Door drugs opgewekte potentiëring bij excitatory synapsen in de VTA

Een baanbrekend onderzoek door Ungless en collega's in 2001 aangetoond dat een enkele blootstelling aan cocaïne een versterking van de synaptische sterkte veroorzaakte bij excitatiesynapsen op VTA DA-neuronen wanneer 24 h later in hersenplakjes werd gemeten (Ungless et al., 2001). Dit werd gemeten als een toename in de verhouding van AMPA-gemedieerde exciterende postsynaptische stromen (EPSC's) ten opzichte van NMDA-gemedieerde EPSC's (aangeduid als de AMPA / NMDA-verhouding). Daaropvolgend elektrisch opgewekte LTP bleek te zijn afgesloten bij exciterende VTA-synapsen in met cocaïne behandelde muizen, terwijl LTD was verbeterd. Deze waarnemingen evenals een aantal andere elektrofysiologische metingen wezen erop dat de waargenomen verandering in plasticiteit potentieel gedeelde vergelijkbare mechanismen met synaptisch opgewekte LTP (Ungless et al., 2001). Sindsdien is aangetoond dat toediening van andere drugsmisbruik, waaronder amfetamine, morfine, ethanol, nicotine en benzodiazepines, ook een toename van de synaptische kracht in de VTA kan veroorzaken, een effect dat niet wordt gezien met psychoactieve geneesmiddelen die geen misbruikpotentieel hebben (Saal et al., 2003; Gao et al., 2010; Tan et al., 2010). Deze waarneming demonstreert een convergentie van cellulaire responsen binnen de VTA door alle misbruikte geneesmiddelen en verschaft een mogelijk neuraal mechanisme waarmee aanvankelijke neuroadaptaties die ten grondslag liggen aan verslaving kunnen worden geactiveerd.

Het effect van niet-contingente geneesmiddeltoediening op VTA-synaptische plasticiteit wordt kortstondig uitgedrukt, duurt ten minste 5 maar minder dan 10-dagen en er is aangetoond dat het positief correleert met de initiële ontwikkeling van gedragssensibilisatie maar niet met de expressie ervan (Ungless et al., 2001; Saal et al., 2003; Borgland et al., 2004). Als cocaïne zelf wordt toegediend, is de uitkomst nogal verschillend, omdat plasticiteit in de VTA aanhoudt en zelfs 90-dagen kan worden gedetecteerd (Chen et al., 2008).

De versterking van glutamaterge synapsen op VTA DA-cellen is waarschijnlijk gekoppeld aan het vermogen van drugsmisbruik om extracellulaire DA in het NAc te versterken (Di Chiara en Imperato, 1988) omen mogelijk de initiatie van 'pathologisch' beloningsleren, waarbij een 'afstempeling' van drugs-cueverschuivingen optreedt. In feite zijn NMDA-receptor-afhankelijke toenames in glutamaterge synaptische sterkte gerapporteerd in VTA DA-neuronen tijdens de verwerving van een cue-reward-associatie (Stuber et al., 2008) en onlangs werd bevestigd dat cocaïne selectief de AMPA / NMDA-verhouding van VTA-neuronen verhoogt die naar het NAc projecteren in tegenstelling tot de PFC (Lammel et al., 2011); het is algemeen aanvaard dat de overdracht van dopamine binnen het NAc van cruciaal belang is voor de verwerving van een Pavloviaanse vereniging (Kelley, 2004). Het kan dus zijn dat die potentiëring van VTA DA-neuronen neurale codering vertegenwoordigt vergelijkbaar met LTP, mogelijk een associatief leerproces, dat essentieel kan zijn voor vroege door cocaïne geïnduceerde gedragsreacties en het vermogen heeft om langetermijnaanpassingen die ten grondslag liggen aan verslaving te activeren, hoewel het niet de verslaafde staat zelf vertegenwoordigt. Zoals door anderen is voorgesteld, kan het zijn dat verslavende drugs de hersengoldencircuits coöpteren om de waarde van een medicijn voor het organisme te 'overdrijven'. (Kauer en Malenka, 2007).

De oorsprong van de relevante glutamaterge projecties op de VTA die betrokken zijn bij door drugs geïnduceerde plasticiteit moet nog volledig worden opgehelderd. Eén studie heeft onthuld dat VTA glutamaterge synapsen gericht door projecties van zowel de VTA zelf als de pedunculopontine nucleus (PPN) verbeterde potentiëring van cocaïne laten zien, maar dat alleen de synapsen die input ontvangen van PPN-afferenten worden gepotentieerd met A⁹-tetrahydrocannabinol (THC) (Good and Lupica, 2010). Het lijkt er dus op dat de specifieke glutamaterge afferenten die betrokken zijn bij door drugs geïnduceerde potentiëring kunnen variëren afhankelijk van het geneesmiddel in kwestie en het kan ook het geval zijn dat een specifieke projectie gebruikelijk is voor alle door drugs opgewekte exciterende plasticiteit in de VTA; het laatste moet nog worden bepaald. Thij VTA ontvangt uitgebreide projecties van meerdere hersenregio's, waaronder de PFC, amygdala en subthalamic nucleus (Geisler en Wise, 2008), waarvan veel is aangetoond dat ze de burst-bursting van VTA DA-neuronen beïnvloeden (Grillner en Mercuri, 2002). Toekomstige experimenten met behulp van optogenetische technieken kunnen helpen bij het bepalen van de specifieke projecties die verantwoordelijk zijn voor de door het geneesmiddel opgewekte potentiatie bij VTA-synapsen die worden waargenomen als reactie op verschillende drugsmisbruiken, en werpen dus licht op de exacte aard van deze neuroadaptatie.

Mechanismen die ten grondslag liggen aan door drugs opgewekte synaptische plasticiteit bij excitatory synaps in de VTA

Net als bij elektrisch geïnduceerde LTP in DA-neuren van de middenhersenen is aangetoond dat de toename in synaptische sterkte in de VTA geïnduceerd door zowel cocaïne als nicotine afhankelijk van NMDA-receptoractivering (Bonci en Malenka, 1999; Ungless et al., 2001; Mao et al., 2011). Daarentegen bleek recent dat het onderhouden van cocaïne-opgewekte potentiëring de activiteit van proteïnekinase Mζ vereist (Ho et al., 2012), een autonoom actieve eiwitkinase C (PKC) -isovorm, terwijl spike-timingafhankelijk LTP in VTA DA-neuronen van geneesmiddelnaïeve muizen afhangt van conventionele PKC-isovormen (Luu en Malenka, 2008). In het geval van nicotine vereist de VTA-synaptische versterking de excitatie van DA-neuronen gemedieerd door somatodendritische α4β2 nicotine-acetylcholinereceptoren (nAChR's) (Mao et al., 2011). Nicotine-geïnduceerde verhogingen van presynaptische glutamaatafgifte dragen ook bij tot de inductie van deze specifieke synaptische plasticiteit, waarschijnlijk door verhoogde activering van NMDA-receptoren (Mao et al., 2011).

Relatief meer is bekend over de mechanismen die ten grondslag liggen aan door cocaïne opgewekte synaptische plasticiteit dan die onderliggende plasticiteit die wordt geïnduceerd door andere drugs van misbruik. Cocaïnetoepassing aan plakjes van de middenhersenen resulteert in potentiëring van NMDA-receptortransmissie binnen enkele minuten en wordt voorgesteld via insertie van NR2B-bevattende NMDAR's in synapsen via een mechanisme dat activering van D vereist.₅ receptoren en nieuwe eiwitsynthese (Schilstrom et al., 2006; Argilli et al., 2008). Orexine A is ook nodig gebleken voor zowel snelle cocaïne-geïnduceerde insertie van NR2B-bevattende receptoren als verhoogde AMPA / NMDA-verhoudingen; dienovereenkomstig de orexin₁ receptor antagonist SB334867 heeft aangetoond dat het de ontwikkeling van sensibilisatie voor cocaïne voorkomt (Borgland et al., 2006). Naast veranderingen in expressie van NMDA-receptorsubeenheid, werden verhoogde niveaus van GluR1-bevattende (GluR2-ontbrekende) AMPA-receptoren bij synapsen waargenomen zodra 3 h na cocaïneblootstellinge (Argilli et al., 2008). Deze observatie in combinatie met ander recent bewijs heeft geleid tot de hypothese dat synaptische insertie van hooggeleidende GluR2-ontbrekende receptoren bijdraagt ​​aan de expressie van cocaïne-geïnduceerde synaptische potentiatie in de VTA (Dong et al., 2004; Bellone en Luscher, 2006; Mameli et al., 2007; Brown et al., 2010; Mameli et al., 2011), voor beoordelingen zie (Kauer en Malenka, 2007; Wolf en Tseng, 2012). Deze insertie van GluR2-ontbrekende AMPA-receptoren hangt af van NMDA-receptoroverdracht in VTA DA-neuronen, aangezien het afwezig is in muizen die functionele NMDA-receptoren missen in DA-neuronen (Engblom et al., 2008; Mameli et al., 2009). Iknsertion van GluR2-ontbrekende AMPA-receptoren is belangrijk omdat ze unieke eigenschappen hebben; ze zijn calciumdoorlatend, hebben een grotere enkelvoudige kanaalgeleiding dan GluR2-bevattende receptoren en hebben daarom een ​​enorm vermogen om synaptische transmissie te veranderen (Isaac et al., 2007). Vandaar dat de insertie van GluR2-ontbrekende AMPA-receptoren in de VTA een mogelijk mechanisme vertegenwoordigt waardoor misbruik drugs de plastische aanpassingen die ten grondslag liggen aan de beginstadia van drugsgebruik kunnen veroorzaken..

Er is nu aangetoond dat de insertie van GluR2-ontbrekende AMPA-receptoren in VTA-excitatiesynapsen optreedt als reactie op toediening van geneesmiddelen uit meerdere klassen zoals nicotine en morfine alsook na optogenetische activering van DA VTA-neuronen. (Brown et al., 2010). Tzijn heeft geleid tot het voorstel dat invoeging van calcium-permeabele GluR2-ontbrekende AMPA-receptoren een universeel mechanisme vertegenwoordigt dat ten grondslag kan liggen aan door drugs gegenereerde potentiëring van VTA-synapsen (Brown et al., 2010), hoewel de gegevens voor amfetamine niet noodzakelijk consistent zijn met deze hypothese (Faleiro et al., 2004). Bovendien, aangezien GluR2-ontbrekende AMPA-receptoren naar binnen gericht rectificeren en dus zeer weinig stroom bij + 40 mV geleiden, kan hun insertie alleen niet de door drugs opgewekte verhogingen in AMPA / NMDA-verhoudingen verklaren. Een recente studie die unitaire synaptische responsen, opgewekt door een sterk gelokaliseerde glutamaatbron (fotofyse van twee fotonen van gekooide glutamaat), aantoonde, liet zien dat, naast het beïnvloeden van door AMPA-receptor gemedieerde EPSC's, cocaïneblootstelling ook unitaire NMDA-receptor-gemedieerde EPSC's verminderde (Mameli et al., 2011), waardoor een mogelijk mechanisme wordt geboden waarmee AMPA / NMDA-verhoudingen in dit scenario kunnen worden verhoogd (door de noemer van de ratio te verlagen). Dit moet nog worden onderzocht met andere drugs van misbruik.

De geneesmiddel-geïnduceerde uitwisseling van GluR2-bevattende met GluR2-afwezige AMPA-receptoren kan worden omgekeerd door activering van mGluR1-receptoren in de VTA (Bellone en Luscher, 2006; Mameli et al., 2007). Aldus verschaft mGluR1-gemedieerde uitwisseling van AMPA-receptoren een mechanisme dat kan verklaren waarom door drugs opgewekte potentiëring van VTA-synapsen van voorbijgaande aard is, blijvende 5 maar niet 10-dagen (Ungless et al., 2001; Mameli et al., 2007). Inderdaad, als de mGluR1-functie in de VTA is verlaagd 24 h vóór cocaïneadministratie blijft de door cocaïne geïnduceerde inwaartse rectificatie aanhouden na 7-dagen (Mameli et al., 2007, 2009). Vandaar dat een mogelijke verklaring waarom cocaïne-opgewekte synaptische versterking aanhoudt in de VTA na zelftoediening van cocaïne (in tegenstelling tot het volgen van niet-contingente toediening) zou kunnen zijn dat cocaïne zelf-toediening leidt tot een depressie van mGluR1-signalering in de VTA.

Door drugs opgewekte synaptische plasticiteit bij remmende synapsen in de VTA

Excitatory synapsen zijn niet het enige type synaps in VTA DA-neuronen die worden beïnvloed door niet-contingente toediening van drugs van misbruik. Remmende synapsen in de VTA spelen ook een cruciale rol bij het regelen van de brandsnelheid van DA-neuronen, waardoor plasticiteit bij GABAergic-synapsen de capaciteit heeft om DA-transmissie dramatisch te beïnvloeden. Inderdaad, cocaïne, morfine en ethanol kunnen allemaal de remmende synaptische plasticiteit in de VTA beïnvloeden (Melis et al., 2002; Liu et al., 2005; Nugent et al., 2007). Herhaalde blootstelling aan cocaïne in vivo voor 5-7 dagen veroorzaakt een vermindering in amplituden van door GABA gemedieerde synaptische stromen, waardoor LTP-inductie in VTA-cellen wordt vergemakkelijkt door de sterkte van GABAergic-remming te verminderen (Liu et al., 2005). Latere studies onthullen het mechanisme van deze remming te zijn endocannabinoïde-afhankelijke LTD bij GABAergic synapsen met activering van ERK1 / 2 (Pan et al., 2008, 2011). GABA_A receptor-synapsen op VTA dopamine-neuronen vertonen ook robuust NMDA-afhankelijk LTP (LTP genaamd)_GABA) in reactie op hoogfrequente stimulatie (Nugent et al., 2007). Deze LTP_GABA is afwezig in VTA-plakken 2 en / of 24 h na in vivo toediening van morfine, nicotine, cocaïne of ethanol (Nugent et al., 2007; Guan en Ye, 2010; Niehaus et al., 2010). In het geval van ethanol de preventie van LTP_GABA wordt gemedieerd door de μ-opioïde receptor (Guan en Ye, 2010) Samen met synaptische versterking bij excitatory synapsen, dit verlies van LTP_GABA zou het vuren van VTA DA-neuronen na blootstelling aan geneesmiddelen moeten verhogen.

Langzame GABA-transmissie is onlangs ook aangetoond door drugsgebruik te worden beïnvloed. Dus een enkele dosis methamfetamine of cocaïne is voldoende om het vermogen van GABA aanzienlijk te verzwakken_B receptoren om VTA GABA neuron te besturen wanneer gemeten ex vivo 24 h later (Padgett et al., 2012). Het methamfetamine-geïnduceerde verlies van het trage remmende postsynaptische potentieel (IPSC) komt voort uit een verlaging van GABA_B receptor-G proteïne-gekoppelde naar binnen gerichte rectificerende kaliumkanaal (GIRK) stromen, als gevolg van veranderingen in het eiwittransport, en gaat gepaard met een significante afname in de gevoeligheid van presynaptische GABA_B receptoren in GABA-neuronen van de VTA. In tegenstelling tot door drugs geïnduceerde invloeden op GABA_A synchroniseert deze depressie van GABA_BR-GIRK-signalering blijft dagen na de injectie bestaan ​​(Padgett et al., 2012).

Gedragsmatige correlaten van door drugs opgewekte potentiëring in VTA DA-cellen

Zoals eerder vermeld, wordt het effect van niet-contingente toediening van geneesmiddelen op synaptische plasticiteit in VTA DA-neuronen tijdelijk tot expressie gebracht, met een minimum van 5 maar minder dan 10-dagen en er is aangetoond dat het positief correleert met de initiële ontwikkeling van gedragssensibilisatie, maar niet met de uitdrukking (Ungless et al., 2001; Saal et al., 2003; Borgland et al., 2004). Ter ondersteuning van de hypothese dat door drugs opgewekte potentiëring van VTA-synapsen inductie van gedragssensibilisatie vertegenwoordigt, vermindert intra-VTA-toediening van glutamaatantagonisten en stimuleert viraal gemedieerde GluR1-opregulatie de voortbewegingsgevoelige eigenschappen van geneesmiddelen (Carlezon et al., 1997; Carlezon en Nestler, 2002). Sterk bewijs van NR2A- en B-bevattende NMDA-receptorbetrokkenheid wordt verschaft door de waarneming dat farmacologische remming van ofwel ofwel de ontwikkeling van sensitisatie en geassocieerde cocaïne-geïnduceerde verhogingen in AMPA / NMDA-verhoudingen voorkomt (Schumann et al., 2009). Echter, muizen met gerichte deletie van NR1 of GluR1 (selectief voor DA-neuronen van de middenhersenen) of globale GluR1-deletie vertonen intacte gedragssensibilisatie en vertonen toch gestoorde AMPA-receptorstromen na behandeling met cocaïne (Dong et al., 2004; Engblom et al., 2008). Een extra draai wordt gegeven door de waarneming dat CPP en geconditioneerd bewegingsgedrag afwezig zijn in GluR1 knockout-muizen (Dong et al., 2004) en het uitsterven van cocaïne CPP is afwezig in muizen met GluR1-deletie gericht tegen DA-neuronen in de middenhersering (Engblom et al., 2008), terwijl in NR1 knockout-muizen herstel van cocaïne CPP en expressie van gedragssensibilisatie wordt verzacht (Engblom et al., 2008; Zweifel et al., 2008). Dus, zelfs met het voorbehoud van potentiële ontwikkelingscompensatie in mutante muizen en / of mogelijke onvolledige deletie, is het mogelijk dat die neurale processen die door het medicijn opgewekte potentiëring van DA-neuronen en gedragssensibilisatie bepalen, worden gedissocieerd. Veeleer kan het zijn dat potentiëring van VTA-synapsen kan bijdragen aan het toekennen van incentive salience aan drugsgerelateerde aanwijzingen.

Het meten van synaptische veranderingen na niet-contingente toediening van geneesmiddelen is beperkt met betrekking tot het informeren over de actuele ziektetoestand van verslaving. Meer relevant voor de menselijke conditie zijn onderzoeken waarbij veranderingen in synaptische plasticiteit worden gemeten na voorwaardelijke toediening van geneesmiddelen, bijvoorbeeld operante zelftoediening. In dit opzicht is de synaptische versterking van VTA DA-cellen geïnduceerd door zelftoediening van cocaïne uniek persistent, langdurige 3-maanden tot onthouding en aangetoond resistent te zijn tegen uitstervingstraining (Chen et al., 2008). Dus hoewel aanvankelijk voorgesteld om een ​​voorbijgaande gebeurtenis te zijn, lijkt het erop dat door drugs opgewekte plasticiteit in de VTA het vermogen heeft om langdurig te zijn, wat aantoont dat de wijze van toediening (contingent versus niet-contingent) een cruciale bepalende factor is voor de lange levensduur . Dit wordt ondersteund door de waarneming dat jukcontroles in dit onderzoek geen vergelijkbare toename in AMPA / NMDA-verhouding vertoonden; suggererend dat dit het leren is van de cue-reward of actie-uitkomst associatie die de plasticiteit aanjaagt. In tegenstelling daarmee produceren zelftoediening van voedsel of sucrose onder vergelijkbare parameters verhogingen in AMPA / NMDA-verhoudingen die persistent zijn voor 7 maar niet 21-dagen in onthouding, aantoonbaar voorbijgaand in vergelijking met die geïnduceerd door cocaïne (Chen et al., 2008). Het gebrek aan persistentie van voedselgeïnduceerde plasticiteit toont aan dat de verandering in synaptische kracht geïnduceerd door cocaïne niet alleen een neurale weergave is van de leerprocessen van het instrumentale of cue-beloning die betrokken zijn bij het operante zelf-toedieningsparadigma werkt, eerder een drug-specifiek effect dat mogelijk een pathologische versterking van drugs-cue associaties vertegenwoordigt. Zoals eerder vermeld, zijn aanwijzingen die beloning voorspellen ook gevonden om een ​​toename in AMPA / NMDA-verhoudingen in de VTA te veroorzaken, hoewel niet zo persistent, en ondersteunen ze een rol voor deze wijziging van exciterende synaptische functie bij beloningsleren (Stuber et al., 2008).

Interessant is dat de grootte van de toename in de AMPA / NMDA-verhouding gelijk is, ongeacht het aantal injecties (enkel versus meervoudig), administratieprotocol (contingent vs. niet-contingent) en lengte van toegang (beperkte toegang versus uitgebreide toegang) (Borgland et al., 2004; Chen et al., 2008; Mameli et al., 2009). Dit geeft aan dat de toename van de AMPA / NMDA-verhouding die wordt waargenomen in VTA DA-cellen potentieel een tolerante gebeurtenis is, misschien een teken van "opvallendheid" in tegenstelling tot een initiatie van onderliggende neuropathologie die vermoedelijk zou toenemen bij voortdurende blootstelling.

Door drugs opgewekte plasticiteit bij exciterende synapsen in het NAc

In tegenstelling tot de VTA veroorzaakt een enkele cocaïnespuiting geen toename van de synaptische sterkte in de NAc wanneer 24 h later gemeten wordt (Thomas et al., 2001; Kourrich et al., 2007). Deze waarneming en de bidirectionele tijdschaal die volgt met herhaalde toediening en terugtrekking dtoont aan dat de door drugs geïnduceerde plasticiteit in het NAc aanzienlijk verschilt van die waargenomen in de VTA. Inderdaad, wanneer herhaalde injecties van cocaïne worden toegediend (om gedragssensibilisatie te induceren), wordt een afname van de AMPA / NMDA-verhouding waargenomen bij NAc-shellsynaps wanneer 24 h na de laatste toediening wordt gemetenn (Kourrich et al., 2007). Deze synaptische depressie van herhaalde cocaïne lijkt te zijn gekoppeld aan plasticiteit in de VTA; bij selectieve disruptie van de mGluR1-functie in de VTA is slechts een enkele injectie van cocaïne nodig om dezelfde depressie van NAc-synapsen te veroorzaken (Mameli et al., 2009). TDe auteurs van deze studie veronderstellen dat verbeterde excitatie van VTA-projecties de samenvallende afgifte van DA en glutamaat in het NAc mogelijk maakt door een verbeterde versie van DA. Dit kan dan de drempel voor de inductie van lokale plasticiteit in de NAc verschuiven door schakelingsexcitatie te beïnvloeden of door intracellulaire signaalprocessen te integreren (Mameli et al., 2009).

De functionele significantie van de depressie van NAc-synapsen tijdens acute ontwenning is in dit stadium onduidelijk. Een mogelijke verklaring kan zijn dat depressie van NAc medium stekelige neuronen (MSN's) hun respons op natuurlijke belonende stimuli vermindert, en daardoor bijdraagt ​​aan de anhedonie die wordt ervaren tijdens acute ontwenning. Het kan ook zijn dat de waargenomen daling in de AMPA / NMDA-verhouding het gevolg kan zijn van membraaninsertie van NR2B-bevattende NMDA-receptoren (waardoor de noemer van de verhouding wordt vergroot), aangezien nieuwe stille synapsen blijken te voorkomen in de NAc-schaal na blootstelling aan cocaïne (Huang et al., 2009). Stille glutamaterge synapsen, die functionele door NMDA-receptor gemedieerde stromen tot expressie brengen in de afwezigheid van AMPA-receptor-gemedieerde stromen, worden verondersteld een verhoogd vermogen te hebben om versterking van synaptische transmissie te ondergaan (Isaac et al., 1995). Eenmaal gegenereerd, kunnen deze stille synapsen de rekrutering van AMPA-receptoren vergemakkelijken, waardoor de excitatoire synaptische transmissie wordt verbeterd. Dit biedt een mogelijk mechanisme om verhogingen in het oppervlakniveau van AMPA-receptoren en de daaropvolgende AMPAR / NMDAR-verhouding die in de NAc wordt waargenomen tijdens langdurige intrekking te verklaren. (Boudreau en Wolf, 2005; Boudreau et al., 2007; Kourrich et al., 2007; Conrad et al., 2008). NR2B-bevattende NMDA-receptoren in het NAc zouden ook kunnen zijn betrokken bij de vorming van geneesmiddel-contextassociaties, aangezien siRNA-knockdown van deze subeenheid morfine-CPP bij muizen maar niet gedragssensibilisatie voorkomt (Kao et al., 2011).

In tegenstelling tot cocaïne resulteert een herhaald regime van intermitterende ethanolblootstelling in een versterking van synapsen als reactie op een eerder LTD-inducerend stimulatieprotocol wanneer 24 h na de laatste blootstelling wordt gemeten (Jeanes et al., 2011). Deze NMDA-afhankelijke potentiëring is van voorbijgaande aard, omdat na een verdere 48 h van ontwenning het is verdwenen en noch LTP noch LTD kan worden geïnduceerd (Jeanes et al., 2011). De auteurs interpreteren zulke robuuste veranderingen in NAc-plasticiteit als een indicator van het potentiële belang van dit proces bij door ethanol geïnduceerde neuroadaptaties. Bovendien kan ethanol, in tegenstelling tot psychostimulantia, werken op NMDA-receptoren en heeft daarom het vermogen om glutamaterge signalering rechtstreeks te beïnvloeden.

Synaptische potentiëring waargenomen in het NAc na een periode van terugtrekking

In tegenstelling tot de depressie die werd waargenomen tijdens acute ontwenning, werd potentiëring van NAc-shell-synapsen waargenomen na 10-14 dagen van ontwenning na herhaalde toediening van cocaïne of morfine (Kourrich et al., 2007; Wu et al., 2012). Bovendien, na 7 dagen onthouding van een enkele toediening van cocaïne, wordt een toename van de amplitude van mEPSC's evenals een verlies van LTP geïnduceerd door hoogfrequente stimulatie (HFS) gevonden in zowel kern als shell NAc neuronen die de dopamine D tot expressie brengen.₁ receptor (Pascoli et al., 2012). Tzijn verandering in het vermogen om synaptische plasticiteit te induceren, wordt metaplasticiteit genoemd. Cocaïne-geïnduceerde metaplasticiteit wordt ook waargenomen na onttrekking aan cocaïne zelftoediening. Dus, ratten die zelf-toegediende cocaïne hebben gevolgd door 3 weken van uitsterven of onthouding vertonen een duidelijke in vivo tekort in het vermogen om LTP te ontwikkelen in de NAc-kern na stimulering van de PFC. Deze waarneming ging gepaard met een linkse verschuiving in de input-outputcurve die een versterking van de fEPSP-amplitude suggereert (Moussawi et al., 2009). Potentiëring van NAc-synapsen wordt ook waargenomen in de vorm van verhoogde AMPA-gemedieerde stromen na een verlengde periode van onthouding na zelftoediening (Conrad et al., 2008). Samengevat suggereren deze gegevens dat synaptische potentiatie in het NAc zich ontwikkelt als een functie van de duur van de ontwenning, of als een functie van de tijd sinds de eerste toediening van cocaïne. Een recente studie ondersteunt de laatste interpretatie omdat vergelijkbare verhogingen van de frequentie van mEPSC's werden waargenomen in D₁ receptor-expresserende MSN's in muizen ondanks de afwezigheid of aanwezigheid van een langdurige wachttijd na herhaalde cocaïnetoediening (Dobi et al., 2011). Daarom lijken de gebeurtenissen die leiden tot de veranderingen in glutamaterge transmissie in het NAc enige tijd in beslag nemen om zich te ontwikkelen.

De bijdrage van specifieke AMPA-receptorsubeenheden aan deze verandering varieert afhankelijk van het stadium van terugtrekking en de wijze van toediening; 10-21 dagen terugtrekken uit zowel passieve als zelftoediening GluR2-bevattende AMPA-receptoren lijken verantwoordelijk voor veranderingen in AMPA-transmissie (Boudreau en Wolf, 2005; Boudreau et al., 2007; Kourrich et al., 2007; Ferrario et al., 2010) overwegende dat GluR21-ontbrekende AMPA-receptoren na 2 dagen aan synapsen zijn toegevoegd. De laatste bevinding lijkt alleen het geval te zijn wanneer cocaïne zelf wordt toegediend (Conrad et al., 2008; McCutcheon et al., 2011), hoewel zie (Mameli et al., 2009). Gezien de verhoogde geleiding van GluR2-ontbrekende AMPA-receptoren kan het zijn dat hun insertie optreedt als reactie op de depressie van NAc-synapsen veroorzaakt door cocaïne zelftoediening, wat resulteert in verhoogde MSN-gevoeligheid voor exciterende inputs die in de toekomst cocaïnevingerzoeking veroorzaken. Het blokkeren van GluR2-ontbrekende AMPA-receptoren in het NAc voorkomt inderdaad de expressie van geïncubeerd door cue geïnduceerd cocaïne zoeken (Conrad et al., 2008), en cocaïne zoeken geïnduceerd door AMPA of cocaïne wordt ook geblokkeerd door injecties van antisense oligonucleotiden van GluR1 mRNA in het NAc (Ping et al., 2008).

Drugsuitdaging na ontwenning zet synaptische versterking in de depressie terug

De toename in synaptische sterkte en oppervlakexpressie van AMPA-receptorsubeenheden die zijn geïnduceerd door cocaïne in het NAc na onttrekking aan niet-contingente toediening wordt vervolgens omgekeerd na toediening van verdere cocaïne-injecties (opnieuw uitdagen) (Thomas et al., 2001; Boudreau et al., 2007; Kourrich et al., 2007; Ferrario et al., 2010). Aldus wordt synaptische depressie opnieuw waargenomen in de NAc-schaal wanneer 24 h na deze cocaïne-injectie werd gemeten (Thomas et al., 2001), hoewel zie (Pascoli et al., 2012). Gedrag lijkt dit te correleren met de expressie van sensibilisatie, en in het geval van amfetamine is tenminste aangetoond dat het clathrine-gemedieerd is en afhankelijk is van GluR2-afhankelijke endocytose van postsynaptische AMPA-receptoren (Brebner et al., 2005). De afname in oppervlakte-expressie van AMPA-receptoren na cocaïne-uitdaging is van voorbijgaande aard, omdat binnen 7 dagen de oppervlakte-expressie zich herstelt tot niveaus die vergelijkbaar zijn met onbetwiste cocaïne-voorbehandelde ratten (Ferrario et al., 2010). Als zodanig lijkt het erop dat de geschiedenis van blootstelling aan en terugtrekking van cocaïne de richting van synaptische plasticiteit in het NAc gemakkelijk kan veranderen.

Een directe link is recent gemaakt tussen de versterking van cortico-accumbal synapsen op D₁ receptor-positieve cellen na 7 dagen terugtrekking en de expressie van sensibilisatie. Zoals eerder vermeld, bleken na 30 dagen 7 onthouding van een enkele toediening van cocaïne, deze synapsen te worden gepotentieerd in zowel de kern als de schaal (zoals gemeten door een toename in mEPSC-amplitude) en wordt LTP geïnduceerd door HFS verminderd. Hetzelfde werd niet gevonden voor synapsen op D₂ receptor-positieve cellen (Pascoli et al., 2012). Wanneer optogenetisch omgekeerd in vivo via een protocol waarvan bekend is dat het LTD, cortico-accumbal synapsen op D induceert₁-receptor-positieve cellen vertoonden gereduceerde mEPSC's en de expressie van locomotorensensibilisatie werd voorkomen. Belangrijk is dat het vermogen van HFS om LTP te induceren werd hersteld naar deze neuronen (Pascoli et al., 2012), aldus een direct verband aantonende tussen deze specifieke synaptische aanpassing op cortico-accumbal synapsen en de expressie van sensibilisatie voor cocaïne.

Transcriptiefactoren

Transcriptiefactoren zijn eiwitten die binden aan specifieke DNA-sequenties om gentranscriptie te reguleren door interactie met het RNA-polymerase II-complex (Mitchell en Tjian, 1989). Transcriptiefactoren kunnen worden geïnduceerd of onderdrukt als reactie op omgevingsstimuli, resulterend in veranderingen in genexpressie en uiteindelijk neuronale functie. Een aantal transcriptiefactoren zijn geïdentificeerd voor hun potentiële rol in verslaving, omdat hun expressie en activering wordt gereguleerd in de mesocorticolimbische route na blootstelling aan drugs van misbruik. ΔFosB is zo'n transcriptiefactor die bijzondere aandacht heeft gekregen vanwege de ongebruikelijke stabiliteit. ΔFosB is een ingekorte splitsingsvariant van het FosB-gen en het deelt homologie met andere Fos-familieleden waaronder c-Fos, FosB, Fra1 en Fra2 die alle heterodimeriseren met Jun-familie-eiwitten (c-Jun, JunB of JunD) om te vormen activator-eiwit-1 (AP-1) transcriptiefactoren (Morgan en Curran, 1995). Deze andere Fos-familieleden worden snel in het striatum geïnduceerd als reactie op acute toediening van psychostimulantia, maar vanwege hun instabiliteit is deze expressie tijdelijk en keert ze binnen enkele uren terug naar basale niveaus (Graybiel et al., 1990; Young et al., 1991; Hope et al., 1992). Omgekeerd accumuleert ABoB in het striatum na toediening van chronische geneesmiddelen en de expressie ervan blijft enkele weken na de laatste blootstelling aan het geneesmiddel aanhouden (Hope et al., 1994; Nye et al., 1995; Nye en Nestler, 1996; Pich et al., 1997; Muller en Unterwald, 2005; McDaid et al., 2006). Gegevens uit gedragsexperimenten ondersteunen een rol voor ΔFosB in enkele van de blijvende effecten die door misbruikt drugs worden geboden. Overexpressie van ΔFosB in het striatum resulteert in verhoogde locomotorische responsen op zowel acute als chronische cocaïne, en verhoogt de versterkende eigenschappen van zowel cocaïne als morfine (Kelz et al., 1999; Colby et al., 2003; Zachariou et al., 2006), terwijl remming van ΔFosB de tegenovergestelde gedragseffecten produceert (Peakman et al., 2003). Vanwege zijn vermogen om de motiverende motivatie voor drugsgebruik te vergroten, is deze transcriptiefactor voorgesteld als een 'moleculaire switch' die de overgang naar verslaving mogelijk maakt (Nestler, 2008).

cAMP responselement-bindend eiwit (CREB) is een andere transcriptiefactor die de focus is geweest van een aanzienlijke hoeveelheid onderzoek vanwege de voorgestelde rol ervan in door drugs geïnduceerde plasticiteit (McPherson en Lawrence, 2007). CREB wordt alomtegenwoordig in de hersenen tot expressie gebracht en kan worden geactiveerd door een veelvoud van intracellulaire signaalroutes die uitmonden in de fosforylatie ervan bij serine 133 (Mayr en Montminy, 2001). Gefosforyleerd CREB (pCREB) stimuleert de rekrutering van CREB-bindend eiwit (CBP) dat de transcriptie van verschillende stroomafwaartse genen vergemakkelijkt (Arias et al., 1994). pCREB wordt snel geïnduceerd in het striatum na blootstelling aan psychostimulantia (Konradi et al., 1994; Kano et al., 1995; Walters en Blendy, 2001; Choe et al., 2002) en dit wordt verondersteld een homeostatisch mechanisme voor te stellen dat gedragsreacties tegen misbruikende middelen tegengaat (McClung en Nestler, 2003; Dong et al., 2006). In overeenstemming hiermee reduceert overexpressie van CREB in de NAc-schaal de belonende eigenschappen van cocaïne in een geconditioneerd plaats voorkeur (CPP) paradigma, terwijl het tegenovergestelde wordt waargenomen bij remming van CREB in dit gebied (Carlezon et al., 1998; Pliakas et al., 2001). Evenzo zorgt genetische knockdown of remming van CREB in het dorsale striatum voor een verhoogde gevoeligheid voor de locomotoractiverende eigenschappen van psychostimulantia, waardoor deze hypothese verder wordt ondersteund (Fasano et al., 2009; Madsen et al., 2012).

Hoewel gegevens van CPP-experimenten het idee ondersteunen dat CREB als een negatieve modulator van geneesmiddelbeloning werkt, althans met betrekking tot cocaïne, kan dit een te grote vereenvoudiging zijn. Een aantal studies met verschillende technieken om de CREB-functie in de NAc-schaal te veranderen hebben onthuld dat remming van CREB cocaïnewapening in een paradigma met zelftoediening vermindert (Choi et al., 2006; Green et al., 2010; Larson et al., 2011), terwijl cocaïnewapening wordt versterkt door CREB-overexpressie in deze regio (Larson et al., 2011). Deze uiteenlopende bevindingen zijn waarschijnlijk toe te schrijven aan fundamentele verschillen tussen instrumentale en Pavlovische conditioneringsprocedures en ook vrijwillig vs. onvrijwillige toediening van medicijnen. CPP omvat associatieve leerprocessen, en wordt verondersteld een indirecte maatstaf te zijn voor de hedonistische eigenschappen van een medicijn in plaats van medicijnversterking werkt (Bardo en Bevins, 2000). Vrijwillige zelfmedicatie met het geneesmiddel kan worden beïnvloed door een aantal emotionele factoren en het vermogen van CREB-activiteit in het NAc om de responsen op anxiogene stimuli te verminderen (Barrot et al., 2002) en verzwakken depressief gedrag (Pliakas et al., 2001) zou de neiging tot zelftoediening van drugs kunnen beïnvloeden. Interessant is dat deletie van CREB uit de PFC resulteert in een verminderde motivatie om zelf cocaïne toe te dienen (McPherson et al., 2010), wat aantoont dat het effect van CREB-manipulatie op gedrag ook varieert voor verschillende hersenregio's. Dit is misschien niet verrassend, aangezien het CREB-transcriptoom duidelijk verschilt naargelang het celtype (Cha-Molstad et al., 2004) en het zou daarom belangrijk zijn om de veranderingen in genexpressie die stroomafwaarts van CREB plaatsvinden, te identificeren en die bijdragen aan deze fenotypes. De dingen verder compliceren is de waarneming dat CREB in de NAc-schaal essentieel is voor nicotine CPP (Brunzell et al., 2009), wat suggereert dat de mechanismen die ten grondslag liggen aan geconditioneerde nicotinebeloning verschillen van die achter cocaïne en morfine, die beide worden versterkt door CREB-remming in de NAc-schaal (Carlezon et al., 1998; Pliakas et al., 2001; Barrot et al., 2002).

Epigenetische mechanismen

Epigenetica heeft een aantal definities, maar in neurowetenschap wordt het gewoonlijk gedefinieerd als veranderingen in genexpressie die optreden door modulatie van chromatine die niet tot stand wordt gebracht door veranderingen in de onderliggende DNA-sequentie (McQuown en Wood, 2010). Chromatine beschrijft de toestand van het DNA wanneer het in de cel is verpakt. De basis-herhalende eenheid van chromatine is het nucleosoom, dat bestaat uit 147-basenparen van DNA gewikkeld rond een octameer samengesteld uit paren van de vier kernhistonen (H2A, H2B, H3 en H4) (Luger et al., 1997). De aminoterminale staarten van deze kernhistonen kunnen een aantal post-translationele modificaties ondergaan waaronder acetylatie, methylering, fosforylering, ubiquitinatie en sumoylatie (Berger, 2007). De toevoeging en verwijdering van deze functionele groepen uit histonstaarten wordt uitgevoerd door een groot aantal histon-modificerende enzymen, waaronder acetyltransferasen, deacetylases, methyltransferasen, demethylasen en kinasen (Kouzarides, 2007). Deze histon-modificaties dienen voor het signaleren van de rekrutering van transcriptiefactoren en andere eiwitten die betrokken zijn bij transcriptionele regulatie, en veranderen de chromatineconformatie om DNA meer of minder toegankelijk te maken voor de transcriptionele machinerie (Strahl en Allis, 2000; Kouzarides, 2007; Taverna et al., 2007). Epigenetische mechanismen vormen daarom een ​​belangrijk middel waarmee omgevingsstimuli genexpressie en uiteindelijk gedrag kunnen reguleren.

Onlangs is chromatinemodificatie erkend als een belangrijk mechanisme dat ten grondslag ligt aan door geneesmiddelen geïnduceerde veranderingen in plasticiteit en gedrag (Renthal en Nestler, 2008; Bredy et al., 2010; McQuown en Wood, 2010; Doolhof en Nestler, 2011; Robison en Nestler, 2011). Het eerste bewijs hiervoor was afkomstig van experimenten van Kumar en collega's die chromatine immunoprecipitatie (ChIP) testen gebruikten om aan te tonen dat cocaïne histon-modificaties induceert bij specifieke genpromoters in het striatum (Kumar et al., 2005). Specifiek resulteerde acute toediening van cocaïne in H4 hyperacetylatie van de cFos promotor, terwijl chronische toediening resulteerde in H3 hyperacetylatie van de BDNF en Cdk5 promotors. Histonacetylering omvat de enzymatische overdracht van een acetylgroep naar de basale N-terminale staart van een histon, die de elektrostatische interactie tussen het histon en het negatief geladen DNA neutraliseert, waardoor het toegankelijker wordt voor het transcriptieapparaat (Loidl, 1994). Dit is consistent met het vermogen van cocaïne om de expressie van Fos familie transcriptiefactoren acuut te verhogen (Graybiel et al., 1990; Young et al., 1991), terwijl BDNF en Cdk5 alleen na chronische blootstelling worden geïnduceerd (Bibb et al., 2001; Grimm et al., 2003).

Een histone gehyperacetyleerde toestand kan ook experimenteel worden bereikt door toediening van histondeacetylase (HDAC) -remmers, en deze geneesmiddelen zijn gebruikt om de effecten van globale toenames van histonacetylering na gedragsreacties op drugs van misbruik te onderzoeken. Systemische toediening van HDAC-remmers verhoogt synergistisch de hyperacetylatie die wordt waargenomen als reactie op cocaïne in het striatum (Kumar et al., 2005), en dit versterkt cocaïne-geïnduceerde motoriek en beloning (Kumar et al., 2005; Sun et al., 2008; Sanchis-Segura et al., 2009). HDAC-remming kan ook de motorische sensibilisatie verhogen tot ethanol en morfine en CPM van morfine vergemakkelijken (Sanchis-Segura et al., 2009). Desalniettemin is vastgesteld dat HDAC-remmers de ontwikkeling van sensibilisatie voor een enkele blootstelling aan morfine voorkomen (Jing et al., 2011), en de motivatie verminderen om zelf cocaïne toe te dienen (Romieu et al., 2008). Deze contrasterende bevindingen kunnen verschillen in toedieningsprotocollen weerspiegelen, en belangrijk is dat ze aantonen dat HDAC-remmers niet gedragsreacties op geneesmiddelen onder alle omstandigheden willekeurig differentiëren.

Vanwege hun permissieve effect op gentranscriptie, kunnen HDAC-remmers ook werken om bepaalde soorten van leren te vergemakkelijken (Bredy et al., 2007; Lattal et al., 2007). Onlangs is aangetoond dat toediening van een HDAC-remmer na hernieuwde blootstelling aan een eerder door cocaïne gepaarde omgeving het uitsterven van door cocaïne geïnduceerde CPP kan vergemakkelijken, en dit is waarschijnlijk gerelateerd aan verhoogde histon H3-acetylatie in het NAc (Malvaez et al., 2010). Infusie van de HDAC-remmer suberoylanilidehydroxamzuur (SAHA) direct in het NAc tijdens de conditioneringsfase van CPP verhoogt geconditioneerde cocaïnebeloning (Renthal et al., 2007), wat aangeeft dat HDAC-remming in dit gebied zowel beloningsgerelateerd leren als extinctieleren kan vergemakkelijken, afhankelijk van de context waarin het medicijn wordt toegediend. Verdere experimenten hebben een rol onthuld voor HDAC5 en de endogene HDAC werd in het NAc sterk uitgedrukt in de modulatie van de cocaïnebeloning. Cocaïnetoediening verhoogt de functie HDAC5 door de defosforylering ervan en daaropvolgende nucleaire invoer te reguleren, en defosforylatie van HDAC5 in de NAc tast de ontwikkeling aan van een cocaïne CPP (Taniguchi et al., 2012). Evenzo verzwakt overexpressie van HDAC5 in het NAc tijdens de conditioneringsfase van CPP de cocaïnebeloning, en dit effect wordt omgekeerd na expressie van een mutante vorm van HDAC5 in het NAc (Renthal et al., 2007). Het is mogelijk dat HDAC5 deze effecten uitoefent door het remmen van door geneesmiddelen geïnduceerde gentranscriptie die normaliter de lonende eigenschappen van cocaïne verhoogt.

Genoom-brede analyse van chromatinemodificaties die optreden in het NAc als een resultaat van cocaïneblootstelling heeft een groot aantal chromatin modificaties aan de promotorgebieden van genen stroomafwaarts van zowel CREB als AFosB onthuld (Renthal et al., 2009). Deze analyse onthulde ook up-regulatie van twee sirtuïnes, SIRT1 en SIRT2, eiwitten die HDAC-activiteit bezitten en ook andere cellulaire eiwitten kunnen deacetyleren (Denu, 2005). Inductie van SIRT1 en SIRT2 is geassocieerd met verhoogde H3-acetylering en verhoogde binding van ΔFosB aan hun genpromoters, wat erop wijst dat ze downstream-doelen van ΔFosB zijn (Renthal et al., 2009). Er is gedacht dat de upregulatie van SIRT1 en SIRT2 relevant is voor het gedrag; sirtuins verminderen de prikkelbaarheid van NAc MSN's in vitroen farmacologische remming van sirtuines verlaagt de cocaïnebeloning, terwijl hun activering de respons op cocaïne verhoogt (Renthal et al., 2009).

Naast de functionele rol voor HDAC's, hebben genetische studies ook een rol onthuld voor histon-acetyltransferasen (HAT's) bij het bemiddelen van enkele van de gedragsreacties op misbruikverslaafden. Waarschijnlijk het belangrijkste mechanisme waarmee CBP in staat is om gentranscriptie te verbeteren, is via de intrinsieke HAT-activiteit (Bannister en Kouzarides, 1996) en recente bevindingen impliceren de HAT-activiteit van CBP in enkele van de epigenetische veranderingen die het gevolg zijn van blootstelling aan geneesmiddelen. Als reactie op acute cocaïne wordt het CBP aangeworven voor de FosB promotor waar het histon H4 acetyleert en de expressie van FosB verhoogt (Levine et al., 2005). Bij muizen die onvoldoende beschikbaar zijn voor CBP, wordt minder CBP gerekruteerd naar de promoter, wat resulteert in verminderde histonacetylering en FosB-expressie. Dit komt ook overeen met minder accumulatie van ΔFosB in het striatum en het is niet verrassend dat deze muizen een verlaagde sensitisatie vertonen als reactie op een cocaïne-uitdaging (Levine et al., 2005). Onlangs hebben Malvaez en collega's met behulp van het Cre-Lox-recombinatiesysteem de rol onderzocht van CBP-activiteit die zich specifiek in het NAc bevindt, na cocaïne-geïnduceerde gentranscriptie en -gedrag (Malvaez et al., 2011). Er werd gerapporteerd dat gerichte deletie van CBP in het NAc resulteerde in verminderde histonacetylering en c-Fos-expressie en verminderde motorische activering als reactie op zowel acute als chronische cocaïne (Malvaez et al., 2011). Geconditioneerde cocaïnebeloning werd ook geremd in deze muizen, wat het eerste bewijs levert dat CBP-activiteit in het NAc belangrijk is voor de vorming van geneesmiddel-geassocieerde herinneringen (Malvaez et al., 2011).

Onlangs hebben experimenten van het Kandel-laboratorium onthuld dat epigenetische mechanismen ten grondslag kunnen liggen aan het veronderstelde vermogen van nicotine om als een "gateway drug" te werken. Muizen die chronisch waren voorbehandeld met nicotine voorafgaand aan blootstelling aan cocaïne vertoonden verbeterde locomotorische sensibilisatie en cocaïne-beloning in vergelijking met nicotine-naïeve muizen (Levine et al., 2011). Bovendien resulteerde nicotinevoorbehandeling in verhoogde door cocaïne geïnduceerde depressie van LTP in exciterende synapsen in de NAc-kern, een effect dat niet alleen met nicotine werd waargenomen. Analyse van histon-modificaties geïnduceerd door 7-dag nicotine blootstelling onthulde verhoogde H3 en H4 acetylatie bij de FosB promotor in het striatum, een effect dat niet zo uitgesproken was als reactie op 7-daagse toediening van cocaïne. HDAC-activiteit was verminderd in het striatum van met nicotine behandelde muizen, maar onveranderd bij muizen die met cocaïne waren behandeld. Opmerkelijk was dat infusie van een HDAC-remmer rechtstreeks in het NAc de effecten van nicotinevoorbehandeling kon nabootsen bij het versterken van de effecten van cocaïne. Geen van deze veranderingen werd waargenomen wanneer muizen voorafgaand aan nicotine werden behandeld met cocaïne, wat de temporele specificiteit van deze effecten bevestigt. Deze elegante reeks experimenten heeft een mogelijke epigenetische verklaring opgeleverd waarom het roken van sigaretten bijna altijd voorafgaat aan het gebruik van cocaïne in de menselijke populatie (Kandel, 1975; Kandel et al., 1992).

Naast histonacetylering is histon methylatie ook recentelijk erkend als een gedragsrelevante chromatinemodificatie geïnduceerd door drugs van misbruik (Laplant et al., 2010; Maze et al., 2010, 2011). Histon methylatie omvat de enzymatische toevoeging van één, twee of drie methylgroepen aan lysine of arginine residuen aan het N-uiteinde van histonstaarten, en is geassocieerd met ofwel transcriptionele activering of repressie, afhankelijk van de aard van de modificatie (Rice en Allis , 2001). De eerste onderzoeken naar histon-methylatie geïnduceerd door cocaïne leidden tot de identificatie van twee histon-methyltransferasen, G9a en G9a-achtig eiwit (GLP), die aanhoudend neerwaarts werden gereguleerd in het NAc 24 h na zowel niet-contingente blootstelling aan cocaïne als cocaïne zelf -administratie (Renthal et al., 2009; Maze et al., 2010). Deze neerwaartse regulatie was gekoppeld aan vergelijkbare afnames van histon H3 lysine 9 (H3K9) en 27 (H3K27) methylering. Vervolgens werd aangetoond dat G9a-overexpressie in het NAc de door cocaïne geïnduceerde expressie van geselecteerde genen reduceert, de cocaïnebeloning vermindert zoals gemeten met CPP, en de toenamen in dendritische werveldichtheid remt die normaal wordt waargenomen als reactie op herhaalde cocaïne (Maze et al., 2010). Het tegenovergestelde trad op wanneer G9a-expressie in het NAc werd geremd, resulterend in een verhoogde dendritische wervelkolomdichtheid en verbeterde cocaïnebeloning. Er zijn aanwijzingen dat deze door cocaïne geïnduceerde veranderingen in G9a-expressie en daaropvolgende dalingen in H3K9 en H3K27 worden gereguleerd door ΔFosB (Maze et al., 2010). Gezamenlijk identificeerden deze experimenten een belangrijke rol voor histon methylatie door G9a in enkele van de lange termijn gedrags- en biochemische gevolgen van herhaalde blootstelling aan cocaïne.

Onlangs is aangetoond dat trimethylatie van histon H3 lysine 9 (H3K9me3) waarvan eerder werd aangenomen dat het een relatief stabiel heterochromatisch merkteken was, dynamisch gereguleerd werd in het NAc door acute en chronische blootstelling aan cocaïne (Maze et al., 2011). Herhaalde cocaïne resulteerde in aanhoudende afname van repressieve H3K9me3-binding die met name verrijkt was in niet-coderende genomische regio's (Maze et al., 2011). Deze eerste bevindingen suggereren dat herhaalde blootstelling aan cocaïne kan leiden tot het niet-afdanken van bepaalde retrotransposabele elementen in NAc-neuronen en het zou van groot belang zijn om de gedragsgevolgen van deze nieuwe epigenetische aanpassingen vast te stellen.

Gezien de blijvende aard van verslaving, heeft recent onderzoek ook de rol van DNA-methylatie onderzocht, wat een meer stabiele epigenetische aanpassing is vergeleken met histon-modificatie. DNA-methylatie omvat de toevoeging van methylgroepen aan cysteïne-basen in DNA en het is over het algemeen geassocieerd met transcriptionele repressie (Stolzenberg et al., 2011). Analyse van hersenen van ratten die passieve cocaïnespuiten kregen gedurende 7-dagen, of dat zelf-toegediende cocaïne gedurende 13-dagen downregulatie van het DNA-methyltransferase DNMT3a in de NAc 24 h na de laatste cocaïneblootstelling onthulde (Laplant et al., 2010). Omgekeerd, na meer chronische blootstelling aan cocaïne (zowel passief als zelf toegediend gedurende 3-weken of meer) en een 28-terugtrekkingsperiode voor de dag, dnmt3a mRNA bleek significant verbeterd te zijn in het NAc (Laplant et al., 2010). Er werd vervolgens aangetoond dat remming van DNA-methylatie / DNMT3a specifiek in het NAc zowel CPP- als locomotorgevoeligheid voor cocaïne verhoogde, terwijl het tegenovergestelde werd waargenomen na overexpressie van DNMT3a in dit gebied. Bovendien verhinderde remming van DNMT3a in het NAc ook door cocaïne geïnduceerde toenames van de dichtheid van de dendritische wervelkolom (Laplant et al., 2010). De gedragsrelevantie van cocaïne-geïnduceerde veranderingen in de NAc-wervelkolomdichtheid is nog steeds niet goed begrepen. Van manipulaties die door geneesmiddelen geïnduceerde inductie van wervelkolom remmen, is aangetoond dat ze de belonende eigenschappen van cocaïne verminderen (Russo et al., 2009; Maze et al., 2010); echter, andere studies hebben gevonden dat remming van spinogenese cocaïnebeloning versterkt (Pulipparacharuvil et al., 2008; Laplant et al., 2010). Omdat cocaïne een zeer complexe regulatie van verschillende dendritische stekels lijkt te veroorzaken in de loop van blootstelling en onthouding (Shen et al., 2009), is gesuggereerd dat deze verschillen kunnen afhangen van het type dendritische stekels dat is veranderd (Laplant et al., 2010).

Uit de hierin beschreven experimenten is het duidelijk dat door geneesmiddelen geïnduceerde regulatie van het transcriptionele potentieel van cellen een sleutelmechanisme vertegenwoordigt dat gedragsreacties op geneesmiddelen en op beloning gebaseerd leren beïnvloedt. Een belangrijke volgende stap zou zijn om vast te stellen welke van deze epigenetische veranderingen het meest relevant zijn voor de verslavingsziekte van de menselijke ziekte. Aangezien alleen blootstelling aan drugs onvoldoende is om 'verslaving' te produceren bij zowel mens als dier, zal de incorporatie van modellen die gedragskenmerken van verslaving beter meten, zoals compulsief drugsgebruik en terugval, van grote waarde zijn.