Opiātu inducēta molekulārais un šūnu plastiskums Ventral Tegmental Area un Locus Coeruleus katekolamīna neironiem (2012)

Nākamā sadaļa

fons

Ņemot vērā tās būtisko nozīmi atlīdzībā, VTA ir plaši pētīta narkotiku lietošanas jomā. Dopamīna (DA) neironi VTA projektā uz vairākiem smadzeņu reģioniem, ieskaitot kodolu nucleus (NAc), kur ir novērota pastiprināta DA izdalīšanās, reaģējot uz katru ļaunprātīgi izmantoto zāļu klasiDi Chiara un Imperato 1988). Tomēr, lai arī DA neironi ir ievērojama šī smadzeņu vidējā smadzeņu kodola daļa (N60% –65%), pastāv ievērojama šūnu daudzveidība, ievērojama GABA neironu daļa (30% –35%), kā arī glutamaterģisko neironu apraksti ( 2% –3%) (Swanson 1982; Nair-Roberts et al. 2008; Sesack un Grace 2010). DA un GABA neironi ventrālajā vidējā smadzenē parasti topogrāfiski (no mediālas uz sānu) projicējas ar galvenajām izejas struktūrām, kas sastāv no NAc, prefrontālās garozas (PFC) un amigdala (AMY) (plaši apskatītas Sesack un Grace 2010) (Fig. 1). Galvenie VTA ierosinātāji ietver ierosinošos ievadus no PFC, pedunculopontine un laterodorsal tegmentum (PPTg un LDT), kā arī daudzas citas nesen definētas struktūras (Geisler et al. 2007). Inhibējošā ievade VTA nav tik precīzi definēta, taču ziņots par NAc, ventrālā palliduma un mezopontīna rostromedial tegmental kodola (RMTg) ievadīšanu (Sesack un Grace 2010). Līdzšinējie pētījumi ir nesamērīgi koncentrējušies uz DA neironiem VTA un īpaši uz tiem, kas projicējas uz NAc, jo šai projekcijai ir kritiskā loma atlīdzībā (Nestler 2004).

  

Skatīt lielāku versiju:  

• Šajā lapā
• Jaunā logā
• Lejupielādēt kā PowerPoint Slide

Skaitlis 1.  

Grauzēju smadzeņu sagitālā sekcijas karikatūra, kas ilustrē VTA un LC, kā arī to galvenās aerentās un efferentās projekcijas. DAergic (sarkans) un GABAergic (zils) neirons VTA projektā ierobežo limbiskās un garozas struktūras un saņem glutamatergiskos (melnā svītra, PFC) un GABAergic ievadi (zilā svītra, NAc, VP). Noradrenerģiskie neironi (zaļie) LC inervē vairākus reģionus, ieskaitot HIPP un PFC, un saņem glutamaterģisku ievadi no PGi. Saīsinājumi: AMY, amygdala; HIPP, hipokampuss; LC, locus coeruleus; NAc, kodolu uzkrāšanās; PFC, prefrontālā garozā; PGi, kodola paragigantocellularis; VP, ventrālais pallidums; VTA, ventrālā taktiskā zona.

Akūtas opiātu izraisītas izmaiņas neironu darbībā

Ņemot vērā akūtā morfīna spēju VTA izraisīt paaugstinātu DA izdalīšanos NAc (Leone et al. 1991), ievērojamā darba apjomā tika pārbaudīta opiātu akūtā ietekme VTA. Akūts morfīns palielina DA neironu izdalīšanās ātrumu VTA (Gysling un Wang 1983). Šo efektu vismaz daļēji ietekmē morfīna saistīšanās ar G_{i / o}savienoti μ-opioīdu receptori (MOR) uz vietējiem GABA neironiem, tādējādi samazinot to aktivitāti un sekojošo GABA izdalīšanos uz DA neironiem un novedot pie DA neironu nomākšanas (Džonsons un Ziemeļi 1992). Tomēr liela daļa agrīnā elektrofizioloģijas darba interpretāciju sarežģī pierādījumi, kas izceļ VTA DA un GABA neironu gandrīz neatšķiramo raksturu (pēc lieluma, morfoloģijas un elektrofizioloģiskajām īpašībām) (Margolis et al. 2006), noskaidrojot nepieciešamību noteikt VTA neironus, kas pētīti precīzāk (piemēram, ar imūnhistoķīmiju, GFP reportieru pelēm utt.), punktu, kas sīkāk tiks aplūkots šajā pārskatā. Šeit mēs galvenokārt koncentrējamies uz opiātiem, kas darbojas kā agonisti pie MOR VTA, piemēram, morfīns, jo šīs zāles rada atalgojošo efektu, kas visbiežāk tiek pētīts narkotiku lietošanas jomā. Tomēr ir zināms, ka κ-opioīdu receptorus (KOR) arī izsaka VTA DA neironiem, un ka šo receptoru aktivizēšana var tieši inhibēt DA neironu šaušanas ātrumu (Margolis et al. 2003), kas, visticamāk, veicinās kappa agonistu averso ietekmi. Opiātu spēja ražot gan VTA DA neironu aktivāciju un inhibēšanu, gan atalgojošu un atturošu iedarbību ir intriģējoša, un šī „yin-yang” modulācija un endogēno opioīdu peptīdu nozīme atalgojumā ir vērsta uz turpmāko pētījumu uzsvaru.

Akūts opiātu izraisīts sinaptiskais plastiskums

Papildus neironu aktivitātes izmaiņām ir daudz ziņojumu par akūtu opiātu izraisītu sinaptisku plastiskumu. Tāpat kā ar kokaīnu un citām ļaunprātīgām zālēm, tika konstatēts, ka viena morfīna injekcija palielina a-amino-3-hidroksi-5-metil-4-izoksazolepropionskābes (AMPA) attiecību pret N-metil-D-asparagīnskābes (NMDA) eksitējošās postinaptiskās strāvas (EPSC) 24 stundas pēc ievadīšanas, kas atbilst glutamatergiskās sinapses ilgstošai iedarbībai (LTP) uz DA neironiem (Saal et al. 2003). Nesen tika ziņots, ka akūta morfīns izraisa AMPAR receptoru (AMPAR) pārdalīšanu VTA tādā pašā veidā kā kokaīns, īpaši GluA2 trūkstošo AMPAR ievadīšanu (Brown et al. 2010). Brown et al. novērots paaugstināts rektifikācijas indekss un palielināts citoplazmas GluA2 AMPAR, reaģējot uz akūtu morfīnu, efektu, kas tiek apvienots ar tiešu DA neironu stimulāciju VTA, izmantojot selektīvu kanālierīces 2 izteiksmi (Brown et al. 2010), tieši iesaistot DA aktivitāti / signalizāciju VTA ietvaros uz glutamatergisko regulējumu. Šie dati atbilst agrākam darbam, ka GluA1, bet ne GluA2, pārmērīga ekspresija VTA izraisa dzīvniekus ar morfīna lokomotoru aktivizējošu un atalgojošu uzvedību (Carlezon et al. 1997).

Akūti opiāti arī ietekmē plastitāti pie GABAergic sinapsēm VTA. Ir konstatēts, ka GABA terminālos (LTP) tiek radīta augsta frekvences stimulācija_GABA) par VTA DA neironiem - efekts, kas ir atkarīgs no postinaptisko NMDA receptoru (NMDAR) aktivizēšanas un slāpekļa oksīda (NO) izdalīšanās kā retrospektīvs kurjers no DA neironiem (Nugent et al. 2007). Tad NO palielina guanililciklāzes (GC) aktivitāti GABA neironā, kā rezultātā palielinās GABA izdalīšanās un LTP._GABA. Viena morfīna deva inhibē LTP_GABA pārtraucot NO-GC – proteīna kināzes G (PKG) signāla kaskādi, izraisot normālas inhibēšanas kontroles zudumu (novērotas 2 un 24 stundas pēc injekcijas, bet ne 5 dienas) (Nugent et al. 2007, 2009; Niehaus et al. 2010). Tādējādi LTP traucējumi_GABA nodrošina citu mehānismu akūtu opiātu spējai palielināt VTA DA neironu aktivitāti.

Pavisam nesen tika aprakstīts vēl viens VTA GABAergiskā plastiskuma veids: GABAergic sinapses ilgstoša depresija uz DA neironiem (LTD_GABA) (Dacher un Nugent 2011a). Izmantojot zemas frekvences stimulāciju (LFS), stabils LTD_GABA DA šūnās tas tika ierosināts, atšķirībā no LTP_GABA, tika izteikts postynaptically un nav atkarīgs no NMDAR. Šis efekts arī nebija atkarīgs no endokannabinoīdu signalizācijas, bet to bloķēja dopamīna D2 receptoru (D2R) antagonists sulpirīds. Interesanti, ka viena morfīna injekcija bija pietiekama, lai novērstu LFS izraisītu LTD_GABA 24 stundas pēc ievadīšanas, kas liecina, ka morfīns var divvirzienu regulēt GABA plastitāti VTA (Dacher un Nugent 2011a).

Hronisks opiātu izraisīts sinaptiskais plastiskums

Lai gan sinerģiskās izmaiņas, kas rodas akūtu opiātu gadījumā, ir salīdzinoši labi raksturotas, hroniskās izmaiņas nav. Līdz šim ir maz, ja pētījumos ir pārbaudītas izmaiņas gluatamatergiskā vai GABAergiskā plastiskumā, reaģējot uz hronisku opiātu ievadīšanu. Tas ietver zināšanu trūkumu par to, vai ir atšķirības pasīvā un aktīvā zāļu ievadīšanā, svarīgs apsvērums, ņemot vērā neseno darbu, kas liecina, ka LTP saglabāšanās VTA dzīvniekiem, kas ir atturīgi no kokaīna pašpārvaldes (līdz 3 mēnešiem) tikai ar iespējamu kokaīna iedarbību (Chen et al. 2008).

Tomēr ir zināms, ka hronisks morfīns, tāpat kā akūta morfīns, palielina DA neironu aktivitāti. In vivo ieraksti pēc hroniskas morfīna uzrāda gan bazālo šaušanas ātrumu, gan eksplozijas aktivitāti, kas atgriešanās laikā atgriežas sākotnējā līmenīGeorges et al. 2006). Tas ir pretstatā iepriekšējam darbam, kas novēroja pastāvīgu DA aktivitātes samazināšanos morfīna izdalītajās žurkās (\ tDiana et al. 1995, 1999). Viens no šiem atšķirību iemesliem ir izmantotā ievadīšanas metode. Piemēram, Georges et al. Pētījumā tika izmantota subkutānas (sc) ilgstošās darbības granulu paradigma, kurai ir pierādīts, ka tam ir daudz atšķirīgs farmakodinamiskais profils nekā hroniski palielinošās devas paradigmai, ko izmantoja iepriekšējās Diana et al. pētījumi. Kā ziņots iepriekš (Fischer et al. 2008), 24 hr pēc pēdējās morfīna granulas, asins morfīna līmenis nav samazinājies, saglabājas relatīvi stabils ar maksimumu (∼3000 ng / ml), bet hronisks injicēšanas modelis rada daudz lielāku maksimumu (∼10,000 ng / ml) pie 1 h, ar 100 h līmeni zemāk par 4 ng / ml un 12 hr nenozīmīgi. DA izdalīšanās ātruma izmaiņas, ko izraisa izņemšana no hroniska morfīna, neatkarīgi no tā, vai atgriešanās sākumā vai pazemināšanās zem bāzes līnijas, šķiet, ir atkarīga no GABA izdalīšanās izmaiņām. Izstāšanās no hroniskas morfīna palielina GABA inhibējošo postinaptisko strāvu (IPSCs) un GABA izdalīšanos uz VTA DA neironiem (Bonci un Williams 1997), kas nesen ir atzīts par atkarīgu no MOR pārstrādes un cikliskās adenozīna-5′-monofosfāta (cAMP) signalizācijas (Madhavan et al. 2010).

Vēl viens potenciāls atšķirību starp pētījumiem veicējs ir VTA neviendabīgums salīdzinājumā ar LC (kā aprakstīts turpmāk). Ir ne tikai daudzu šūnu tipu sarežģītība (galvenokārt GABA pret DA), bet arī šūnu tipu sadalījums mainās gar rostral-caudal VTA asi (Fig. 2). Konkrētāk, DA un GABA neironu īpatsvars ir daudz augstāks rostrālā VTA apakšreģionos (IFN, RL), salīdzinot ar caudāliem apakšreģioniem (PN, PIF) (Nair-Roberts et al. 2008). Šī atšķirība ir funkcionāla attiecībā uz morfīna izraisītajām uzvedības izmaiņām. HSV-GluA1 pārmērīga ekspresija palielināja morfīna atalgojuma uzvedību ar injekciju rostrālā VTA, bet tā izraisīja aversīvu uzvedību caudālā VTA, kas arī novērota cAMP-atbildes-elementa saistošā proteīna (CREB) vai fosfolipāzes C gamma (PLCγ) vīrusu pārmērīgā ekspresijā.Carlezon et al. 2000; Bolanos et al. 2003; Olson et al. 2005). Šo atšķirību var novērot arī molekulārā līmenī, jo hroniskā morfīna inducēta cAMP atbildes elementa (CRE) transmisija DA neironos rostrālā un caudālā VTA, bet tika novērota tikai ne-DA neironos rostrālā VTA (Olson et al. 2005). Ultrastrukturālie pētījumi apstiprina šādas rostral-caudal atšķirības un liecina, ka ārstēšanas shēma un projekcijas izeja ir sarežģītāka. GluA1 palielinājās gan tirozīna hidroksilāzes (TH) pozitīvajos (DAergos), gan TH-negatīvos (iespējams, GABAergos) dendritos parabrachial (PBP) VTA ar vienu morfīna injekciju. Pretstatā tam, hroniskā morfīna gadījumā, papildus PBP reģionam palielinājās GluA1 par paranigrālā (PN) VTA.Lane et al. 2008).

  

Skatīt lielāku versiju:  

• Šajā lapā
• Jaunā logā
• Lejupielādēt kā PowerPoint Slide

Skaitlis 2. 

Šūnu un projekcijas sarežģītība VTA ietvaros. DA (sarkanā) un GABA (zilā) neironu proporcija atšķiras starp VTA apakšstilbiem ar augstāku DA: GABA attiecību, kas novērota vairākos rostrālos apakšreģionos, piemēram, rostrālā lineārā kodolā (RL), salīdzinot ar vairāk kaudāliem subnucleļiem, tādiem kā paranigrāls (PN) un parainterfascicular ( PIF) reģioniem. Turklāt DA neironu projekcijas atšķiras VTA ar vairākiem sānu reģioniem, piemēram, parabrachial kodols (PBP), kas projicē uz NAc sānu apvalku (Lat Sh), bet mediālie reģioni, piemēram, PN, ir dažādi projekcijas, ieskaitot amygdala (AMY), prefrontālo garozu (PFC) , NAc kodols un NAc mediālais apvalks (Med Sh). Ierobežots darbs ir pārbaudījis GABA neironu projekcijas; ir daži pierādījumi, ka GABA neironiem Rostral PBP ir spēcīga projekcija uz PFC, turpretim ir maz rostralo PBP DA neironu, kas projektē PFC, bet liela caudāla DA PBP projekcija; tas liek domāt, ka PBP-PFC projekcija ir definēta ne tikai reģionālā līmenī, bet ir arī specifiska neironu apakštipa (Lammel et al. 2008). (Izmantotie šūnu skaits ir no Nair-Roberts et al. 2008 un prognozes izriet no marķēšanas pētījumiem ar retrogrādu Lammel et al. 2008.)

Atšķirības starp VTA DA neironiem, pamatojoties uz to produkcijas reģionu, nesen ir bijušas ļoti ieinteresētas, jo tagad ir labi pierādīts, ka DA neironu elektrofizioloģiskās īpašības atšķiras atkarībā no projekcijas. VTA DA neironiem, kas projicē NAc, ir daudz mazāka I_h strāvu nekā neironi, kas projicē uz basolaterālo amygdalu (BLA) (Ford et al. 2006), un NAc prognozēs ir atšķirības ar DA neironiem, kas projicē uz NAc sānu apvalku, parādot daudz augstāku I_h pašreizējie nekā DA neironi, kas projektē NAc mediālo apvalku (Lammel et al. 2011). DA neironu darbības potenciāla (AP) ilgums arī mainās atkarībā no projekcijas, jo NAc-projicējošajiem DA neironiem ir garākais AP ilgums, savukārt PFC projektējošais neironu AP ilgums ir īsāks, un AMY projicējošiem DA neironiem ir īsākais laiks (Margolis et al. 2008). Svarīgi, ka reakcija pret opiātiem arī atšķiras VTA atkarībā no projekcijas veida: DA neironi, kas projicē uz NAc, vairāk reaģēja uz KOR agonistiem nekā BLA projicējošiem neironiem, bet pretējais efekts tika novērots attiecībā uz reakciju uz MOR / delta (DOR) agonistu , kam bija lielāka ietekme uz BLA projicējošiem neironiem (Ford et al. 2006). Tas izpaužas arī kā presinaptiski mediēts opiātu efekts, jo KOR agonists izraisīja lielāku GABA inhibīciju._A DA neironu IPSC, kas izvirzās uz BLA, kamēr bija lielāks KOR agonistu izraisītais GABA inhibīcija._B IPSC neironiem, kas projicē uz NAc (Ford et al. 2006). Turklāt nesen tika novērots, ka DA neironu eksitējošās sinapses modulācija atšķiras atkarībā no projekcijas (Lammel et al. 2011). Lammel un kolēģi (2011) konstatēja, ka AMPA / NMDA attiecība palielinājās ar kokaīnu DA neironos, kuri prognozēja uz NAc, bet ne DA neironiem, kas prognozēja uz PFC. Tomēr AMPA / NMDA attiecība palielinājās DA šūnās, kas tika projicētas uz PFC, reaģējot uz aversīvu stimulu (hindpaw formalīna injekciju), kas tika novērota arī DA neironiem, kas prognozēja NAc sānu apvalku, bet nebija DA neironiem, kas projicē uz NAc vidusmēra apvalks - parādot neviendabīgumu šīs projekcijas mērķa apakšreģionos (Lammel et al. 2011). Skaidrs, ka šie pētījumi liecina, ka rūpīgākai izpratnei par sinerģiskiem pielāgojumiem, kas notiek gan ar akūtu, gan hronisku opiātu, būs jāiekļauj informācija par pētīto DA neironu izvadi. Neironu un projekcijas specifisko metožu izstrāde palīdzēs izskaidrot šos jautājumus, ļaujot šajā heterogēnajā reģionā veikt specifisku modulāciju.

Opiātu izraisītais strukturālais un šūnu plastiskums

Nesen tika pārskatīta zāļu izraisītās strukturālās plastiskuma atbilstība sinaptiskām un uzvedības izmaiņām.Russo et al. 2010). Lielākā daļa līdzšinējo strukturālās plastiskuma pētījumu ir pārbaudījušas mugurkaula morfoloģijas vai neironu dendrītiskās sazarošanas izmaiņas VTA mērķa reģionos, bet mūsu laboratorija ir pētījusi citu strukturālu adaptāciju, reaģējot uz hronisku opiātu ievadīšanu, VTA DA neironu soma lieluma maiņu. Vispirms mēs novērojām, ka, reaģējot uz hronisku, bet ne akūtu, morfīna ievadīšanu, žurka VTA DA neironu virsmas laukums samazinās ∼25%. (Sklair-Tavron et al. 1996). Šis efekts bija specifisks DA neironiem VTA, jo TH-negatīvās šūnas (iespējams, GABAergiskās) netika mainītas. Turklāt šo izmaiņu var bloķēt sistēmisks naltreksons, kas liek domāt, ka nepieciešama MOR signalizācija, un vietējā smadzeņu radītā neirotrofiskā faktora (BDNF) infūzija VTA novērsa arī samazināšanos, kas liecina par to, ka morfoloģisko pārmaiņu pamatā var būt samazināta neirotrofiskā signalizācija. Svarīgi ir tas, ka šo VTA DA neironu soma lieluma samazināšanos novēro hronīna hroniska ievadīšana, kā arī morfīns (Russo et al. 2007), pasīvos un pašpārvaldes protokolos (Spiga et al. 2003; Chu et al. 2007; Russo et al. 2007), un dažādām sugām, jo ​​mēs nesen raksturojām šo ietekmi uz cilvēka heroīna ļaunprātīgu lietotāju un pēcdzemdību audiem (Mazei-Robison et al. 2011). Turpmākie pētījumi neliecināja par VTA DA neironu nāvi vai ievainojumiem (Sklair-Tavron et al. 1996; Russo et al. 2007) un ka šūnu lieluma samazināšanās saglabājas 14 dienās pēc hroniskas morfīna ievadīšanas, bet 30 dienās atgriežas sākotnējā līmenī. Šis laika grafiks atspoguļo atalgojuma toleranci (Russo et al. 2007), kurā atkārtota narkotiku lietošana samazina medikamenta iedarbību un izraisa narkotiku lietošanas palielināšanos, kā redzams cilvēkiem (O'Brien 2001).

Ņemot vērā, ka BDNF varēja izglābt hronisko morfīna izraisīto strukturālo pārmaiņu, mēs vēlējāmies pārbaudīt, vai lejupējā neirotrofāro signālu pārraides ceļi saista šo strukturālo plastiskumu. Lai gan ir zināmas pretrunas par to, vai BDNF līmenis VTA tiek mainīts, reaģējot uz hronisku opiātu ievadīšanu (Numan et al. 1998; Chu et al. 2007; Koo et al. 2010), ir ziņots par regulēšanu trijos galvenajos signālu ceļos lejup pa BDNF: PLCγ, fosfatidilinozitola 3'-kināzi (PI3K) un mitogēna aktivēto proteīnu kināzi (MAPK) (Russo et al. 2009). Hroniska morfīna palielina PLCγ ceļa aktivitāti (Wolf et al. 1999, 2007), samazina PI3K ceļa aktivitāti, ko mēra ar samazinātu insulīna receptoru substrātu-2 (IRS2) un fosfo-AKT \ tWolf et al. 1999; Russo et al. 2007; Mazei-Robison et al. 2011) un palielina MAPK signālu pārraidi, ko mēra ar ekstracelulāro proteīnu kināzes (ERK) palielināto fosforilāciju un katalītisko aktivitāti (\ tOrtiz et al. 1995; Berhow et al. 1996; Liu et al. 2007). Izmantojot vīrusu mediētu pārmērīgu ekspresiju, mēs noskaidrojām, ka tas bija hronisks morfīna izraisīta PI3K signalizācijas maiņa, kas veicina morfoloģiskās izmaiņas: dominējošā negatīvā IRS2 (IRS2dn) vai AKTdn pārmērīga ekspresija bija pietiekama, lai samazinātu VTA DA soma lielumu, savukārt savvaļas tipa IRS2 pārmērīga ekspresija novērsa morfīna izraisītu konstitūcijas aktīvas AKT (AKTca) palielināšanos un pārmērīgu ekspresiju (Russo et al. 2007; Mazei-Robison et al. 2011). Turpretī PLCγ vai ERK pārmērīga ekspresija nebija pietiekama, lai mainītu VTA DA soma lielumu (Russo et al. 2007). Svarīgi, ka IRS2 pārmērīga ekspresija spēja novērst arī morfīna atalgojuma toleranci, uzvedoties uz strukturālo plastiskumu uzvedības reakcijā.

Mūsu nesenais darbs liecina, ka šīs strukturālās izmaiņas var būt cieši saistītas ar hronisko opiātu izraisītajām aktivitāšu izmaiņām. Līdzīgi kā Georges et al. iepriekš aprakstīts, mēs noskaidrojām, ka VTA DA šaušanas ātrums tika palielināts tajā pašā laika posmā, kad soma lielums samazinās pelēm, kas pakļautas hroniskai morfīnai. (Mazei-Robison et al. 2011).

Tomēr mēs noskaidrojām, ka DA izeja uz NAc, ko mēra ar in vivo ciklisko voltammetriju, faktiski ir samazināta, kas liecina par normālas aktivācijas un izejas pārtraukumu mesolimbiskās atlīdzības shēmā.

Vēlāk mēs raksturojām šo rezultātu un konstatējām, ka IRS2dn pārmērīga ekspresija VTA, kas ir pietiekama DA soma lieluma samazināšanai, samazināja DA izvadi uz NAc un samazināja arī vairāku K izteiksmi.⁺ kanālu apakšvienībām, līdzīgi kā hroniska morfīna.

Mūsu centienos identificēt signalizācijas ceļus, kas atrodas lejup pa straumi no IRS2 / AKT, kas veicina hroniskas morfīna izraisītas neuroadaptācijas, mēs pārsteidzoši novērojām, ka zīdītāju mērķa rapamicīna (mTOR) komplekss 1 (mTORC1) signalizācija, labi nostiprināts ceļš šūnu augšanā , faktiski palielinājās ar hronisku morfīnu. Pretstatā tam, mēs novērojām mTOR kompleksā 2 (mTORC2) signalizācijas samazināšanos, kuru mēs parādījām, ir gan nepieciešami, gan pietiekami, lai morfīna izraisītas izmaiņas soma lielumā un neironu aktivitātē. Konkrētāk, mēs noskaidrojām, ka mTOR (Rictor), mTORC2 būtiskas sastāvdaļas proteīna rapamicīna nejutīga kompanjona pārmērīga ekspresija bija pietiekama, lai novērstu soma lieluma samazināšanos, kā arī novērsa DA neironu šaušanas ātruma pieaugumu šūnu autonomā veidā: tikai DA šūnām VTA, kas pārspēja Rictor, bija vājināts šaušanas ātrums, turpretim tuvumā esošās DA šūnas joprojām palielinājās. Tas liek domāt, ka DA neironiem raksturīgās signalizācijas izmaiņas var veicināt hronisku opiātu izraisīto uzbudināmības izmaiņas, iespējams, mainot GABA AKT modulāciju._A strāvas (Krishnan et al. 2008) vai K izteiksme⁺ kanāli (Mazei-Robison et al. 2011) (Fig. 3). Tāpat kā ar IRS2 pārmērīgu ekspresiju, mēs atklājām, ka mTORC2 aktivitātes izmaiņas korelē ar morfīna atalgojuma uzvedību, jo mTORC2 aktivitātes samazināšanās samazināja morfīna kondicionēto vietu preferenci (CPP), bet palielinot mTORC2 aktivitāti, bija pietiekama, lai inducētu CPP uz mazu morfīna devu, kas neizraisa kontrolēt dzīvniekus.

  

Skatīt lielāku versiju:  

• Šajā lapā
• Jaunā logā
• Lejupielādēt kā PowerPoint Slide

Skaitlis 3. 

Hronisks morfīns samazina VTA DA somas lielumu, tomēr palielina neironu uzbudināmību, savukārt DA pārnešana uz NAc ir samazināta. Morfīna tīrais efekts ir mazāk reaģējošs atalgojuma ceļš, tas ir, atlīdzības tolerance. IRS2-AKT signālu (zilā krāsā) samazināta regulēšana VTA rada hroniska morfīna ietekmi uz somas lielumu un elektrisko uzbudināmību; ietekme uz uzbudināmību tiek samazināta ar samazinātu GABA starpniecību_A straumes un K nomākšana⁺ kanāla izteiksme. Morfīna izraisītā mTORC2 aktivitātes pazemināšanās VTA ir izšķiroša šo morfīna izraisīto morfoloģisko un fizioloģisko pielāgojumu, kā arī atalgojuma tolerances dēļ. Pretstatā mTORC2, hronisks morfīns palielina mTORC1 aktivitāti (sarkanā krāsā), kas, šķiet, tieši neietekmē šos morfīna izraisītos pielāgojumus. Hronisks morfīns arī samazina DA izvadi līdz NAc, kā arī samazina dendrītisko sazarojumu un dendrītisko mugurkaulu skaitu vidējos spīdošos GABA neironos NAc, vēl vairāk nomācot normālu DA signālu mezolimbiskajā shēmā.

Maz ticams, ka somas lieluma izmaiņas ir vienīgā strukturālā adaptācija, ko VTA izraisa hroniski opiāti. Ņemot vērā samazināto dendrītisko mugurkaula skaitu un dekrētisko sarežģītību NAc barotnes spinālo neironu zarnās žurkām, kuras iepriekš bija pakļautas hroniskam morfīnam (Robinsons un Kolb 1999; Robinson et al. 2002), mēs sagaidām, ka dendritiskas izmaiņas notiek arī VTA DA neironos. Tiek veikti pašreizējie pētījumi, lai raksturotu mugurkaula morfoloģijas izmaiņas, kas ir milzīga plaisa laukā, jo tikai vienā līdz šim veiktajā pētījumā ir pārbaudītas zāļu izraisītas izmaiņas VTA dendrītiskajā arhitektūrā. Šajā pētījumā tika konstatēts mugurkaula dendritiskā blīvuma palielināšanās vienā VTA neirona apakštipā, reaģējot uz akūtu kokaīna injekciju, un tas pats apakštips parādīja paaugstinātu NMDA / AMPA attiecību (Sarti et al. 2007). Dati no mūsu iepriekšējā darba, ka VTA DA procesu ilgums ir samazināts (∼30%) žurkām, kuras ārstētas ar hronisku morfīnu (Sklair-Tavron et al. 1996), ir atbilstošs globālajām izmaiņām VTA DA arhitektūrā. Šīs izmaiņas varētu arī palīdzēt izskaidrot DA izdalīšanās samazināšanos NAc pēc hroniska morfīna, jo iepriekš mēs ziņojām par samazinātu aksonu transportu un neirofilamentu olbaltumvielu līmeni VTA (Beitners-Džonsons et al. 1992, 1993), kas liek domāt, ka hronisks morfīns ietekmē arī aksonu struktūru un funkcijas. Ņemot vērā iepriekš minēto VTA DA neironu reģionālo un projekcijas sarežģītību, mēs šobrīd pētām, vai šīs strukturālās izmaiņas tiek ierosinātas noteiktā VTA DA neironu apakšgrupā, izmantojot fluorescējošus retrogrādas izsekošanas veidus. Šie dati būs kritiski, lai izprastu hroniskas opiātu un attiecīgo iesaistīto izvades shēmu izraisītās strukturālās un elektrofizioloģiskās izmaiņas.

Kā jau minēts iepriekš, vairāki pētījumi, gan molekulāri, gan elektrofizioloģiski, ir snieguši pierādījumus tam, ka hroniska opiātu ievadīšana aktivizē cAMP-CREB ceļu VTA (Bonci un Williams 1997; Olson et al. 2005; Madhavan et al. 2010). Turklāt mikrogrāfijas pētījumā tika noteiktas globālās izmaiņas gēnu ekspresijā, kas notiek VTA, reaģējot uz hronisku morfīnuMcClung et al. 2005). Tagad ir nepieciešams darbs, lai labāk definētu šo neiroadaptāciju šūnu specifiku, kā arī noteiktu to funkcionālās sekas. Turklāt, lai gan lielākā daļa darba ar VTA ir vērsta uz opiātu izraisītām neiroadaptācijām, kuras, domājams, notiek DA neironos, ir svarīgi izpētīt zāļu izraisītu plastiskumu, kas rodas VTA GABAerģiskajos neironos, kas ir viens no galvenajiem sākotnējiem opiātu darbības mērķiem šis smadzeņu reģions.

fons

LC ir galvenā norepinefrīnu (NE) saturošo neironu vieta smadzenēs (Dahlstrom un Fuxe 1965). Kā pārskatīts iepriekš (Aston-Jones un Bloom 1981a; Aston-Jones et al. 1991b; Berridge un Waterhouse 2003; Van Bockstaele et al. 2010), LC ir diskrēts, kompakts, viendabīgs kodols, kas sastāv gandrīz tikai no NE neironiem. Galvenās ieejas LC ir no medulārā kodola paragigantocellularis (PGi) un kodola prepositus hypoglossus, un LC izvade ir plaši izplatīta, ieskaitot priekšējās smadzenes, smadzenītes, smadzeņu stumbru un muguras smadzenes (Fig. 1) (Berridge un Waterhouse 2003). LC neironu darbība ir izteikti sinhrona gan pamatā, gan reaģējot uz stimuliem (Foote et al. 1980; Aston-Jones un Bloom 1981b; Aston-Jones et al. 1991a; Išimatsu un Viljamss 1996). LC neironi ir spontāni aktīvi (Viljamss et al. 1991) un to aktivizēšana izraisa NE atbrīvošanos vairākos priekšējās smadzeņu reģionos, ieskaitot garozu un hipokampu. LC lielākoties kalpo kā releja kodols, ar līdz šim novēroto ierobežoto sinaptisko plastiskumu, kaut arī glutamāta afferenti kontrolē LC aktivitāti, īpaši no PGi (Ennis et al. 1992). LC neironi izsaka trīs galvenās opioīdu receptoru klases: MOR, DOR un KOR ar atšķirīgu sadalījumu, lai gan, tāpat kā VTA gadījumā, mūsu diskusija aprobežojas ar MOR, kas vistiešākajā veidā ir saistīta ar opiātu atkarību un atkarību.

Opiātu izraisīta šūnu plastika

Lai gan LC nav pierādījumu par tradicionālo sinaptisko plastiskumu (ti, LTP un LTD), ir labi aprakstīta šūnu plastika. LC unikālā iezīme ir tā, ka daudzas tās in vivo reakcijas uz hroniskiem opiātiem var atkārtoti apkopot un pētīt vienšūnu līmenī (Nestler et al. 1994; Nestler un Aghajanian 1997; Nestler 2004). Opiātu (piemēram, morfīna) saistīšanās ar MOR noved pie samazinātas adenililciklāzes (AC) aktivitātes un cAMP signālu (Dūmens et al. 1988). Akūta opiātu saistīšanās ar MOR samazina arī LC neironu elektrokardiostimulatora aktivitāti, lielā mērā aktivizējot iekšpusē rektificējošo G proteīnu⁺ (GIRK) kanāli (Viljamss et al. 1982; Torrecilla et al. 2002). Tomēr hroniskas opiātu ievadīšanas gadījumā gan dedzināšanas ātrums, gan cAMP signāli atgriežas sākotnējā stāvoklī, jo cAMP ceļš ir pastiprināti regulēts, parādot toleranci (Aghajāņu 1978; Dūmens et al. 1988; Nestler un Tallman 1988; Ģitāra un Nestler 1989; Kogan et al. 1992; Ivanovs un Aston-Jones 2001). Šī plastiskums, ko izraisa hroniska opiātu ievadīšana (ti, cAMP ceļa augšupcelšanās), kļūst funkcionāli acīmredzama pēc opiāta atsaukšanas, kad ievērojami palielinās LC neironu izdalīšanās ātrums līdz ar lielu cAMP aktivitātes palielināšanos, kas parāda atkarību un atdalīšanos (Fig. 4) (Aghajāņu 1978; Rasmusens et al. 1990).

  

Skatīt lielāku versiju:  

• Šajā lapā
• Jaunā logā
• Lejupielādēt kā PowerPoint Slide

Skaitlis 4.  

CAMP ceļa augšējā regulēšana LC kā opiātu tolerances un atkarības mehānisms. tops panelis, opiāti akūti kavē cAMP ceļa funkcionālo aktivitāti (to norāda cAMP līmenis šūnās un no cAMP atkarīgs proteīna fosforilēšanās līmenis). Turpinot opiātu iedarbību, cAMP ceļa funkcionālā aktivitāte pakāpeniski atjaunojas un pēc opiāta noņemšanas palielinās daudz virs kontroles līmeņa (piemēram, ievadot opioīdu receptoru antagonistu naloksonu). Šīs cAMP ceļa funkcionālā stāvokļa izmaiņas tiek veiktas, ierosinot adenililciklāzes (AC) un proteīnkināzi A (PKA), reaģējot uz hronisku opiātu ievadīšanu. Šo enzīmu indukcija nodrošina pakāpenisku cAMP ceļa funkcionālās aktivitātes atjaunošanos, kas notiek hroniskas opiātu iedarbības (tolerances un atkarības) laikā, un cAMP ceļa aktivizēšanu, kas novērota opiātu noņemšanai (atsaukšanai). apakša panelis, opiāti akūtiski kavē LC neironus, palielinot iekšējās taisnās K vadītspēju⁺ kanāls, izmantojot savienojumu ar G apakštipiem_{i / o} un, iespējams, samazinot Na⁺- atkarīga iekšēja strāva, savienojot ar G_{i / o} un sekojošo AC inhibīciju, samazinātu PKA aktivitātes līmeni un atbildīgā kanāla vai sūkņa fosforilācijas samazināšanos. CAMP ceļa inhibīcija arī samazina daudzu citu proteīnu fosforilāciju un tādējādi ietekmē daudzus citus neironu procesus. Piemēram, tas samazina cAMP atbildes elementa saistošā proteīna (CREB) fosforilācijas stāvokli, kas ierosina dažas ilgāka termiņa izmaiņas LC funkcijā. Hroniska morfīna lietošana palielina ACI, ACVIII, PKA katalītisko (kat.) Un regulējošo apakšvienību un vairāku fosfoproteīnu līmeni, ieskaitot CREB un tirozīna hidroksilāzi (TH) (ko norāda ar sarkanām bultiņām). Šīs izmaiņas veicina atkarības no narkotikām stāvokļa izmainīto fenotipu. Piemēram, LC neironu iekšējo uzbudināmību palielina cAMP ceļa un Na palielināta aktivitāte⁺- atkarīga iekšēja strāva, kas veicina šo neironu toleranci, atkarību un atcelšanu. ACVIII un TH augšupejošo regulēšanu veic CREB, savukārt ACI un PKA apakšvienību regulēšana, šķiet, notiek ar neidentificētu, CREB neatkarīgu mehānismu.

Šīs adaptācijas ir saistītas ar vairāku signalizācijas proteīnu regulēšanu cAMP ceļā, ieskaitot AC1 / 8 (Matsuoka et al. 1994; Lane-Ladd et al. 1997; Zachariou et al. 2008), cAMP atkarīga proteīnu kināze (PKA) (\ tNestler un Tallman 1988), CREB (Guitart et al. 1992; Shaw-Lutchman et al. 2002; Han et al. 2006) un TH un BDNF - abi lejupējie CREB mērķi (Guitart et al. 1989; Akbarians et al. 2002). Hroniskie opiāti arī izraisa GIRK2 / 3 izteiksmi LC (Cruz et al. 2008), kā arī daudzi citi gēni, kas atklāti mikroarray analīzē (McClung et al. 2005). Turklāt, izmantojot LC šķēles kultūras modeli, nesen tika parādīts, ka paaugstināto LC neironu elektrisko aktivitāti, ko izraisa hroniski opiāti, izraisa tieša MOR aktivācija LC NE neironiem, kas ietver iekšējo homeostatisko adaptāciju (Cao et al. 2010). Šī pieeja noteica CREB izšķirošo lomu gan elektrokardiostimulatora darbībā, gan morfīna izraisītā LC šaušanas ātruma palielināšanā (Han et al. 2006; Cao et al. 2010), efekts, kas tika novērots arī pelēm ar agrīnu CREB izdalīšanos, kas raksturīga NE neironiem (Parlato et al. 2010). Visbeidzot, šī LC neironu aizdedzes aktivizēšana un augšup regulētais cAMP-CREB ceļš, kas veicina pastiprināto šaušanu, ir pierādīts daudzos pētījumos, lai gan būtu nepieciešams, gan pietiekams, lai starp vairākiem simptomiem izskaustu opiātu izdalīšanos (Lane-Ladd et al. 1997; Punch et al. 1997; Han et al. 2006).

Lai gan lielākā daļa šeit aprakstīto opiātu izraisīto plastiskumu ir pēc būtības LC NE neironiem, ir daži pierādījumi tam, ka hronisks morfīns var ietekmēt arī eksitējošo ievadi LC, jo palielinās spontāna EPSC frekvence šķēlēs no morfīna ārstētām pelēm. (Torrecilla et al. 2008). Turklāt morfīna noņemtajām žurkām ir palielinājies glutamāta un aspartāta izdalīšanās LC in vivo, un LC ierosinātā aminoskābju antagonistu lokāla lietošana daļēji bloķē atcelšanas izraisīto LC aktivitātes pieaugumu (Akaoka un Aston-Jones 1991; Aghajanian et al. 1994).

Joprojām ir zināmas pretrunas par to, vai cAMP-CREB signālu maiņa LC neironos un LC neironu aktivitātē veicina opiātu izdalīšanās uzvedību. Piemēram, LC bojājumi vai CREB aktivitātes attīstības pārtraukšana LC NE neironos neizraisa atcelšanas simptomu izmaiņas (Christie et al. 1997; Parlato et al. 2010). Pretstatā tam, mēs esam parādījuši, ka pieaugušo dzīvnieku cAMP ceļa vai CREB aktivitātes modulācija LC pilnībā bloķē vairākus izņemšanas paradumus (Lane-Ladd et al. 1997; Punch et al. 1997; Han et al. 2006). Mēs uzskatām, ka šie atšķirīgie secinājumi izskaidro vairākus svarīgus apsvērumus. Pirmkārt, LC ir tikai viena no vairākām smadzeņu jomām, kas ir svarīgas fiziskajai opiātu atkarībai un atcelšanai (Koob un Le Moal 2001). Nav pārsteidzoši, ka dzīvnieki ar bojātiem LC vēl arvien attīstās dziļa fiziska atkarība, ko izraisa lielāka atkarība no šiem citiem neironu substrātiem. Otrkārt, ir ļoti ticams, ka daži no instrumentiem, ko izmanto, lai manipulētu ar cAMP ceļu darbību LC (piemēram, PKA aktivatoru vai inhibitoru lokālā infūzija), ietekmētu glutamatergiskos afferentus šajā reģionā, kas, šķiet, arī uzrāda plastiskas izmaiņas (tostarp cAMP ceļš uz augšu) regulējums) pēc hroniskas morfīna (\ tNestler 1992; Christie et al. 1997). Treškārt, neskatoties uz šo glutamatergisko afferentu iespējamo lomu, nav šaubu, ka ir iesaistīta arī LC NE neironiem raksturīgā plastiskums, jo vietējā CREB nokļūšana no pieaugušo LC (kas nevar ietekmēt afferentos nervus) bloķē morfīna izraisīto palielināto uzbudināmību. neironu neironiem un mazina izdalīšanos (Cao et al. 2010; V Zachariou un EJ Nestler, unpubl.). CREB knockout efekta trūkums no šiem neironiem ar nosacītu izsitumu pelēm (Parlato et al. 2010) uzsver attīstības kompensācijas, kas apgrūtina agrīno izlaušanas modeļu izmantošanu, un uzsver, cik svarīgi ir izmantot gēnu manipulācijas pilnībā diferencētā pieaugušo smadzenēs, pētot pieaugušo plastiskumu.

Tādējādi daudz eksperimentālu pierādījumu pierāda cAMP-CREB ceļa regulēšanu kā iekšējās homeostatiskās plastiskuma mehānismu LC NE neironiem opiātu fiziskās atkarības attīstībā. Ir svarīgi arī uzsvērt šī darba vēsturisko nozīmi LC, jo tas kalpoja par paraugu sistēmu opiātu ilgstošai darbībai smadzenēs: pamatojoties uz iepriekšējiem LC pētījumiem, cAMP-CREB augšupejošais regulējums kopš tā laika ir pierādīts, ka tas ir kopīgs opiātu tolerances, atkarības un izņemšanas mehānisms daudzos centrālo un perifēro nervu sistēmu reģionos, un tas patiešām ir viens no labākajiem narkotiku atkarības molekulāro pamatu modeļiem (Nestler 2001, 2004).