Synapsdensensiteit en dendritische complexiteit worden verminderd in de pre-frontale cortex na zeven dagen van geforceerde onthouding van Cocaine Self-Administration (2014

PLoS One. 2014 Jul 29; 9 (7): e102524. doi: 10.1371 / journal.pone.0102524. eCollection 2014.

Ryan K. Bachtell, redacteur

Abstract

Blootstelling aan chronische cocaïne bij zowel verslaafden als knaagdiermodellen van verslaving vermindert prefrontale corticale activiteit, die vervolgens de verwerking van beloningen en de uitvoerende functie van hogere orde ontregelt. Het netto-effect van deze gestoorde gedragspoort is verhoogde kwetsbaarheid voor terugval. Eerder hebben we laten zien dat door cocaïne geïnduceerde verhogingen van hersenafgeleide expressie van neurotrofe factoren (BDNF) in de mediale prefrontale cortex (PFC) een neuroadaptief mechanisme is dat de versterkende werkzaamheid van cocaïne afstompt. Omdat bekend is dat BDNF invloed heeft op neuronale overleving en synaptische plasticiteit, hebben we de hypothese getest dat onthouding van cocaïne zelf-toediening zou leiden tot veranderingen in neuronale morfologie en synaptische dichtheid in de PFC. Met behulp van een nieuwe techniek, array-tomografie en Golgi-kleuring werden morfologische veranderingen in de PFC van de rat geanalyseerd na 14 dagen van cocaïne zelftoediening en 7 dagen van gedwongen onthouding. Onze resultaten geven aan dat de algehele dendritische vertakking en totale synaptische dichtheid significant zijn verminderd in de ratten-PFC. Daarentegen is de dichtheid van dunne dendritische stekels significant verhoogd op laag V-pyramidale neuronen van de PFC. Deze bevindingen duiden erop dat dynamische structurele veranderingen optreden tijdens cocaïne-onthouding die kunnen bijdragen aan de waargenomen hypo-activiteit van de PFC in cocaïneverslaafden.

Introductie

Veranderingen in structurele plasticiteit binnen het beloningscircuit worden voorgesteld als sleutelmechanismen die bijdragen aan het krachtige vermogen van cocaïne om drugszoekend gedrag te behouden (besproken in [1]). Eerdere studies hebben een toename in dendritische arborisatie en ruggengraatdichtheid in de nucleus accumbens (NAc) aangetoond [2]-[4], ventrale tegmentale gebied [5]en de prefrontale cortex (PFC) [6] na blootstelling aan cocaïne. Hoewel de meeste onderzoeken zich hebben gericht op structurele veranderingen die verband houden met de disfunctionele activiteit van het NAc, hebben aanzienlijk minder onderzoeken de wijzigingen in de PFC onderzocht. Verschillende bewijslijnen wijzen op disfunctioneren van de PFC na chronische blootstelling aan cocaïne bij beide verslaafden [7], [8] en in knaagdiermodellen van verslaving [9], [10]. Daarom is het karakteriseren van de structurele veranderingen die optreden in de PFC van belang voor het begrijpen van de moleculaire gebeurtenissen die ten grondslag liggen aan verslaving.

De PFC reguleert impulscontrole en besluitvorming en speelt dus een belangrijke rol in het vermogen van een individu om gedrag te beheersen, met name bij drugsverslaving [8], [11]. Bijvoorbeeld, bij individuen die verslaafd zijn aan cocaïne, wordt verminderde activatie van de prefrontale cortex geassocieerd met ontwenning van het geneesmiddel en verstoort de hogere orde uitvoerende reacties van de overheid [7], [8], wat de kwetsbaarheid voor terugval kan vergroten. Bij knaagdieren wordt een verhoogde neuronale activiteit in de PFC geassocieerd met de inname van cocaïne [9], [10], compulsief gedrag dat op drugs lijkt [12]en cocaïneherstel na intrekking [13]-[15]. Bovendien wordt membraanbistabiliteit in de PFC opgeheven na chronische cocaïnebeheer [16]. Ten slotte is de door drugs geïnduceerde metabole activiteit in de PFC afgestompt bij ratten die een injectie voor injectie kregen toegediend tijdens het stoppen met cocaïne zelftoediening [9], [17]. Samen geven deze studies aan dat chronische cocaïne diepgaande functionele veranderingen induceert in PFC die geassocieerd kunnen zijn met een toename van het aantal remmende synapsen en / of een vermindering van exciterende synapsen in de PFC. De morfologische veranderingen die optreden in de PFC na chronisch drugsgebruik zijn echter niet opgehelderd.

In de huidige studie hebben we onderzocht of onthouding van cocaïne leidt tot structurele veranderingen in de PFC. Morfologische veranderingen werden onderzocht met behulp van een traditionele methode, Golgi-kleuring, evenals een nieuwe techniek, array-tomografie. Array-tomografie is een unieke methode die ultradunne weefselcoupe combineert met immunofluorescentie en driedimensionale beeldreconstructie om nauwkeurige kwantificering mogelijk te maken van totale en subtypespecifieke synapsdensiteit [18], [19]. Met behulp van deze methoden wezen onze resultaten op aanzienlijke plasticiteit in ratten-PFC als reactie op onthoudingsvorm cocaïne.

Materialen en methoden

Dieren en huisvesting

Mannelijke Sprague-Dawley-ratten (Rattus norvegicus) met een gewicht van 250-300 g werden verkregen van Taconic Laboratories (Germantown, NY). Dieren werden individueel gehuisvest met voedsel en water dat ad libitum beschikbaar was in hun kooi. De experimentele protocollen waren allemaal in overeenstemming met de richtlijnen van de Amerikaanse National Institutes of Health en werden goedgekeurd door de Perelman School of Medicine van de University of Pennsylvania en het Institutional Animal Care and Use Committee van de University of Pennsylvania.

Chirurgie

Vóór de operatie werden de ratten geanesthetiseerd met 80 mg / kg ketamine en 12 mg / kg xylazine (ip; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO). Een inwonende silastische katheter (binnendiameter 0.33 mm, buitendiameter 0.64 mm) werd in de rechter halsslagader ingebracht en op zijn plaats gehecht. De katheter werd vervolgens subcutaan over het schouderblad geleid en naar een gaasvormig rugmontageplatform (CamCath, Cambridge, VK) geleid dat werd gehecht onder de huid direct boven de scapulae. Katheters werden dagelijks gespoeld met 0.3 ml van het antibioticum Timentine (ticarcilline dinatrium / kaliumclavulanaat, 0.93 mg / ml; Henry Schein, Melville, NY) opgelost in gehepariniseerde zoutoplossing (10 U / ml). De katheters werden afgesloten met plastic obturators wanneer ze niet in gebruik waren.

Cocaïne zelftoediening

Aan ratten werd 7-dagen toegestaan ​​om te herstellen van de operatie voordat de zelftoediening door cocaïne begon. Ratten werden willekeurig toegewezen aan een van de twee groepen: cocaïne-zelf toedienende dieren en controles met gezette zoutoplossing. Elke rat die getraind was om te reageren op contingente cocaïne-infusies, werd gepaard met een gecoördineerde proefpersoon die hetzelfde aantal en temporele patroon van infusies kreeg als zelf toegediend door de gepaarde cocaïne-experimentele rat. Hefboom drukken op de zoutoplossing-jukte ratten had geen geplande consequenties.

Aanvankelijk werden cocaïne-experimentele ratten geplaatst in de modulaire operatiekamers (Med Associates, St. Albans, VT) en toegestaan ​​om de pers in te drukken voor intraveneuze cocaïne-infusies (0.25 mg cocaïne / 59 μl zoutoplossing, infusie via 5 s) op een vast verhouding 1 (FR1) schema van wapening. Zodra een cocaïne-experimentele rat tenminste 20-infusies van cocaïne bereikte in een enkele operantsessie onder het FR1-schema, werd de responsvereiste omgeschakeld naar een FR5-wapenschema. Om te reageren op beide schema's met vaste verhoudingen, was het maximale aantal cocaïne-infusies beperkt tot 30 per dagelijkse zelftoedieningssessie en volgde een time-outperiode van 20 na elke cocaïne-infusie, gedurende welke tijd actieve hefboomreacties waren getabelleerd maar geen geplande gevolgen hadden . Dagelijkse 2-operaties (7 dagen / week) werden uitgevoerd voor een totaal van 14-dagen. Antwoorden op de inactieve hendel, die geen geplande gevolgen had, werden ook vastgelegd tijdens zowel de FR1- als de FR5-trainingssessies.

Na de 14th Dagelijkse operante sessie, cocaïne-experimentele en jukte zoutcontrole-ratten werden teruggebracht naar hun thuiskooien waar ze 7-dagen van gedwongen onthouding door medicatie ondergingen. Op de 7th dag van onthouding van cocaïne, werden de hersenen verwijderd en werd de PFC op ijs ontleed. Zeven dagen cocaïnebesmettingen werden gekozen om directe vergelijkingen te maken met ons eerder gepubliceerde onderzoek naar door cocaïne geïnduceerde veranderingen in PFC BDNF-expressie [20].

perfusie

Ratten werden geanesthesiseerd (100 mg / kg, ip natriumpentobarbital) en geperfundeerd met ijskoud 4% paraformaldehyde in 0.1 M PB, pH 7.4 (PFA). Eén hersenhelft van elk brein werd gebruikt voor golgi-kleuring en de andere hemisfeer voor array tomografie. Array-hemisferen werden post-gefixeerd in 4% PFA met 2.5% sucrose voor 2 uur en Golgi-hemisferen werden post-vastgezet voor 48 h in 4% PFA.

Array Tomography

Array-tomografie-experimenten werden uitgevoerd zoals eerder beschreven [19], [21]. In het kort werd PFA-gefixeerd weefsel ingebed in hars en coronale (70 nm) secties op het niveau van de mPFC werden gesneden en verzameld als een lint. Linten werden gehydrateerd in 50 mM glycine in Tris en geblokkeerd in blokkerende oplossing (0.05% Tween / 0.1% runderserumalbumine in Tris-buffer (50 mM Tris / 150 mM NaCl, pH 7.6). De linten werden gekleurd met primaire antilichamen, GAD65 ( Chemicon), PSD95 (celsignalering) of synaptophysine (Abcam), in een blokkerende oplossing overnacht bij 4 ° C. Linten werden gewassen met Tris-buffer en gekleurd met secundaire antilichamen bij 1[verhouding]50 in blokkerende oplossing (geit-antimuis Alexa-bloem 488 en geit-anti-konijn cy3 of ezel anti-konijn cy5). Linten werden tegengekleurd met DAPI om het vinden van dezelfde sites in elke sectie te vergemakkelijken. Tegel-scanafbeeldingen werden verzameld met behulp van een Zeiss AxioImager Z2 epifluorescentiemicroscoop. Afbeeldingen van dezelfde site op elk van 20-30 seriële secties per lint werden verworven bij 63x met geautomatiseerde programma's die gespecialiseerd zijn in array tomografie.

Array Tomography Analysis

De seriële afbeeldingen van elk lint werden sequentieel geopend, geconverteerd naar een stapel en uitgelijnd met de plug-ins MultiStackReg en StackReg (met dank aan B. Busse aan de Stanford University en [21], [22]. Snijtrommels (19.5 μmX19.5 μm) werden gebruikt voor het selecteren van interessegebieden (ROI) in de neuropil voor kwantificering. Selecties moesten neuronale cellichamen of andere verborgen functies uitsluiten. Voor geautomatiseerde beeldanalyse werden interessante gewassen (of ROI's) voor synaptophysine, glutaminezuur decarboxylase-65 (GAD65) en PSD95 automatisch gedrempeld met respectievelijk geautomatiseerde algoritmen in ImageJ. Gewassen werden gecodeerd en de analyse was blind voor de conditie. Een geautomatiseerd op drempel gebaseerd detectieprogramma voor het kwantificeren van het aantal puncta geïdentificeerd als positieve synapsen werd gebruikt zoals eerder beschreven [23]. Densiteiten van presynaptische terminals, excitatoire postsynaptische terminals en het percentage GAD-positieve (remmende) synapsen werden berekend uit een gemiddelde van 75-monsterplaatsen per dier verzameld uit twee verschillende weefselblokken van de PFC (n=5 met cocaïne behandelde, met 5 met zoutoplossing behandelde dieren) voor een totaal van 29,154 postsynaptische puncta en 53,565 presynaptische puncta van 818-bemonsteringsplaatsen over de met 5 met zoutoplossing behandelde dieren en 29,662 postsynaptische en 17,034 presynaptische puncta van 588-bemonsteringsplaatsen bij de met 5 met cocaïne behandelde dieren. De mediane waarden voor synapsdichtheid en het percentage remmende synapsen per dier werden berekend en t-testen werden uitgevoerd met behulp van de diergemiddelden om te testen of er een verschil was tussen de gemiddelden van de groep.

Rapid-Golgi-methode

Golgi-kleuring met enkele sectie werd uitgevoerd zoals eerder beschreven [24], [25]. In het kort werd de mPFC uit één halve bol van elk dier in 100 μm coronale coupes gesneden en post-gefixeerd in 1% osmiumtetraoxide gevolgd door drie wassingen in 0.1 M PB, pH 7.4. Secties werden overnacht geïncubeerd in 3.5% kaliumdichromaat, kort gewassen en geïnfiltreerd met 1.5% zilvernitraat volgens de sandwichmethode. [25]. Secties werden gemonteerd op met gelatine beklede objectglaasjes met 20% sucrose en gedehydrateerd door een reeks alcoholconcentraties gevolgd door de-vetvorming in xyleen en afdekking.

Golgi-analyse

Golgi-objectglaasjes werden blind gecodeerd en geanalyseerd en allen geanalyseerd door dezelfde onderzoeker. Neuronale beelden en tracings en representatieve beelden van dendritische uitsteeksels werden verzameld met behulp van een staande BX51 Olympus-microscoop met een geïntegreerde gemotoriseerde fase (Prior Scientific, Rockland, MA) met een 20 × 0.7 NA-doelstelling. Voor dendritische vertakkingsanalyse werden 7-neuronen geselecteerd voor analyse per dier. We hebben de lengte en complexiteit van neurieten gemeten met respectievelijk de macro's NeuronJ en Advanced Sholl Analysis. Het aantal snijpunten (vertakkingspunten) binnen concentrische cirkels bij radiussen tussen 5-250 μm (inclusief basale en apicale dendrieten) werd gemeten en vergeleken tussen groepen. Voor analyse van de wervelkolomdichtheid werden 4-5-segmenten van ten minste 20 μm lang vanaf basale dendrieten van de derde orde per neuron geanalyseerd uit 5-7-neuronen per dier met behulp van een Zeiss AxioImager Z2-epifluorescentiemicroscoop met een 63x-objectief voor olie-immersie. De morfologie van de wervelkolom werd geclassificeerd zoals eerder beschreven [26]. De lineaire werveldichtheid voor elk dendritisch segment en de morfologie van de wervelkolom (dun, stompe, paddestoelvormige, bekervormige) van elke wervelkolom werden vergeleken tussen groepen. Open source software van National Institutes of Health (ImageJ) werd gebruikt voor Golgi en array tomography data-analyse.

Resultaten

Onthouding van cocaïne verlaagt de totale synapsdensiteit

Array-tomografie werd gebruikt om veranderingen in zowel exciterende als remmende synapsen te meten om de specifieke morfologische veranderingen die optreden in de PFC te bepalen als reactie op onthouding van cocaïne zelf-toediening. Array-tomografie is een high-throughput-methode die de nauwkeurige kwantificering mogelijk maakt van totale, remmende en exciterende synapsen in structuren die te klein zijn om goed te worden geïdentificeerd of gelokaliseerd met traditionele confocale microscopiemethoden [19]. Omdat zowel remmende als exciterende synapsen essentiële componenten zijn van de beloningscircuits voor geneesmiddelen [13], [27], [28] we hebben deze nieuwe methodologie gebruikt om morfologische veranderingen in de PFC te beoordelen tijdens onthouding van cocaïne. Zeventig nm PFC secties van de ene hersenhelft van 5 joked-saline en 5 cocaïne-ervaren ratten werden gekleurd met antilichamen tegen PSD95, een postsynaptische excitatorische marker, synaptophysine, een presynaptische marker en GAD65, die remmende neuronen en synapsen labelden. Synapse dichtheden en het percentage remmende synapsen werden bepaald in corticale laag V (Figuur 1A en 1B). Onze resultaten geven aan dat tijdens de onthouding van cocaïne de dichtheid van synaptophysine aanzienlijk daalde (Figuur 1C), die alle presynaptische terminals meet [t (7)=2, p <0.05]. Er was geen significante afname in de dichtheid van prikkelende synaps [t (8)=0.48, p=0.32] zoals gemeten door PSD95 puncta (Figuur 1D). Interessant genoeg was er een niet-significante trend in de richting van een toename van het percentage GAD65-positieve remmende synapsen [t (8)=-1.39, p=0.9] (Figuur 2E).

Figuur 1 

Array-tomografie onthult veranderingen in synapsdichtheid in de PFC na 7-dagen van onthouding van cocaïne.
Figuur 2 

Golgi-analyse met enkele sectie onthult veranderingen in dendritische vertakking en wervelkolomvorming in de PFC na 7 dagen van onthouding van cocaïne.

Onthouding van cocaïne vermindert de dendritische vertakking terwijl de ruggengraatdichtheid in de PFC tijdelijk toeneemt

De Golgi-methode werd gebruikt om veranderingen in neuronale vertakking en dendritische wervelkolomdichtheid te onderzoeken om de ultrastructurele veranderingen te bevestigen die werden waargenomen in synapsdichtheid (Figuur 1). We hebben Golgi-impregnatie met een enkele sectie uitgevoerd op een subset van neuronen in de PFC van de andere hemisferen van dezelfde dieren die werden gebruikt voor de array-tomografie-onderzoeken. Dendritische vertakking, dendritische wervelkolomtellingen en morfologie van de wervelkolom werden beoordeeld. Twee representatieve pyramidale neuronen van de PFC van een controle met jukzout en een cocaïne-blootgestelde rat worden getoond in Figuur 2A. Sholl-plot meet het aantal snijpunten (vertakkingspunten) binnen concentrische cirkels op radii tussen 5-250 μm. Onze resultaten tonen aan dat na 7 dagen van geforceerde onthouding van cocaïne zelftoediening er een significante vermindering van de dendritische complexiteit was (Figuur 2B). Herhaalde tweewegsmetingen ANOVA-analyse van sholl-plotgegevens bracht significante hoofdeffecten van de behandeling aan het licht [F(1,738)=30.59, p <0.0001] en straal [F(245, 738)=289.6, p <0.0001] (Figuur 2B), waarmee een verlies van dendrieten wordt bevestigd dat overeenkomt met het verlies van synapsen gemeten in arraystudies (Figuur 1C). Analyse van tweede en derde orde basilaire dendrieten onthulde een significante toename van dendritische stekels na 7 dagen van onthouding van cocaïne [t (6)=-3.12, p <0.05] (Figuur 2D). Meer specifiek verhoogde de onthouding van cocaïneblootstelling het aantal dunne-wervelsubtype, terwijl het geen significant effect had op andere subtypes van de wervelkolom (Figuur 2E), zoals blijkt uit tweewegs herhaalde ANOVA-metingen met de belangrijkste effecten van de behandeling [F(1,30)=11.9, p=0.0017], ruggengraatsubtype [F(4,30)=57.7, p <0.0001], en een significante behandeling x spinale subtype interactie [F(1, 4, 30)=8.8, p <0.0001].

Discussie

In de huidige studie laten we zien dat er in laag V van de PFC duidelijke structurele en synaptische veranderingen zijn na 7 dagen van geforceerde onthouding van cocaïne zelftoediening. Specifiek is er een significante afname in de dendritische vertakking van piramidale neuronen en een algemeen verlies in synapsdichtheid zoals gemeten door verlaagde dichtheid van totale presynaptische boutonen die zijn gelabeld met synaptophysine. Ondanks het verlies van presynaptische dichtheid ondergingen basale dendrieten van laag-V-piramidale neuronen een toename van de dichtheid van de dendritische wervelkolom, in het bijzonder van dunne, plastic stekels. Omdat we geen significante veranderingen in de dichtheid van PSD95 hebben ontdekt, kan gespeculeerd worden dat een afname van de presynaptische aansluitpunten maar een toename in de werveldichtheid te wijten kan zijn aan een toename van het aantal multi-synaptische boutons. Bovendien is het ook vermeldenswaard dat we een trend in de richting van verhoogde remmende synapsen in de PFC waarnamen. Omdat dunne stekels betrokken zijn bij plasticiteit [29], de toename van deze stekels kan compenserende plasticiteit vertegenwoordigen om synaptische inputs op deze gedenerveerde neuronen te behouden die dendritische vertakkingen hebben verloren.

Eerdere studies hebben aangetoond dat cocaïne de dendritische verruiming en de wervelkolomdichtheid in het NAc verhoogt [2]-[4]. Onlangs hebben Dumitriu et al., 2012 [30] aangetoond dat cocaïne de proximale ruggen in de NAc-kern en schaal dynamisch verandert. Specifiek verhoogde de terugtrekking uit cocaïne in de schaal dunne ruggengraat, terwijl de kopdichtheid van de paddestoelruggengraat in de NAc-schaal daalde [30]. In tegenstelling tot onderzoeken van het NAc, zijn er slechts enkele onderzoeken die de effecten van cocaïne op de neuronale morfologie in de PFC hebben onderzocht [6], [31]. Onze gegevens komen overeen met een recente studie die aantoont dat cocaïne een toename van de ruggengraatdensiteit in de PFC induceert [31]. Met name muizen met een grotere toename in aanhoudende en stabiele stekels, dwz stekels die 3 dagen na de intrekking presenteren, vertoonden op apicale dendrieten hogere door cocaïne geconditioneerde plaatsvoorkeurscores en door cocaïne geïnduceerde hyperactiviteit. [31]. Een eerdere studie in ratten-PFC-laag II-III-neuronen rapporteerde waarden van ongeveer 3-spines per μm dendriet op zowel apicale als basale dendrieten, een verrassend dicht niveau van stekels dat veranderbaar was door stress [32]. Onze waarden in controleratten van ~2-stekels / 10 μm van dendritische segmenten zijn lager, wat te wijten kan zijn aan de verschillende geanalyseerde neuronale populatie (laag V-basale dendrieten) of aan het verschil in beeldvormingstechniek. In de huidige studie gebruikten we de snelle Golgi-kleuringmethode met enkele sectie, terwijl iontoforetische injecties met Lucifer-gele kleurstof in combinatie met confocale beeldvorming werden gebruikt door Radley en collega's. [32] om neuronale en dendritische morfologie te visualiseren. Daarnaast benadrukken onze bevindingen ook het belang van de duur van onthouding van cocaïne zelftoediening die leidt tot structurele veranderingen in de hersenen. Een eerder gepubliceerd rapport toonde een toename in dendritische arborisatie na langdurige (24-25 dagen) terugtrekking uit cocaïne bij vrouwelijke ratten [6], in tegenstelling tot onze waargenomen afname na 7 dagen van gedwongen onthouding bij mannelijke ratten. Ondanks deze methodologische verschillen en verschillen in vertakkingsgegevens, werd in beide onderzoeken een groter aantal stekels waargenomen, wat een grootschalige reorganisatie van het circuit tijdens onthouding van cocaïne bevestigde. Toekomstige studies zullen het tijdsverloop van deze gebeurtenissen toelichten om te bepalen of deze structurele veranderingen van voorbijgaande of langdurige aard zijn.

Onze bevindingen wijzen erop dat gedwongen onthouding van cocaïne zelftoediening dynamische structurele veranderingen induceert en synaptische reorganisatie in de PFC veroorzaakt. Deze resultaten kunnen de hypo-activiteit in de PFC verklaren die optreedt als gevolg van herhaalde blootstelling aan cocaïne [8], [33]. Bovendien ondersteunen onze bevindingen eerdere onderzoeken die de deactivering van de PFC aantonen [7], [8]en toegenomen extracellulair GABA in de mediale PFC gedurende het terugtrekken van cocaïne [34]. Dus, de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor PFC hypo-activiteit na chronische cocaïne blootstelling [8], [10] kan (1) een toename in GABAergic, (2) vermindering van glutamaterge en / of (3) vermindering van dopaminerge synaptische invoer naar de PFC omvatten. De huidige studie toont aan dat onthouding van cocaïne de totale synapsdensiteit aanzienlijk vermindert, zoals aangegeven door een vermindering van het aantal synaptische-positieve synaptische puncta. Deze gegevens suggereren dat er een afname is in post-synaptische respons in de PFC, mogelijk gemedieerd door verminderde glutamaat- of dopamineringang. Er zijn inderdaad onderzoeken die aangeven dat cocaïne verlagingen van glutamaterge tonus induceert [35], [36]. Echter, met behulp van de Golgi-methode, zagen we een toename van het aantal dunne dendritische stekels op basale dendrieten van piramidale neuronen, wat een toename suggereert van exciterende input in de PFC naar resterende neurieten. Deze ogenschijnlijk tegenstrijdige gegevens kunnen een algemeen verlies aan synapsen weerspiegelen dat is geassocieerd met het grote verlies van dendrieten dat we waarnemen met een compenserende respons, mogelijk gemedieerd door toegenomen BDNF, zoals aangetoond in onze eerdere bevindingen [20], om de dichtheid van dendritische stekels op resterende neurieten te vergroten.

Gezamenlijk wijzen onze bevindingen op een dynamische reorganisatie in de PFC tijdens onthouding van cocaïne. Specifiek is er een significante vermindering in synaptische connectiviteit, verlies van dendritische vertakking en een toename van het aantal dunne stekels in de ratten-PFC na 7 dagen van gedwongen medicijnontwenning door zelf-toediening van cocaïne. Deze resultaten kunnen de structurele basis vormen voor de waargenomen hypo-activiteit waargenomen in de PFC van chronische cocaïne-misbruikers en misschien het verlies van cognitieve controle verklaren dat optreedt tijdens cocaïneverslaving.

Dankwoord

De auteurs willen Gavin Sangrey bedanken voor zijn hulp bij het voorbereiden van de ingebedde capsules.

Financieringsverklaring

Dit werk werd ondersteund door NIDA-subsidies DA22339 en DA033641 (RCP & GSV) en DA18678 (RCP). HDS werd ondersteund door een individuele K01-onderscheiding (DA030445). De financiers hadden geen rol bij de opzet van de studie, het verzamelen en analyseren van gegevens, de beslissing om te publiceren of de voorbereiding van het manuscript.

Referenties

1. Dietz DM, Dietz KC, Nestler EJ, Russo SJ (2009) Moleculaire mechanismen van door psychostimulant veroorzaakte structurele plasticiteit. Farmacopsychiatrie 42 Suppl 1S69-78 [PMC gratis artikel] [PubMed]
2. Lee KW, Kim Y, Kim AM, Helmin K, Nairn AC, et al. (2006) Cocaïne-geïnduceerde dendritische wervelkolomvorming in D1 en D2 dopamine receptor-bevattende middelgrote stekelige neuronen in nucleus accumbens. Proc Natl Acad Sci USA 103: 3399-3404 [PMC gratis artikel] [PubMed]
3. Norrholm SD, Bibb JA, Nestler EJ, Ouimet CC, Taylor JR, et al. (2003) Cocaïne-geïnduceerde proliferatie van dendritische stekels in nucleus accumbens is afhankelijk van de activiteit van cycline-afhankelijk kinase-5. Neuroscience 116: 19-22 [PubMed]
4. Robinson TE, Gorny G, Mitton E, Kolb B (2001) Cocaïne zelf-toediening verandert de morfologie van dendrieten en dendritische stekels in de nucleus accumbens en neocortex. Synapse 39: 257-266 [PubMed]
5. Sarti F, Borgland SL, Kharazia VN, Bonci A (2007) Acute blootstelling aan cocaïne verandert de dichtheid van wervelkolom en langetermijnpotentiatie in het ventrale tegmentale gebied. Eur J Neurosci 26: 749-756 [PubMed]
6. Robinson TE, Kolb B (1999) Veranderingen in de morfologie van dendrieten en dendritische stekels in de nucleus accumbens en prefrontale cortex na herhaalde behandeling met amfetamine of cocaïne. Eur J Neurosci 11: 1598-1604 [PubMed]
7. Bolla K, Ernst M, Kiehl K, Mouratidis M, Eldreth D, et al. (2004) Prefrontale corticale disfunctie bij abstinente cocaïne misbruikers. J Neuropsychiatrie Clin Neurosci 16: 456-464 [PMC gratis artikel] [PubMed]
8. Goldstein RZ, Volkow ND (2002) Drugsverslaving en de onderliggende neurobiologische basis: neuroimaging-bewijs voor de betrokkenheid van de frontale cortex. Am J Psychiatry 159: 1642-1652 [PMC gratis artikel] [PubMed]
9. Chen YI, Famous K, Xu H, Choi JK, Mandeville JB, et al. (2011) Cocaïne zelf-toediening leidt tot veranderingen in temporele reacties op cocaïneproblemen in limbische en motorische circuits. Eur J Neurosci 34: 800-815 [PMC gratis artikel] [PubMed]
10. Sun W, Rebec GV (2006) Herhaaldelijke zelftoediening van cocaïne verandert de verwerking van cocaïnegerelateerde informatie in de prefrontale cortex van de rat. J Neurosci 26: 8004-8008 [PubMed]
11. Volkow ND, Fowler JS (2000) Verslaving, een ziekte van dwang en drive: betrokkenheid van de orbitofrontale cortex. Cereb Cortex 10: 318-325 [PubMed]
12. Jentsch JD, Taylor JR (1999) Impulsiviteit als gevolg van frontostriatale disfunctie bij drugsmisbruik: implicaties voor de controle van gedrag door aan beloning gerelateerde stimuli. Psychopharmacology (Berl) 146: 373-390 [PubMed]
13. McFarland K, Kalivas PW (2001) De schakeling die het door cocaïne geïnduceerde herstel van drugszoekgedrag medieert. J Neurosci 21: 8655-8663 [PubMed]
14. McFarland K, Lapish CC, Kalivas PW (2003) Prefrontale glutamaatafgifte in de kern van de nucleus accumbens bemiddelt door cocaïne geïnduceerde herstel van drugszoekend gedrag. J Neurosci 23: 3531-3537 [PubMed]
15. Winstanley CA, Green TA, Theobald DE, Renthal W, LaPlant Q, et al. (2009) DeltaFosB-inductie in orbitofrontale cortex versterkt locomotorische sensitisatie ondanks verzachting van de cognitieve disfunctie veroorzaakt door cocaïne. Pharmacol Biochem Behav 93: 278-284 [PMC gratis artikel] [PubMed]
16. Trantham H, Szumlinski KK, McFarland K, Kalivas PW, Lavin A (2002) Herhaalde cocaïneadministratie verandert de elektrofysiologische eigenschappen van prefrontale corticale neuronen. Neuroscience 113: 749-753 [PubMed]
17. Lu H, Chefer S, Kurup PK, Guillem K, Vaupel DB, et al. (2012) fMRI-respons in de mediale prefrontale cortex voorspelt de geschiedenis van cocaïne, maar niet van sucrose zelf-toediening. Neuroimage 62: 1857-1866 [PMC gratis artikel] [PubMed]
18. Micheva KD, Busse B, Weiler NC, O'Rourke N, Smith SJ (2010) Single-synapsanalyse van een diverse synapspopulatie: proteomische beeldvormingsmethoden en markers. Neuron 68: 639-653 [PMC gratis artikel] [PubMed]
19. Micheva KD, Smith SJ (2007) Array-tomografie: een nieuw hulpmiddel voor het weergeven van de moleculaire architectuur en ultrastructuur van neurale circuits. Neuron 55: 25-36 [PMC gratis artikel] [PubMed]
20. Sadri-Vakili G, Kumaresan V, Schmidt HD, Famous KR, Chawla P, et al. (2010) Cocaïne-geïnduceerde chromatine hermodellering verhoogt de hersenafgeleide neurotrofische factor transcriptie in de mediale prefrontale cortex van de rat, die de versterkende werkzaamheid van cocaïne verandert. J Neurosci 30: 11735-11744 [PMC gratis artikel] [PubMed]
21. Koffie RM, Meyer-Luehmann M, Hashimoto T, Adams KW, Mielke ML, et al. (2009) Oligomere amyloïde beta associeert met postsynaptische dichtheden en correleert met excitatoir synapsverlies nabij seniele plaques. Proc Natl Acad Sci USA 106: 4012-4017 [PMC gratis artikel] [PubMed]
22. Thevenaz P, Ruttimann UE, Unser M (1998) Een piramidale benadering van subpixelregistratie op basis van intensiteit. IEEE Trans-beeldproces 7: 27-41 [PubMed]
23. Kopeikina KJ, Carlson GA, Pitstick R, Ludvigson AE, Peters A, et al .; (2011) Tau-accumulatie veroorzaakt mitochondriale distributietekorten in neuronen in een muismodel van tauopathie en in de hersenen van de ziekte van Alzheimer bij de mens. Am J Pathol 179: 2071–2082 [PMC gratis artikel] [PubMed]
24. Gabbott PL, Somogyi J (1984) De 'single' sectie Golgi-impregnatieprocedure: methodologische beschrijving. J Neurosci-methoden 11: 221-230 [PubMed]
25. Izzo PN, Graybiel AM, Bolam JP (1987) Karakterisering van substantie P- en [Met] enkefaline-immunoreactieve neuronen in de caudate nucleus van kat en fret door middel van een Golgi-procedure met een enkele sectie. Neuroscience 20: 577-587 [PubMed]
26. Spires TL, Grote HE, Garry S, Cordery PM, Van Dellen A, et al. (2004) Dendritische wervelkolompathologie en tekorten in ervaringsafhankelijke dendritische plasticiteit bij R6 / 1-transgene muizen met de ziekte van Huntington. European Journal of Neuroscience 19: 2799-2807 [PubMed]
27. Kalivas PW, O'Brien C (2008) Drugsverslaving als pathologie van geënsceneerde neuroplasticiteit. Neuropsychopharmacology 33: 166-180 [PubMed]
28. Pierce RC, Reeder DC, Hicks J, Morgan ZR, Kalivas PW (1998) Iboteïnezuurlaesies van de dorsale prefrontale cortex verstoren de expressie van gedragssensibilisatie voor cocaïne. Neuroscience 82: 1103-1114 [PubMed]
29. Bourne J, Harris KM (2007) Leren dunne stekels paddestoelstekels te worden die zich herinneren? Curr Opin Neurobiol 17: 381-386 [PubMed]
30. Dumitriu D, Laplant Q, Grossman YS, Dias C, Janssen WG, et al. (2012) Subregionaal, dendritisch compartiment en subtype specificiteit van de wervelkolom bij de regulatie van cocaïne van dendritische stekels in de nucleus accumbens. J Neurosci 32: 6957-6966 [PMC gratis artikel] [PubMed]
31. Munoz-Cuevas FJ, Athilingam J, Piscopo D, Wilbrecht L (2013) Cocaïne-geïnduceerde structurele plasticiteit in de frontale cortex correleert met geconditioneerde plaatsvoorkeur. Nat Neurosci 16: 1367-1369 [PMC gratis artikel] [PubMed]
32. Radley JJ, Rocher AB, Miller M, Janssen WG, Liston C, et al. (2006) Herhaalde stress veroorzaakt dendritisch ruggenmergverlies in de mediale prefrontale cortex van de rat. Cereb Cortex 16 (3): 313-320 [PubMed]
33. Volkow ND, Mullani N, Gould KL, Adler S, Krajewski K (1988) Cerebrale bloedstroom bij chronische cocaïnegebruikers: een onderzoek met positronemissietomografie. Br J Psychiatry 152: 641-648 [PubMed]
34. Jayaram P, Steketee JD (2005) Effecten van door cocaïne geïnduceerde gedragssensibilisatie op GABA-overdracht in de mediale prefrontale cortex van de rat. Eur J Neurosci 21: 2035-2039 [PubMed]
35. Madayag A, Lobner D, Kau KS, Mantsch JR, Abdulhameed O, et al. (2007) Herhaalde toediening van N-acetylcysteïne verandert de plasticiteit-afhankelijke effecten van cocaïne. J Neurosci 27: 13968-13976 [PMC gratis artikel] [PubMed]
36. Miguens M, Del Olmo N, Higuera-Matas A, Torres I, Garcia-Lecumberri C, et al. (2008) Glutamaat- en aspartaatspiegels in de nucleus accumbens tijdens cocaïne zelftoediening en extinctie: een tijdcursus microdialyseonderzoek. Psychopharmacology (Berl) 196: 303-313 [PubMed]