De striatale evenwichtsoefening bij drugsverslaving: verschillende rollen van directe en indirecte pad middelgrote stekelige neuronen (2011)

Introductie

Drugsmisbruik oefenen krachtige moleculaire en cellulaire veranderingen uit in zowel dorsale striatum (dStr) als ventraal striatum (nucleus accumbens, NAc), en veel van deze veranderingen komen voor in middelgrote stekelige neuronen (MSN's), de voornaamste projectie-neuronen in dStr en NAc, die account voor 90-95% van alle neuronen in deze regio's. Tot voor kort waren onderzoekers echter niet in staat de differentiële rol van de twee MSN-subtypes in verslavingsgerelateerde verschijnselen duidelijk te definiëren. De twee MSN-subtypen worden gedifferentieerd door hun verrijking van dopamine-receptor 1 (D.₁) of dopaminereceptor 2 (D.₂) evenals verschillende andere genen (Gerfen en Young, 1988; Gerfen et al., 1990; Le Moine et al., 1990, 1991; Bernard et al., 1992; Ince et al., 1997; Lobo et al., 2006, 2007; Heiman et al., 2008; gensat.org) en door hun verschillende projecties via de cortico-basale ganglia-route (de directe versus indirecte routes; Gerfen, 1984, 1992). Vroeg werk wees erop dat drugs misbruik de meeste invloed op de D uitoefenen₁+ MSN's, met het gebruik van talrijke dopaminereceptoragonisten en antagonisten die belangrijk inzicht verschaffen in de functionele en moleculaire rollen van elk MSN in gedrag van drugbeloningen (Zelf, 2010). Huidige celtype-specifieke methodologieën, waaronder fluorescerende reportermuizen die GFP onder D tot expressie brengen₁ of D₂ bacteriële kunstmatige chromosomen (BAC's; Gong et al., 2003; Valjent et al., 2009; gensat.org), conditionele muismodellen zoals het gebruik van tetracycline-gereguleerde induceerbare transgene muizen (Chen et al., 1998; Kelz et al., 1999) en transgene muizen die Cre-recombinase tot expressie brengen met behulp van D₁ of D₂ BAC's, kunstmatige gistchromosomen (YAC's) of knock-in-muizen (Gong et al., 2007; Lemberger et al., 2007; Heusner et al., 2008; Parkitna et al., 2009; Valjent et al., 2009; Bateup et al., 2010; Lobo et al., 2010; gensat.org) en celtype-specifieke virale gemedieerde genoverdracht (Cardin et al., 2010; Hikida et al., 2010; Lobo et al., 2010; Ferguson et al., 2011), hebben diepgaand nieuw inzicht verschaft in de precieze moleculaire onderbouwing van elk MSN-subtype en hun regulatie door misbruikt drugs (tabel 1).

Tabel 1. Effecten van celtypespecifieke genetische manipulatie in D₁+ en D₂+ MSN's in modellen voor drugsverslaving.

Recente bevindingen ondersteunen de conclusie van een meer overheersende rol voor D₁+ MSN's bij het produceren van het versterkende en sensibiliserende effect van misbruik drugs, met de meest robuuste moleculaire veranderingen die optreden in deze MSN's. Bijvoorbeeld, acute blootstelling aan psychostimulantia induceert op krachtige wijze talrijke signaalmoleculen, waaronder FosB, ERK, c-Fos en Zif268 in de D₁+ MSN's, terwijl herhaalde cocaïne bij voorkeur ΔFosB induceert en de GABA-receptor en andere ionkanaalsubeenheden ook in dit celtype wijzigt (Robertson et al., 1991; Young et al., 1991; Berretta et al., 1992; Cenci et al., 1992; Moratalla et al., 1992; Hope et al., 1994; Bertran-Gonzalez et al., 2008; Heiman et al., 2008). Verder, het verstoren of overexpressie van specifieke moleculen, zoals ΔFosB, DARPP-32 of Nr3c1 (de glucocorticoïde receptor), in D₁+ MSN's bootsen typisch het geneesmiddelgerelateerde gedrag na dat is waargenomen wanneer deze wijzigingen op een niet-celtypespecifieke manier worden aangebracht, terwijl dergelijke genen in D worden verstoord₂+ MSN's veroorzaken vaak een tegengestelde reactie (Fienberg et al., 1998; Kelz et al., 1999; Deroche-Gamonet et al., 2003; Zachariou et al., 2006; Ambroggi et al., 2009; Bateup et al., 2010). Niettemin kunnen we een belangrijke bijdrage van de D niet uitsluiten₂+ MSN's in aanpassingen aan drugs van misbruik, omdat blootstelling aan cocaïne de genexpressie in beide MSN-subtypen verandert (Heiman et al., 2008) en D₂-receptoragonisten en -antagonisten oefenen krachtige effecten uit in gedragstesten (Zelf, 2010). Inderdaad tonen recente bevindingen aan dat moleculaire signaleringsaanpassingen in D₂+ MSN's wijzigen de gedragsreactie van een dier op misbruikmisbruik (Lobo et al., 2010). De laatste bevindingen toonden aan dat verlies van TrkB (de receptor voor BDNF) in D₂+ MSN's resulteren in vergelijkbare gedragsreacties op cocaïne als totale TrkB-knock-out van het NAc, waarbij voor het eerst een selectieve dominante rol voor een moleculaire route in D wordt aangetoond₂+ MSN's bij het bemiddelen van de effecten van misbruik door drugs.

Ten slotte onthult recente literatuur dat de twee MSN's antagonistische effecten uitoefenen in drugsgerelateerd gedrag, waarbij activering van D₁+ MSN's of remming van D₂+ MSN's verbeteren de gevoeligheid van een dier voor een drugsverslaving (Hikida et al., 2010; Lobo et al., 2010; Ferguson et al., 2011). Deze bevindingen komen overeen met tegengestelde rollen van de twee MSN's en hun directe versus indirecte routes in de basale ganglia bij motorisch gedrag (Alexander et al., 1986; Albin et al., 1989; Graybiel, 2000; Kravitz et al., 2010). Deze recente literatuur is in overeenstemming met het algemene idee dat dopaminerge neurotransmissie, die wordt geactiveerd door alle drugs van misbruik, glutamaterge activering van D vergemakkelijkt.₁+ MSN's tijdens het remmen van glutamaterge activering van D₂+ MSN's door zijn acties op D₁ versus D₂ dopaminereceptoren (Figuur 1). In deze review behandelen we de huidige kennis van de verschillende moleculaire signalen die deze twee MSN-subtypen vertonen in relatie tot hun functionele rollen en reacties op misbruiktegenmiddelen.

Figuur 1. Alle drugs van misbruik verhogen de dopamine-signalering in striatum, die op verschillende manieren glutamaterge activiteit in de twee MSN-subtypen kan moduleren. Cocaïne bindt zich met name aan de dopaminetransporteur die dopamine-heropname voorkomt in de uiteinden van VTA-dopamineneuronen. Activering van G_s/_olf gekoppelde D₁ receptoren versterken PKA-activiteit en veranderen Ca²⁺ en K⁺ conductances om de glutamaat-gemedieerde "up-state" in deze MSN's te versterken. Daarentegen activering van G_i/G_o D₂-receptoren verminderen PKA-activiteit en veranderen Ca²⁺, Na⁺en K⁺ geleidingen om de door glutamaat gemedieerde "up-state" te verminderen. Dit verschuift deze MSN's terug naar hun rustende "down-state".

Dopamine Receptor-signalering in D₁ versus D₂ MSN

Zoals reeds opgemerkt, activeren alle misbruikmedicijnen dopaminerge input naar de NAc en gerelateerde limbische hersenregio's (Volkow et al., 2004; Wise, 2004; Nestler, 2005). Psychostimulantia zoals cocaïne of amfetamine werken bijvoorbeeld direct op de dopaminerge beloningsroute door de dopaminetransporteur te verstoren: cocaïne blokkeert de transporter en amfetamine keert de transporter om, beide acties resulteren in een dopamine-opbouw in de synaps die stroomafwaarts dopamine kan activeren receptoren op doelneuronen (Figuur 1). De twee MSN's zijn het meest opmerkelijk gedifferentieerd door hun verrijking van D₁ versus D₂-receptoren hoewel uit single-cell RT-PCR-onderzoeken blijkt dat D₁+ MSN's drukken lage niveaus van de D uit₂-achtige receptor, D.₃ en D₂+ MSN's drukken lage niveaus van de D uit₁-achtige receptor, D.₅ (Surmeier et al., 1996). De twee MSN's vereisen glutamaterge innervatie om neurale activiteit te stimuleren; dopamine moduleert deze functionele responsen tegengesteld via stimulatie van verschillende dopaminereceptor-subtypen: door stimulerende glutamaterge input positief te moduleren door D₁ receptorsignalering via G_s of G_olf, die adenylylcyclase stimuleert, leidend tot verhoogde PKA-activiteit, terwijl dopamine deze input negatief beïnvloedt via D₂-receptorsignalering via G_i en G_o die adenylylcyclase remmen, waardoor de PKA-activiteit afneemt (Surmeier et al., 2007; Gerfen en Surmeier, 2011). In werkelijkheid oefent elke receptor complexe effecten uit op vele extra stroomafwaartse signaalroutes. In rust zijn de twee MSN-subtypen over het algemeen geremd, ze zitten in wat onderzoekers de down-state hebben genoemd. Excitatory glutamatergic synaptic activity kan de MSN's van deze down-state bevrijden en ze in een meer gedepolariseerde toestand (de up-state) brengen. Dopamine moduleert tegengesteld de prikkelende glutamatergische verschuiving naar de opwaartse toestand. D₁ activering van PKA verbetert Cav1 L-type Ca²⁺ kanaalactiviteit, vermindert somatisch K⁺ kanaalactiviteit, en downreguleert Cav2 Ca²⁺ kanalen die de activering van Ca regelen²⁺ afhankelijke, kleine geleiding K⁺ (SK) kanalen, wat resulteert in een toename van de spiking in deze MSN's (Surmeier et al., 2007; Gerfen en Surmeier, 2011). D₂ signalering remt de transitie van de op-toestand, waardoor verhoogde spiking wordt voorkomen, via reductie van Cav1 L-type Ca²⁺ kanaalactiviteit en Nav1 Na⁺ kanaalactiviteit terwijl K wordt verhoogd⁺ kanaalstromen (Surmeier et al., 2007; Gerfen en Surmeier, 2011; Figuur 1). Dergelijke tegengestelde veranderingen in de twee MSN's suggereren dat verhoogde dopamine-signalering opgewekt door drugs van misbruik glutamaterge activering van D zou moeten verbeteren.₁+ MSN's en verminderen glutamaterge activering van D₂+ MSN's. In werkelijkheid zijn dergelijke antwoorden veel gevarieerder en complexer om redenen die slecht worden begrepen. Dit onderwerp zal hieronder verder worden behandeld.

De rol van dopamine-receptoren bij drugsmisbruik is complex en vaak ongrijpbaar (Zelf, 2010). Er is een overvloed aan literatuur over de rol van D₁ en D₂-receptoragonisten en -antagonisten bij het moduleren van lonende eigenschappen en zelftoediening van drugs van misbruik, maar de resultaten verschillen afhankelijk van het type agonist / antagonist dat wordt gebruikt, het type aflevering (systemisch versus hersenregio-specifiek) en de timing van de behandeling (Zelf, 2010). Dergelijke resultaten worden verder verstoord door niet-striatale specifieke effecten, zoals de bijdrage van pre-synaptische D₂-receptoren van de VTA of de aanwezigheid van D₁ receptoren in veel andere limbische regio's, en het ontbreken van specificiteit van de gebruikte agonisten / antagonisten evenals de expressie van D₁-achtig en D₂-achtige receptoren in beide MSN-subtypen zoals eerder opgemerkt. Over het algemeen wordt gedacht dat D₁ receptoren spelen een meer overheersende rol in de belangrijkste belonende eigenschappen van drugs van misbruik, terwijl D₂-receptoren spelen een rol bij geneesmiddelenzoekmechanismen (Self et al., 1996; Zelf, 2010). Studies met D₁ receptor en D₂-receptor knock-out muizen geven enig inzicht in de rol van deze receptoren in de twee MSN's. D₁ knock-outmuizen vertonen een afgestompte inductie van directe vroege genen (IEG's) c-Fos en Zif268 als reactie op cocaïne, een verminderde respons op psychostimulant-geïnduceerde locomotorische activiteit maar zonder veranderingen in plaatsbepaling met cocaïne-geconditioneerde plaats (CPP) - een indirecte maat voor drugsbeloning en verminderde cocaïne zelftoediening en ethanolconsumptie (Miner et al., 1995; Drago et al., 1996; Crawford et al., 1997; El-Ghundi et al., 1998; Caine et al., 2007). D₂ knock-outmuizen vertonen verminderde belonende effecten voor opiaten en cocaïne en een verminderde ethanolconsumptie, maar geen vermindering van het aantal cocaïne (Maldonado et al., 1997; Cunningham et al., 2000; Risinger et al., 2000; Caine et al., 2002; Chausmer et al., 2002; Elmer et al., 2002; Welter et al., 2007). Dergelijke gegevens ondersteunen belangrijke rollen voor D₁ en D₂-receptoren in de twee MSN's in meerdere aspecten van drugsmisbruik, echter, de knockouts missen striatale specificiteit en treden vroeg in ontwikkeling op, dus kan men andere hersenregio's en celtypes en ontwikkelingsfactoren niet uitsluiten bij het bemiddelen van dit gedrag. Ten slotte zijn verlaagde niveaus van D₂/D₃ receptoren in striatum, zoals gevisualiseerd door beeldvorming met de hersenen, zijn een veel voorkomende marker geworden voor verslaving bij menselijke patiënten, vooral tijdens perioden van terugtrekking (Volkow et al., 2009). Knaagdieren die virale gemedieerde genoverdracht van D ontvangen₂-receptoren voor het NAc-display verzwakten cocaïne zelftoediening en ethanolconsumptie (Thanos et al., 2004, 2008). Deze studies werden niet op een celtype-specifieke manier uitgevoerd, dus we kunnen het mogelijke effect van D niet uitsluiten₂-receptor overexpressie die D beïnvloedt₁+ MSN's. Deze verzameling gegevens benadrukt de noodzaak om over te schakelen naar meer selectieve benaderingen, waaronder celtypespecifieke, regiospecifieke en zelfs temporeel specifieke manipulaties van de dopaminereceptoren om hun functionele rollen in de twee MSN-subtypen bij drugsverslaving beter te verduidelijken.

Ten slotte is onlangs gemeld dat D₂-GFP-homozygote BAC-transgene muizen vertonen verhoogde expressieniveaus van de D₂-receptor in striatum en verbeterde gedragsgevoeligheid en dopamine-signalering naar D₂ agonisten. Bovendien vertonen zowel homozygoten als hemizygoten botachtige gedragsreacties tegen cocaïne (Kramer et al.., 2011). Deze studie benadrukt de noodzaak om een ​​grondige karakterisering van D uit te voeren₁ en D₂ fluorescente reporter en Cre-stuurprogramma's. Het merendeel van de in dit onderzoek verzamelde gegevens gebruikte echter homozygoten, wat niet het ideale experimentele genotype is, omdat 5-10% van de transgene integraties resulteert in insertionele mutaties (Meisler, 1992); daarom is het hemizygote genotype het meer betrouwbare experimentele genotype. Bovendien heeft dit onderzoek geen gebruik gemaakt van wildtype-controles van het wildtype, maar gebruikte het controles op een vergelijkbare achtergrond (Swiss Webster) verkregen van Taconic, terwijl hun transgene lijnen werden verkregen van GENSAT en MMRRC. Ten slotte heeft een andere groep normale gedragsreacties van cocaïne op locomotieven getoond in D₂-GFP hemizygoten (Kim et al., 2011). Toekomstige studies met de juiste controles en juiste genotypen moeten dus worden uitgevoerd om de verschillende voor het celtype specifieke transgene lijnen die beschikbaar zijn volledig te karakteriseren.

Glutamaat- en GABA-signalering in D₁ versus D₂ MSN

Medium stekelige neuronen ontvangen glutamaterge invoer van meerdere hersengebieden, inclusief prefrontale cortex, amygdala en hippocampus, en GABAergische input van lokale interneuronen en misschien ook collaterale inputs van andere MSN's. Netto stimulerende en remmende regulatie van MSN's is ongetwijfeld cruciaal bij het reguleren van de drugsverslaafde toestand, en er is nu een groeiende literatuur over de complexe manieren waarop drugs van misbruik de glutamaterge neurotransmissie in het bijzonder in het NAc veranderen (Pierce et al., 1996; Thomas et al., 2001; Beurrier en Malenka, 2002; Kourrich et al., 2007; Bachtell en Self, 2008; Bachtell et al., 2008; Conrad et al., 2008; Kalivas, 2009; Wolf, 2010). Hoewel men denkt dat MSN's primair bestaan ​​in een geremde neerwaartse toestand onder basale condities met glutamaat-aansturende activiteit van beide celtypes, blijft er beperkte informatie over wat betreft specifieke regulatie die voorkomt in D₁ versus D₂ MSN.

ΔFosB-overexpressie in D₁+ MSN's (zie hieronder voor meer details) verbeteren de lonende effecten van cocaïne en verhogen de niveaus van de Ca²⁺niet-doorlaatbare glutamaatreceptorsubeenheid, GluR2, in NAc. Bovendien verhoogt de virale gemedieerde genoverdracht van GluR2 naar het NAc op vergelijkbare wijze de lonende effecten van cocaïne (Kelz et al., 1999). Het is echter niet bekend of de inductie van GluR2 wordt waargenomen als reactie op ΔFosB-overexpressie in D₁+ MSN's is ook specifiek voor deze neuronen en de virale overexpressie van GluR2 is niet specifiek voor het celtype, daarom kunnen we geen directe conclusies over de GluR2-functie in deze twee MSN's in geneesmiddelbeloning concluderen. Heusner en Palmiter (2005) onderzocht de rol van NMDA glutamaterge geleiding in cocaïnegedrag door een NR1-subeenheid tot expressie te brengen, die een mutatie in de porie bevat die calciumflux vermindert, selectief in D₁+ MSN's. Deze groep toonde aan dat het ontbreken van NMDA-geleiding in D₁+ MSN's voorkomt door cocaïne geïnduceerde CPP- en cocaïne-locomotorisibilisatie, wat de noodzaak van NMDA-signalering in D benadrukt₁+ MSN's voor de belonende en sensibiliserende effecten van cocaïne (Heusner en Palmiter, 2005). Verder is recent ontdekt dat het uitschakelen van de NR1-subeenheid in D₁+ MSN's verzwakt amfetamine-sensitisatie en dit fenotype werd gered door de NR1-subeenheid te herbevoorraden in D₁+ MSN's specifiek in het NAc (Beutler et al., 2011). Ten slotte, knock-down van de mGluR5-subeenheid, met behulp van RNA-interferentie, in D₁+ MSN's heeft geen effect op de aanvankelijke lonende eigenschappen van cocaïne, maar vermindert het cue-geïnduceerde herstel van het zoeken naar cocaïne (Novak et al., 2010). Hoewel deze gegevens dwingende rollen voor glutamaterge signalering in D onthullen₁+ MSN's, toekomstig werk is nodig om glutamaterge systemen in D te bestuderen₂+ MSN's. Toekomstig onderzoek moet ook evalueren hoe modulatie van deze glutamaatreceptorsubeenheden in de twee MSN-subtypen de structurele synaptische veranderingen beïnvloedt die worden waargenomen in NAc na misbruik drugs (Dietz et al., 2009; Russo et al., 2010), in het bijzonder de dendritische veranderingen waargenomen na cocaïneblootstelling selectief in de D.₁+ MSN's (Lee et al., 2006; Kim et al., 2011) die geassocieerd kan zijn met de toename van miniatuur exciterende postsynaptische stromen waargenomen in D₁+ MSN's (Kim et al., 2011). Interessant is dat ΔFosB-inductie in D₁+ MSN's zijn direct gerelateerd aan dergelijke dendritische aanpassingen na chronische cocaïne (Maze et al., 2010).

In tegenstelling tot glutamaat is er een gebrek aan onderzoek naar de GABA-functie in de twee MSN's in verslavingsmodellen, wat verrassend is, aangezien zowel ethanol als benzodiazepines de effecten van GABA versterken en de twee MSN's dichte GABAergische inputs ontvangen, zoals hierboven vermeld. Er is ook aanzienlijk bewijs dat wijst op een verhoogde remming in het NAc, ten minste na chronische blootstelling aan cocaïne (White et al., 1995; Peoples et al., 1998; Zhang et al., 1998.; Thomas et al., 2001; Beurrier en Malenka, 2002). Heiman et al. (2008) uitgevoerde high throughput genetische screening in de twee MSN's na chronische blootstelling aan cocaïne en, interessant genoeg, het meest veranderde biologische proces in de D₁+ MSN's was GABA-signalering. In het bijzonder was er een sterke opregulatie van GABA_A receptor subunits Gabra1 en Gabra4 evenals de GABA_B receptor subunit Gabrb3, en deze groep ontdekte dat chronische cocaïne de frequentie van GABAergic mini-remmende postsynaptische stroom (mIPSC's) met kleine amplitude verhoogt in D₁+ MSN's (Heiman et al., 2008). Aan de andere kant heeft een andere groep onlangs aangetoond dat chronische cocaïne resulteert in een tegengestelde reactie met verminderde frequentie en amplitude van mIPSC's in de D1 + MSN's (Kim et al., 2011). De laatste groep vertoonde echter een verminderde membraan-prikkelbaarheid in de D₁+ MSN's na chronische cocaïne, die een weerspiegeling zou kunnen zijn van een versterkte GABA-toon en consistent is met de beoordeling van het veld van verhoogde remming in het NAc na blootstelling aan chronische cocaïne. Bovendien kunnen dergelijke verschillen tussen de twee groepen eenvoudigweg te wijten zijn aan de timing van blootstelling aan en terugtrekking van cocaïne. In het algemeen is er behoefte aan het bestuderen van glutamaterge en GABAergische functie in de twee MSN's als reactie op misbruiktegenmiddelen en het veld is nu uitgerust met de middelen die een dergelijke celtype- en regiospecifieke studie mogelijk maken.

Andere receptorsignalering in D₁ versus D₂ MSN Subtypes

De twee MSN's zijn differentieel verrijkt met andere aan G-eiwit gekoppelde receptoren naast dopaminereceptoren. D₁+ MSN's brengen hogere niveaus van de acetylcholine muscarinereceptor 4 tot expressie (M.₄; Bernard et al., 1992; Ince et al., 1997) en D₂+ MSN's zijn verrijkt in zowel adenosinereceptor 2A (A._2A; Schiffmann et al., 1991; Schiffmann en Vanderhaeghen, 1993) en G-eiwit-gekoppelde receptor 6 (Gpr6; Lobo et al., 2007; gensat.org). M₄ is gekoppeld aan G_io, wat een tegenovergesteld antwoord zou produceren, vergeleken met D₁ receptoren, in D₁+ MSN's door cAMP / PKA-activiteit te remmen. Inderdaad, een D₁+ MSN selectief M₄ knock-out vertoonde verbeterde gedragssensibilisatie voor cocaïne en amfetamine (Jeon et al., 2010). Bovendien toonden recente studies met een ontwerperreceptor die uitsluitend werd geactiveerd door een synthetisch medicijn (DREADDs) aan dat activering van de DREADD Gi / o-gekoppelde menselijke M₄ receptor (hM₄D) in D₁+ MSN's verminderde gedragssensibilisatie voor amfetamine, met de tegenovergestelde reactie die wordt gezien in D₂+ MSN's (Ferguson et al., 2011). Dergelijke gegevens onthullen de antagonerende rol van M₄ receptoren in D₁+ MSN's bij drugsmisbruik. Ook, sinds de hM₄D-receptor remt krachtig deze MSN's, de gegevens verschaffen inzicht in het effect van veranderde activiteit van deze twee MSN's op drugsmisbruik, die hieronder verder zullen worden besproken.

Beide A_2A en Gpr6 zijn positief gekoppeld aan G_s/G_olf eiwitten, implicerend hun rol in het antagoniseren van de D₂-receptor in D₂+ MSN's. Inderdaad, stimulatie van A_2A receptoren blijkt zowel de ontwikkeling als de expressie van cocaïne-sensibilisatie te verminderen (Filip et al., 2006), de start van zelftoediening door cocaïne beïnvloeden (Knapp et al., 2001), en antagoniseren het herstel van cocaïne opgespoord door cocaïne, D₂-receptorstimulatie, of cocaïne-geconditioneerde signalen (Bachtell en Self, 2009). Omdat Gpr6 ook is verrijkt met D₂+ MSN's (Lobo et al., 2007), moet zijn rol in gedragsfuncties van het striatum worden geëvalueerd. Tot op heden is aangetoond dat het instrumenteel leren beïnvloedt (Lobo et al., 2007) maar de rol ervan in drugsmisbruikmodellen is nog onbekend.

De cannabinoïde receptor 1 (CB1) komt alom overal in het centrale zenuwstelsel tot expressie (Mackie, 2008), vandaar dat het moeilijk is om de precieze rol van specifieke hersenregio's en celtypen bij het mediëren van Δ9-tetrahydrocannabinol (THC) -verslaving te ontleden. Onlangs is CB1 verwijderd van D₁+ MSN's bleken een bescheiden invloed te hebben op gedragsreacties op THC, waaronder stompe effecten bij door THC geïnduceerde hypolocomotie, hypothermie en analgesie (Monory et al., 2007). Het zou interessant zijn om de cannabinoïdereceptorfunctie in D te evalueren₂+ MSN's omdat deze MSN's endocannabinoïde-gemedieerde langdurige depressie (eCB-LTD) tot expressie brengen, waarvoor dopamine D nodig is₂-receptoractivering (Kreitzer en Malenka, 2007).

De glucocorticoïde receptor, Nr3c1, komt ook breed tot uitdrukking in het CZS en de periferie. Stress-geïnduceerde glucocorticoïdsecretie kan onaangepast gedrag, waaronder drugsverslaving, versterken (Frank et al., 2011). In het bijzonder, het verstoren van glucocorticoïde signalering in D₁+ MSN's door Nr3c1 te verwijderen, verminderde de motivatie van deze muizen om zelf cocaïne toe te dienen, en dit is consistent met eerdere gegevens waarbij Nr3c1 uit de hele hersenen was verwijderd (Ambroggi et al., 2009). Deze gegevens komen overeen met andere bevindingen die in dit overzicht worden beschreven en tonen een overheersende rol voor D₁+ MSN's bij het bemiddelen van veel van de effecten van misbruik door drugs.

Ten slotte hebben we onlangs de BDNF-signalering in de twee MSN's verstoord door de TrkB-receptor ervan selectief uit elk MSN-subtype te verwijderen. We observeerden tegengestelde effecten op door cocaïne opgewekt gedrag: door cocaïne geïnduceerde locomotorische activiteit en de inductie van cocaïne CPP waren verbeterd na TrkB-deletie uit D₁+ MSN's, maar verzwakt na verwijdering van D₂+ MSN's (Lobo et al., 2010). Interessant is dat de verwijdering van TrkB uit D₂+ MSN's bootsen de effecten na van totale deletie van TrkB uit het NAc evenals verstoring van BDNF-signalering van de VTA (Horger et al., 1999; Graham et al., 2007, 2009; Bahi et al., 2008; Crooks et al., 2010). Deze bevindingen tonen dus voor het eerst een overheersende rol aan van een signaalcascade in D₂+ MSN's bij het bemiddelen van de effecten van een misbruikend medicijn. De overheersende rol van D₂+ MSN's bij het mediëren van BDNF's effecten op door cocaïne opgewekt gedrag is niet verrassend, aangezien zowel TrkB-mRNA als eiwit verrijkt zijn in D₂+ MSN's (Lobo et al., 2010; Baydyuk et al., 2011). De gedragsveranderingen die werden waargenomen bij deze muizen gingen gepaard met verbeterde neuronale activiteit in de D₂+ MSN's na een selectieve knock-out van TrkB. Deze bevindingen hebben ons ertoe aangezet om optogenetische technologie te gebruiken om MSN selectief te manipuleren in cocaïne-beloning (zie hieronder).

Transcriptiefactoren in D₁ versus D₂ MSN

Het meest overtuigende bewijs voor de meer robuuste rol van D₁+ MSN's bij drugsmisbruik komen uit literatuur die de inductie van intracellulaire signaalmoleculen evalueert. Zoals hierboven vermeld, induceren acute doses psychostimulantia IEG-expressie, waaronder c-Fos, Zif268 (Egr1) en FosB voornamelijk in D₁+ MSN's in NAc en dStr (Robertson et al., 1991; Young et al., 1991; Berretta et al., 1992; Cenci et al., 1992; Moratalla et al., 1992; Bertran-Gonzalez et al., 2008). Deze inductie vereist activering van D₁ receptoren en de celtype-specificiteit van de IEG-inductie als reactie op acute cocaïne werd onlangs bevestigd met behulp van D₁-GFP en D₂-GFP reportermuizen (Bertran-Gonzalez et al., 2008). Interessant is dat de bevestiging van cocaïne's inductie van c-Fos voornamelijk in D₁-GFP in heel striatum met een kleine inductie in D₂-GFP MSN's alleen in dStr werd bevestigd met behulp van een contextafhankelijk paradigma (muizen werden geïnjecteerd in een nieuwe omgeving buiten hun thuissysteem). Verder een eerdere studie met in situ hybridisatie bij muizen toonde ook inductie van c-Fos in D₁+ en D₂+ MSN's in dStr, hoewel in deze studie representatieve staafdiagrammen een groter aantal D tonen₁+ c-Fos positieve neuronen (Ferguson et al., 2006). Interessant is dat deze studie significant verbeterde c-Fos-inductie in D laat zien₂+ MSN's in de dStr na verlies van ERK1, wat overeenkomt met onze bevindingen van verbeterde c-Fos-inductie in D₂+ MSN's specifiek in de NAc-shell na verstoring van BDNF-signalering waarvan bekend is dat deze de ERK-activiteit verbetert (Lobo et al., 2010). Tegengestelde gedragsreacties tegen cocaïne werden echter waargenomen in elk onderzoek, wat de inductie van c-Fos in D kan weerspiegelen₂+ MSN's in de shell dStr vs. NAc. Ten slotte, eerdere literatuur met behulp van in situ hybridisatie / immunohistochemie bij ratten heeft aangetoond dat acute psychostimulantia c-Fos evenzeer in beide MSN's kunnen induceren als het geneesmiddel in een nieuwe omgeving wordt toegediend (Badiani et al., 1999; Uslaner et al., 2001a,b; Ferguson en Robinson, 2004) en van chronische toediening van amfetamine wordt gerapporteerd dat het selectief c-Fos in D induceert₂+ MSN's (Mattson et al., 2007). Deze verschillende resultaten kunnen een weerspiegeling zijn van de gebruikte experimentele procedures (in situ hybridisatie versus GFP reportermuizen) of zelfs te wijten zijn aan de diersoort die werd gebruikt als de laatste experimenten gebruikte ratten.

Onlangs hebben onderzoekers de cocaïnecontext-afhankelijke, door c-Fos geactiveerde neuronen bij ratten genetisch geprofileerd met behulp van immunolabelde fluorescentie-geactiveerde celsortering (FACS) en toonden aan dat de c-Fos + neuronen verrijkt zijn in een D₁+ MSN-gen, prodynorfine (Pdyn), maar hebben lagere niveaus van D₂ en een_2A, beide D₂+ MSN-genen (Guez-Barber et al., 2011), wat suggereert dat de c-Fos + geactiveerde neuronen voornamelijk uit D bestaan₁+ MSN's. Bovendien toonde deze groep eerder aan dat c-Fos die MSN's tot expressie brengen belangrijk zijn voor deze contextafhankelijke sensitisatie, aangezien ablatie van deze neuronen dit gedragsfenotype opheft (Koya et al., 2009). Hoewel eerdere gegevens aantoonden dat de cocaïnecontext-afhankelijke inductie van c-Fos optreedt in zowel D.₁+ en D₂+ MSN's bij ratten, komen de recentere resultaten overeen met bevindingen waarin selectief c-Fos uit D wordt verwijderd₁+ MSN's blokkeren cocaïne-geïnduceerde locomotorisibilisatie bij muizen (Zhang et al., 2006.). Verder vond deze groep dat het verwijderen van c-Fos in D₁+ MSN's blokkeren de dendritische wervelkolomveranderingen die normaal worden veroorzaakt door cocaïne in het NAc, wat een rol aangeeft voor c-Fos bij het mediëren van deze synaptische plasticiteitsveranderingen. Ten slotte constateerde de groep geen verandering in de inductie van cocaïne CPP, maar vond dat verlies van c-Fos in D₁+ MSN's voorkwamen het uitsterven van cocaïne CPP. Dergelijke gegevens illustreren een dynamische rol voor c-Fos-inductie in D₁+ MSN's, maar men kan niet uitsluiten dat de differentiële effecten op gedragsniveau worden gemedieerd door een van de vele andere limbische hersengebieden die de D tot expressie brengen₁ receptor.

Een andere IEG die uitgebreid is bestudeerd in de twee MSN-subtypes is FosB. Acute blootstelling aan cocaïne induceert FosB in D₁+ MSN's (Berretta et al., 1992), terwijl chronische blootstelling ΔFosB, een stabiel product van het FosB-gen gegenereerd door alternatieve splitsing induceert (Hope et al., 1994; Nestler et al., 2001; Nestler, 2008), in D₁+ MSN's (Nye et al., 1995; Moratalla et al., 1996; Lee et al., 2006). Vergelijkbare bevindingen worden waargenomen bij veel andere drugsverslaafden, evenals bij natuurlijke beloningen zoals voedsel, seks en wielrennen. Bijvoorbeeld chronisch wielrennen, wat een natuurlijke beloning is (Iversen, 1993; Belke, 1997; Lett et al., 2000), induceert ΔFosB in D₁+ MSN's maar niet D₂+ MSN's (Werme et al., 2002). Om functioneel inzicht te krijgen in de rol van ΔFosB in de twee MSN's, heeft onze groep NSE-tTa-lijnen gegenereerd, genaamd 11A en 11B, die transgene expressie naar D sturen.₁+ of D₂+ MSN's, respectievelijk (Chen et al., 1998; Kelz et al., 1999; Werme et al., 2002). Line 11A-muizen met een Tet-Op ΔFosB-lijn tonen verhoogde responsen op de belonende en locomotorische effecten van cocaïne (Kelz et al., 1999), wat consistent is met ΔFosB-inductie in D₁+ MSN's (Nye et al., 1995; Moratalla et al., 1996). Bovendien vertonen deze zelfde muizen een verhoogde morfine-beloning (geëvalueerd door CPP) evenals verminderde morfine-analgesie en verbeterde morfinetolerantie, terwijl de 11B Tet-Op ΔFosB-muizen geen verandering in morfine-beloning vertonen. Overexpressie van een dominante negatieve antagonist van ΔFosB oefent effecten uit tegenovergesteld aan die waargenomen met ΔFosB, hoewel dit muismodel geen onderscheid maakt tussen D₁ versus D₂ MSN's (Peakman et al., 2003). Samen ondersteunen deze gegevens de rol van ΔFosB-inductie in D₁+ MSN's als een belangrijke moleculaire speler in de belonende eigenschappen van misbruik drugs (Zachariou et al., 2006). Dit fenomeen wordt ook waargenomen in andere beloningsgedragingen, met name wielrennen: 11A Tet-Op ΔFosB-muizen vertonen een verhoogd wielloopgedrag, terwijl 11B Tet-Op ΔFosB-muizen minder wiellopen vertonen (Werme et al., 2002). De bevinding dat ΔFosB-inductie in D₁ MSN's bevordert beloning is consistent met recente bevindingen dat dergelijke celtype selectieve inductie ook veerkrachtreacties op chronische stress bevordert (Vialou et al., 2010). Ten slotte, chronische cocaïne-inductie van ΔFosB in D₁+ Het bleek dat MSN's gepaard gingen met robuuste langdurige toename van de densiteit van de dendritische wervelkolom (Lee et al., 2006) en recent werd ΔFosB in het NAc zowel noodzakelijk als voldoende om de verhoogde dichtheid van dendritische stekels in dit hersengebied (Maze et al., 2010). Dergelijke gegevens ondersteunen een rol voor ΔFosB in D₁+ MSN's bij het bemiddelen in de belonende aspecten van drugsmisbruik en natuurlijke beloningen, evenals de bijbehorende structurele plasticiteitsveranderingen. De gegevens suggereren ook dat inductie van ΔFosB in D₂+ MSN's hebben negatieve gevolgen voor belonende stimuli. Sinds ΔFosB-inductie in D₂+ MSN's worden gezien als reactie op chronische stress en blootstelling aan antipsychotica (Hiroi en Graybiel, 1996; Perrotti et al., 2004), zijn verdere studies van de laatste acties nodig.

Andere intracellulaire signaalmoleculen in D₁ versus D₂ MSN

Eén signaleringsmolecuul dat goed bestudeerd is in de twee MSN's in de context van drugsmisbruik, is het eiwitkinase, ERK (extracellulair signaal-gerelateerde kinase). Acute of chronische blootstelling aan cocaïne induceert gefosforyleerd ERK (pERK), de geactiveerde vorm van het eiwit, in het NAc en dStr in D₁+ MSN's gebruiken D₁-GFP en D₂-GFP BAC transgene reportermuizen (Bertran-Gonzalez et al., 2008) en dit antwoord wordt gemedieerd via D₁ receptoren (Valjent et al., 2000; Lu et al., 2006). Deze groep toonde ook aan dat pMSK-1 (fosfo-MAP en stress-geactiveerde kinase-1) en histon H3, beide doelen van pERK-signalering, robuust worden geïnduceerd in pERK met D₁+ MSN's na acute blootstelling aan cocaïne en bescheiden verhoogd na chronische cocaïne (Bertran-Gonzalez et al., 2008). pERK wordt ook geïnduceerd als reactie op chronische morfine, in het bijzonder wordt pERK krachtig geïnduceerd in D₁+ MSN's en bescheiden geïnduceerd in D₂+ MSN's in de NAc-schaal na intrekking als reactie op de contextspecifieke associatie met morfine (Borgkvist et al., 2008). De precieze functionele rol van pERK in drugsverslaving moet nog worden bepaald. Van farmacologische behandeling met ERK-remmers is aangetoond dat deze de cocaïnebeloning verlaagt, maar een knock-out van ERK1 versterkt de cocaïnespons, wat suggereert dat ERK-remmers bij voorkeur een effect hebben op ERK2. Onlangs toonden we aan dat optogenetische activering van D₁+ MSN's in het NAc, die de belonende reacties van een dier op cocaïne verhogen, verlagen zowel pERK1 als pERK2 krachtig. Toekomstige studies die ERK-expressie manipuleren op een celtypespecifieke manier zijn noodzakelijk om de functionele rol van ERK-signalering in de twee MSN's in drugsmisbruik volledig aan te pakken.

DARPP-32 is een ander signaalmolecuul dat uitgebreid is onderzocht in reactie op misbruiktegenmiddelen. Het is bekend dat acute psychostimulantia leiden tot PKA-fosforylering van DARPP-32 op threonine 34 (T34), waardoor het een krachtige remmer van eiwitfosfatase 1 (PP-1) wordt, dat de fosforyleringstoestand van veel effectoreiwitten reguleert, waaronder transcriptiefactoren, ionotrope receptoren en ionkanalen (Greengard et al., 1999). Tot voor kort was het echter onduidelijk welk MSN-subtype deze biochemische verandering medieert. Greengard et al. (1999) gegenereerde BAC-transgene muismodellen die de evaluatie van DARPP-32-fosforylering in D mogelijk maken₁+ of D₂+ MSN's door getagde versies van DARPP-32 uit te drukken met D₁ of D₂ BAC's die immunoprecipitatie van DARPP-32 van elk MSN-subtype mogelijk maken. Deze studies toonden aan dat acute behandeling met cocaïne de T34-fosforylering in D verhoogt₁+ MSN's en induceert fosforylering van threonine 75 (T75) door Cdk5, dat PKA-signalering remt, selectief in D₂+ MSN's (Bateup et al., 2008). Uiteindelijk toonde deze groep dat deletie van DARPP-32 van elk MSN-subtype met D₁-Cre en D₂-Cre BAC-transgene muizen resulteert in tegengestelde regulatie van door cocaïne geïnduceerde locomotorische activiteit (Bateup et al., 2010). Verlies van DARPP-32 van D₁+ MSN's verminderden de locomotorische effecten van cocaïne, die eerdere gegevens nabootst die een totale DARPP-32 knock-out evalueren (Fienberg et al., 1998), terwijl verlies van DARPP-32 van D₂+ MSN's verbeterde respons op cocaïne-locomotieven. Dergelijke gegevens leveren concreet bewijs voor verschillende rollen van DARPP-32 in de twee MSN's als reactie op drugsmisbruik en illustreren het belang van celtypespecifieke methoden om de bijdrage van deze twee neuronale typen aan drugsverslaving volledig te begrijpen.

Modulerende activiteit van D₁ of D₂ MSN

Direct moduleren van de activiteit van de twee MSN-subtypes heeft onlangs nieuw inzicht opgeleverd in de moleculaire en functionele rol van D₁ en D₂ MSN's in verslaving. We gebruikten optogenetische tools in combinatie met een voorwaardelijke (dwz Cre-afhankelijke) adeno-geassocieerde virale (AAV) vector die het door blauw licht geactiveerde kationkanaal tot expressie brengt, channelrhodopsin-2 (ChR2). We injecteerden de vector, of een controle, in de NAc van D₁-Cre of D₂-Cre BAC-transgene muizen en stimuleerde vervolgens het geïnjecteerde gebied met blauw licht om D selectief te activeren₁+ versus D₂+ MSN's in de context van cocaïne CPP. We ontdekten dat activering van D₁+ MSN's potentieert inductie van cocaïne CPP, terwijl activering van D₂+ MSN's remt deze inductie (Lobo et al., 2010). Zoals eerder opgemerkt, hebben we dezelfde gedragseffecten waargenomen toen TrkB selectief werd verwijderd uit deze MSN-subtypen: verbeterde cocaïne CPP en locomotorische activiteit na TrkB-deletie uit D₁+ MSN's en verminderde cocaïne CPP en locomotorische activiteit na TrkB-deletie van D₂+ MSN's. De waarschijnlijk gemeenschappelijke actie van TrkB knock-out en optogenetische stimulatie in D₂+ MSN's is hun verhoogde activiteit, omdat deletie van TrkB uit deze cellen hun elektrische exciteerbaarheid verhoogt. Zoals eerder vermeld, vonden we ook een robuuste reductie van pERK na TrkB-deletie van D₁+ MSN's. pERK is een bekend downstream-doelwit van BDNF-signalering, daarom zijn de gedeelde gedragseffecten waargenomen na TrkB-deletie van D₁+ MSN's en van optogenetische activering van deze cellen kunnen te wijten zijn aan convergerende effecten op pERK-activiteit. Toekomstig werk is echter nodig om de precieze, gedeelde moleculaire onderbouwing te bepalen die de gedragseffecten regelt die worden waargenomen na verstoring van BDNF-signalering en optogenetische controle van deze twee neuronale subtypen.

Andere groepen hebben verschillende tools gebruikt om de activiteit van de twee MSN's in modellen voor drugsmisbruik te moduleren. Hikida et al. (2010) gebruikte AAV-vectoren om tetracycline-repressieve transcriptiefactor (tTa) tot expressie te brengen met behulp van de stof P (een D.₁+ MSN-gen) of enkephalin (een D.₂+ MSN-gen) promoters. Deze vectoren werden geïnjecteerd in het NAc van muizen, waarin tetanustoxine lichte keten (TN) - een bacterieel toxine dat het synaptische vesikel-geassocieerde eiwit splitst, VAMP2 - werd gereguleerd door het op tetracycline reagerende element, om selectief synaptische transmissie in elk te schrappen MSN-subtype. Consistent met onze optogenetische benadering, toonden deze gegevens een rol van D₁+ MSN-activiteit bij het verbeteren van cocaïne CPP evenals door cocaïne geïnduceerde locomotorische activiteit, sinds het opheffen van synaptische transmissie in D₁+ MSN's verminderden beide gedragseffecten. In tegenstelling tot de optogenetische studies vonden de auteurs geen veranderingen in cocaïne CPP na het afschaffen van synaptische transmissie in D₂+ MSN's, maar observeerden verminderde door cocaïne geïnduceerde locomotorische activiteit als reactie op de eerste twee cocaïneblootstellingen. Interessant is dat deze groep aantoonde dat inactivatie van de D₂+ MSN's speelden een meer diepgaande rol in het bemiddelen van aversief gedrag.

Zoals eerder vermeld, Ferguson et al. (2011) gebruikte herpes-simplexvirus (HSV) -vectoren om een ​​gemanipuleerde GPCR (een G_io-gekoppelde menselijke muscarinische M₄ designer-receptor uitsluitend geactiveerd door een designer-medicijn, hM₄D) die wordt geactiveerd door een anderszins farmacologisch inert ligand met behulp van enkefaline- en dynorfine-promotoren om D selectief stil te zetten₁+ of D₂+ MSN's in de dStr. De auteurs toonden aan dat ze tijdelijk D verstoorden₂+ MSN-activiteit in dStr faciliteerde amfetamine sensibilisatie, terwijl afnemende prikkelbaarheid van D₁+ MSN's beïnvloedden de persistentie van door amfetamine geïnduceerde sensibilisatie. Tot slot, het afschaffen van D₂+ MSN's in het NAc op volwassen leeftijd met behulp van de difterietoxinereceptor versterken het lonende effect van amfetamine (Durieux et al., 2009). Dergelijke gegevens zijn in overeenstemming met onze optogenetische bevindingen, en impliceren samen tegengestelde rollen van D₁+ versus D₂+ MSN's bij drugsverslaving, met D₁+ MSN's bevorderen zowel beloning als sensibiliserende reacties op psychostimulantia en D₂+ MSN's dempen dit gedrag.

Toekomstige richtingen

Het veld heeft enorme vooruitgang geboekt in het begrijpen van de selectieve rol van de D₁+ en D₂+ MSN-subtypen in NAc en dStr bij het bemiddelen van de effecten van misbruik door drugs. Vooral recent ontwikkelde tools die selectieve manipulatie van deze celtypen mogelijk maken, hebben een overheersende rol gespeeld bij het verkrijgen van het grootste deel van deze informatie. Wat zijn de volgende stappen? Omdat de onderliggende moleculaire aanpassingen in drugsverslavingsmodellen niet statisch, maar zeer dynamisch zijn, is het cruciaal om het vermogen te ontwikkelen om signaleringsmoleculen van belang in D selectief te manipuleren.₁+ versus D₂+ MSN's op een tijdelijk nauwkeurige manier. DREADD's en optogenetische tools kunnen helpen met deze tijdschaalmanipulatie. DREADD-liganden kunnen op verschillende tijdvakken worden toegediend in alle gedragsparadigma's van geneesmiddelen om de selectieve rol van signaalreceptoren in de twee MSN's in geneesmiddelenmodellen te verkorten. Optogenetische hulpmiddelen bieden met name een buitengewoon krachtig middel om niet alleen neuronale activiteit, maar ook G-eiwit-gekoppelde receptorsignalering tijdelijk te reguleren met behulp van OptoXR's (Airan et al., 2009), glutamaterge signalering (Volgraf et al., 2006; Numano et al., 2009), GABAergic-signalering en zelfs bepaalde intracellulaire signaalmoleculen (Wu et al., 2009; Hahn en Kuhlman, 2010). Uiteindelijk kan het mogelijk zijn om deze mogelijkheden uit te breiden tot optogenetische regulatie van transcriptionele activiteit. Op dezelfde manier maken optogenetische instrumenten het voor het eerst mogelijk om de invloed van specifieke inputs op striatum te bestuderen en om te bepalen of dergelijke inputs selectief op D werken.₁+ versus D₂+ MSN's (Higley en Sabatini, 2010). Het vermogen om dergelijke signalering en moleculaire eigenschappen met een grote tijdelijke resolutie te regelen, zal het mogelijk maken dat belangrijke stappen worden gezet in de richting van een meer uitgebreid begrip van de twee MSN-subtypen en andere celsubtypen in NAc en dStr, in het bemiddelen van het tijdsverloop en verschillende fasen van het medicijn. verslaving.

Belangenconflict verklaring

De auteurs verklaren dat het onderzoek is uitgevoerd in afwezigheid van commerciële of financiële relaties die kunnen worden beschouwd als een potentieel belangenconflict.

Referenties