Nat Neurosci. Auteur manuscript; beschikbaar in PMC 2016 Jan 15.
Gepubliceerd in definitief bewerkte vorm als:
Nat Neurosci. 2014 mei; 17 (5): 704-709.
Gepubliceerd online 2014 apr 6. doi: 10.1038 / nn.3694
PMCID: PMC4714770
NIHMSID: NIHMS574802
Ingo Willuhn,1,2,3,* Lauren M. Burgeno,1,2 Peter A. Groblewski,2 en Paul EM Phillips1,2
De definitieve bewerkte versie van dit artikel is beschikbaar op Nat Neurosci
Zie commentaar "Verlies van fasische dopamine-signalering: een nieuwe verslavingsmarkering"In Nat Neurosci, deel 17 op pagina 644.
Zie andere artikelen in PMC dat citeren het gepubliceerde artikel.
Abstract
Drugsverslaving is een neuropsychiatrische aandoening die wordt gekenmerkt door escalerend drugsgebruik. Dopamine-neurotransmissie in het ventromediale striatum (VMS) veroorzaakt acute versterkende effecten van misbruikte geneesmiddelen, maar bij langdurig gebruik wordt aangenomen dat het dorsolaterale striatum (DLS) de controle over het zoeken naar medicijnen overneemt. We maten de striatale afgifte van dopamine tijdens een zelfregulerend cocaïnegebruik dat escalatie van het innemen van geneesmiddelen bij ratten veroorzaakte. Verrassend genoeg vonden we dat fasisch dopamine in beide regio's afnam naarmate de inname van cocaïne toenam; met de afname van dopamine in de VMS significant gecorreleerd met de snelheid van escalatie. Toediening van de dopaminevoorloper L-DOPA in een dosis die de dopaminesignalering aanvulde in de omgekeerde escalatie van het VMS, waardoor de oorzakelijke relatie tussen verminderde dopaminetransmissie en overmatig drugsgebruik werd aangetoond. Aldus verschaffen deze gegevens samen mechanistisch en therapeutisch inzicht in de excessieve medicijninname die optreedt na langdurig gebruik.
INLEIDING
Drugsmisbruik hangt nauw samen met de afgifte van dopamine in het striatum1,2. Aan drugsgebruik gerelateerde veranderingen in dopamine-neurotransmissie variëren echter in duur en subregio3-5. Langzame toename van de extracellulaire concentratie van dopamine in het ventromediale striatum (VMS), gestimuleerd door vele drugsmisbruik waaronder cocaïne6, worden verondersteld de versterkende eigenschappen van geneesmiddelen te weerspiegelen7, aangezien dieren hun snelheid van cocaïne zelftoediening reguleren om een verhoogd niveau van omringende dopamineconcentratie te handhaven8. Binnen de VMS zijn overlappende vermoedelijke rollen van dopamine-signalering in de kern- en schil-subregio's van de nucleus accumbens gemeld, maar met de nadruk op de schaal voor het bemiddelen van de primaire geneesmiddelbeloning en de kern voor het fungeren als een substraat voor geconditioneerde versterking1. Fasische dopamine-afgifte in de nucleus accumbens-kern, die een paar seconden duurt, is namelijk geconditioneerd op de presentatie van omgevingsstimuli die herhaaldelijk zijn gepaard met het medicijn9-12 en is in staat om het zoeken naar en nemen van medicijnen te beheersen9. De codering van dergelijke geconditioneerde stimuli door dopamine-afgifte wordt ook gevonden in sensorimotorische aspecten van het striatum (dorsolaterale striatum, DLS)13, een striatale subregio die is gekoppeld aan de ontwikkeling van het gebruikelijke en dwangmatige zoeken naar drugs14-16. Aldus wordt de progressie van medicijngebruik voorbij recreatief gebruik beschouwd als een weerspiegeling van de betrokkenheid van dopamine-signalering in verschillende striatale subregio's1,17, met de nadruk op verschuiving van het limbische (VMS) naar het stralingsmembraan van de sensorimotor (DLS) tijdens de ontwikkeling van vastgesteld gedrag dat op drugs gericht is1,18. Het is echter niet bekend of de codering van geneesmiddelgerelateerde acties of stimuli door fasische dopamine verandert, aangezien het matige gedrag ten aanzien van het nemen van drugs escaleert.
Knaagdierparadigma's waarvan wordt aangenomen dat ze de overgang van gematigd drugsgebruik naar verslaving het beste modelleren, maken gebruik van langdurige toegang tot het medicijn19,20, zoals uitbreiding van toegang van één (korte toegang, ShA) tot zes uur (lange toegang, LgA) per dag gedurende een periode van weken21. Een dergelijk zelfregulerend medicijnregime is in staat om geëscaleerd te produceren21 en dwangmatig drugs zoeken22, naast andere hoofdsymptomen die de afhankelijkheid van stoffen bij mensen bepalen23. Hier hebben we getest hoe LgA voor cocaïne invloed heeft op de regionale dynamiek van fasische dopamine-signalering in het striatum dat eerder werd gekenmerkt tijdens stabiel ShA-drugsgebruik13 om een beter begrip te krijgen van de neurobiologische mechanismen die ten grondslag liggen aan de escalatie van drugsgebruik.
RESULTATEN
Mannelijke Wistar-ratten met inwonende intraveneuze katheters werden getraind om zelf cocaïne toe te dienen tijdens dagelijkse ShA-sessies en na acquisitie werden overgeschakeld naar LgA-sessies in kamers die waren uitgerust met twee neus-poke-poorten. Een neuspoke in de actieve poort lokte een infusie uit van cocaïne (0.5 mg / kg / infusie) en 20-s presentatie van een lichttonusstimulus op een vast interval (FI) 20-wapenschema. Antwoorden in de tweede (inactieve) neus-por-poort, of in de actieve poort tijdens stimuluspresentatie (20-s time-out), waren zonder geprogrammeerd gevolg. Voor rapporteringsdoeleinden worden nose-poke-responses in de actieve poort buiten de time-outperiode (di die die een cocaïne-infusie opwekten) naar 'actieve neuspokes' en die in de inactieve poort buiten de time-outperiode verwezen als 'inactief' neus pokes ". Het aantal actieve neuspoorten overschreed significant de inactieve neuspokes (het belangrijkste effect van de neuspijppoort: F(1, 23) = 383.226, P <0.001; Fig 1) tijdens elke week (P <0.001). Na de overstap van ShA naar LgA is de inname van cocaïne in de loop van de tijd aanzienlijk toegenomen (hoofdeffect van de week: F(3, 69) = 25.504, P <0.001; Fig 1), zoals consistent gerapporteerd door vele anderen24.
Om de lange-termijndynamiek van dopamine-overdracht te beoordelen, werden longitudinale neurochemische opnames gelijktijdig uitgevoerd in de nucleus accumbens-kern van het VMS en in het DLS bij chronisch geïmplanteerde microsensoren25 met behulp van fast-scan cyclische voltammetrie (zie Aanvullende afbeelding 1 voor histologische verificatie van plaatsing van elektroden). In de eerste week van LgA observeerden we een tijdelijke verhoging van de extracellulaire dopamineconcentratie in VMS na actieve reacties (P <0.001; Fig. 2a). Dit actiepatroon daalde tijdens LgA, waar dopamine-afgifte in de derde week significant kleiner was dan in de eerste (P <0.001) en tweede (P = 0.030) weken (belangrijkste effect van week: F(2,72) = 10.230, P <0.001; Fig. 2b). Fasische dopamine-afgifte in de DLS ontstond in de tweede week (P = 0.006; Fig. 2c) maar was afwezig in de derde week van LgA (belangrijkste effect van week: F(2,51) = 3.474, P = 0.039; actieve poke × weekinteractie: F(2,51) = 4.021, P = 0.024; Fig. 2c, d). Deze gegevens tonen aan dat fasische dopaminesignalen in VMS en DLS achter elkaar verschijnen in verschillende stadia van het nemen van geneesmiddelen, vergelijkbaar met wat we meldden voor een ShA-regime13. Deze signalering nam in beide regio's echter af in de loop van LgA, een periode waarover bekend is dat de farmacokinetiek van intraveneus toegediende cocaïne niet verandert26,27.
Om de relatie tussen het verlies van dopamine-signalering en de escalatie van drugsgebruik te testen, hebben we geprofiteerd van individuele verschillen in gevoeligheid om het zelftoedien van geneesmiddelen tijdens het LgA-regime te verhogen door dieren in twee groepen te scheiden, afhankelijk van of ze aanzienlijke escalatie vertoonden op basis van lineaire regressie van drugsgebruik over LgA-sessies of niet (Fig. 3a, b). Validatie van deze scheiding van dieren toonde aan dat niet-geëscaleerde dieren in de loop van drie weken LgA geen significante toename in actieve neuspokes vertoonden (hoofdeffect van week: F(2,18) = 0.633, P = 0.542; Fig. 3blinks), terwijl geëscaleerde ratten hun inname aanzienlijk verhoogden (hoofdeffect van week: F(2,26) = 14.826, P <0.001; Fig. 3b, juist; intake × week interactie: F(2,44) = 4.674, P = 0.014) actievere neuspokes maken dan niet-geëscaleerde dieren tijdens de derde LgA-week (t(22) = 2.307, P = 0.031; Fig. 3b). Vooral geëscaleerde dieren toonden een verhoogde motivatie om cocaïne te verkrijgen, zoals aangetoond in een progressieve taak (P = 0.028; Aanvullende afbeelding 2). Bij geëscaleerde ratten was er een significante daling van de dopamine-afgifte in het VMS (hoofdeffect van de week: F(2,51) = 15.507, P <0.001; Fig. 3c, rechts, en Aanvullende afbeelding 3a). De dopamine-afgifte van VMS was echter stabiel bij niet-geëscaleerde ratten (belangrijkste effect van week: F(2,18) = 0.057, P = 0.945; Fig. 3c, links en Aanvullende afbeelding 4a) die in de derde week significant meer fasisch dopamine opleverde in vergelijking met geëscaleerde ratten (belangrijkste effect van inname: F(1,69) = 6.444, P = 0. 013; Fig. 3d, links; intake × week interactie: F(1,70) = 4.303, P = 0.042). Dit verschil in dopamine-afgifte tussen geëscaleerde en niet-geëscaleerde ratten was duidelijk gedurende de gehele zes uur van zelftoediening (t(43) = 2.599, P = 0.013). Belangrijk is dat dit verschil niet het gevolg was van een algemene afname van de dopaminefunctie bij geëscaleerde dieren, omdat dopamine-afgifte na niet-contingente, experimentator-geïnduceerde infusies van cocaïne niet verschilde tussen niet-geëscaleerde en geëscaleerde dieren (P = 0. 605; Aanvullende afbeelding 5a).
In tegenstelling tot de gehandhaafde fasische dopamine-afgifte in het VMS van niet-stijgende ratten, meldden we eerder dat er een afname was van dopamine-afgifte bij dieren die drie weken beperkte cocaïneltoegang (ShA) van slechts één uur per dagelijkse sessie hadden ondergaan13. Daarom hebben we aanvullende analyses uitgevoerd op de gegevens verkregen van deze ShA-ratten om een gedetailleerde karakterisatie mogelijk te maken van de relatie tussen de dopaminefunctie en de geneesmiddelinname bij dieren die ShA of LgA cocaïne zelftoediening hadden ondergaan. Hoewel er geen significante escalatie was van de gemiddelde drugsconsumptie over dieren tijdens ShA, waren er individuele verschillen met een subset van dieren (6 van 16) die een significante escalatie van de medicijninname vertoonden gedurende drie weken van zelftoediening door ShA-cocaïne. Interessant is dat VMS fasisch dopamine in de derde week van ShA cocaïne zelf-toediening in de groep van dieren die stabiele medicijnconsumptie in stand hield (dwz geen significante escalatie vertoonde) niet significant verschilde van die van niet-geëscaleerde dieren in de derde week van LgA (P = 0.741; Aanvullende afbeelding 5b). ShA-dieren die hun geneesmiddelinname verhoogden, vertoonden lagere medicijngebruiksniveaus (32.7 ± 3.9 versus 43.9 ± 3.1-infusies in het eerste uur, P = 0.017) en minder verzwakte dopaminevrijgave (P = 0.049; Aanvullende afbeelding 5b) dan dieren die hun inname opliepen onder LgA-omstandigheden. Niettemin was er een niet-significante trend voor verlaagd VMS-dopamine in vergelijking met hun niet-stijgende tegenhangers (P = 0.094) en geen significante interactie voor de afgifte van dopamine in de tijd tussen ShA en LgA escalerende ratten (geen inname × regime-interactie: F(1,57) = 0.111 P = 0.740; Aanvullende afbeelding 5b). Gegeven deze individuele verschillen, voerden we regressieanalyse uit op alle ShA- en LgA-ratten om te testen op een directe relatie tussen dopaminegehalten en de mate van escalatie, en vonden significante negatieve correlaties (ShA en LgA-ratten samen gevoegd; r = -0.628 , P = 0.005) met de grootste escalatie bij dieren met de laagste dopamine-afgifte in week 3 (Fig. 3e, links). Daarom was de verzwakking van de dopamine-signalering in de VMS voorspellend voor escalatie van de zelf-toediening van geneesmiddelen via LgA en ShA drug-toegangsregimes. Deze gegevens benadrukken dat het relevante aspect gerelateerd aan veranderingen in dopamine-afgifte is of dieren escaleren of niet, in plaats van het zelf-toedieningsregime dat ze zijn blootgesteld aan werkt. Evenzo vinden we dat bij alle ratten escalatie een significante voorspeller is van een verhoogde motivatie voor cocaïne (P = 0.037, Aanvullende afbeelding 6a), maar het LgA / ShA-schema is niet, zoals beoordeeld in een progressief schema (P = 0.340, Aanvullende afbeelding 6b).
In tegenstelling tot de VMS, was respons-contingente dopamine-afgifte in de DLS niet verschillend tussen geëscaleerde en niet-geëscaleerde LgA-dieren (belangrijkste effect van inname: F(1,48) = 0.472, P = 0. 496; Fig. 3d, rechts en Aanvullende Fig. 3b en 4b), noch was er een significante relatie tussen de helling van escalatie en dopamine-afgifte bij dieren die ShA of LgA cocaïne zelf-toediening ondergingen (r = -0.112, P = 0.649; Fig. 3e, rechts). Dus, terwijl dopamine in de VMS correleerde met de escalatie van het nemen van medicijnen, werd een vergelijkbare correlatie niet waargenomen in de DLS, een hersengebied dat op grote schaal is geassocieerd met uitgebreide zelf-toediening van geneesmiddelen1,14,16,18.
Gezien deze provocerende correlatie tussen neurochemie en gedrag, stelden we de hypothese vast dat de afname van fasische dopamine-signalering causaal was in het produceren van escalatie van het nemen van geneesmiddelen, vergelijkbaar met de toename in het innemen van geneesmiddelen geproduceerd door dopamine-receptorantagonisten28-30, en het herstellen ervan zou een escalatie-omkering veroorzaken (Fig. 4a). Daarom hebben we geëscaleerde dieren behandeld (P = 0.024; Fig. 4b) met L-DOPA voorafgaand aan het begin van de sessie om de fasische dopamine-afgifte te verhogen31. L-DOPA dosisafhankelijk (0, 10, 30 en 90 mg / kg, intraveneus) verminderde cocaïne-inname (belangrijkste effect van L-DOPA: F(3,53) = 5.053, P = 0.004; Fig. 4b), waarbij 30 mg / kg de inname terugbrengt naar het niveau vóór geëscaleerd. Belangrijk is dat de dosis 30 mg / kg L-DOPA voldoende was om fasische dopamine-signalering in het VMS volledig te herstellen (zie Aanvullende afbeelding 7 voor het registreren van sites) tijdens het nemen van medicijnen (F(2,8) = 6.316, P = 0.023; Fig. 4c), een effect dat ook werd waargenomen voor de volledige zes uur zelftoediening (F(2,8) = 7.610, P = 0.0141). Aldus voorspelde de hoeveelheid fasische dopamine-afgifte in het VMS de hoeveelheid geneesmiddelinname tijdens een zelftoedieningssessie met cocaïne (r = -0.525, P = 0.046; Fig. 4d). Dit gedragseffect van L-DOPA kan niet worden verklaard door veranderingen in de farmacologische respons op cocaïne, aangezien de langzame concentratieveranderingen in VMS-dopamine na incidentele geneesmiddelinfusie niet werden beïnvloed door L-DOPA-behandeling en in feite niet verschilden tussen pre- escalatie, escalatie en geëscaleerde met L-DOPA behandelde staten (F(2,8) = 0.020, P = 0.980; Aanvullende afbeelding 8). Bovendien werd het effect van L-DOPA op het gebruik van geneesmiddelen ook waargenomen wanneer L-DOPA plaatselijk in het VMS werd ingebracht (zie Aanvullende afbeelding 9 voor infusieplaatsen) van geëscaleerde ratten voorafgaand aan een sessie (t(7) = 6.517, P <0.001; Fig. 4e). Alles bij elkaar laat deze reeks onderzoeken zien dat een enkele dosis L-DOPA die voorafgaand aan toegang tot geneesmiddelen wordt toegediend, effectief is bij het herstellen van het dopamine-signaleren en het normaliseren van cocaïnegebruik tot de toestand voorafgaand geëscaleerd.
Vervolgens hebben we getest of het gebruik van L-DOPA effectief zou zijn in het verminderen van geëscaleerde drugsconsumptie in doseringsschema's voor de langere termijn, relevanter voor klinische toepassingen. Eerst voerden we experimenten uit waarbij een herhaalde infusie van L-DOPA op opeenvolgende dagen tijdens de inductie van escalatie werd geïntroduceerd. Dieren werden getraind voor het stabiel zelf toedienen van cocaïne en daarna werden ze overgeschakeld naar LgA of bleven op ShA, gedurende welke tijd ze voorafgaand aan elke sessie gedurende twee weken werden geïnjecteerd met L-DOPA (30 mg / kg, intraveneus) of zoutoplossing (Fig. 5a). L-DOPA beïnvloedde de inname van geneesmiddelen op een regime-specifieke manier (belangrijkste effect van de behandeling: F(1,53) = 9.297, P = 0.004; hoofdeffect van het regime: F(1,53) = 5.968, P = 0.018; Fig. 5a) met verminderde cocaïne-inname bij LgA-dieren (P = 0.004), maar geen ShA-dieren (P = 0.170; Fig. 5a), en zonder effect op inactieve neuspokes (LgA, P = 0.202; SHA P = 0.101; data niet weergegeven). Daarom was de L-DOPA-behandeling effectief in het voorkomen van escalatie van drugsgebruik tijdens LgA. Echter, na stopzetting van de behandeling, dit effect niet verdragen (P = 0.789; Fig. 5a). Ten tweede hebben we herhaaldelijk L-DOPA toegediend op opeenvolgende dagen bij dieren met gevestigde geëscaleerde drugsconsumptie. Dieren werden getraind voor het stabiel zelf toedienen van cocaïne en werden vervolgens ofwel overgeschakeld naar LgA of bleven drie weken op ShA. Deze dieren werden vervolgens behandeld met L-DOPA of zoutoplossing voorafgaand aan zelf-toedieningssessies in de derde week (Fig. 5b). LgA-getrainde dieren vertoonden een significante toename in cocaïnegebruik gedurende de eerste twee weken in vergelijking met door ShA getrainde dieren (belangrijkste effect van het regime: F(1,51) = 15.706, P <0.001; data niet weergegeven). L-DOPA-behandeling veroorzaakte een regime-specifiek effect (belangrijkste effect van de behandeling: F(1,51) = 5.303, P = 0.025; hoofdeffect van het regime: F(1,51) = 11.884, P = 0.001; Fig. 5b), waardoor de cocaïne-inname in LgA-dieren afnam (P = 0.048), maar geen ShA-dieren (P = 0.210; Fig. 5b) zonder effect te hebben op inactief reageren (LgA, P = 0.641; SHA P = 0.664). Belangrijk is dat het differentiële effect van L-DOPA op actieve neuspokes robuuster was wanneer dieren werden gegroepeerd in geëscaleerd en niet-geëscaleerd, in plaats van ShA en LgA (geëscaleerde dieren, P = 0.005; niet-geëscaleerde dieren, P = 0.421; Fig. 5c), wat aangeeft dat L-DOPA de geëscaleerde cocaïne-inname bij voorkeur heeft verlaagd in plaats van het drugsgebruik te beïnvloeden werkt, een interactie die zich gedurende dagen ontwikkelde (inname × behandeling (dag 1) interactie: F(1,51) = 0.562, P = 0.457; maar inname × behandeling (dag 5) interactie: F(1,51) = 4.091, P = 0.048). Belangrijk is dat deze verschillen tussen geëscaleerde en niet-geëscaleerde subpopulaties evenals de de-escalerende effecten van acute en chronisch toegediende L-DOPA ook worden waargenomen bij alle zes uren van zelftoediening (Aanvullende afbeelding 10). Samen demonstreren deze bevindingen dat fasische dopamineafgifte vermindert bij dieren die hun cocaïne-inname verhogen en het herstellen ervan met herhaalde toediening van de dopaminevoorloper, L-DOPA, deze escalatie voorkomt en omkeert, en bewijs levert dat verminderde dopamine de escalatie van zelf-toediening door geneesmiddelen verhoogt.
DISCUSSIE
In de huidige studie onderzochten we fasische dopamine-afgifte in de VMS en DLS tijdens escalatie van de inname van geneesmiddelen, een fenomeen dat een belangrijk diagnostisch criterium vormt voor drugsverslaving21,23. Onze bevindingen tonen aan dat escalatie gepaard gaat met verminderde dopamine-signalering in zowel de VMS als de DLS, waarbij de afname van dopamine in de VMS significant gecorreleerd is met de escalatiestatus. Dit effect lijkt selectief te zijn voor fasisch dopamine omdat vergelijkbare veranderingen niet werden waargenomen in tonisch dopamine in het huidige onderzoek, in eerder werk met hetzelfde regime bij ratten27 of gerelateerde zelftoedieningsparadigma's bij niet-menselijke primaten32,33. Er zijn een aantal meldingen geweest van verminderde fasische dopaminefunctie tijdens het stoppen van het geneesmiddel (getest tussen 18 uur en zeven dagen na de laatste zelftoediening sessie) die geassocieerd is met verminderde gevoeligheid voor cocaïne34-37. Hoewel we een vergelijkbare vermindering van de dopamine-respons op cocaïne tussen ShA- en LgA-ratten (Aanvullende afbeelding 5a), leek dit effect niet relevant te zijn voor escalatie omdat de neurochemische respons op niet-contingente cocaïne niet verschillend is tussen ratten die escaleerden en die niet (geen inname × regimeninteractie: F(1,34) = 1.964 P = 0.170; Aanvullende afbeelding 5a). Evenzo verschilden piekveranderingen in tonische dopamine-concentratie tot 90 seconden na voorwaardelijke cocaïne, waarschijnlijk als gevolg van de farmacologische werking van cocaïne, niet tussen de pre-geëscaleerde en geëscaleerde toestand binnen dezelfde dieren (Aanvullende afbeelding 8). Het enige aspect van de dopaminetransmissie dat we waarnamen en de escalatie van de medicijninname voorspelde, was de fasische respons die onmiddellijk na een actieve neuspoke optrad, wat een geconditioneerde respons is, voornamelijk op drugsgerelateerde aanwijzingen9,11,13. Deze neurochemische respons nam af bij dieren die hun medicijninname verhoogden, wat doet denken aan een normale leerproces waarbij de dopamineafgifte in de VMS die wordt opgewekt door een aan beloning gerelateerde stimulus afneemt, aangezien die stimulus tijdelijk wordt voorspeld38,39. De verzwakking van de afgifte van dopamine tijdens zelftoediening vindt echter veel later in het leerproces plaats dan verwacht zou worden voor het leren van onvoorziene omstandigheden, lang na de verwerving van het gevestigde drugsgebruik. Bovendien vindt bij dieren die hun geneesmiddelinname niet escaleren verzwakking van fasische dopamine-afgifte niet plaats, zelfs al vertonen deze dieren asymptotisch onderscheidend instrumentaal gedrag.
Op het eerste gezicht lijken onze observaties van afnemende afgifte van dopamine naarmate het drugsgebruik vordert op gespannen voet te staan met verschillende hedendaagse theorieën over verslaving. Theorieën die zich richten op door geneesmiddelen geïnduceerde stimuleringssensibiliseringsprocessen, veronderstellen een toenemende reactiviteit van het DMS-dopaminesysteem bij herhaalde blootstelling aan misbruiktegeneesmiddelen die een gesensibiliseerde reactie op geneesmiddel- en cueblootstelling mediëren.40, een fenomeen dat specifiek robuust is na LgA41. Conceptualisaties over de rol van afwijkende leer- en gewoontevorming bij drugsverslaving suggereren dat de opkomende dopamine-signalering in de DLS steeds vaker de controle over het zoeken naar drugs overneemt1,14,16. Bovendien impliceren prominente computationele modellen van verslaving specifiek verhoogde dopamine-signalering aan drugsgerelateerde aanwijzingen als een drijvende kracht voor verslaving42,43. Omgekeerd lijken onze bevindingen meer consistent te zijn met de dopamine-uitputtingshypothese van verslaving, voorgesteld door Dackis en Gold44en aanverwante theorieën voor het verwerken van tegenstanders21 die de nadruk leggen op door drugsgebruik geïnduceerde onderdrukking van beloningsgerelateerde processen. Van een dergelijke onderdrukking is verondersteld dat het compensatoire zelfregulering van drugsgebruik veroorzaakt om een niveau van drugsintoxicatie van de voorkeur te handhaven21. Specifiek compenseren mensen en dieren de verlaagde eenheidsdoses van cocaïne met toegenomen respons45,46. Dit proces wordt gereguleerd door dopamine-overdracht in het VMS8 en, bijgevolg, het verlagen van de dopaminetransmissie (bijv. door dopamine receptorantagonisme) veroorzaakt een toename in de snelheid van medicijngebruik28,29. Daarom kan de reductie in dopamine-signalering die we tijdens LgA hebben waargenomen, compenserende upregulatie van de medicijninname stimuleren om het gewenste niveau van intoxicatie te bereiken. Ter ondersteuning van deze hypothese was de reductie van dopamine in het VMS het meest uitgesproken bij dieren die een grotere escalatie van medicijngebruik vertoonden.
Daarom redeneerden we dat het herstel van dopamine-transmissie escalatie zou verzwakken. L-DOPA-toediening was inderdaad effectief bij zowel het voorkomen als het terugdraaien van de escalatie van de inname van geneesmiddelen. Met name de effecten van L-DOPA op het gebruik van drugs bleven niet bestaan na beëindiging van de behandeling, wat suggereert dat het de onderliggende neuroadaptatie niet heeft voorkomen. Daarom geven onze gegevens aan dat escalatie wordt gemedieerd door een proces dat tot uiting komt door een afname van fasisch dopamine tijdens het nemen van medicijnen. Deze bevindingen bieden mechanische informatie voor het gebruik van L-DOPA in de klinische behandeling van misbruik door psychostimulanten, een strategie die enkele veelbelovende, maar over het algemeen gemengde resultaten heeft opgeleverd in een klein aantal recente klinische onderzoeken.47. Aangezien L-DOPA het geėscaleerde drugsgebruik heeft verminderd zonder onthouding te veroorzaken, stellen we voor dat het beter geschikt is voor harm reduction-methoden en, in het bijzonder, verslaafden een zekere mate van controle over hun drugsgebruik geeft bij het starten van programma's voor gedragstherapie. Over het algemeen onthullen onze bevindingen een afname van de fasische dopamine-afgifte die plaatsvindt tijdens langdurige toegang tot geneesmiddelen die de overgang van recreatief naar ongecontroleerd drugsgebruik veroorzaakt.
Methoden
Dieren
Volwassen mannelijke Wistar-ratten van Charles River (Hollister, CA, VS) met een gewicht tussen 300g en 400g werden afzonderlijk gehuisvest en gehouden op een 12-h licht / 12-h donkere cyclus (licht aan bij 0700) met gecontroleerde temperatuur en vochtigheid met voedsel en water beschikbaar ad libitum. Alle dieren werden goedgekeurd door de University of Washington Institutional Animal Care and Use Committee, en chirurgische ingrepen werden uitgevoerd onder aseptische omstandigheden. Voor de voltammetrie-experimenten ondergingen 50-dieren een operatie, waarvan 29 de katheter doorgankelijkheid gedurende de experimenten handhaafde, ten minste één functionele en histologisch geverifieerde elektrode had en gedragscriteria had doorstaan (zie hieronder). Voor het farmacologische experiment heeft 28 van 32-ratten die katheterimplantatie ondergingen, de intraveneuze katheter doorgankelijkheid behouden en in de studie werden gebruikt. Dieren werden in experimentele groepen gecompenseerd op basis van hun zelftoedieningssnelheid tijdens ShA-pre-experimentele training. De steekproeven zijn vergelijkbaar met die in eerdere publicaties13.
Stereotaxische chirurgie
Ratten werden geanesthetiseerd met isofluraan, geplaatst in een stereotaxisch frame, toegediend met het niet-steroïde anti-inflammatoire carprofen (5 mg / kg, subcutaan), en geplaatst op een isothermisch kussen om de lichaamstemperatuur te handhaven. De hoofdhuid werd bestreken met alcohol en betadine, badend in een mengsel van lidocaïne (0.5 mg / kg) en bupivacaïne (0.5 mg / kg) en ingesneden om de schedel bloot te leggen. Gaten werden geboord in de schedel en dura mater werd gewist voor het richten van de DLS (1.2-mm voorste, 3.1-mm laterale en 4.8-mm ventrale naar Bregma48) en de nucleus accumbens-kern van de VMS (1.3-mm voorste, 1.3-mm laterale en 7.2-mm ventrale naar Bregma). Eén koolstofvezel-micro-elektrode in eigen huis gemaakt25 werd gepositioneerd in de VMS en een andere in de DLS, en een Ag / AgCl-referentie-elektrode werd geïmplanteerd in een apart deel van de voorhersenen. In een andere reeks dieren werden geleidecanules (26-meter; Plastics One, Roanoke, VA, VS), afgesloten door "dummy" canules van gelijke lengte, bilateraal geïmplanteerd om het VMS te richten. De elektroden en de geleidecanule werden vastgezet met cranioplastisch cement dat met schroeven aan de schedel was verankerd. Na de operatie werden ratten toegediend met het langwerkende, niet-steroïde ontstekingsremmende carprofen (5 mg / kg, subcutaan) en op een isothermisch kussen geplaatst om de lichaamstemperatuur te handhaven totdat deze ambulant was. Alle dieren werden geïmplanteerd met intraveneuze katheters gedurende een afzonderlijke operatie een week later.
Implantatie van intraveneuze katheters
Ratten werden verdoofd met isofluraan, toegediend met het niet-steroïde anti-inflammatoire carprofen (5 mg / kg, subcutaan), en op een isotherm kussentje geplaatst om de lichaamstemperatuur op peil te houden. Katheters waren gemaakt van silastische slangen met een buitendiameter van 0.6 mm en aan een uiteinde vastgemaakt aan een "hub" (distaal van het inbrengen van de ader; Plastics One, VA, VS) voor aansluiting op een infusiepomp. Katheters werden subcutaan door een incisie op de rug tussen de schouders naar de voorkant van het lichaam geduwd en in de rechter halsader verankerd met behulp van een siliconenrubberen kraal nabij het proximale uiteinde van de katheter. De optimale positionering van de katheter werd geverifieerd door er bloed in te zuigen met negatieve druk. De naaf werd vervolgens vastgemaakt door een stuk teflon gaas dat aan het omringende weefsel was gehecht en de incisies werden gesloten, waarbij de naaf uit de rug van de rat bleef steken. De katheter werd vervolgens doorgespoeld met een heparine-oplossing (80 U / ml in zoutoplossing) en gevuld met een viskeuze oplossing van polyvinylpyrolidon (PVP) en heparine (1000 U / ml). De katheternaaf werd afgedekt met een kort, gekrompen stuk polyethyleenslang en de PVP-oplossing bleef in de katheter om doorgankelijkheid te verzekeren. Na de operatie mochten ratten gedurende ten minste vijf dagen herstellen.
Cocaïne zelftoediening
Zelfbeheersingssessies werden uitgevoerd tussen 0900 en 1700 uur. Ratten leerden cocaïne zelf toe te dienen (Sigma, St. Louis, MO, VS) in een modulaire operatiekamer (Med Associates, VT, VS) uitgerust met twee neuspoke-reactietoestellen (poort met geïntegreerde keulampen) op aangrenzende panelen van dezelfde muur, een huislicht en luidsprekers om pure toon en witgeluchte stimuli te bieden. De operante kamer was ondergebracht in een geluidgedempte buitenste kamer. Ratten (3-4 maanden oud) werden getraind om cocaïne te verkrijgen na een operante reactie op FI20-versterkingsschema. Neuspikken in de actieve poort (kant gecompenseerd tussen dieren) resulteerde in een onmiddellijke intraveneuze infusie van cocaïne (0.5 mg / kg over ongeveer tien seconden) gepaard met een 20-seconde presentatie van een audiovisuele stimulus (verlichting van het licht in de neus) por en toon, geconditioneerde stimulus, CS). Tijdens de CS-presentatie werd een time-out van 20-seconden opgelegd waarbij neuzen van de neus niet resulteerde in verdere infusie van geneesmiddelen of andere geprogrammeerde gevolgen. Medicijnbeschikbaarheid tijdens de sessie werd aangegeven door witte ruis en verlichting van het huislicht. Om de specificiteit van de respons te controleren, werd neus-porren van de tweede (inactieve) poort gevolgd, maar nooit versterkt. Na pre-trainingssessies met een criterium van vijf of meer actieve responsen per sessie over twee opeenvolgende sessies voor opname in het onderzoek, kregen ratten dagelijks een dag toegang tot cocaïne gedurende één uur (korte toegang; ShA) gedurende een week en daarna zes uur. uren per dag (lange toegang; LgA) gedurende drie weken (vijf dagen per week). Het aantal sessies om het criterium te bereiken varieerde tussen dieren van twee tot vijf sessies. Gedragsresultaten van een eerder gemelde controlegroep13 werden gebruikt als een basislijn om gedragsgegevens van ratten die LgA cocaïne zelftoediening ondergaan te vergelijken met ratten die waren getraind onder een ShA-regime van een gelijk aantal dagen.
Volgend op de drie ShA of LgA weken van FI20 cocaïne zelf-toediening, onderging een subset van ratten een progressieve ratio-test. Deze sessies waren identiek aan FI20-sessies, behalve dat dieren een toenemend aantal operante responsen moesten uitvoeren voor opeenvolgende infusies van cocaïne tijdens deze sessie. De operante vereiste voor elke test (T) was het afgeronde gehele getal van 1.4(T - 1) hendel drukt, beginnend bij 1 hendel druk (dat is, 1, 1, 1, 2, 3, 5, 7, 10, 14, 20, 28, 40, 56, 79, 111, 155, 217, 304, 426) . Deze werkvoorwaarde wordt zo hoog dat dieren uiteindelijk niet meer reageren en een "breekpunt" bereiken. Het breekpunt werd operationeel gedefinieerd als het totale aantal infusies verdiend vóór een periode van dertig minuten waarin geen infusies werden verkregen.
L-DOPA / Benserazide-toediening
L-DOPA (L-3,4-dihydroxyfenylalanine) werd gegeven in combinatie met de perifeer werkende DOPA decarboxylase-remmer Benserazide om perifere afbraak van L-DOPA (beide van Sigma, St. Louis, MO, VS) te verminderen. Beide geneesmiddelen werden opgelost in zoutoplossing en intraveneus toegediend met een volume van 1 ml / kg lichaamsgewicht. L-DOPA werd 30 minuten voorafgaand aan het begin van de sessie toegediend met 0, 10, 30 of 90 mg / kg, terwijl Benserazide consistent werd toegediend bij 2 mg / kg, ongeacht de toegediende L-DOPA-dosis. In een eerste reeks onderzoeken (dosisrespons) werden ratten op een enkele dag met L-DOPA behandeld (Fig 4). Geen van de gebruikte L-DOPA-doses remde de algemene prestaties of veroorzaakte dyskinesie. Om mogelijke verstorende effecten van herhaalde toediening van L-DOPA te vermijden, werden ratten getraind zonder L-DOPA-behandeling na "L-DOPA-sessies". In een tweede reeks onderzoeken werden dieren voorafgaand aan elke zelftoedieningssessie met deze L-DOPA behandeld gedurende een periode van maximaal twee weken (Fig 5). In een derde reeks studies, ratten die geëxplaleerde cocaïne zelftoediening tijdens LgA vertoonden, de effecten van bilaterale infusie van L-DOPA (25-50 μg opgelost in 0.5 μl ACSF in elk halfrond; 0.25 μl / min; Sigma, St. Louis, MO, VS) en ACSF in VMS over het gedrag van drugsgebruik werden onderzocht. Op infusiedagen werd de dummy-canule vervangen door een 33-gauge infuuscanule die 1.0 mm voorbij de geleidecanule uitstak. Infusies werden tien minuten voor aanvang van de sessie gegeven. Na de infusie werden de canules twee minuten op hun plaats gelaten voordat ze werden verwijderd om diffusie van het geneesmiddel mogelijk te maken.
Voltametrische metingen en analyse
Voor dopaminedetectie door fast-scan cyclische voltammetrie tijdens experimentele sessies (opnames uitgevoerd gedurende twee sessies per week), werden chronisch geïmplanteerde koolstofvezelmicrosensoren verbonden met een op het hoofd gemonteerde voltametrische versterker, gekoppeld aan een pc-gestuurd data-acquisitie en analysesysteem (National Instruments, TX, VS) via een elektrische wartel (Med Associates, VT, VS) die boven de testkamer was gemonteerd. Voltammetrische scans werden elke 100 ms herhaald om een sampling-snelheid van 10 Hz te bereiken. Tijdens elke voltametrische scan was de potentiaal aan de koolstofvezelelektrode lineair gestegen van -0.4 V versus Ag / AgCl tot + 1.3 V (anodische sweep) en terug (kathodische sweep) bij 400 V / s (totale scantijd van 8.5-ms ) en gehouden op -0.4 V tussen scans. Wanneer dopamine aanwezig is aan het oppervlak van de elektrode, wordt het geoxideerd tijdens de anodische spoeling om dopamine-o-chinon te vormen (piekreactie gedetecteerd bij ongeveer + 0.7 V) die teruggebracht wordt tot dopamine in de kathodische zwaai (piekreactie gedetecteerd bij ongeveer -0.3 V). De daaruit voortvloeiende flux van elektronen wordt gemeten als stroom en is rechtevenredig met het aantal moleculen dat elektrolyse ondergaat. Voltametrische data werd band-pass gefilterd op 0.025 - 2,000 Hz. De op de achtergrond afgetrokken, in de tijd opgeloste stroom die uit elke scan werd verkregen, verschafte een kenmerkende chemische handtekening van de analyt, waardoor resolutie van dopamine uit andere substanties mogelijk was49. Dopamine werd geïsoleerd uit het voltametrische signaal door chemometrische analyse met behulp van een standaard trainingsset25 gebaseerd op elektrisch gestimuleerde dopamineafgifte gedetecteerd door chronisch geïmplanteerde elektroden. De dopamineconcentratie werd geschat op basis van de gemiddelde post-implantatie gevoeligheid van elektroden25. Voorafgaand aan de analyse van de gemiddelde concentratie werden alle gegevens met een 5-punt geëgaliseerd binnen het gemiddelde van de proef. De concentratie dopamine was gemiddeld over zeven seconden (geschatte duur van het waargenomen fasische signaal) na de operante respons (na respons) of niet-contingente presentatie van de CS en werd vergeleken met de gemiddelde concentratie gedurende de twee seconden voorafgaand aan de operant. respons (basislijn). De CS werd non-contingent gepresenteerd tijdens elke opnamesessie in de tweede en derde week (tweemaal per sessie voor 20 seconden elk), maar niet tijdens de eerste week om interferentie met de associatieve conditionering tussen medicijnafgifte en de cue gedurende een periode te voorkomen waar deze associatie zich waarschijnlijk nog steeds aan het ontwikkelen was.
statistische analyse
Afzonderlijke elektrochemische signalen werden gemiddeld over zelfbeheersingssessies en vervolgens over dieren en weken, om het statistische vermogen te vergroten. Signalen werden vergeleken met behulp van multivariate ANOVA's met respons, hersenregio, cocaïne-inname en week-factoren. Ter vergelijking met elektrochemische gegevens werden ook gedragsgegevens in weken weggegooid. Voor L-DOPA-experimenten werden gedragsgegevens (gemiddeld over dagen bij toediening op opeenvolgende dagen) van een respectieve medicamenteuze behandeling (geen behandeling, L-DOPA-dosis of vehikel) geanalyseerd met behulp van multivariate ANOVA's met medicamenteuze behandeling, trainingsregime, cocaïne-inname, en week als factoren. In het geval van significante hoofdeffecten of interacties werden post-hocanalyses uitgevoerd en P waarden werden aangepast volgens de Holm-Bonferroni correctiemethode voor meervoudige testen50. Percelen werden gemaakt met Prism (GraphPad Software, La Jolla, CA, VS). Statistische analyses werden uitgevoerd met behulp van SPSS, versie 17.0 (Chicago, IL, VS) en Prism. Gegevens zijn geschikt voor parametrische statistische analyse. Gegevensverzameling en -analyse werden niet blind uitgevoerd voor de omstandigheden van de experimenten.
Histologische verificatie van opnamesites
Na afloop van het experiment werden de dieren geanesthetiseerd met een intraperitoneale injectie van ketamine (100 mg / kg) en xylazine (20 mg / kg). Bij dieren met elektrode-implantaten werden opnameplaatsen gemarkeerd met een elektrolytische laesie (300 V) voorafgaand aan transcardiale perfusie met zoutoplossing gevolgd door 4% -paraformaldehyde. Hersenen werden verwijderd en post-gefixeerd in paraformaldehyde gedurende vierentwintig uur en daarna snel ingevroren in een isopentaanbad, in plakjes gesneden op een cryostaat (50-μm coronale secties, -20 ° C) en gekleurd met cresyl violet om te helpen bij visualisatie van anatomische structuren en de door elektroden geïnduceerde laesie- of infusieplaatsen.
Aanvullend materiaal
1
8
9
10
11
2
3
4
5
6
7
Dankwoord
We danken Scott Ng-Evans, Christina Akers Sanford, Chad Zietz, Nicole Murray en Daniel Hadidi voor technische ondersteuning, en Monica Arnold en Jeremy Clark voor nuttige feedback. Dit werk werd ondersteund door German Research Foundation (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG) Grant WI 3643 / 1-1 (IW), prijzen van het Alcohol and Drug Institute (PEMP) en de Provost van de Universiteit van Washington (PEMP), en nationale instituten of Health verleent T32-DA027858 (LMB), F32-DA033004 (PAG), P01-DA015916 (PEMP), R21-DA021793 (PEMP) en R01-DA027858 (PEMP).
voetnoten
Bijdragen van de auteur
IW en PEMP ontworpen onderzoek, IW, LMB en PAG uitgevoerd onderzoek, en IW geanalyseerde gegevens; IW en PEMP hebben de krant geschreven.
Auteurs informatie
De auteurs verklaren geen belangenconflict.
Referenties
;
