fir Suchtfaktoren kann zu enger progressiver a persistenter Erhéijung vun der Verhalensreaktiounsfäegkeet féieren, dacks als Verhalenssensibiliséierung bezeechent. Wichteg ass d'Sensibiliséierung involvéiert e puer vun de selwechte neurale Circuiten, déi an der Entwécklung vu mënschlecher Drogenofhängeger implizéiert sinn.3. Hei benotze mir eis nei Tools fir den Effekt vun der Circuitspezifescher Dämpfung vun der striataler Neuron Aktivitéit op d'Entwécklung vun der Amphetamin Sensibiliséierung z'ënnersichen. Mir hunn hypothetiséiert datt direkt an indirekt Pathway Neuronen opposéierend Rollen hunn, wou striatonigral Neuronen Sensibiliséierung förderen a striatopallidal Neuronen d'Sensibiliséierung ënnerdrécken, konsequent mat hire konzeptuell proposéierte Rollen an der Verhalensaktivéierung respektiv Hemmung.5,6. Deementspriechend hu mir getest ob biochemesch erofgaang neuronal Excitabilitéit vu striatopallidal Neuronen Sensibiliséierung fir en Amphetamin-Doséierungsregime induzéieren, deen e Schwellniveau vun der Sensibiliséierung entléisst an ob d'Nervenneuronal Excitabilitéit vu striatonigral Neuronen d'Sensibiliséierung an engem Protokoll verhënnere géif, deen normalerweis robust Sensibiliséierung produzéiert.
Fir déi éischt Studie hu mir e Behandlungsregime benotzt deen e Schwellniveau vun der Lokomotor Sensibiliséierung an GFP Kontrollen induzéiert (véier Drogenbelaaschtungen). No enger Réckzuchsperiod gouf eng moderéiert Erausfuerderung Amphetamindosis (2 mg / kg) an der Verontreiung vu CNO-induzéierter Dämpfung vun neuronaler Aktivitéit verwalt fir ze bestëmmen ob Sensibiliséierung persistent war. CNO-mediéiert Aktivatioun vun pENK-hM4D Rezeptoren wärend der Amphetaminbehandlung hunn d'akute Lokomotorreaktioun op Amphetamin net geännert (Figur 2a). Wéi och ëmmer, CNO-mediéiert Ënnerbriechung vun der neuronaler Aktivitéit an indirekten Wee Neuronen erliichtert d'Entwécklung vun enger wesentlech méi robust Sensibiliséierung am Verglach mat GFP Kontrollen (Fig. 2b). Dës Verbesserung vun der Sensibiliséierung gouf op der Amphetamin-Erausfuerderung behalen, déi eng Woch méi spéit an der Verontreiung vun der CNO-Behandlung duerchgefouert gouf (Abb. 2c, d). Dës Effekter kënnen zu enger CNO-ofhängeger Reduktioun vun der Aktivitéit vu striatopallidalen Neuronen duerch hM zougeschriwwe ginn.4D Rezeptoren well hM4D Rezeptor Ausdrock ouni CNO Behandlung produzéiert keng Lokomotor Sensibiliséierung zu dësem mëllen Doséierungsregime vun Amphetamin (Ergänzlech Fig. 6).
Fir ze bestëmmen ob striatonigral Neuronen Drogenreaktiounsfäegkeet op eng opposéierend Manéier reguléiere kënnen, hu mir als nächst den Effekt vun der biochemescher Ofsenkung vun der Excitabilitéit vu striatonigral Neuronen am dorsomedialen Striatum getest wärend engem Drogenbehandlungsregime vun Amphetamin deen robust Sensibiliséierung a GFP Kontrollen produzéiert (sechs Drogenexpositiounen) ) wéi och während enger gerénger Erausfuerderungsdosis Amphetamin (0.5 mg / kg) an der Verontreiung vu receptor-mediéierten Stéierungen vun der neuronaler Aktivitéit. Wéi mat indirekter Wee Dämpfung, huet CNO-mediéiert Ofsenkung vun der Excitabilitéit vun direkten Wee Neuronen während der Amphetaminbehandlung d'akute Lokomotorreaktioun op Amphetamin net geännert (Fig. 2e). Och wann d'Entwécklung vu Sensibiliséierung ähnlech wéi d'GFP Kontrollen erschéngt no CNO-induzéierter Aktivatioun vu pDYN-hM4D Rezeptoren während der Behandlungsphase (Fig. 2f), Sensibiliséierung huet net an der pDYN-hM4D Grupp awer war nach ëmmer robust an de GFP Kontrollen erhale bleiwen (Abb. 2g, h). Dës Effekter kënnen och zu enger CNO-ofhängeger Ofsenkung vun der Aktivitéit vu striatonigral Neuronen duerch hM zougeschriwwe ginn.4D Rezeptoren well hM4D Rezeptor Ausdrock an der Verontreiung vu CNO Behandlung huet d'Entwécklung vun der Lokomotor Sensibiliséierung net blockéiert well Sensibiliséierung während der Behandlungsphase an op der Medikamenterausfuerderung observéiert gouf (Ergänzlech Fig. 7). Dës Donnéeë suggeréieren datt striatonigral Neuronen besonnesch wichteg kënne sinn fir déi laangfristeg Verhalensadaptatiounen ze regelen, déi eng Konsequenz vu widderholl Drogekonsum sinn.
Als Conclusioun liwweren dës Donnéeën déi éischt Beweiser fir déi kritesch, an opposéierend Rolle vu striatopallidalen a striatonigralen Neuronen an der Reguléierung vun der Drogenexperienz-ofhängeger Verhalensplastikitéit.. Zousätzlech liwwert de Mangel un Effekt vun der neuronaler Hemmung op der akuter Lokomotorreaktioun op Amphetamin weider Beweiser datt d'Mechanismen, déi akut Äntwerten op Drogen reguléieren, ënnerscheeden vun deenen, déi déi dauerhaft Adaptatiounen moduléieren, déi mat widderholl Drogenbelaaschtung optrieden. Schlussendlech, Pairing phenotypesch spezifesch viral Vektore mat Designer Rezeptoren, déi fäeg sinn neuronal Aktivitéit z'änneren ouni d'Zellfunktioun permanent ze stéieren, bitt eng nei a mächteg Approche fir d'molekulare Basis vun der Sucht ze dekonstruéieren.
Arbeschterlidder
This work was supported by NIH grants K99 DA024762 (SMF), T32 GM07266 and T32 GM07108 (DE), T32 AA009455 and F32 DA026273 (MJW), R21 DA021793 (PEMP), R01 DA023206 (YD), U19MH82441 and NIMH-PDSP (BLR ), an R21 DA021273 (JFN), eng Achievement Rewards for College Scientists (DE) an en NARSAD Distinguished Investigator Award (BLR)
Noten
Concours bäitrieden Interesse
D'Auteuren deklaréieren datt se keng konkurréiere finanziell Interesse hunn.
Referenze
;