Sucrose-inslikken veroorzaakt snelle AMPA-receptorreizigershandel (2013)

J Neurosci. Auteur manuscript; beschikbaar in PMC Oct 3, 2013.
Gepubliceerd in definitief bewerkte vorm als:
De laatste bewerkte versie van dit artikel van de uitgever is gratis beschikbaar op J Neurosci
Zie andere artikelen in PMC dat citeren het gepubliceerde artikel.

Abstract

De mechanismen waardoor natuurlijke opbrengsten zoals suiker de synaptische overdracht en het gedrag beïnvloeden, zijn grotendeels onontgonnen. Hier onderzoeken we de regulatie van nucleus accumbens synapsen door inname van sucrose. Eerdere studies hebben aangetoond dat AMPA-receptortrafficking een belangrijk mechanisme is voor het reguleren van synaptische sterkte, en dat in vitrohet transport van AMPA-receptoren die de GluA1-subeenheid bevatten vindt plaats door een tweestapsmechanisme dat extrasynaptisch en vervolgens synaptisch receptortransport omvat. We rapporteren dat bij ratten, herhaalde dagelijkse inname van een 25% sucrose-oplossing tijdelijk verhoogde spontane locomotie en versterkte accumbens kernsynapsen door opname van Ca2+-permeabele AMPA-receptoren (CPAR's), dit zijn GluA1-bevattende, GluA2-ontbrekende AMPA-receptoren. Elektrofysiologische, biochemische en kwantitatieve elektronenmicroscopie-onderzoeken toonden aan dat sucrosetraining (7 dagen) een stabiele (> 24 uur) intraspinale GluA1-populatie induceerde, en dat bij deze ratten een enkele sucrosestimulus snel (5 minuten) maar tijdelijk (<24 uur) verhoogde GluA1 op extrasynaptische plaatsen. CPAR's en dopamine D1-receptoren waren vereist in in vivo voor verhoogde motoriek na inname van sucrose. Veelbetekenend is een 7-dag protocol van dagelijkse inname van een 3% -oplossing van saccharine, een niet-calorische zoetstof, geïnduceerde synaptische GluA1 vergelijkbaar met 25% sucrose-inname. TDeze bevindingen identificeren meerdere stappen GluA1 trafficking, eerder beschreven in vitro, als een mechanisme voor acute regulatie van synaptische transmissie in vivo door een natuurlijke orosensorische beloning. Mensenhandel wordt gestimuleerd door een chemosensorische route die niet afhankelijk is van de calorische waarde van sucrose.

Introductie

Overconsumptie van sucrose is een aanzienlijk probleem voor de volksgezondheid (Hu en Malik, 2010), maar de mechanismen waarmee natuurlijke, orosensorische beloningen zoals sucrose de synaptische transmissie reguleren om het gedrag te beïnvloeden, zijn niet bekend. Synaptische plasticiteit in de nucleus accumbens, een integraal onderdeel van hers rewardcircuits (Sesack en Grace, 2010), draagt ​​bij aan vele vormen van gemotiveerd gedrag, waaronder belonen met belonen (Dag en Carelli, 2007), reacties op sociale stress (LaPlant et al., 2010) en verslavingspathologieën (Luscher en Malenka, 2011). Herhaalde blootstelling aan cocaïne veroorzaakt synaptische plasticiteit in neuronen van de accumbens en het ventrale tegmentale gebied (VTA) (Brebner et al., 2005; Grueter et al., 2010; Mameli et al., 2009; Pascoli et al., 2012; Thomas et al., 2001; Ungless et al., 2001). Na uitgebreide cocaïne-zelftoediening gevolgd door langdurig stoppen, worden synapsen versterkt door de opname van Ca2+-doorlatende, GluA2-ontbrekende AMPA-type glutamaatreceptoren (CPAR's), waarvan de signalering de incubatie van cocaïnewens (Conrad et al., 2008; McCutcheon et al., 2011a). Gelijkaardig aan cocaïne, orosensorische beloningen zoals sucrose verhogen accumbens dopamine (Smith, 2004), maar orosensorische beloninginductie van accumbens-plasticiteit is niet onderzocht.

AMPA-receptoren (AMPAR's) zijn primaire bemiddelaars van excitatoire transmissie van het centrale zenuwstelsel en hun trafficking draagt ​​bij tot diverse neurale processen, waaronder leren en geheugen (Nedelescu et al., 2010; Rumpel et al., 2005; Whitlock et al., 2006). AMPAR's zijn samengesteld uit vier verschillende subeenheden, GluA1-4. GluA2-bevattende AMPAR's zijn Ca2+-ondoorlatend en verkeer constitutief naar synapsen, terwijl GluA2-ontbrekende receptoren (CPAR's), die overwegend GluA1-homomeren zijn, Ca2+ en vertonen inwaartse rectificatie. GluA1 ondergaat activiteitafhankelijke synaptische trafficking door een tweestapsroute waarin Ser 845-fosforylering door cAMP-afhankelijke proteïnekinase (PKA) en cGMP-afhankelijke proteïne-kinase II (cGKII) receptoraccumulatie op extrasynaptische plaatsen in de plasmamembraan bevordert (Esteban et al., 2003; Serulle et al., 2007; Sun et al., 2008; Sun et al., 2005). Na laterale diffusie tot de synaps stabiliseert fosforylatie van Ser 818 door PKC AMPAR's binnen de synaps (Boehm et al., 2006), verankerd aan de postsynaptische dichtheid (Ehlers et al., 2007; Oh et al., 2006; Serulle et al., 2007). Als2+/ calmoduline-afhankelijke proteïne kinase II (CaMKII) fosforylatie van Ser 567 en Ser 831 draagt ​​ook bij tot synaptische incorporatie en extrasynaptische targeting (Lu et al., 2010; Roche et al., 1996), respectievelijk. Het is echter niet bekend of in vivo bij de opname van CPAR's worden deze snelle, meerstapmechanismen beschreven in vitro.

Om de mechanismen te onderzoeken waarmee orosensorische beloningen zoals sucrose reguleren excitatory synapsen accumbens, hebben we gebruik gemaakt van een paradigma van korte inname van sucrose en gemeten veranderingen in synaptische transmissie in accumbens neuronen. We zien dat herhaalde inname van sucrose de synapsen accumbens versterkt door opname van CPAR's en dat in een door sucrose getraind dier een enkele sucrosestimulus voldoende is om snelle GluA1-trafficking naar extrasynaptische locaties te induceren. Omdat sacharine, een niet-calorische zoetstof, synaptisch verkeer induceerde, vergelijkbaar met sucrose, is mensenhandel een reactie op orosensorische in plaats van calorische paden. Bovendien voorkwam CPAR-blokkade sucrose-geïnduceerde verhogingen van spontane locomotorische activiteit in vivo, verdere identificatie van de CPAR's van Accumbens als belangrijke regulatoren van reacties op natuurlijke beloningen.

Materialen en methoden

Onderwerpen en chirurgische procedures

De proefpersonen waren mannelijke Sprague-Dawley-ratten (Taconic, gedragsexperimenten) met een gewicht van 150-300 gram bij aankomst en vrouwelijke E18 zwangere Sprague-Dawley-ratten (Taconic, celcultuurexperimenten). De ratten waren 2 per kooi ondergebracht voor gedragsexperimenten op een 12h / 12h licht-donkercyclus (licht uit bij 18: 00) en hadden toegang tot voedsel en water ad libitum altijd. Alle experimentele procedures werden goedgekeurd door de New York University School of Medicine Institutional Animal Care and Use Committee en werden uitgevoerd in overeenstemming met de 'Principles of Laboratory Animal Care' (NIH-publicatienummer 85-23).

Sucrose training en bewegingsmetingen

Ratten werden 3 opeenvolgende dagen naar de testruimte getransporteerd voor 2 h / dag in hun thuiskooien. Op de vierde dag werden flessen met water of 25% sucrose via de kooideksel voor 5 min. Geïntroduceerd. Flessen werden vervolgens gewogen. Voor alle experimenten moesten ratten minstens 1 g sucrose drinken tijdens de 5 min-toegang binnen 3-dagen na aanvang van de training om in het onderzoek te worden opgenomen; in feite voldeden alle ratten aan dit criterium. Na het verwijderen van de fles, bleven de ratten in de testruimte voor 30 min. Vóór transport terug naar de dierenfaciliteit. Op de dag van het offer werden ratten buiten bewustzijn gebracht door CO2, onthoofd door guillotine en weefselmonsters werden verzameld op ijs. Voor locomotorische experimenten werden ratten geplaatst in meetkamers voor locomotieven (Accuscan, Columbus, OH) voor een totaal van 35-min. Na 15-min in de kamer werd een fles met een hielstopper door de bovenkant van de kamer ingebracht en gestabiliseerd. De fles werd verwijderd uit de bovenkant van de kamer na 5-min, en de ratten bleven in de kamer voor een extra 15-min na verwijdering van de fles. Deze procedure werd identiek herhaald voor opeenvolgende dagen van 7. De afgelegde afstand werd gemeten met behulp van het VersaMax-systeem (Accuscan, Columbus, OH), dat de dierlijke activiteit controleerde via een raster van 16 × 16 infraroodlichtstralen die de dierenkooi (42 × 42 × 30 cm) van voren naar achteren en van links naar rechts doorkruisten . Informatie over de balkstatus, gescand met 100-tijden per seconde, werd op de harde schijf opgeslagen. Activiteit werd uitgedrukt als ambulante afstand gemeten in cm gedurende 12 verschillende 3-min-bins in een 35 min-sessie (de laatste bin was 2-min).

Saccharinetraining

Om door sucrose geïnduceerde trafiek van GluA1 te vergelijken met de effecten van saccharine-inname, werden volwassen 12-mannetjesratten (250 g) gehuisvest in de dierenfaciliteit op een 12 uren licht / donker cyclus. Alle ratten werden vervolgens gewend aan de testkamer door te worden getransporteerd naar de testkamer, vertrokken voor 2-uren en getransporteerd naar de dierenfaciliteit. Op de 4-dag (na 3-dagen van gewenning) kregen ratten toegangsflessen met water, sucrose of sacharine. 4-ratten kregen toegang tot een fles met water op de bovenkant van de kooi, met de uitloop in de kooi door het deksel. Toegangstijd was 5 minuten, vervolgens werd de fles verwijderd en na 15 min. Extra minuten werden ratten terug naar de dierenfaciliteit getransporteerd. 4-ratten kregen toegang tot 25% sucrose-oplossing en 4-ratten kregen toegang tot 3% sacharine-oplossing (Sweet'n Low). Het volume geconsumeerd fluïdum werd gemeten. Deze procedure werd herhaald voor 7-dagen. Op de 7e dag van het drinken, onmiddellijk volgend op het verwijderen van de fles, werden ratten opgeofferd en de accumbens kern werd geoogst en GluA1 niveaus werden onderzocht door Western blot.

elektrofysiologie

Ratten werden sucrose getraind zoals hierboven beschreven in doorzichtige plastic kooien en, na verwijdering van de fles op dag 7, werden geanesthetiseerd met ketamine (100 mg / kg ip) en xylazine (10 mg / kg ip) en transcardiaal geperfuseerd met koude zoutoplossing (mEPSC experimenten) of onthoofd onmiddellijk (rectificatie-experimenten). Hersenen werden snel verwijderd in kunstmatige cerebrospinale vloeistof (ACSF) bestond uit het volgende (in mM): voor mEPSC-experimenten: NaCl (118), KCl (2.5), CaCl2 (3), MgCl2 (1), NaHCO3 (26), NaH2PO4 (1), D-glucose (10), osmolariteit aangepast aan 325 mOsm en belucht met 95% O2/ 5% CO2 (pH 7.4); voor rectificatie-experimenten: 75-sucrose, 87 NaCl, 2.5 KCl, 1.25 NaH2PO4, 0.5 CaCl2, 7 MgCl2 6 H2O, 25 NaHCO3, 10 dextrose, gebubbeld met 95% O2 / 5% CO2 (pH 7.4). Coronale plakjes (300μm dik) met de nucleus accumbens werden gesneden in ijskoude ACSF met behulp van een vibrotoom (Leica, VT1200S) en ondergedompeld gehouden in ACSF (ACSF, in mM: 124 NaCl, 2.5 KCl, 1.25 NaH2PO4, 2.5 CaCl2, 1.5 MgSO4 7H2O, 26 NaHCO3, en 10 dextrose) gedurende <30 min; vervolgens ten minste 1 uur bij kamertemperatuur in een voorincubator met plakjes bewaard om herstel mogelijk te maken. Voor mEPSC-experimenten: een enkele plak werd vervolgens overgebracht naar een opnamekamer waarin het ondergedompeld werd gehouden door een nylon net bij 32 ° C met een TC324B in-line oplossingsverwarmer en controller (Warner Instruments, CT). De kamer werd continu geperfuseerd door ACSF met een constante snelheid van 2 ml / min. Middelgrote stekelige neuronen uit het kerngebied van de nucleus accumbens werden geïdentificeerd onder visuele begeleiding met behulp van videomicroscopie met infrarood-differentieel interferentiecontrast (Hamamatsu C5405) met een Olympus BX50WI rechtopstaande microscoop uitgerust met een 40x lange werkafstand met wateronderdompelingsobjectief. Patchelektroden (4–6 MΩ) gevuld met een intracellulaire pipetoplossing bestaande uit (in mM): CsCl (145), HEPES (10), EGTA (0.5) en MgATP (5). De osmolariteit werd met sucrose op 290 mOsm gebracht en de pH met CsOH op 7.4. Miniatuur exciterende postsynaptische stromen (mEPSC's) werden geregistreerd in aanwezigheid van bicuculline (10 μM) en tetrodotoxine (1 μM) met behulp van de Axopatch 200B-versterker (Molecular Devices, CA) en gedigitaliseerd door Digidata 1322A (Molecular Devices, CA). Voor rectificatie-experimenten: plakjes werden overgebracht naar de opnamekamer en geperfuseerd (2.0-2.5 ml min-1) met geoxygeneerde ACSF bij 33-35 ° C met 50 μm-picrotoxine om EPSC's te isoleren. Somatische whole-cell opnames werden gemaakt van kerngebied medium stekelige neuronen in voltage-clamp met een Multiclamp 700B versterker (Molecular Devices) met behulp van IR-DIC video microscopie. Patch pipetten (4-6 MΩ) werden gevuld met intracellulaire oplossing (in mM: 125 Cs-gluconaat, 2 CsCl, 5 TEA-Cl, 4 Mg-ATP, 0.3 GTP, 10 phosphocreatine, 10 HEPES, 0.5 EGTA en 3.5 QX -314). Gegevens werden gefilterd op 2 kHz, gedigitaliseerd op 10 kHz en geanalyseerd met Clampfit 10 (Molecular Devices). Extracellulaire stimulering (0.01-1 ms, 5-150 μA, 0.2 Hz) werd toegepast met een kleine glazen bipolaire elektrode 0.05-0.5 mm van de registratie-elektrode. Na ~ 10 min van basislijnregistratie, werd een oplossing die Naspm (200 μM) bevatte geperfundeerd in het bad gedurende 10 min. Veranderingen in de EPSC-amplitude werden gemeten vóór en na de medicijntoepassing bij houdpotentialen van -70, -50, -30, 0, + 20, + 40 en + 60 mV. De rectificatie-index (ir) berekend door eventuele verschuivingen in omkeerpotentieel te corrigeren en berekend uit de volgende vergelijking: ir = (I-70 / 70) / (I+ 40 / 40), waar I-70 en I+ 40 zijn de EPSC-amplituden opgenomen bij -70 mV en + 40 mV, respectievelijk.

Subcellulaire fractionering en Western blotting

Accumbens werden verzameld op ijs zoals hierboven beschreven. Wanneer kern en schil afzonderlijk werden ontleed, werd de scheiding bevestigd door het onderzoeken van synaptosoomfracties op dopamine β-hydroxylase, een enzym gevonden in de uiteinden van axonen van de schaal maar niet de kern (Sesack en Grace, 2010). Whole-cel, synaptosoom en PSD-fracties werden bereid zoals eerder beschreven (Jordan et al., 2004). Synaptosomale pellets werden geresuspendeerd in 200 μl 25 mM Tris met 1% Triton X-100, geschud bij 4 ° C voor 30-min en gecentrifugeerd bij 13,800 × g voor 15-min in een microcentrifuge om PSD's te pelletiseren. De pellet die ruwe PSD's bevatte werd opnieuw gesuspendeerd in 25 mM Tris met 2% SDS. Fracties werden geanalyseerd met Western blot op SDS-PAGE-gels zoals eerder beschreven (Jordan et al., 2004). De volgende antilichamen werden gebruikt: dopamine β-hydroxylase (1: 1,000, Abcam), GluA1 (1: 1,000, Millipore), fosfor-Ser 845 GluA1 (1: 1,000, Millipore), GluA2 (1: 1,000, Millipore) en tubuline (1: 10,000, Sigma).

Elektronenmicroscopie

Op de dag van het oogsten van weefsel (dag 7 van sucrose-training) werden ratten van 3-testgroepen (Water, Sucrose / Water, Sucrose; 3-ratten / testgroep) in bewegingsmeetkamer geplaatst voor 15-min; bij 15-min werd een fles door de bovenkant van de kamer gevoerd. Ratten in de watergroep ontvingen water, ratten in de ucrosegroep kregen 25% sucrose, ratten in de Sucrose / Water-groep, die 25% sucrose voor 6-dagen hadden geconsumeerd, kregen water. Ratten werden diep geanesthetiseerd met Nembutal (50 mg / kg ip) en transcardiaal geperfuseerd met 0.1 M fosfaatbuffer (pH 7.4) met 4% paraformaldehyde en 0.1% glutaraldehyde met een snelheid van 50 ml / min tijdens de eerste 3-min, daarna op een snelheid van 20 ml / min voor de volgende 7-min. Weefsel werd voorbereid voor postembed immunogold (PEG) labeling en beelden werden gevangen zoals eerder beschreven (Nedelescu et al., 2010). Immunolabels werden gecategoriseerd op basis van hun positie ten opzichte van de PSD op asymmetrische synaptische knooppunten als "gespleten", "nabij PSD" (binnen 1 PSD-breedte van de PSD), "op PSD", "intraspinous" of "extrasynaptisch membraan". elk dier, 93-synapsen waren monsters uit de kern van de accumbens. Willekeurige bemonstering werd verzekerd door alle eerste 93 willekeurig gevonden synapsen te analyseren terwijl we stelselmatig over het rooster vegen, en vervolgens hetzelfde aantal synapsen samen te voegen van elk van de drie dieren die identieke antemortembehandelingen ontvingen. Er zijn twee soorten kwantificering uitgevoerd. Eén daarvan was om het GluR1-immunoreactiviteitsniveau te evalueren, door het aantal PEG-deeltjes op te tellen dat op discrete functionele domeinen van de wervelkolom optrad. De andere was om het aandeel van synapsen gelabeld op de PSD te bepalen met een willekeurig aantal PEG-deeltjes. Zelfs synapsen die zijn gelabeld met alleen het 1 PEG-deeltje, werden als gelabeld beschouwd, op basis van eerder werk dat de specificiteit van de GluR1-PEG-procedure aantoont (Nedelescu et al., 2010). Behandelingseffecten op de proportie en het niveau van GluR1-immunolabeling werden geanalyseerd door eenweg-ANOVA met geplande post-hocvergelijkingen (Fisher's LSD). Om experimentele vertekening te elimineren, werden de gegevens drievoudig geblindeerd: één experimentator voerde sucrose-training uit en bewaarde gegevens van de dieren in de drie testgroepen, een tweede experimentator creëerde de elektronenmicrofoto's en gaf aan elke microfoto een nieuwe alfanumerieke code en hield de code verzegeld en drie extra onderzoekers hebben de microfoto's en gekwantificeerde PEG-deeltjes gescand. Nadat de PEG-kwantificering was voltooid, kwamen de onderzoekers bijeen om de identiteiten van elke microfoto te onthullen.

Cannula-implantatie en intracraniële injecties

Intracraniële injectie werd gebruikt om Naspm en APV aan de accumbens-kern af te leveren. Voor canule-implantatie, zoals eerder beschreven (Carr et al., 2010), werden de ratten diep geanesthetiseerd met ketamine (100 mg / kg ip) en xylazine (10 mg / kg ip) en post-operatief geïnjecteerd met de analgetische benamine (1 mg / kg subcutaan). Ratten werden stereotaxisch geïmplanteerd met twee 26-gauge geleidecanules (PlasticsOne, Roanoke, VA) bilateraal in de accumbens-kern met coördinaten: 1.6 mm anterieur ten opzichte van bregma; 2.9 mm lateraal van de sagittale hechting, uiteinden gebogen 8 ° naar de middellijn, 5.6 mm ventraal naar schedeloppervlak. Canules werden op hun plaats gehouden door dentaal acryl en de doorgankelijkheid werd gehandhaafd met een occlusie-stylet. Voor intracraniale injecties werden Naspm- en APV-oplossingen geladen in twee 30 cm-lengten PE-50-buis bevestigd aan één uiteinde aan 25-μl Hamilton-spuiten gevuld met gedestilleerd water en aan het andere uiteinde aan 31-gauge injectorcanules, die 2.0 mm verlengden buiten de geïmplanteerde handleidingen. De spuiten waren gemonteerd op de dubbele houders van een Harvard 2272 microliter-spuitpomp die de 0.5 μl injectievolumes afleverde gedurende een periode van 100 sec. Eén minuut na het voltooien van injecties werden injectorcanules uit de geleiders verwijderd, stylets werden vervangen en dieren werden in testkamers van het bewegingsapparaat geplaatst voor sucrose-training. Na het opofferen van dieren werden cryogene hersencoupes geanalyseerd op canulalokalisatie; 2 van 15-dieren werd uitgesloten van het onderzoek vanwege onjuiste plaatsing van de canule.

statistische analyse

Eenmalige ANOVA gevolgd door Fisher post-hoc testen werden gebruikt voor elektronenmicroscopie, immunocytochemie en biotinylatie-experimenten. Tweestaart Student's t-tests werden gebruikt voor elektrofysiologie. Voor sucrose-hyperactiviteitsexperimenten werd tweeweg-ANOVA gebruikt, gevolgd door Fisher post hoc-testen.

RESULTATEN

Karakterisatie van een sucrose-innameparadigma

We gebruikten een sucrose-inname-paradigma om de effecten van een natuurlijke, orosensorische beloning op synaptische transmissie te onderzoeken (Figuur 1A). Volwassen mannelijke ratten werden op drie opeenvolgende dagen naar een testkamer getransporteerd. Op de vierde dag (eerste dag van training) werden de ratten in een meetkamer van het bewegingsapparaat geplaatst. Na 15 minuten van de meting van locomotoractiviteit in de kamer werden flessen die ofwel water (voor waterdieren) of 25% sucrose-oplossing (voor sucrosedieren) in de meetkamers door gaten in het deksel van de kamer bevatten. De flessen werden na 5 minuten verwijderd en de locomotorische activiteit werd gedurende nog eens 15 minuten gemeten voordat dieren naar hun kooien werden teruggebracht. We herhaalden deze procedure voor opeenvolgende dagen van 7. In sommige experimenten werd de sucrose-training uitgebreid naar een 8th dag. Deze korte, niet-contingente toegang tot een zeer smakelijke oplossing stelde ons in staat om zowel acute als cumulatieve effecten van de inname van sucrose te onderzoeken, aangezien dieren op betrouwbare wijze sucrose gedurende de toegangsperiode binnen drie dagen na de training krachtig absorbeerden (Figuur 1B). Deze experimentele omstandigheden maakten de vergelijking mogelijk van testgroepen onmiddellijk na stopzetting van de inname. Ons criterium voor opname in het onderzoek was dat ratten binnen de drie dagen na het begin van de training minstens één gram sucrose begonnen te consumeren tijdens de toegangsperiode; geen dieren werden uitgesloten van het onderzoek op basis van dit criterium.

Figuur 1  

Herhaalde inname van sucrose veroorzaakt voorbijgaande verhogingen van spontane locomotie.

We hebben vastgesteld dat Sucrose-dieren binnen drie dagen na de training aanzienlijk meer sucrose-oplossing consumeerden dan waterdieren die water aten (Figuur 1B). Hoewel er geen significante verschillen in spontane locomotie werden waargenomen op trainingsdagen 1-6 (gegevens niet getoond), constateerden we een significante stijging van de totale afgelegde afstand in Sucrose-dieren in vergelijking met waterdieren in de drie minuten na het verwijderen van de fles op dag 7 (Figuur 1D) en dit verschil was ook aanwezig op dag 8 (Figuur 1E). Er werden geen verschillen in totale afgelegde afstand waargenomen tussen water en Sucrose-dieren in de drie minuten voorafgaand aan de introductie van de flessen op een van de testdagen (Figuur 1C), wat suggereert dat een verhoogde motoriek een acute reactie was op de inname van sucrose specifiek voor de met sucrose getrainde rat, in plaats van een geconditioneerde respons op de locomotorkamer. In overeenstemming met deze mogelijkheid was er een significant positief verband tussen de hoeveelheid geconsumeerd sucrose en de totale afgelegde afstand (Figuur 1F). Er was geen verschil in gewicht van dieren tussen de Sucrose- en Watergroepen vóór of na de 7 trainingsdagen (gegevens niet getoond).

Sucrose-inname induceert CPAR-opname

Sucrose training leidde tot een tijdelijke verhoging van de motoriek op de laatste trainingsdag. Om te bepalen of deze consequentie van inname van sucrose gepaard ging met elektrofysiologische veranderingen in de nucleus accumbens, een regio die beloningsgedrag reguleert, hebben we nucleus accumbens-slices onmiddellijk na het verwijderen van de fles op dag 7 bereid en opgenomen uit neuronen van de accumbens-kern (Figuur 2A). Het kernsubregio is betrokken bij de respons van locomotieven op stimulerende stimuli (Sesack en Grace, 2010). We vonden dat zowel de amplitude als de frequentie van spontane miniatuur exciterende postsynaptische stromen (mEPSC's) significant groter waren in de accumbens kern van Sucrose dieren in vergelijking met Water dieren (Figuur 2B). Dit toonde aan dat herhaalde sucroseconsumptie de synaptische transmissie in de nucleus accumbens kern positief kon reguleren. Om te bepalen of CPAR-opname een rol speelde bij potentiëring na sucrose, bepaalden we rectificatie-indices voor accumbens kernneuronen door het meten van EPSC's bij verschillende membraanpotentialen (Figuren 2C, 2D en 2E). CPAR's corrigeren naar eigen inzicht naar depolariserende potentialen vanwege endogene polyamineblokkade. We hebben significante rectificatie waargenomen in opnames van neuronen van Sucrose-dieren, zoals aangegeven door niet-lineariteit in de I / V-relatie, vergeleken met waterdieren (Figuur 2E), naast een aanzienlijke toename van de rectificatie-index (Figuur 2F).

Figuur 2  

Accumbens kern-synapsen worden versterkt na herhaalde inname van sucrose.

Om verhoging van CPAR-niveaus met een andere methode te bevestigen, hebben we van Accumbens kernneuronen opgenomen na opname van de specifieke CPAR-blokker, 1-Naphthylacetyl-spermine (Naspm) in het bad. We vonden dat Naspm de EPSC-amplitude aanzienlijk verminderde in opnames van neuronen uit Sucrose maar niet uit Water-dieren (Figuren 3A-C). Bovendien, na behandeling met Naspm, werd de I / V-relatie in neuronen van Sucrose-dieren lineair, hetgeen de remming van CPAR's in Sucrose-dierensynapsen weerspiegelt, terwijl geen significant effect op de I / V-relatie werd waargenomen na Naspm-behandeling in neuronen van waterdieren (Cijfers 3D). Deze resultaten tonen aan dat herhaalde inname van sucrose de opname van CPAR's in synapsen van de accumbens-kern induceert.

Figuur 3  

Sucrose-inname veroorzaakt de opname van Ca2 + -permeabele AMPA-receptoren.

Sucrose-inname induceert GluA1-trafficking

CPAR's zijn AMPA-receptoren die de GluA2 AMPA-receptorsubeenheid missen. Synaptische opname van CPAR's houdt dus meestal verband met synaptische activiteitafhankelijke trafficking van de GluA1-subeenheid (Hij et al., 2009; Isaac et al., 2007; Liu en Zukin, 2007; Plant et al., 2006). Om CPAR-synaptische opname na sucrose-training te bevestigen, onderzochten we of inname van sucrose de synaptische expressie van GluA1 verhoogde. Ratten kregen toegang tot sucrose zoals hierboven beschreven voor opeenvolgende dagen van 7. Op dagen 1, 3, 5 en 7 isoleerden we de volledige cel, synaptosoom en postsynaptische dichtheids (PSD) fracties uit drie hersengebieden: accumbens kern (kern), accumbens omhulsel (shell) en somatosensorische cortex (cortex). We analyseerden de volledige cel en PSD-fracties met Western-blot voor expressie van GluA1 en GluA2.

We vonden geen veranderingen in GluA1 of GluA2 in de gehele celfracties van accumbens-lysaten op de onderzochte testdagen, wat suggereert dat herhaalde sucroseconsumptie de totale niveaus van deze eiwitten niet reguleert (Figuren 4A-C). In de PSD-fracties van Accumbens steeg GluA1 echter significant op dag 7 in de kern maar niet in de schaal, terwijl GluA2 in beide fracties niet significant veranderde (Cijfers 4D-4F en gegevens niet getoond). We hebben geen significante toename waargenomen in GluA1 in de accumbens kern PSD-fracties op de voorgaande testdagen (Figuren 4D-F) en GluA1 of GluA2 veranderden niet in de cortex PSD-fracties op een van de testdagen (gegevens niet getoond). Verhoogde GluA1, vooral ten opzichte van GluA2, in accumbens core PSD's na herhaalde inname van sucrose is in overeenstemming met de verhoogde rectificatie waargenomen in accumbens kern neuronen, zoals hierboven beschreven.

Figuur 4  

Postsynaptische dichtheid GluA1, maar niet GluA2, is verhoogd in nucleus accumbens core na inname van sucrose.

Van activiteitafhankelijke GluA1-trafficking is aangetoond dat het synaptische plasticiteit bijdraagt in vitro en ook in vivo (Lu en Roche, 2011). Er is een snel meerstapmechanisme voor GluA1-mensenhandel gedemonstreerd in vitro (Serulle et al., 2007; Sun et al., 2008; Sun et al., 2005). Tot nu toe echter de bijdrage van dit meerstaps mechanisme aan GluA1 synaptische accumulatie in vivo is niet getest. Om te bepalen of sucrose-training GluA1-handel acuut veroorzaakt door het meerstapige mechanisme, hebben we GluA1 gelokaliseerd op nucleus accumbens-synapsen van met sucrose en water getrainde dieren door middel van kwantitatieve elektronenmicroscopie. Accumbens kernweefsel werd geoogst op de zevende dag van sucrose-training van 3-testgroepen van ratten. Dit waren ratten die: 1) water aten voor 7-dagen (Water), 2) geconsumeerde sucrose voor 7-dagen (Sucrose) en 3) geconsumeerd sucrose voor 6-dagen en water op dag 7 (Sucrose / Water). Ratten werden opgeofferd op de 7th dag, 5 minuten na consumptie van sucrose of water. Vergelijking van twee van de testgroepen, Sucrose / Water en Sucrose-dieren met elkaar en met Water-dieren onthulde dus de tijdschaal van postsynaptische veranderingen geïnduceerd door sucroseconsumptie in sucrose-getrainde ratten. We meten postembed immunogold (PEG) -gemarkeerd GluA1 in verschillende postsynaptische compartimenten van 5: dendritisch wervelkolomcytosol (intraspinous), extrasynaptisch plasmamembraan (membraan), PSD, nabij PSD en synaptische spleet, waarbij de laatste drie compartimenten worden gegroepeerd als 'PSD' '(Fig. 5A). Om de bias van de onderzoeker te elimineren, werden de identiteiten van de testgroep van de elektronenmicroscopische beelden drievoudig geblindeerd.

Figuur 5  

Elektronenmicroscopie onthult de inductie van multi-step GluA1 trafficking door inname van sucrose.

Zowel Sucrose- als Sucrose / Water-dieren vertoonden significant verhoogde intraspinale GluA1 ten opzichte van waterdieren (Fig. 5B en 5C). Dit suggereert dat de consumptie van chronisch sucrose een intracellulaire pool van GluA1-bevattende AMPA-receptoren naast de synaptische plaatsen verhoogt, receptoren die gemakkelijk beschikbaar zijn voor synaptisch verkeer en, belangrijker, dat deze intracellulaire pool kan blijven bestaan ​​gedurende 24 uur na de uiteindelijke consumptie van sucrose . Vervolgens onderzochten we de belangrijke vraag of een acute sucrosestimulus snelle GluA1-trafficking kan veroorzaken. We hebben vastgesteld dat extrasynaptisch plasmamembraan GluA1 significant was verhoogd in Sucrose-dieren in vergelijking met zowel Sucrose / Water- als Waterdieren (Figuren 5B en 5D). Deze waarneming geeft aan dat een natuurlijke, orosensorische beloning die wordt geboden door een enkele sucrosestimulus, snel (<5 min) maar tijdelijk (vervaltijd <24 uur) de extrasynaptische populatie van GluA1-bevattende AMPA-receptoren kan verhogen, waardoor een labiele pool ontstaat waaruit de receptoren kan verkeer naar de synaps.

aanzienlijk, in vitro studies hebben gesuggereerd dat synaptische incorporatie van AMPA-receptoren plaatsvindt in 2-stappen. In de eerste, glutamaat- of dopamine-afhankelijke Ser 845-fosforylatie verhoogt de niveaus van receptoren op extrasynaptische plaatsen in het plasmamembraan (Esteban et al., 2003; Serulle et al., 2007; Sun et al., 2008; Sun et al., 2005), terwijl in de tweede, Ser 818 fosforylatie synaptische incorporatie bevordert (Boehm et al., 2006). Onze elektronenmicroscopische vergelijking van Sucrose-dieren met Sucrose / Water en Water-dieren toont aan dat de eerste stap van GluA1-trafficking werd waargenomen in vitro (Makino en Malinow, 2009), vindt snelle trafficking naar het extrasynaptische membraan ook plaats in vivo na het verstrekken van een orosensorische beloning.

In overeenstemming met de elektrofysiologie en biochemische resultaten die hierboven zijn beschreven, toonde PEG EM aan dat de inname van sucrose ook de tweede stap in GluA1 trafficking GluA1-receptor-entry naar de synaps induceerde, aangezien het niveau van GluA1-immunoreactiviteit bij de PSD significant groter was voor Sucrose in vergelijking met Water-ratten, en er was een trend in de richting van verhoogde GluA1 in Sucrose / Water in vergelijking met Waterratten (Figuren 5B en 5E). De toename in Sucrose / Water-dieren is consistent met ofwel een snelle opname van GluA1 die vervalt met een synaptische halfwaardetijd van ~ 24 uur of snelle incorporatie van GluA1 en vervanging door synaptische GluA1 / 2 gedurende een vergelijkbare tijdsperiode. Het percentage synapsen dat GluA1 tot expressie bracht in de PSD was ook significant groter in Sucrose-ratten vergeleken met waterratten (Figuur 5F), wat suggereert dat GluA1 werd verhandeld naar synapsen die voorheen GluA1 misten. Dit suggereert ook dat de toename in mEPSC-amplitude die wordt waargenomen bij sucrose-ratten het gevolg is van een toename van synaptische GluA1, en dat de toename in mEPSC-frequentie het gevolg kan zijn van rekrutering van GluA1 naar voorheen stille accumbens-synapsen, hoewel versterking van glutamaatafgifte niet kan worden verworpen. We hebben ook het aantal synapsen in elk van de drie testgroepen gemeten om te bepalen of de inname van sucrose synaptogenese induceerde; er waren geen verschillen tussen de drie testgroepen (gegevens niet getoond). We concluderen dat herhaalde inname van sucrose een stabiele (> 24 uur) intraspinale pool van GluA1 verhoogt, en een enkele sucrose-stimulus voor een sucrose-getrainde (6 dagen) rat is voldoende om GluA5 snel (1 min) te verhogen in het extrasynaptische plasmamembraan, mogelijk receptoren trekken uit de intraspinale pool. We suggereren dat een deel van deze extrasynaptische receptoren stabiel in de PSD wordt opgenomen, wat leidt tot de waargenomen rectificatie-index en PSD GluA1-veranderingen, voordat de extrasynaptische pool 24 uur na stimulatie terugkeert naar de basislijn. Deze resultaten laten zien dat een natuurlijke beloning acuut kan leiden tot snelle GluA1-handel in een getraind dier.

CPAR-activiteit is vereist voor verhoogde motoriek na inname van sucrose

Medium stekelige neuronen ontvangen zowel dopaminerge als glutamaterge ingangen (Calabresi, et al., 1992). Om de betrokkenheid van glutamaatsignalering te beoordelen in de verhoogde spontane locomotie die we waarnamen na inname van sucrose bij met sucrose getrainde ratten, implanteerden we canules in de accumbenskern van ratten en trainden dieren in locomotormetingskamers zoals hierboven beschreven. Op dag 8 van de sucrose-training micro-integreerden we Naspm in de kern voorafgaand aan plaatsing in de locomotor-testkamer. De injectie verlaagde de totale afgelegde afstand van de Sucrose-dieren en elimineerde het verschil tussen sucrose- en waterdieren direct na het verwijderen van de fles (Figuur 6A). Om te verifiëren dat de stress veroorzaakt door het hanteren van de dieren de sucroserespons niet had beïnvloed, injecteerden we de volgende dag zoutoplossing in de kern (dag 9 van sucrose-training); wederom significante hyperactiviteit werd waargenomen in de Sucrose-dieren onmiddellijk na het verwijderen van de fles (Figuur 6B). Dit toont aan dat Naspm specifiek door sucrose geïnduceerde verhoging van de motoriek remde. Injectie van de NMDAR-antagonist, APV, in de kern op de volgende dagen elimineerde ook het verschil tussen sucrose- en waterdieren (Figuur 6C), wat aantoont dat NMDAR's ook nodig zijn voor verhoging van de spontane motoriek na inname van sucrose. Om te bepalen of een geconditioneerde reactie op de testkamer een rol speelde bij inductie van hyperactiviteit, werden dieren voor 35 min in de kamer geplaatst zonder introductie van de fles; er werden geen verschillen in afgelegde afstand tussen Sucrose- en waterdieren waargenomen (Figuur 6D). Naspm en APV hadden geen invloed op de consumptie van sucrose (Figuur 6E), wat aantoont dat kern-CPAR's en NMDAR's niet vereist zijn voor een krachtige inname van sucrose. Dieren waarbij de canules niet in de accumbens-kern waren geplaatst (2 uit 15-dieren), als geëvalueerde na-opoffering (Figuur 6F), werden niet opgenomen in het onderzoek. Samenvattend tonen deze gegevens samen aan dat consumptie van sucrose door een met sucrose getrainde rat synaptisch verkeer van GluA1 in 5 minuten induceert, en dat blokkering van signaleringsmechanismen die deze trafficking regelen, de verhoging van spontane locomotorische activiteit na sucrose voorkomt.

Figuur 6  

Verhoogde spontane beweging na inname van sucrose vereist CPAR's en NMDAR's.

Twee routes voor sucrose-signalering kunnen worden overwogen. Eén, een strikt chemosensorische of orosensorische route, wordt geïnitieerd door sucrose-binding aan de zoete smaakreceptor, die overeenkomt met het heteromere aan G-eiwit gekoppelde receptorcomplex, T1R2 / T2R3 (Kitagawa et al., 2001; Max et al., 2001; Nelson et al., 2001; Sainz et al., 2001). Calorie-rijke voedingsstoffen kunnen ook de hersenfunctie reguleren door metabolische paden onafhankelijk van de smaak, hoewel de mechanismen niet goed worden begrepen (de Araujo et al., 2008). Om onderscheid te maken tussen deze twee alternatieven voor de route van GluA1-trafficking geïnduceerd door sucrose, herhaalden we het trainingsprotocol met drie groepen ratten (4-ratten / -groep) die gedurende 5 minuten toegang kregen tot flessen met water, 25% sucrose-oplossing of 3% sacharine (zoet en laag). De flessen werden verwijderd en de ratten bleven gedurende 15 minuten langer in de trainingskooi. De training werd herhaald voor 7-dagen. De vloeistofvolumes die werden verbruikt door de testgroepen voor sucrose en saccharine verschilden niet significant van elkaar en beide waren groter dan de consumptie door de watergroep, in overeenstemming met de beloning door beide zoete substanties (Figuur 7A). Op de 7e dag van het drinken, onmiddellijk volgend op het verwijderen van de fles, werden ratten opgeofferd, het accumbens kernweefsel geoogst en samengevoegd voor elke testgroep, de PSD fractie geïsoleerd en GluA1 niveaus onderzocht met Western blot (Figuur 7B). Zoals eerder vertoonden dieren die sucrose aten verhoogde GluA1 in de PSD-fractie ten opzichte van de watergroep (Figuur 7C). Veelbetekenend was GluA1 ook verhoogd in de PSD-fractie van dieren die sacharine consumeerden. Er was geen significant verschil in de niveaus van GluA1 in de gehele celfracties van de accumbens-kern van water-, sucrose- en saccharinedieren, wat suggereert dat de GluA1-toename specifiek was voor de synaptische fractie (Figuur 7D). Omdat sacharine hetzelfde heteromerische aan G-eiwit gekoppelde smaakreceptorcomplex stimuleert als sucrose (Masuda et al., 2012; Nelson et al., 2001), maar heeft een calorische waarde, we concluderen dat stimulatie van de zoete smaakreceptor voldoende is om signalering te initiëren die GluA1-niveaus verhoogt bij nucleus accumbens kern-synapsen.

Figuur 7  

Saccharinetraining induceert een toename van Synaptic GluA1 vergelijkbaar met Sucrose Training.

Discussie

We hebben aangetoond dat een orosensorische beloning, herhaalde sucroseconsumptie, de GluA1-synaptische incorporatie acuut kan induceren via een meerstaps trafficking-mechanisme dat eerder is beschreven in vitro. Herhaalde sucroseconsumptie gedurende 6-7 dagen versterkte accumbens kern-synapsen elektrofysiologisch door de insertie van CPAR's. Dit effect ging gepaard met de accumulatie van GluA1 maar niet met GluA2 in de PSD van de kern en was regionaal en temporeel specifiek, omdat vóór de trainingsdag 7 in de kern geen veranderingen werden waargenomen en er geen verandering werd waargenomen in de accumbens-schaal of in somatosensorische cortex. Elektronenmicroscopische analyse bracht aan het licht dat herhaalde inname van sucrose een relatief stabiele (t1/2 > 24 uur) populatie van intraspinale GluA1-bevattende receptoren. Sucrose ook snel (5 min) en tijdelijk (t1/2 <24 uur) verhoogde niveaus van GluA1-bevattende receptoren op extrasynaptische plaatsen bij met sucrose getrainde dieren, waardoor de populatie AMPAR's die lateraal in de synaps kunnen diffunderen, toeneemt. Synaptisch GluA1, zowel zoals weergegeven door de PSD-fractie als zoals gedetecteerd door PEG-EM, was significant verhoogd in sucrose in vergelijking met waterdieren. Op basis van deze resultaten stellen we voor dat het tweestapsmechanisme van extrasynaptische exocytose gevolgd door synaptische trafficking voor AMPAR synaptische insertie eerder beschreven in vitro (Boehm et al., 2006; Makino en Malinow, 2009; Oh et al., 2006; Serulle et al., 2007; Sun et al., 2005) kan snel worden gestart in vivo door een natuurlijke, orosensorische beloning.

Veranderingen in de synaptische GluA1-niveaus werden alleen waargenomen na 7-trainingssessies, wat suggereert dat voor potentiëring een proces van meerdere dagen nodig is. In biochemische experimenten in vivowe hebben geen significante toename gezien in de PSD GluA1-niveaus van accumbens core op dagen 1, 3 en 5 van sucrose-training; pas na 7 dagen van sucrose training was GluA1 in de PSD significant verhoogd. Bij experimenten met elektronenmicroscopie hebben we waargenomen dat Sucrose / Water-dieren, die gedurende 6-dagen sucrose hadden getraind maar in 24-uren geen sucrosestimulus hadden ontvangen, een trend in de richting van verhoogde PSD GluA1 vertoonden. Deze dieren vertoonden ook een verhoogd intraspinous GluA1 vergeleken met waterdieren, maar er werd geen verandering in extrasynaptisch membraan GluA1 waargenomen. Uit deze resultaten trekken we drie conclusies. Ten eerste accumuleren GluA1-bevattende AMPA-receptoren intraspinously met successieve sucrosestimulaties. Aangezien eerdere studies hebben aangetoond dat inname van sucrose dopamine-afgifte in de accumbens induceert (Cacciapaglia et al., 2012; McCutcheon et al., 2012; Rada et al., 2005) en dat D1R's lokale GluA1-vertaling in dendrieten kunnen genereren (Smith et al., 2005), dopamine-afgifte na inname van sucrose kan lokale GluA1-synthese triggeren die leidt tot intraspinale GluA1-accumulatie. Als alternatief kan de intraspinale toename het verkeer van GluA1 vanaf distale locaties weerspiegelen. Het is waarschijnlijk dat exocytaire trafficking van deze verhoogde intraspinale pool bijdraagt ​​aan de extrasynaptische pool in de plasmamembraan. Ten tweede suggereert de waarneming van een toename in extrasynaptisch membraan GluA1 in Sucrose, maar niet in Sucrose / Water- of Waterdieren, dat de extrasynaptische receptoren ofwel door een tweede stap in de synaps gaan of endocytosed zijn in de 24 uur na sucroseconsumptie, waardoor de extrasynaptisch zwembad voorbijgaand. Ten derde suggereert de verhoging van Sucrose-dier PSD GluA1 vergeleken met waterdieren, maar niet met Sucrose / Water-dieren, dat receptoren na elke sucrosestimulus lateraal in de synaps van de pool van receptoren terechtkomen die snel worden getransporteerd naar het extrasynaptische plasmamembraan. We kunnen niet uitsluiten dat GluA1 direct van de intraspinale naar de synaps reist. Een dergelijk pad lijkt echter onwaarschijnlijk gezien de onderzoeken die laten zien dat GluA1 extra-synaptisch is ingebracht (Boehm et al., 2006; Makino en Malinow, 2009; Oh et al., 2006; Serulle et al., 2007; Sun et al., 2005). Deze bevindingen vertegenwoordigen de eerste demonstratie dat het tijdsverloop voor GluA1-trafficking (<5 min) en waargenomen pathway in vitro worden ook waargenomen in vivo. Bovendien suggereren onze resultaten dat herhaalde belonende stimuli het vermogen van de potentiëring van een synaps wijzigen door de verzameling intraspinale receptoren die in staat zijn om te worden verhandeld te verhogen.

Omdat sacharine GluA1-handel induceerde zoals sucrose, is het calorische gehalte van sucrose niet vereist. Sacharine stimuleert dezelfde zoete smaakreceptor, T1R2 / T2R3, als sucrose (Masuda et al., 2012; Nelson et al., 2001), suggestie van activering van deze receptor initieert waarschijnlijk de opname van GluA1 in MSN-synapsen. Sucrose verhoogt dopamine-afgifte in de accumbens van VTA-neuronen (Cacciapaglia et al., 2012; McCutcheon et al., 2012; Rada et al., 2005) lGluA1 oppervlakteactiviteiten. Dus de weg die de zoete smaakreceptor met de VTA verbindt, staat waarschijnlijk centraal in de plasticiteit die hier wordt bestudeerd.

Het is waarschijnlijk dat snelle GluA1-handel na inname van sucrose een rol speelt bij het reguleren van spontane voortbeweging. Inderdaad, bij met sucrose getrainde dieren, verhinderde remming van CPAR's verhoging van spontane locomotorische activiteit onmiddellijk na inname van sucrose. De totale afgelegde afstand door ratten na het verbruik van sucrose gemeten op opeenvolgende dagen was alleen significant verhoogd voor de periode 3 min onmiddellijk na sucroseconsumptie op de zevende dag van de training. Verhoogde activiteit onmiddellijk na sucrose werd waargenomen beginnend op dag 3 van training, maar werd niet significant verschillend tot dag 7. Deze tijdsverloop correleert met het tijdsverloop van de accumulatie van GluA1 in accumbens kern-dendrieten. De verhoogde motoriek was een functioneel gevolg van CPAR-trafficking naar MSN-synapsen in de accumbens-kern, aangezien Naspm-injectie in de kern de toename in activiteit remde. Preventie van verhoogde motoriek door een NMDA-receptorremmer toonde aan dat glutamaatsignalering via NMDA-receptoren en CPAR's noodzakelijk was om de locomotorische activiteit te verhogen. Sucrose-inname werd echter niet beïnvloed door blokkade van glutamaatsignalering, in overeenstemming met eerdere onderzoeken die aantoonden dat de accumbens-kern betrokken is bij de orkestratie van motorische reacties die verband houden met orosensorische beloning maar niet met consumptie zelf (Smith, 2004). Een vergelijkbaar tijdsverloop voor de ontwikkeling van hyperlocomotie is gemeld voor de ontwikkeling van geconditioneerde hyperactiviteit bij dieren die hun dagelijkse maaltijd in een onderscheidende omgeving hebben gevoed (Matthews et al., 1996). Als de huidige respons een geconditioneerde hyperactiviteit zou zijn die voortkomt uit het koppelen van context en sucrose, zou deze echter zijn voorafgegaan aan de afgifte van sucrose, die niet werd waargenomen. Het is mogelijk dat de onderwerpen een verkennende opwinding vertonen. Verdere experimenten zouden nodig zijn om te onderscheiden of verhoogde motoriek na inname van sucrose opwinding van exploratie opwekte in tegenstelling tot een vorm van motorsensibilisatie of ander gedrag. In elk geval vereiste de verhoging van de spontane voortbeweging glutamaatsignalering en resulteerde dit, althans voor een deel, uit de opname van CPAR's in de accumbens-kern.

De verhoogde locomotorische activiteit na inname van sucrose kan rechtstreeks het gevolg zijn van de waargenomen versterking van accumbens-kern-synapsen, aangezien een verhoogde output van de directe basale ganglia-route voortbeweging bevordert door disinhibitie van thalamus bij de motor (Sesack en Grace, 2010). TDe gepotentieerde synapsen bevinden zich hoogstwaarschijnlijk op directe pathway accumbens kernneuronen, die D1R's tot expressie brengen. Potentiëring van synaptis van directe pathway neuronen zou resulteren als D1R-activiteit GluA1-bevattende AMPAR's in de richting van synapsen in deze neuronen trafficking na krachtige dopamine-afgifte. De resulterende potentiëring zou de activiteit verhogen in remmende projecties van direct pathway neuronen naar basale ganglia output kernen, waardoor motorische thalamus wordt ontmoedigd en motor cortex activiteit wordt bevorderd (Gerfen en Surmeier, 2011; Kravitz et al., 2010; Sesack en Grace, 2010). De synaptische potentiëring die wordt waargenomen na herhaalde inname van sucrose vindt waarschijnlijk specifiek plaats in neuronen met directe pathways, omdat dopamine dat via de D1-receptor werkt, GluA1 S845-fosforylering kan induceren, leidend tot oppervlaktetransmissie.

Een aantal studies hebben de effecten van herhaalde stimulatie met cocaïne onderzocht, gevolgd door terugtrekking, een behandeling die diepgaande effecten heeft op de werking van het beloningssysteem en uiteindelijk leidt tot sensibilisatie van cocaïne, die wordt gekenmerkt door een verhoogde motorische respons op cocaïne, drugsverslaving en terugval (Kalivas et al., 1998). Herhaalde IP-injectie met cocaïne voor 5-10-dagen gevolgd door ontwenning resulteerde in een geleidelijke toename ten opzichte van 14-dagen in oppervlakte-GluA2-bevattende AMPA-receptoren (Boudreau et al., 2007; Kourrich et al., 2007). Op 45-dagen na ontwenning na 10 d van zelftoediening werd echter een grote toename van de rectificatie-index waargenomen bij MSN's van ratten. (McCutcheon et al., 2011b) duidend op een stijging van de CPAR's. Aldus is CPAR-trafficking waargenomen na zowel sucrose-inname, in het huidige werk, als cocaïne zelftoediening, hoewel onder zeer verschillende behandelingsomstandigheden.. Omdat de directe gevolgen van cocaïne zelftoediening of injectie (bijv. Op 5 minuten na de start) niet bekend zijn, kan cocaïne-actie niet direct worden vergeleken met het huidige sucrosewerk. Evenzo is het niet bekend of CPAR's aanhouden in MSN-synapsen van met sucrose getrainde dieren na stopzetting van de sucrose-training of dat dergelijke dieren sucrose-sensibilisatie vertonen na langdurige ontwenning.

Begrijpen hoe belonende stimuli de plasticiteit en het gedrag van accumbens reguleren, zijn cruciaal voor het aanpakken van verslaving, hyperfagie, pathologisch gokken en andere gedragsstoornissen (Basar et al., 2010; Berridge, 2009; Luscher en Malenka, 2011). Suikeroverconsumptie draagt ​​bij aan de obesitasepidemie (Hu en Malik, 2010), en hoewel mogelijk vergelijkbaar met drugsmisbruik (Avena et al., 2008), is zijn mechanisme niet uitgebreid onderzocht. De huidige bevindingen leggen basiselementen vast van beloningsgeïnduceerde plasticiteit, waaruit toekomstige studies regulering van complex gedrag kunnen aanwijzen, mogelijk nieuwe manieren aanreiken om beloningsgerelateerde pathologieën te confronteren.

Dankwoord

We danken leden van het Ziff Laboratory, vroeger en nu, voor technische assistentie en nuttige discussies, waaronder H. Girma, L. Lee en Drs. B. Fernholz, B. Jordan, W. Lu, G. Rameau, S. Restituito & Y. Serulle. Dit werk werd ondersteund door National Institute of Mental Health Predoctoral Fellowship F31MH76617-01 en NIH Training Grant 5T32DC000063 aan het New York University Training Program in the Neurosciences (DST), R01NS061920 van het National Institute of Neurological Disorders and Stroke (EBZ), 1R21MH091445- 01 van het National Institute of Mental Health en Office of Research on Women's Health, Klarman Family Foundation Grants Program in Eating Disorders Research, NYU's Research Challenge Fund en P30EY13079 (CA), National Institute on Drug Abuse Grant DA003956 en een Independent Investigator Award van NARSAD (KDC), National Institute on Deafness and other Communications Disorders verlenen DC009635 aan RCF, en door een seed-subsidie ​​in het Center of Excellence on Addiction van het Langone Medical Center van de New York University.

voetnoten

Belangenconflict: de auteurs verklaren geen concurrerende financiële belangen.

Referenties

  1. Avena NM, Rada P, Hoebel BG. Bewijs voor suikerverslaving: gedrags- en neurochemische effecten van intermitterende, overmatige suikerinname. Neurosci Biobehav Rev. 2008; 32: 20-39. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  2. Basar K, Sesia T, Groenewegen H, Steinbusch HW, Visser-Vandewalle V, Temel Y. Nucleus accumbens en impulsivity. Prog Neurobiol. 2010, 92: 533-557. [PubMed]
  3. Berridge KC. 'Liken' en 'willen' voedselbeloningen: hersensubstraten en rollen bij eetstoornissen. Fysiologie en gedrag. 2009; 97: 537-550. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  4. Boehm J, Kang MG, Johnson RC, Esteban J, Huganir RL, Malinow R. Synaptische opname van AMPA-receptoren tijdens LTP wordt gecontroleerd door een PKC-fosforyleringssite op GluR1. Neuron. 2006, 51: 213-225. [PubMed]
  5. Boudreau AC, Reimers JM, Milovanovic M, Wolf ME. AMPA-receptoren op het celoppervlak in de nucleus accumbens van ratten nemen toe gedurende het onttrekken van cocaïne, maar internaliseren na cocaïne-provocatie in combinatie met veranderde activatie van door mitogeen geactiveerde proteïnekinasen. J Neurosci. 2007, 27: 10621-10635. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  6. Brebner K, Wong TP, Liu L, Liu Y, Campsall P, Gray S, Phelps L, Phillips AG, Wang YT. Nucleus accumbens langdurige depressie en de uitdrukking van gedragssensibilisatie. Wetenschap. 2005, 310: 1340-1343. [PubMed]
  7. Cacciapaglia F, Saddoris MP, Wightman RM, Carelli RM. Differentiële dopamine-afgiftedynamiek in de nucleus accumbens-kern en schaal volgen verschillende aspecten van doelgericht gedrag voor sucrose. Neuropharmacology 2012 [PMC gratis artikel] [PubMed]
  8. Calabresi P, Maj R, Pisani A, Mercuri NB, Bernardi G. Lange termijn synaptische depressie in het striatum: fysiologische en farmacologische karakterisatie. J Neurosci. 1992, 12: 4224-4233. [PubMed]
  9. Carr KD, Chau LS, Cabeza de Vaca S, Gustafson K, Stouffer M, Tukey DS, Restituito S, Ziff EB. AMPA-receptorsubeenheid GluR1 stroomafwaarts van D-1 dopaminereceptorstimulatie in nucleus accumbens-schaal medieert een toename in de grootte van de geneesmiddelbeloning in voedselbeperkte ratten. Neuroscience. 2010, 165: 1074-1086. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  10. Conrad KL, Tseng KY, Uejima JL, Reimers JM, Heng LJ, Shaham Y, Marinelli M, Wolf ME. Vorming van accumbens GluR2-ontbrekende AMPA-receptoren bemiddelt incubatie van cocaïnewens. Natuur. 2008, 454: 118-121. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  11. Dag JJ, Carelli RM. De nucleus accumbens en Pavlovian belonen het leren. Neuroloog. 2007, 13: 148-159. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  12. de Araujo IE, Oliveira-Maia AJ, Sotnikova TD, Gainetdinov RR, Caron MG, Nicolelis MA, Simon SA. Voedselbeloning in afwezigheid van signaalreceptorsignalering. Neuron. 2008, 57: 930-941. [PubMed]
  13. Ehlers MD, Heine M, Groc L, Lee MC, Choquet D. Diffusievertraging van GluR1 AMPA-receptoren door inputspecifieke synaptische activiteit. Neuron. 2007, 54: 447-460. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  14. Esteban JA, Shi SH, Wilson C, Nuriya M, Huganir RL, Malinow R. PKA-fosforylering van AMPA-receptorsubeenheden regelt de onderliggende plasticiteit van synaptische trafficking. Nat Neurosci. 2003, 6: 136-143. [PubMed]
  15. Gerfen CR, Surmeier DJ. Modulatie van striatale projectiesystemen door dopamine. Jaaroverzicht van de neurowetenschap. 2011, 34: 441-466. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  16. Grueter BA, Brasnjo G, Malenka RC. Postsynaptische TRPV1 activeert celtypespecifieke langdurige depressie in de nucleus accumbens. Aard neurowetenschap. 2010, 13: 1519-1525. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  17. Hij K, Song L, Cummings LW, Goldman J, Huganir RL, Lee HK. Stabilisatie van Ca2 + -permeabele AMPA-receptoren op perisynaptische locaties door fosforylatie van GluR1-S845. Proc Natl Acad Sci US A. 2009; 106: 20033-20038. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  18. Hu FB, Malik VS. Met suiker gezoete dranken en risico op obesitas en diabetes type 2: epidemiologisch bewijs. Fysiologie en gedrag. 2010; 100: 47-54. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  19. Isaac JT, Ashby MC, McBain CJ. De rol van de GluR2-subeenheid in AMPA-receptorfunctie en synaptische plasticiteit. Neuron. 2007, 54: 859-871. [PubMed]
  20. Jordan BA, Fernholz BD, Boussac M, Xu C, Grigorean G, Ziff EB, Neubert TA. Identificatie en verificatie van nieuwe postsynaptische dichtheidsproteïnen van knaagdieren. Mol Cell Proteomics. 2004, 3: 857-871. [PubMed]
  21. Kalivas PW, Pierce RC, Cornish J, Sorg BA. Een rol voor sensibilisering bij craving en recidive bij cocaïneverslaving. J Pharmacol. 1998, 12: 49-53. [PubMed]
  22. Kitagawa M, Kusakabe Y, Miura H, Ninomiya Y, Hino A. Moleculaire genetische identificatie van een kandidaat-receptorgen voor zoete smaak. Biochemische en biofysische onderzoekscommunicatie. 2001, 283: 236-242. [PubMed]
  23. Kourrich S, Rothwell PE, Klug JR, Thomas MJ. Ervaring met cocaïne bepaalt bidirectionele synaptische plasticiteit in de nucleus accumbens. J Neurosci. 2007, 27: 7921-7928. [PubMed]
  24. Kravitz AV, Freeze BS, Parker PR, Kay K, Thwin MT, Deisseroth K, Kreitzer AC. Regulatie van motorisch gedrag van de motorinson door optogenetische controle van basale ganglia-circuits. Natuur. 2010, 466: 622-626. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  25. LaPlant Q, Vialou V, Covington HE, 3rd, Dumitriu D, Feng J, Warren BL, Maze I, Dietz DM, Watts EL, Iniguez SD, et al. Dnmt3a reguleert het emotionele gedrag en de plasticiteit van de wervelkolom in de nucleus accumbens. Nat Neurosci. 2010, 13: 1137-1143. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  26. Liu SJ, Zukin RS. Ca2 + -permeabele AMPA-receptoren in synaptische plasticiteit en neuronale dood. Trends in neurowetenschappen. 2007, 30: 126-134. [PubMed]
  27. Lu W, Isozaki K, Roche KW, Nicoll RA. Synaptische targeting van AMPA-receptoren wordt gereguleerd door een CaMKII-site in de eerste intracellulaire lus van GluA1. Proc Natl Acad Sci US A. 2010; 107: 22266-22271. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  28. Lu W, Roche KW. Posttranslationele regulatie van AMPA-receptortrafficking en -functie. Huidige opinie over neurobiologie 2011 [PMC gratis artikel] [PubMed]
  29. Luscher C, Malenka RC. Door drugs opgewekte synaptische plasticiteit bij verslaving: van moleculaire veranderingen tot herindeling van circuits. Neuron. 2011, 69: 650-663. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  30. Makino H, Malinow R. AMPA-receptoropname in synapsen tijdens LTP: de rol van zijwaartse beweging en exocytose. Neuron. 2009, 64: 381-390. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  31. Mameli M, Halbout B, Creton C, Engblom D, Parkitna JR, Spanagel R, Luscher C. Cocaïne-opgewekte synaptische plasticiteit: persistentie in de VTA triggers aanpassingen in het NAc. Nat Neurosci. 2009, 12: 1036-1041. [PubMed]
  32. Masuda K, Koizumi A, Nakajima K, Tanaka T, Abe K, Misaka T, Ishiguro M. Karakterisering van de wijzen van binding tussen de menselijke zoete smaakreceptor en zoetstoffen met een laag moleculair gewicht. PloS een. 2012, 7: e35380. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  33. Matthews K, Wilkinson LS, Robbins TW. Herhaalde maternale scheiding van predidentiële ratten verzwakt gedragsreacties op primaire en geconditioneerde prikkels op volwassen leeftijd. Physiol Behav. 1996, 59: 99-107. [PubMed]
  34. Max M, Shanker YG, Huang L, Rong M, Liu Z, Campagne F, Weinstein H, Damak S, Margolskee RF. Tas1r3, dat codeert voor een nieuwe kandidaat-smaakreceptor, is allel van de zoete reactiegevoelige locus Sac. Natuurgenetica. 2001, 28: 58-63. [PubMed]
  35. McCutcheon JE, Beeler JA, Roitman MF. Sucrose-voorspellende aanwijzingen roepen een grotere fasische dopamine-afgifte op dan saccharine-voorspellende aanwijzingen. Synapse. 2012, 66: 346-351. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  36. McCutcheon JE, Wang X, Tseng KY, Wolf ME, Marinelli M. Calcium-permeabele AMPA-receptoren zijn aanwezig in nucleus accumbens-synapsen na langdurige terugtrekking uit cocaïne zelftoediening maar niet door experimentator toegediend cocaïne. The Journal of neuroscience: het officiële tijdschrift van de Society for Neuroscience. 2011a; 31: 5737-5743. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  37. McCutcheon JE, Loweth JA, Ford KA, Marinelli M, Wolf ME, Tseng KY. Groep I mGluR-activatie keert cocaïne-geïnduceerde accumulatie van calciumdoorlatende AMPA-receptoren in nucleus accumbenssynaps terug via een van proteïnekinase C afhankelijk mechanisme. J Neurosci. 2011b; 31: 14536-14541. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  38. Nedelescu H, Kelso CM, Lazaro-Munoz G, Purpura M, Cain CK, Ledoux JE, Aoki C. Endogene GluR1-bevattende AMPA-receptoren transloceren naar asymmetrische synapsen in de laterale amygdala tijdens de vroege fase van de vorming van angstgeheugen: een elektronenmicroscopische immunocytochemie studie. The Journal of comparative neurology. 2010, 518: 4723-4739. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  39. Nelson G, Hoon MA, Chandrashekar J, Zhang Y, Ryba NJ, Zuker CS. Zoogdierachtige smaakreceptoren. Cel. 2001, 106: 381-390. [PubMed]
  40. Oh MC, Derkach VA, Guire ES, Soderling TR. Extrasynaptische membraantransporten gereguleerd door GluR1 serine 845-fosforyleringsprimers AMPA-receptoren voor potentiatie op de lange termijn. J Biol Chem. 2006, 281: 752-758. [PubMed]
  41. Pascoli V, Turiault M, Luscher C. Reversal van door cocaïne opgewekte synaptische potentiatie herstelt het door drugs geïnduceerde adaptieve gedrag. Natuur. 2012, 481: 71-75. [PubMed]
  42. Plant K, Pelkey ​​KA, Bortolotto ZA, Morita D, Terashima A, McBain CJ, Collingridge GL, Isaac JT. Voorbijgaande opname van inheemse GluR2-ontbrekende AMPA-receptoren tijdens versterking op lange termijn van de hippocampus. Nat Neurosci. 2006, 9: 602-604. [PubMed]
  43. Rada P, Avena NM, Hoebel BG. Dagelijks spetteren op suiker geeft herhaaldelijk dopamine vrij in de accumbens-schaal. Neuroscience. 2005, 134: 737-744. [PubMed]
  44. Roche KW, O'Brien RJ, Mammen AL, Bernhardt J, Huganir RL. Karakterisering van meerdere fosforylatieplaatsen op de AMPA-receptor GluR1-subeenheid. Neuron. 1996, 16: 1179-1188. [PubMed]
  45. Rumpel S, LeDoux J, Zador A, Malinow R. Postsynaptische receptortrafficking die ten grondslag ligt aan een vorm van associatief leren. Wetenschap. 2005, 308: 83-88. [PubMed]
  46. Sainz E, Korley JN, Battey JF, Sullivan SL. Identificatie van een nieuw lid van de T1R-familie van vermeende smaakreceptoren. Journal of neurochemistry. 2001, 77: 896-903. [PubMed]
  47. Serulle Y, Zhang S, Ninan I, Puzzo D, McCarthy M, Khatri L, Arancio O, Ziff EB. Een GluR1-cGKII-interactie reguleert de handel in AMPA-receptoren. Neuron. 2007, 56: 670-688. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  48. Sesack SR, Grace AA. Cortico-Basal Ganglia beloningsnetwerk: microcircuitry. Neuropsychopharmacology: officiële publicatie van het American College of Neuropsychopharmacology. 2010, 35: 27-47. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  49. Smith GP. Accumbens dopamine bemiddelt het belonende effect van orosensorische stimulatie door sucrose. Eetlust. 2004, 43: 11-13. [PubMed]
  50. Smith WB, Starck SR, Roberts RW, Schuman EM. Dopaminerge stimulatie van lokale eiwitsynthese verbetert de expressie van GluR1 en synaptische transmissie in hippocampale neuronen. Neuron. 2005, 45: 765-779. [PubMed]
  51. Sun X, Milovanovic M, Zhao Y, Wolf ME. Acute en chronische dopamine-receptorstimulatie moduleert het AMPA-receptortransport in nucleus accumbens-neuronen samen met prefrontale cortex-neuronen. The Journal of neuroscience: het officiële tijdschrift van de Society for Neuroscience. 2008, 28: 4216-4230. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  52. Sun X, Zhao Y, Wolf ME. Dopamine receptor stimulatie moduleert AMPA receptor synaptische insertie in prefrontale cortex neuronen. J Neurosci. 2005, 25: 7342-7351. [PubMed]
  53. Thomas MJ, Beurrier C, Bonci A, Malenka RC. Langdurige depressie in de nucleus accumbens: een neuraal correlaat van gedragssensibilisatie voor cocaïne. Nat Neurosci. 2001, 4: 1217-1223. [PubMed]
  54. Ungless MA, Whistler JL, Malenka RC, Bonci A. Enkele cocaïneblootstelling in vivo induceert langetermijnpotentiatie in dopamine-neuronen. Natuur. 2001, 411: 583-587. [PubMed]
  55. Whitlock JR, Heynen AJ, Shuler MG, Bear MF. Leren veroorzaakt langetermijnpotentiatie in de hippocampus. Wetenschap. 2006, 313: 1093-1097. [PubMed]