Neurotrofiniai veiksniai ir struktūrinis plastiškumas priklausomybėje (2009)

• Neurofarmakologija. 2009; 56 (Suppl 1): 73 – 82.
• Paskelbta internete 2008 Jul 4. doi:  10.1016 / j.neuropharm.2008.06.059

Scott J. Russo, Michelle S. Mazei-Robison, Jessica L. Ablesir Eric J. Nestler^*

Autoriaus informacija ► Informacija apie autorių teises ir licencijas ►

Eiti į:

Abstraktus

1. Įvadas

Svarbus priklausomybės nuo narkotikų bruožas yra tas, kad asmuo ir toliau vartoja narkotikus, nepaisant smarkiai neigiamų fizinių ar psichosocialinių padarinių grėsmės. Nors nėra tiksliai žinoma, kas lemia šiuos elgesio modelius, iškelta hipotezė, kad svarbūs ilgalaikiai pokyčiai, atsirandantys smegenų atlygio grandinėje (1 pav). Visų pirma, manoma, kad adaptacija ventralinio šerdies srities dopaminerginiuose neuronuose (VTA) ir jų taikiniuose esančiuose neuronuose, esančiuose akumuliaciniame branduolyje (NAc), keičia asmens reakciją į vaistą ir natūralų naudą, sukeliantį toleranciją vaistams, atlygio disfunkciją, eskalaciją. narkotikų vartojimas ir galiausiai kompulsinis vartojimas (Everitt et al., 2001; Kalivas ir O'Brien, 2008; Koob ir Le Moal, 2005; „Nestler“, „2001“; Robinson ir Kolb, 2004).

 

1 pav

Pagrindinės ląstelių rūšys nervų grandinėse, kuriomis grindžiama priklausomybė

Pastaraisiais metais buvo labai stengiamasi nustatyti ląstelių ir molekulių pokyčius, atsirandančius pereinant nuo pradinio narkotikų vartojimo prie kompulsinio vartojimo. Tarp daugelio vaistų sukeltų adaptacijų tipų buvo pasiūlyta, kad smegenų sukelto neurotrofinio faktoriaus (BDNF) ar susijusių neurotrofinų pokyčiai ir jų signalizacijos keliai keičia neuronų funkciją VTA-NAc grandinėje ir kituose atlygio regionuose moduliuoti. motyvacija vartoti narkotikus („Bolanos ir Nestler“, „2004“; Pierce ir Baris, „2001“). Išvada iš šios hipotezės yra ta, kad tokios augimo faktoriaus sukeltos ląstelių ir molekulių adaptacijos atsispindi morfologiniuose su atlygiu susijusių neuronų pokyčiuose. Pavyzdžiui, lėtinis stimuliatorių vartojimas padidina dendritų išsišakojimą ir dendritinių spygliukų skaičių bei dinamiškai padidina BDNF lygį keliuose smegenų apdovanojimo regionuose, tuo tarpu lėtinis opiatų vartojimas sumažina dendritinių išsišakojimų ir stuburo, taip pat BDNF lygį kai kuriuose tuose pačiuose regionuose ( peržiūra žr. (Robinson ir Kolb, 2004; Thomas et al., 2008). Be to, lėtinis morfinas sumažina VTA dopamino neuronų dydį, BDNF poveikį (Russo ir kt., 2007; Sklair-Tavron ir kt., 1996). Tačiau trūksta tiesioginių priežastinių įrodymų, kad šie struktūriniai pokyčiai skatina priklausomybę.

Siūlymas, kad BDNF gali būti susijęs su VTA-NAc grandinės struktūriniu plastiškumu priklausomybės modeliuose, atitinka didelę literatūrą, kurioje šis augimo faktorius susijęs su dendritinių stuburų reguliavimu. Pavyzdžiui, tyrimai, kuriuose naudojamos sąlyginės BDNF arba TrkB receptorių delecijos, rodo, kad jie reikalingi dendritinių stuburo ligų dauginimuisi ir brendimui besivystančiuose neuronuose, taip pat nervų stuburo palaikymui ir dauginimuisi suaugusiųjų smegenyse (Chakravarthy ir kt., 2006; Danzer ir kt., 2008; Horch ir kt., 1999; Tanaka ir kt., 2008a; von Bohlen Und Halbach ir kt., 2007).

Nors tikslūs molekuliniai mechanizmai, kuriais BDNF tarpininkauja atliekant smegenų atlygio grandinės struktūrinį plastiškumą, vis dar nežinomi, naujausi tyrimai rodo, kad specifiniai keliai, esantys pasroviui nuo BDNF, yra modifikuojami narkotikų, kuriais piktnaudžiaujama, ir kad šie nuo neurotrofinių faktorių priklausomi signalizacijos pokyčiai koreliuoja su morfologine ir elgesio pabaiga. - taškai gyvūnų priklausomybės nuo narkotikų modeliuose. Šioje apžvalgoje aptariame naujus mūsų supratimo apie tai, kaip opiatai ir stimuliatoriai reguliuoja signalus apie neurotrofinius signalus bei šių padarinių ląstelėje ir elgesyje, pažangą. Mes taip pat siūlome būsimų tyrimų sritis, norėdami išsiaiškinti paradoksaliai priešingą stimuliatorių ir opiatų poveikį neuronų morfologijai ir tam tikrus elgesio fenotipus, susijusius su priklausomybe.

2. Neurotropinų signalizacijos keliai

Ilgalaikis neuromokslų tyrimų tikslas buvo atskleisti signalizacijos kelius, kurie tarpininkauja neuronų vystymuisi ir išgyvenimui. Tačiau per pastarąjį dešimtmetį neurotrofinis faktoriaus signalizavimas suaugusiųjų centrinėje nervų sistemoje (CNS) tapo svarbia susidomėjimo sritimi, nes įrodyta, kad neurotrofinis signalizavimas moduliuoja nervų plastiškumą ir elgesį per visą organizmo gyvenimą (apžvalgą rasite (Chao, 2003)). Pirmasis nustatytas neurotrofinis faktorius, nervų augimo faktorius (NGF), buvo išskirtas 1954 (Cohen ir kt., 1954); paties geno klonavimas neįvyko iki 1983 (Scott ir kt., 1983). Šis atradimas buvo atidžiai stebimas išgryninus ir identifikavus papildomus į NGF panašius augimo faktorius, apibrėžusius neurotrofinų šeimą: BDNF (Barde ir kt., 1982; Leibrock ir kt., 1989), neurotropinas-3 (NT3) (Hohn ir kt., 1990; Maisonpierre ir kt., 1990) ir neurotropino-4 / 5 (NT4 / 5) (Berkemeier ir kt., 1991). Neurotropinų šeimos nariai yra paralogai ir turi didelę homologiją (Hallbook ir kt., 2006); visi yra polipeptidai, kurie homodimerizuojasi ir yra CNS aptinkami nesubrendusiais ir subrendusiais pavidalais. Nors ilgai buvo manoma, kad išskaidyta ~ 13 kDa forma yra aktyvi signalizuojanti molekulė, naujausi tyrimai rodo, kad neurotrofinų, laikančių N-galą, pro (nesubrendusios) formos yra aptinkamos smegenyse (Fahnestock ir kt., 2001) ir tarpininkavimo signalų kaskadose, besiskiriančiose nuo subrendusių peptidų. NGF poveikis suaugusiųjų CNS yra daugiausia lokalizuotas cholinerginėse ląstelėse baziniame priekiniame smegenyse, o kiti neurotropinai pasiskirsto daug labiau.

Tolesnis neurotrofinų signalo specifiškumas sukuriamas diferencijuota neurotropinų receptorių ekspresija, kurią galima suskirstyti į dvi kategorijas: su tromiozinu susijusių kinazės (Trk) ir p75 neurotropinų (p75NTR) receptorius. Pirmiausia p75NTR buvo nustatytas kaip NGF (Johnson ir kt., 1986), bet iš tikrųjų suriša tiek nesubrendusius, tiek subrendusius visų keturių neurotropinų (Lee ir kt., 2001; Rodriguez-Tebar ir kt., 1990; Rodriguez-Tebar ir kt., 1992). Priešingai nei p75NTR, Trk receptorių šeima pasižymi specifiškumu jos ligandams. TrkA receptorius pirmiausia jungiasi su NGF (Kaplan ir kt., 1991; Klein ir kt., 1991), TrkB receptoriai suriša BDNF (Klein ir kt., 1991) ir NT4 / 5 (Berkemeier ir kt., 1991), o TrkC receptoriai suriša NT3 (Lamballe ir kt., 1991). Nors subrendę neurotropinai turi padidintą afinitetą Trk receptoriams, palyginti su propeptidais, tiek nesubrendusios, tiek subrendusios formos gali surišti p75NTR su dideliu afinitetu. Be to, įrodyta, kad p75NTR formuoja kompleksus su Trk receptoriais, ir šie receptorių kompleksai turi padidintą afinitetą atitinkamiems Trk ligandams, palyginti su homodimeriniu Trk.

Trk receptoriai yra pavieniai transmembraniniai baltymai, sudaryti iš tarpląstelinio ligando surišimo domeno ir tarpląstelinės srities, turinčios tirozinkinazės domeną. Panašiai kaip ir kitos tirozino kinazės receptoriai, Trk receptoriai homodimerizuoja reaguodami į ligando surišimą, o tai leidžia transfosforilintis aktyvacijos kilpoje, kad padidintų receptorinės kinazės katalitinį aktyvumą. Transfosforilinimas tirozino liekanose juxtamembrano domene ir C gale sukuria SH2 (Src homologija 2) tipo „linkerio“ baltymų, tokių kaip Src homologijos domeno, kuriame yra baltymas (Shc), ir fosfolipazės C (PLCγ), prisijungimo vietas. ), atitinkamai. Shc prisijungimas inicijuoja pasroviui teikiamas signalų kaskadas, galiausiai sukeldamas mitogenais suaktyvintos baltymų kinazės (MAPK) ir fosfatidilinozitolio 3′-kinazės (PI3K) kelių aktyvaciją. MAPK kelio stimuliavimas apima tarpląsteliniu signalu reguliuojamos kinazės (ERK) aktyvavimą, o insulino receptorių substrato (IRS) surišimas skatina PI3K įdarbinimą ir aktyvaciją bei pasroviui esančių kinazių, tokių kaip timomos viruso proto-onkogenas (Akt), aktyvavimą. , taip pat žinomas kaip baltymo kinazė B (PKB). Fosforilinimas ir PLCγ aktyvacija sukelia inozitolio (1,4,5) trifosfato (IP) susidarymą₃) ir diacilglicerolio (DAG) bei baltymų kinazės C (PKC) ir ląstelinio Ca stimuliacijai²⁺ keliai. Šie trys pagrindiniai signalizacijos keliai - PI3K, PLCγ ir MAPK / ERK -, sukelti Trk receptoriaus aktyvacijos, yra pavaizduoti 2 pav. Įdomu tai, kad yra įrodymų, kad šios trys kaskados suaktyvinamos skirtingai, atsižvelgiant į neurotropiną, receptoriaus tipą, signalo stiprumą ir trukmę (žr. (Segal, 2003). Šių pasroviui esančių kelių skirtingas aktyvinimas atrodo ypač aktualus dėl vaistų sukeltų neuronų morfologijos ir elgesio pokyčių, kaip bus išsamiau aprašyta vėlesniuose šios apžvalgos skyriuose.

 

2 pav

Intraceliuliniai signalizacijos keliai pasroviui nuo neurotropinų

Palyginti su plačiomis žiniomis apie Trk receptorių aktyvacijos pasekmes, daug mažiau žinoma apie p75NTR signalizacijos vaidmenį neurotropinų veikime. Trk efektorių suaktyvinimas paprastai sukelia išgyvenimo ir diferenciacijos signalus, tuo tarpu p75NTR aktyvinimas sukelia tiek išgyvenimo, tiek mirties prevencijos signalų kaskadą. Norint išgyventi signalizuojant per p75NTR, reikalingas branduolinis faktorius kappa B (NFkB), kuris, kaip manoma, suaktyvinamas netiesiogiai per TNF (naviko nekrozės faktorius) su receptoriais susietą faktorių 4 / 6 (TRAF4 / 6) arba receptorių sąveikaujantį baltymą 2 (RIP2) ( peržiūra žr. (Chao, 2003)). Nors neurotrofinų signalizavimas leidžia gauti daugybę skirtingų signalų, kurie priklauso nuo neurotropinų ir receptorių raiškos modelio ir neurotropinų peptidų apdorojimo, šioje apžvalgoje dėmesys sutelkiamas į vaistų sukeltus neurotrofinų signalizacijos kelių pokyčius pasroviui nuo BDNF.

3. Vaistų sukeliami BDNF pokyčiai smegenų apdovanojimo regionuose

Įvedus daugelį priklausomybę sukeliančių medžiagų klasių, BDNF baltymo ir mRNR lygio pokyčiai buvo ištirti daugelyje smegenų sričių. Stimuliatoriai gamina plačiai paplitusią, bet trumpalaikę BDNF baltymo indukciją NAc, prefrontalinėje žievėje (PFC), VTA ir centriniame (CeA) ir bazolateraliniame (BLA) branduoliuose.Graham ir kt., 2007; Grimm et al., 2003; Le Foll ir kt., 2005). Tiek sąlyginis, tiek nekontingentinis (ty gyvūnai, kurių gyvūnai yra savarankiškai administruojantys gyvūnai) kokaino vartojimas sukelia padidėjusį BDNF baltymo kiekį NAc (Graham ir kt., 2007; Liu ir kt., 2006; Zhang ir kt., 2002). Panašiai, ilgalaikis nutraukimas iki 90 dienų po kokaino pavartojimo savaime yra susijęs su padidėjusiu BDNF baltymo kiekiu NAc, VTA ir amygdala (Grimm et al., 2003; Pu ir kt., 2006), ir yra ankstyvų įrodymų, kad epigenetinis reguliavimas bdnf genas gali dalyvauti tarpininkaujant šiam nuolatiniam indukcijai (Kumar ir kt., 2005).

Nors buvo atlikta mažiau tyrimų, skirtų ištirti BDNF mRNR ir baltymų lygius po opiatų ekspozicijos, atrodo, kad tam tikruose su atlygiu susijusiuose smegenų regionuose opiatai reguliuoja BDNF lygį. Ūmus morfino vartojimas padidina BDNF mRNR lygį NAc, medialiniame PFC (mPFC), VTA ir orbitofrontalinėje žievėje. Pranešama, kad VTA lėtinis morfinas, duodamas per poodinius (sc) implantus, yra neveiksmingas keičiant BDNF mRNR raišką (Numan ir kt., 1998). Tačiau tai prieštarauja BDNF baltymo pokyčiams, stebėtiems po lėtinio morfino gydymo. Naudojant didėjančias intraperitoninio (ip) morfino dozes, buvo parodyta, kad BDNF imunoreaktyviųjų ląstelių skaičius VTA sumažėja (Chu ir kt., 2007), siūlantį sumažinti BDNF funkciją. Nors nė viename pranešime nebuvo tiriama BDNF raiška hipokampyje ar caudate-putamene (CPu) sušvirkštus stimuliatorių ar opiatų, tokie tyrimai yra pateisinami, nes hipokampo CA3 srities piramidiniuose neuronuose ir vidutinio smaigalio neuronuose (MSN) buvo pastebėti tvirti morfologiniai pokyčiai. CPu nuo šių sąlygų ((Robinson ir Kolb, 2004); pamatyti Lentelė 1).

 

Lentelė 1

Vaistų sukeltos morfologijos pokyčiai

4. Vaistų sukeliami BDNF signalizacijos kelių pokyčiai smegenų atlygio regionuose

Įrodyta, kad keli neurotrofinų signalo kaskadose esantys baltymai yra opioidais ir stimuliatoriais reguliuojami mezolimbinės dopamino sistemoje; tai apima vaisto poveikį IRS – PI3K – Akt, PLCγ, Ras – ERK ir NFkB signalizavimui (3 pav). Stimuliatoriai dramatiškai padidina ERK fosforilinimą daugelyje smegenų sričių, įskaitant NAc, VTA ir PFC, sušvirkštus ūminį ar lėtinį vaistą (Jenab ir kt., 2005; Shi ir McGinty, 2006, 2007; Sun ir kt., 2007; Valjent ir kt., 2004; Valjent ir kt., 2005). Šie atradimai atitinka stimuliatorių sukeltą neuronų išsišakojimų ir stuburo skaičiaus padidėjimą, atsižvelgiant į nustatytą Ras – ERK vaidmenį neurito augime. Opiatų poveikis ERK signalizavimui yra ne toks aiškus. Neseniai buvo pranešta, kad ERK fosforilinimas sumažėja NAc (Muller ir Unterwald, 2004), PFC (Ferreris-Alconas ir kt., 2004) ir VTA (nepaskelbti stebėjimai) po lėtinio morfino - poveikis, kuris atitinka sumažėjusį neuritų išsišakojimą šiuose regionuose gyvūnams, priklausomiems nuo morfino. Tačiau ankstesniame mūsų grupės ir kitų darbuotojų pranešime apie padidėjusį ERK aktyvumą, įskaitant padidėjusį ERK fosforilinimą ir katalizinį aktyvumą VTA po lėtinio morfino (Berhow ir kt., 1996b; Liu ir kt., 2007; Ortiz ir kt., 1995). Norint nustatyti šių neatitikimų išvadą, reikia atlikti papildomus tyrimus. Be to, svarbu naudoti kelis metodus baltymų aktyvumui matuoti, kad biocheminius įvykius būtų galima susieti su morfologiniais ir elgesio parametrais. Pavyzdžiui, ERK slopinimas VTA dopamino neuronuose neturi įtakos ląstelių dydžiui (Russo ir kt., 2007), kad reikalingi būsimi tyrimai, siekiant išsiaiškinti narkotikų sukeltų ERK aktyvumo pokyčių funkcinį svarbą šioje ir kitose smegenų srityse, nes jie yra susiję su priklausomybės fenotipais.

 

3 pav

Adaptacijos BDNF signalizacijos kaskadose, susijusios su opiatų ir stimuliatorių sukeltu struktūriniu plastiškumu VTA-NAc grandinėje

Kelios naujausios ataskaitos parodė, kad IRS – PI3K – Akt signalizavimui daro įtaką piktnaudžiavimo narkotikai (Brami-Cherrier ir kt., 2002; McGinty ir kt., 2008; Muller ir Unterwald, 2004; Russo ir kt., 2007; Shi ir McGinty, 2007; Wei et al., 2007; Williams ir kt., 2007). Dėl lėtinio opiatų vartojimo sumažėja Akt fosforilinimas tiek NAc, tiek VTA (Muller ir Unterwald, 2004; Russo ir kt., 2007). Šie biocheminiai pokyčiai atitinka sumažėjusį neuronų išsišakojimą ir dendritinį stuburo tankį arba, VTA dopamino neuronų atveju, sumažėjusį ląstelių kūno dydį (Diana et al., 2006; Robinson ir kt., 2002; Robinsonas ir Kolbas, 1999b; Russo ir kt., 2007; Spiga ir kt., 2005; Spiga ir kt., 2003)

Stimuliatorių poveikis IRS – PI3K – Akt signalizavimui šiuose regionuose nėra toks aiškus. Pavyzdžiui, lėtinis kokainas padidina PI3K aktyvumą NAc apvalkale ir sumažina jo aktyvumą NAc šerdyje (Zhang ir kt., 2006). Šie duomenys atitinka ankstesnę ataskaitą, rodančią, kad lėtinis kokainas selektyviai padidino BDNF mRNR kiekį NAc apvalkale ir sumažino TrKB receptoriaus mRNR NAc šerdyje (Filip ir kt., 2006). Taigi lukšto ir šerdies PI3K aktyvumo skirtumus galima paaiškinti skirtingu BDNF ir TrKB reguliavimu aukščiau esančiame kokaine. Įdomu tai, kad, kai naudojamas bendras striatumo išpjaustymas (įskaitant NAc ir CPu), buvo įrodyta, kad amfetaminas sumažina Akt aktyvumą sinaptosomų preparatuose (Wei et al., 2007; Williams ir kt., 2007), ir mes pastebėjome panašų lėtinio kokaino poveikį NAc, neišskirdami šerdies ir lukšto („Pulipparacharuvil“ ir kt., 2008). Be to, šiuos tyrimus apsunkina laikas, naudojamas tiriant Akt signalizacijos pokyčius, nes naujausias McGinty ir jo kolegų darbas rodo, kad lėtinis amfetaminas sukelia laikinus ir branduoliui būdingus Akt fosforilinimo pokyčius striatumoje (McGinty ir kt., 2008). Ankstyvaisiais laiko momentais po amfetamino vartojimo padidėja Akt fosforilinimas branduoliui būdingu būdu, tačiau po dviejų valandų Akt fosforilinimas sumažėja, o tai rodo kompensacinį mechanizmą, kuris išjungia šią veiklą. Suprasti dinaminį stimuliatorių ir Akt signalizacijos ryšį bus svarbu norint nustatyti, ar šis signalizacijos kelias skatina stimuliatorių sukeltą struktūrinį plastiškumą NAc, kaip tai daroma optatams VTA (žr. 6 skyrių).

Piktnaudžiavimo narkotikais PLCγ ir NFκB signalų perdavimo pakitimai nebuvo taip gerai ištirti, kaip ERK ir Akt; tačiau naujausi darbai rodo, kad abu būdus reguliuoja piktnaudžiavimo narkotikai. Dėl lėtinio morfino vartojimo padidėja bendras PLCγ baltymo, taip pat jo aktyvuotos tirozino fosforilintos formos (Wolf ir kt., 2007; Wolf ir kt., 1999). Be to, nustatyta, kad dėl virusų sukeltos PLCγ ekspressijos VTA padidina ERK aktyvumą šiame smegenų regione (Wolf ir kt., 2007), taip imituodamas panašų ERK aktyvumo padidėjimą, pastebėtą po lėtinio morfino ankstesniuose tyrimuose (Berhow ir kt., 1996b). PLCy perdėtas ekspozicija VTA taip pat reguliuoja atlygį už opiatus ir su tuo susijusį emocinį elgesį, pasižyminčius skirtingais reiškiniais, pastebimais rostral ir poodinio VTA (Bolanos ir kt., 2003). Taip pat Grahamas ir kolegos (Graham ir kt., 2007) stebėjo padidėjusį PLCγ fosforilinimą NAc po ūmaus, lėtinio jungų ir lėtinio savaiminio vartojimo kokaino, kuris priklausė nuo BDNF.

Ankstesnis mūsų grupės tyrimas parodė, kad NFκB subvienetai p105, p65 ir IκB padidėja NAc, reaguojant į lėtinį kokaino vartojimą (Ang et al., 2001). Tai atitinka Cadet ir kolegų („Asanuma“ ir „Cadet“, 1998), kuris pademonstravo, kad metamfetaminas sukelia NFkB surišimo aktyvumą striatos regionuose. Atsižvelgiant į tai, kad kai kurie iš vaistų reguliuojamų NFkB baltymų suaktyvina NFkB signalizaciją, o kiti - slopina, iš šių pradinių tyrimų nebuvo aišku, ar pastebėti baltymų pokyčiai atspindi bendrą NFkB signalizacijos padidėjimą ar sumažėjimą. Neseniai mes išsprendėme šį klausimą parodydami, kad lėtinio kokaino vartojimas padidina NFKB transkripcijos aktyvumą NAc, remiantis NFκB-LacZ transgeninių reporterių pelių (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007) išvadomis. Naujausi įrodymai padarė tiesioginį ryšį su NFKB signalų sukėlimu NAc, sukeliančiu kokaino struktūrinį ir elgesio poveikį (žr. 6 skyrių). Šios ankstyvos išvados yra intriguojančios ir pateisina tolesnį tyrimą, įskaitant opiatų įtakos NFκB signalizavimui smegenų apdovanojimo regionuose tyrimą.

5. Vaistų sukeltas struktūrinis plastiškumas smegenų atlygio regionuose

Smegenų atlygio schema pasikeitė taip, kad nukreiptų išteklius natūraliam atlygiui gauti, tačiau šią sistemą gali sugadinti ar užgrobti narkotikai, skirti piktnaudžiauti. Šioje grandinėje struktūriniam plastiškumui paprastai būdingas pakitęs dendrito išsišakojimas arba arborizacija ir dendritinių smaigalių tankio ar morfometrijos pokyčiai. Nors vis dar tiriamas nuo patirties priklausomų morfologinių pokyčių tiesioginis elgesio svarbumas, manoma, kad sinapsinę funkciją lemia ne tik skaičius, bet ir kiekvienos atskiros stuburo galvos dydis ir forma. Susiformuodami stuburui, jie išskiria plonas nesubrendusias struktūras, kurios įgauna stuburo, multisinapsinę, filopodialinę arba šakotą formą (apžvalgą žr.Bourne ir Harris, 2007; Tada ir Sheng, 2006). Apskaičiuota, kad suaugusiųjų smegenyse bazinėmis sąlygomis bent 10% spygliukų turi šias nesubrendusias formas, kas rodo, kad plastiškumas yra nuolatinis procesas visą gyvenimą (Fiala ir kt., 2002; Harris, 1999; Harris ir kt., 1992; Petersas ir Kaisermanas-Abramofas, „1970“). Šios struktūros yra trumpalaikės ir gali susiformuoti per kelias valandas po stimuliacijos ir išsilaikyti keletą dienų in vivo (Holtmaat ir kt., 2005; Majewska ir kt., 2006; Zuo ir kt., 2005).

Manoma, kad trumpalaikis nesubrendęs stuburas stabilizuojasi į nuolatinesnį, funkcionalesnį stuburą, naudojant nuo veiklos priklausomą mechanizmą (apžvalgą žr.Tada ir Sheng, 2006). Stimuliacijos protokolai, sukeliantys ilgalaikę depresiją (LTD), yra susiję su stuburo susitraukimu ar įtraukimu į hipokampo ir žievės piramidinius neuronus (Nagerl ir kt., 2004; Okamoto ir kt., 2004; Zhou ir kt., 2004), kadangi ilgalaikio potencijavimo (LTP) indukcija yra susijusi su naujų stuburų formavimu ir esamų stuburų padidėjimu (Matsuzaki ir kt., 2004; Nagerl ir kt., 2004; Okamoto ir kt., 2004). Manoma, kad molekuliniu lygmeniu LTP ir LTD inicijuoja signalizacijos kelių, baltymų sintezės ir lokalizacijos pokyčius, kurie ilgainiui keičia aktino polimerizaciją, kad paveiktų stuburo brendimą ir stabilumą ir galiausiai sudarytų funkcinį stuburą (LTP). esamo stuburo atitraukimas (LTD) (apžvalgą rasite (Bourne ir Harris, 2007; Tada ir Sheng, 2006). Stabilizavusis, nugaros tampa grybo formos, turi didesnį postsinapsinį tankį (Harris ir kt., 1992) ir buvo įrodyta, kad jie išlieka keletą mėnesių (Holtmaat ir kt., 2005; Zuo ir kt., 2005). Šie pokyčiai atspindi labai stabilų ląstelinį įvykį, kuris gali būti patikimas paaiškinimas bent jau kai kuriems ilgalaikiams elgesio pokyčiams, susijusiems su narkomanija.

Daugelio priklausomybę sukeliančių medžiagų klasės, skiriamos chroniškai, keičia smegenų atlygio grandinės struktūrinį plastiškumą. Daugelis šių tyrimų yra koreliaciniai ir sieja struktūrinius pokyčius konkrečiuose smegenų regionuose su elgesio fenotipu, rodančiu priklausomybę. Per pastarąjį dešimtmetį Robinsonas ir jo kolegos parodė kelią į tai, kaip piktnaudžiavimo narkotikai reguliuoja struktūrinį plastiškumą (apžvalgą žr.Robinson ir Kolb, 2004). Po šių originalių stebėjimų kiti piktnaudžiavimo narkotikais tyrėjai papildė šią augančią literatūrą, kad atskleistų specifinį narkotikų klasės poveikį neuronų morfologijai. Kaip pavaizduota Lentelė 1 ir 3 pav, opiatai ir stimuliatoriai skirtingai veikia struktūrinį plastiškumą. Įrodyta, kad opiatai sumažina NAc MSN ir mPFC bei hipokampo piramidinių neuronų dendritinių stuburo skaičių ir sudėtingumą, taip pat sumažina bendrą VTA dopaminerginių neuronų somos dydį, o šio smegenų regiono nepastebėta.„Nestler“, „1992“; Robinson ir Kolb, 2004; Russo ir kt., 2007; Sklair-Tavron ir kt., 1996). Iki šiol yra tik viena šių išvadų išimtis, kai buvo pranešta, kad morfinas padidina stuburo skaičių orbitofrontaliniuose žievės neuronuose (Robinson ir kt., 2002). Įrodyta, kad, priešingai nei opiatams, tokie stimuliatoriai kaip amfetaminas ir kokainas nuolat didina NAc MSN, VTA dopaminerginių neuronų ir PFC piramidinių neuronų dendritinius stuburus ir sudėtingumą, tačiau nepranešta apie sumažėjusį struktūrinį plastiškumą (Lee ir kt., 2006; Norrholm ir kt., 2003; Robinson ir kt., 2001; Robinson ir Kolb, 1997, 1999a; Sarti ir kt., 2007).

Nors po neurotrofinio faktoriaus signalizacijos molekuliniai mechanizmai, kuriais grindžiami šie pokyčiai, yra menkai suprantami, daugelį šių struktūrinių pokyčių lydi baltymų, žinomų dėl neuronų citoskeleto reguliavimo, lygio ar aktyvumo pokyčiai. Tai apima, bet neapsiriboja, vaisto sukeltus mikrotubulų baltymo 2 (MAP2), neurofilamentinių baltymų, su aktyvumu reguliuojamo citoskeleto baltymo (Arka), LIM-kinazės (LIMK), miocitus stiprinančio faktoriaus 2 (MEF2) pokyčius. , nuo ciklino priklausoma kinazė s5 (Cdk5), postsinapsinis tankis 95 (PSD95) ir kofilinas, taip pat aktino ciklo pokyčiai NAc ar kituose smegenų apdovanojimo regionuose (Beitner-Johnson ir kt., 1992; Bibb ir kt., 2001; Chase ir kt., 2007; Marie-Claire ir kt., 2004; „Pulipparacharuvil“ ir kt., 2008; Toda ir kt., 2006; Yao ir kt., 2004; Ziolkowska ir kt., 2005). Kadangi daugelis biocheminių pokyčių, kuriuos sukelia stimuliatoriai ir morfinas, yra panašūs, bus svarbu nustatyti skirtingus opiatų ir stimuliatorių reguliuojamų genų tikslus, susijusius su dendritine funkcija, nes jie gali suteikti informacijos apie bendrą priešingą opiatų ir stimuliatorių poveikį neurotrofiniams veiksniams. nuo veiksnio priklausantis struktūrinis plastiškumas.

Priešingi morfologiniai pokyčiai, kuriuos opatai ir stimuliatoriai sukelia smegenų atlygio regionuose, yra paradoksalu, nes abu vaistai sukelia labai panašius elgesio fenotipus. Pvz., Dėl specifinių opiatų ir stimuliatorių gydymo schemų, dėl kurių abiejų pasireiškia lokomotorinė sensibilizacija ir panašūs vaisto vartojimo eskalavimo modeliai, NAC sukelia priešingus dendritinio stuburo tankio pokyčius (Robinson ir Kolb, 2004). Taigi, jei šie morfologiniai pokyčiai yra svarbūs priklausomybės tarpininkai, jie turi turėti dvikryptę savybę, kai pokytis nuo pradinės padėties abiem kryptimis sukuria tą patį elgesio fenotipą, arba jie tarpininkauja skirtingiems elgesio ar kitiems fenotipams, kurie nėra užfiksuoti naudojant naudojamus eksperimentinius įrankius. . Be to, šiuos duomenis reikia nagrinėti atsižvelgiant į aptariamą narkotikų vartojimo paradigmą. Pavyzdžiui, mūsų tyrimuose gyvūnai gauna dideles poodinio morfino dozes, nuolat išleidžiamas iš granulių implantų. Tai yra paradigma, labiau atitinkanti opiatų toleranciją ir priklausomybę. Priešingai, daugumoje stimuliatorių paradigmų vaistas įšvirkščiamas vieną ar kelis kartus per parą, o tai leidžia pasiekti didžiausią kraujo lygį ir grįžti į pradinį lygį prieš kitą vartojimą, o paradigmos labiau atitinka jautrumą vaistams. Žmonių opiatų ir stimuliatorių vartojimo būdai gali labai skirtis. Todėl būsimuose tyrimuose reikės išnagrinėti narkotikų sukeltų morfologinių pokyčių smegenų apdovanojimo regionuose elgesio svarbą atsižvelgiant į dozių ir vaistų vartojimo paradigmas, atspindinčias ekspoziciją žmonėms.

6. BDNF ir jį signalizuojančių kaskadų vaidmuo atsižvelgiant į narkotikų sukeltą struktūrinį ir elgesio plastiškumą

Įtariama, kad augimo faktoriaus signalizacijos pokyčiai yra pagrindinis veiksnys, turintis įtakos struktūriniam ir elgesio plastiškumui, susijusiam su narkomanija. Tyrimai su žmonėmis yra riboti. Žmonių, priklausomų nuo kokaino, amfetamino, alkoholio ar opiatų, stebimi narkotikų sukelti BDNF pokyčiai serume (Angelucci ir kt., 2007; Janak et al., 2006; Kim ir kt., 2005), tačiau šio BDNF šaltinis ir šių pakeitimų svarba priklausomybės atsiradimui ir palaikymui liko neaiškūs. Būsimuose tyrimuose būtų įdomu ištirti BDNF ir jo signalinius kelius žmogaus pomirtinio smegenų audinyje.

Per pastarąjį dešimtmetį darbas graužikais nustatė BDNF įtaką įvairioms priklausomybės proceso fazėms. Ankstyvieji tyrimai parodė, kad vietinė BDNF infuzija į VTA ar NAc padidina lokomotorinį ir teigiamą atsaką į kokainą, o bendras BDNF netekimas sukelia priešingą poveikį (Hall ir kt., 2003; Horger ir kt., 1999; Lu ir kt., 2004). Naujausias darbas parodė, kad kokaino savivalda padidina BDNF signalizaciją NAc (Graham ir kt., 2007). Be to, vidinė NAc BDNF infuzija sustiprina kokaino vartojimą savarankiškai, kokaino ieškojimą ir atkrytį, tuo tarpu antikūnų prieš BDNF infuziją arba vietinį organizmo nokautą. bdnf NAc genas (pasiekiamas per viruso Cre rekinazės ekspresiją floksuotose BDNF pelėse) blokuoja šį elgesį. Remiantis šiais tyrimais, Grahamas ir kolegos (2007) padarė išvadą, kad BDNF išsiskyrimas NAc organizme pradedant savarankišką kokaino vartojimą yra būtina priklausomybės proceso dalis.

Šie duomenys patvirtina požiūrį, kad BDNF yra kandidatė molekulė, kuri tarpininkauja struktūriniuose NAc neuronų pokyčiuose, kuriuos sukelia lėtinis kokaino ar kitų stimuliatorių poveikis. Remiantis šia hipoteze, stimuliatorių sukeltas BDNF signalo padidėjimas NAc sukels NAc neuronų dendritinio arborizacijos padidėjimą, o tai parodytų jautrų elgesio atsaką į stimuliatorius, taip pat stiprią su narkotikais susijusią atmintį, lemiančią atkrytį ir priklausomybę. Remiantis šia hipoteze, gauta informacija apie išaugintus hipokampo neuronus, kai buvo įrodyta, kad BDNF sekrecija sukelia nuo baltymų sintezės priklausomą atskirų dendritinių stuburo padidėjimą (Tanaka ir kt., 2008b). Šios hipotezės silpnumas yra tas, kad nebuvo jokių tiesioginių eksperimentinių įrodymų, kad NAc neuronų dendritinių spuogų sustiprinimas per se yra būtinas ar pakankamas, kad būtų sujaudinta jautrus vaistas. Tiesą sakant, yra duomenų, kurie rodo sudėtingesnį šių dviejų reiškinių ryšį: Cdk5 slopinimas NAc blokuoja kokaino galimybę padidinti NAc neuronų dendritinius spyglius, nepaisant to, kad toks slopinimas stiprina lokomotorius ir teikia teigiamą poveikį kokainui (Norrholm ir kt., 2003; Taylor ir kt., 2007). Aišku, reikia išnagrinėti šio struktūrinio ir elgesio plastiškumo ryšį.

Kitas svarbus šios hipotezės įspėjimas yra tas, kad BDNF signalizacijos pokyčiai gali turėti labai skirtingą poveikį neuronų morfologijai ir elgsenai, atsižvelgiant į tiriamą smegenų sritį. Naujausiose ataskaitose buvo aiškiai atskirti BDNF funkcijos hipokampo ir VTA (Berton ir kt., 2006; Eisch ir kt., 2003; Krishnan ir kt., 2007; Shirayama ir kt., 2002): BDNF užpilai hipokampyje yra panašūs į antidepresantus, tuo tarpu BDNF užpilai VTA ar NAc sukelia panašų į prodepresantus poveikį. Panašūs modeliai iškyla ir priklausomybės srityje. Pažymėtina, kad padidėjęs BDNF kiekis NAc sustiprina kokaino sukeltą elgesį (Graham ir kt., 2007; Horger ir kt., 1999), kadangi PFC BDNF slopina tą patį elgesį (Berglind ir kt., 2007). Nenuostabu, kad kokaino BDNF indukcija taip pat yra skirtingai reguliuojama šiuose dviejuose smegenų regionuose, ir tai dar labiau patvirtina elgesio skirtumus (Fumagalli ir kt., 2007).

Preliminarūs įrodymai padarė įtaką NFKB signalizavimui kokaino sukelto struktūrinio ir elgesio plastiškumo reguliavime. Nors tiesioginis šių pokyčių atsiradimo mechanizmas nežinomas, ankstesnis darbas parodė, kad p75NTR, esantis prieš NFκB, yra lokalizuotas sinapsėje ir kad LTD yra būtinas p75NTR aktyvinimas BDNF. Nors piktnaudžiaujant narkotikais BDNF-TrkB sąveika buvo išsamiai ištirta, šie duomenys rodo alternatyvų kelią per NFkB, kuris pateisina tolesnį tyrimą. Remdamiesi šia hipoteze, mes neseniai pastebėjome, kad virusų sukelta NFkB kelio neigiamo antagonisto perdėta ekspresija NAc kliudo lėtiniam kokainui padidinti NAc MSNs dendritinių stuburo tankį. Toks NFkB signalizacijos slopinimas taip pat užkerta kelią jautrinančiam kokaino poveikį (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007). Šie duomenys, skirtingai nuo aukščiau nurodytos Cdk5 situacijos, patvirtina ryšį tarp padidėjusio dendritinio arborizacijos ir elgesio jautrinimo kokainui, dar labiau pabrėždami šių reiškinių sudėtingumą ir būtinybę atlikti papildomus tyrimus.

Nors ribotame darbe nagrinėjama neurotrofinių faktorių signalizacijos opiatų sukeltoje elgsenoje svarba, mūsų laboratorijos darbas atskleidė BDNF ir paskesnio IRS2-PI3K-Akt kelio vaidmenį reguliuojant VTA dopaminerginių ląstelių dydį ir vėlesnį atlygio toleranciją (Russo ir kt., 2007; Sklair-Tavron ir kt., 1996). Konkrečiai kalbant, dėl lėtinio opiatų vartojimo graužikams gana ankstyvais abstinencijos laikotarpiais atsiranda tolerancijos ir fizinės priklausomybės būklė, kuri, kaip manoma, padidina narkotikų vartojimą. Ankstyvieji eksperimentai nustatė, kad BDNF infuzija VTA viduje užkerta kelią morfino sukeltam VTA neuronų dydžio sumažėjimui (Sklair-Tavron ir kt., 1996). Visai neseniai mes parodėme, kad atlygio tolerancijos laikas, išmatuotas pagal sąlygotos vietos pasirinkimą, yra lygiagretus sumažėjusio dopaminerginių ląstelių dydžio grafikui ir kad šie reiškiniai yra perduodami per BDNF signalizacijos kaskadas (Russo ir kt., 2007). Kaip minėta anksčiau, biocheminius signalizacijos kelius VTA, esančius pasroviui nuo BDNF ir TrKB receptorių, skirtingai reguliuoja lėtinis morfinas: morfinas aktyvina PLCγ (Wolf ir kt., 2007; Wolf ir kt., 1999), sumažina kelio IRS – PI3K – Akt aktyvumą (Russo ir kt., 2007; Wolf ir kt., 1999) ir daro kintamą poveikį ERK (žr. aukščiau). Atsižvelgiant į naujausius įrodymus, kad Akt reguliuoja daugelio tipų ląstelių dydį centrinėje nervų sistemoje („Backman“ ir kt., 2001; Kwon ir kt., 2006; Kwon ir kt., 2001; Scheidenhelm ir kt., 2005), mes panaudojome viruso genų perdavimo metodus, norėdami tiesiogiai parodyti, kad morfinas sukuria atlygio toleranciją slopindamas IRS2 – PI3K – Akt kelią ir sumažindamas VTA dopamino neuronų dydį. Šis poveikis nebuvo pastebėtas pakeitus ERK ar PLCγ signalizaciją, dar kartą pabrėžiant IRS – PI3K – Akt signalizacijos svarbą šiam reiškiniui. Būsimuose tyrimuose bus nagrinėjama BDNF ir IRS – PI3K – Akt būdų svarba didinant opiatų savaiminį vartojimą, tai yra kliniškai labiau aktuali paradigma priklausomybei įvertinti. Geresnis supratimas apie neurotrofinių veiksnių ar jų receptorių pokyčius ir Akt taikinius bus nukreiptas į priklausomybės modelių specifinius opiatų atlygio tolerancijos mechanizmus. Be to, bus svarbu suprasti BDNF signalizacijos vaidmenį reguliuojant VTA funkcijas nervų grandinės kontekste. Šiuo atžvilgiu įdomu pažymėti Pu ir kt. (2006) parodė, kad pasitraukus iš pakartotinio kokaino ekspozicijos, sužadinamosios sinapsės ant VTA dopamino neuronų yra jautresnės silpnų presinapsinių dirgiklių potencijai, o tam reikia endogeninių BDNF-TrkB signalų.

7. Kitų neurotrofinių veiksnių vaidmuo atsižvelgiant į narkotikų sukeltą struktūrinį ir elgesio plastiškumą

Nors aukščiau aptarta BDNF ir jo signalizacijos kaskados, yra įrodymų, kad keli kiti neurotrofiniai veiksniai ir jų signalizacijos keliai pasroviui taip pat turi įtakos elgesio ar biocheminiams atsakams į piktnaudžiavimo narkotikus. Įrodyta, kad NT3, kaip ir BDNF, skatina sensibilizuotą atsaką į kokainą VTA lygiu (Pierce ir Baris, „2001“; Pierce ir kt., 1999). Lėtinis morfino ar kokaino vartojimas reguliuoja iš gliaudinių ląstelių linijos kilusį neurotrofinį faktorių (GDNF), signalizuojantį VTA-NAc grandinėje, kuris savo ruožtu maitina ir slopina šių narkotikų piktnaudžiavimo elgesį (Messer ir kt., 2000). Amfetaminas indukuoja pagrindinį fibroblastų augimo faktorių (bFGF) VTA-NAc grandinėje, o bFGF išmuštos pelės turi silpną atsaką į lokomotorinį jautrinimą, kurį sukelia pakartotinės amfetamino injekcijos (Flores ir kt., 2000; Floresas ir Stewartas, 2000). Citokinas, ciliarinis neurotrofinis faktorius (CNTF), įvedamas tiesiai į VTA, padidina kokaino gebėjimą sukelti biocheminius prisitaikymus šioje smegenų srityje; kokainas padidina tarpląstelinių signalų kaskadą per Janus kinazę (JAK) ir signalo keitiklius bei transkripcijos aktyvatorius (STAT) - šį poveikį sustiprino ūminė CNTF infuzija (Berhow ir kt., 1996a). Taip pat yra duomenų, kad lėtinis morfinas keičia į insuliną panašaus augimo faktoriaus 1 (IGF1) lygį VTA ir kituose smegenų regionuose (Beitner-Johnson ir kt., 1992). Šie atskiri atradimai rodo, kad įvairūs neurotrofiniai mechanizmai kontroliuoja VTA-NAc funkciją, kad sudėtingais būdais būtų reguliuojamas piktnaudžiavimo narkotikais plastiškumas, ir pabrėžia, kad šioje srityje reikia atlikti daug tyrimų ateityje.

8. Išvados

Per pastarąjį dešimtmetį mes išplėtėme savo supratimą apie tai, kaip piktnaudžiavimo narkotikai reguliuoja neurotrofinių signalų perdavimo būdus ir įvairių neuronų populiacijų morfologiją visoje smegenų atlygio grandinėje. Naujausi viruso geno perdavimo pokyčiai leidžia manipuliuoti specifiniais pasroviui perduodamais neurotrofiniais signaliniais baltymais tam tikrame smegenų regione, kuriame yra visiškai išsivysčiusių suaugusių gyvūnų interesai, siekiant ištirti priklausomybės nuo narkotikų, neuronų morfologijos ir elgesio plastiškumo ryšius. Naudojant naujus bicistroninius virusinius vektorius, galima išreikšti baltymą, kuris manipuliuoja neurotrofiniais signalizacijos keliais, taip pat fluorescencinį baltymą, kad vizualizuotų neuronų morfologiją (Clark ir kt., 2002). Taigi, patobulinus imunohistocheminius metodus, skirtus žymėti specifines neuronų populiacijas, įmanoma įvertinti vaisto sukeltus morfologinius pokyčius ir susijusius biocheminius neurotrofinės signalizacijos pritaikymus ląstelių tipui, todėl gaunama esminės informacijos apie vaistų sukeltą heterogeninių smegenų reguliavimą. apdovanoti regionus. Taikant daugiadisciplininius metodus, susijusius su elgesio, fiziologiniais, biocheminiais ir morfologiniais požymiais, vis labiau bus įmanoma apibrėžti priklausomybės mechanizmus daug tiksliau, įskaitant tikslų neurotrofinių faktorių signalizacijos vaidmenį priklausomai nuo patirties priklausomybės plastiškumui ir priklausomybės procesui. Šios žinios gali paskatinti kurti naujas medicinines intervencijas, skirtas normalizuoti netinkamo narkotikų sukeliamą netinkamą plastiškumą smegenų apdovanojimo regionuose ir taip pakeisti priklausomybės procesą žmonėms.

Išnašos

Nuorodos