DeltaFosB modulerer differensielt nucleus accumbens direkte og indirekte banefunksjon (2013)

Proc Natl Acad Sci US A. 2013 jan 29;110(5):1923-8. doi: 10.1073/pnas.1221742110.

Grueter BA, Robison AJ, Neve RL, Nestler EJ, Malenka RC.

kilde

Nancy Pritzker Laboratory, Institutt for psykiatri og adferdsvitenskap, Stanford University School of Medicine, Palo Alto, CA 94305, USA.

Abstrakt

Synaptiske modifikasjoner i nucleus accumbens (NAc) medium spiny neurons (MSNs) spiller en nøkkelrolle i adaptiv og patologisk belønningsavhengig læring, inkludert maladaptive responser involvert i narkotikaavhengighet. NAc MSN-er deltar i to parallelle kretsløp, direkte og indirekte veier som betjener distinkte atferdsfunksjoner. Modifikasjon av NAc MSN-synapser kan delvis skje via endringer i transkripsjonspotensialet til visse gener på en celletypespesifikk måte. Transkripsjonsfaktoren [increment]FosB er et av nøkkelproteinene som er involvert i genuttrykksendringene i NAc forårsaket av misbruksmedisiner, men effekten på den synaptiske funksjonen i NAc MSN er ukjent. Her demonstrerer vi at overuttrykk av DeltaFosB reduserte eksitatorisk synaptisk styrke og sannsynligvis økte stille synapser på D1 dopaminreseptor-uttrykker direkte pathway MSNs i både NAc-skallet og kjernen.

I kontrast reduserte deltaFosB sannsynligvis stille synapser på NAc-skall, men ikke kjerne, D2 dopaminreseptor-uttrykkende indirekte pathway MSNs. Analyse av NAc MSN dendritisk ryggradsmorfologi viste at FosB økte tettheten av umodne ryggrader i D1 direkte men ikke D2 indirekte pathway MSN. For å bestemme de atferdsmessige konsekvensene av celletypespesifikke handlinger av [increment]FosB, overuttrykte vi selektivt [increment]FosB i D1 direkte eller D2 indirekte MSN i NAc in vivo og fant at direkte (men ikke indirekte) MSN-uttrykk i bane forbedrer atferdsresponser til kokain. Disse resultatene avslører at FosB i NAc differensielt modulerer synaptiske egenskaper og belønningsrelatert atferd på en celletype- og subregionspesifikk måte.

For å bestemme atferdsmessige konsekvensene av celletypespesifikke handlinger til ∆FosB, overuttrykte vi selektivt ∆FosB i D1 direkte eller D2 indirekte MSN-er i NAc in vivo og fant det direkte (men ikke indirekte) pathway MSN-uttrykk forbedrer atferdsreaksjoner på kokain. Disse resultatene viser at ∆FosB i NAc forskjellig modulerer synaptiske egenskaper og belønningsrelatert atferd på en celletype- og subregionspesifikk måte.

Nucleus accumbens (NAc) er et nøkkelsubstrat for å integrere motivasjonsinformasjon med det formål å regulere målrettet atferd. Mer enn 90% av cellene i NAc er medium spiny neurons (MSN), som kan deles inn i to hovedsubpopulasjoner. Direkte pathway-MSN-er, som hovedsakelig uttrykker D1-dopaminreseptorer (D1 MSN-er), projiserer primært til midbrain-dopamin (DA)-kjerner, mens indirekte pathway-MSN-er, som hovedsakelig uttrykker D2-reseptorer (D2 MSN-er), projiserer mest til den ventrale pallidum, og påvirker dermed indirekte. DA nevroner (1, 2). Aktiviteten til NAc MSN-er drives hovedsakelig av eksitatoriske input fra prefrontal cortex, hippocampus og amygdala. Det har blitt antydet at patologisk aktivitet ved NAc eksitatoriske synapser indusert av atferdsopplevelser som eksponering for misbruksmedisiner induserer en reorganisering av både transkripsjonsmaskineri og synapser på NAc MSN, som igjen medierer langvarige atferdstilpasninger assosiert med avhengighet (1-3).

Nyere studier har vist at D1 MSN og D2 MSN i kjernesubregionen til NAc viser forskjellige elektrofysiologiske og synaptiske egenskaper (4) og at de to undertypene av MSN-er spiller forskjellige roller i avhengighetsrelatert atferd (5). Imidlertid er de molekylære mekanismene som ligger til grunn for disse forskjellene fortsatt dårlig forstått. I løpet av de siste to tiårene har økende bevis knyttet induksjon av ΔFosB, en Fos-familietranskripsjonsfaktor, i NAc til endringer i hjernens belønningskretser assosiert med vanedannende og depressiv-lignende atferd. (3). ΔFosB, et spesielt stabilt produkt av FosB gen (6), heterodimeriserer med Jun-familieproteiner for å danne aktivatorprotein-1 (AP-1)-komplekser som binder seg til AP-1-seter i genpromotere for å regulere transkripsjon. Selv om mange Fos-familieproteiner forbigående induseres av akutt medikamenteksponering, induserer kronisk administrering av praktisk talt ethvert misbruksmiddel den langvarige akkumuleringen av ΔFosB i NAc (6). I samsvar med den funksjonelle betydningen av denne akkumuleringen, forårsaker langvarig overekspresjon av ΔFosB selektivt i D1 MSN-er av NAc og dorsalstriatum til induserbare bitransgene mus økte lokomotoriske responser på kokain (7), økt betinget stedspreferanse til både kokain og morfin (7, 8), og forbedret selvadministrasjon av kokain (9).

De nevrale mistilpasningene som ligger til grunn for avhengighetsfenotyper, kan imidlertid begynne umiddelbart ved første eksponering for misbruksmedisiner eller andre stimuli som stress. Til støtte for denne hypotesen, forårsaker selv kortvarig forhåndseksponering for stress økt tilbøyelighet til å ta medikamenter (kryssensibilisering) (10-12) og vice versa (13). I tillegg, selv om effekten av stress og kokain på de synaptiske egenskapene til disse nevronene har blitt studert (1-3, 14-16), mangler direkte bevis for effekten av ΔFosB på MSN synaptiske egenskaper. [Økning]FosB-regulering av synaptisk funksjon er av spesiell interesse fordi ΔFosB-overekspresjon endrer NAc dendritisk ryggradsmorfologi (17, 18), og nyere arbeid indikerer at andre transkripsjonsregulatorer kan påvirke NAc MSN-fysiologi (19) og synaptisk struktur (20).

For å undersøke de kortsiktige synaptiske effektene av ΔFosB-ekspresjon i direkte og indirekte NAc MSN-er, brukte vi bakterielle kunstige kromosomer (BAC) transgene mus som selektivt merker D1 MSN-er og virale vektorer som selektivt retter seg mot disse MSN-subpopulasjonene. Målrettede opptak fra MSN-er avslørte slående celletype- og regionspesifikke effekter av [Økning]FosB-overuttrykk på egenskapene til eksitatoriske synapser på NAc MSN-er. Uttrykk for [Økning]FosB i NAc modifiserte også dendritisk ryggradsmorfologi og avhengighetsrelatert atferd på en celletypespesifikk måte. Disse resultatene gir ytterligere bevis på at reguleringen av [Økning]FosB-nivåer av misbruksmedisiner forårsaker celletypespesifikke endringer i NAc, som viktig bidrar til de komplekse kretstilpasningene som ligger til grunn for avhengighetsrelatert atferd.

Resultater

[Økning]FosB påvirker ikke presynaptisk funksjon i NAc MSN-er.

For å undersøke de synaptiske effektene av [Økning]FosB-overuttrykk i NAc MSN-er, injiserte vi stereotaksisk et Herpes simplex-virus (HSV) som uttrykker [Økning]FosB fusjonert til EGFP inn i NAc til 8- til 10 uker gamle BAC-hann-transgene mus der tdTomat-ekspresjon ble drevet av D1-dopaminreseptorpromotoren (21). Tre til 4 dager senere gjorde vi helcelle patch-clamp-opptak fra NAc-skall og kjerne-MSN-er med tilstedeværelse eller fravær av tdTomato som definerer henholdsvis D1 MSN-er og D2-MSN-er (4), og EGFP-ekspresjonsdefinerende celler i hvilke [Økning]FosB ble uttrykt. Selv om det ikke er mulig å selektivt målrette NAc-kjernen og skallet med virus i mus, var det viktig å skille disse hjerneregionene på grunn av kjente forskjeller i deres regulering av belønnings- og avhengighetsrelatert atferd (2, 3). To standard elektrofysiologiske analyser avslørte det [Økning]FosB-overuttrykk påvirket ikke påviselig presynaptisk funksjon i noen av de undersøkte NAc MSN-subpopulasjonene. Spesifikt ble parede pulsforhold (PPR) av eksitatoriske postsynaptiske strømmer (EPSCs) ved fem forskjellige interstimulusintervaller, et standardmål for senderutgivelsessannsynlighet, upåvirket av [Økning]FosB-overuttrykk i enten NAc-skallet eller kjernen (Fig. S1). Videre var den gjennomsnittlige frekvensen av miniatyr-EPSC-er (mEPSC-er), som også korrelerer med presynaptisk funksjon, upåvirket av [Økning]FosB-overuttrykk i D1- og D2-MSN-er i både NAc-skallet og kjernen (Fig. S1).

Virkninger av [Økning]FosB om eksitatoriske postsynaptiske egenskaper i NAc D1 MSN-er.

For å undersøke effektene av kortere sikt [Økning]FosB-overuttrykk på postsynaptiske egenskaper til eksitatoriske synapser i NAc-skall og kjerne-MSN-er, vi målte forholdet mellom AMPA-reseptor (AMPAR)- og NMDA-reseptor (NMDAR)-mediert EPSC (22). I både skall- og kjerneunderregionene var AMPAR/NMDAR-forhold betydelig mindre i D1 MSN-er som overuttrykker [Økning]FosB i forhold til nærliggende uinfiserte D1 MSN-er (Fig. 1 A og B). Denne nedgangen i AMPAR/NMDAR-forhold skyldtes, i det minste delvis, en reduksjon i AMPAR-mediert synaptisk overføring, fordi de gjennomsnittlige amplitudene til AMPAR-mediert mEPSC-er også ble betydelig redusert med [Økning]FosB-overuttrykk (Fig. 1 C og D). Fordi GluA2-manglende, innad korrigerende AMPAR-er er inkorporert i NAc MSN-synapser etter tilbaketrekning fra selvadministrering av misbruksmedisiner og protokoller for kronisk stress (14, 15, 23), undersøkte vi deretter strømspenningen (IV) forholdet mellom farmakologisk isolerte AMPAR EPSC-er for å bestemme om [Økning]FosB-overuttrykk påvirket støkiometrien til synaptiske AMPAR-er. AMPAR EPSC IV kurver registrert fra både kontroll og [Økning]FosB-uttrykkende D1 MSN-er i NAc-skallet og kjernen var lineære og viste minimal retting innover (Fig. 1 E og F). Og dermed, [Økning]FosB-overuttrykk resulterer ikke i inkorporering av GluA2-manglende AMPAR-er i NAc D1 MSN-synapser. Til slutt, for å bestemme om NMDAR-støkiometri var påvirket av [Økning]FosB-overuttrykk målte vi NMDAR EPSC-forfallstidsforløp, som forlenges av tilstedeværelsen av GluN2B-underenheter. [Økning]FosB-uttrykk forårsaket en betydelig lengre tid til halvtopp i D1 MSN-er i NAc-skallet (Fig. 1 G1 og G2), og en lignende trend ble observert i NAc-kjernen (Fig. 1 H1 og H2). Disse resultatene tyder på at det ligner på uttrykket av konstitutivt aktiv CREB i NAc (24), [Økning]FosB-overuttrykk fremkaller en økning i andelen GluN2B-holdige NMDARer ved NAc D1 MSN-synapser.

Fig. 1.    

Overekspresjon av [Økning]FosB i NAc modifiserer D1 MSN synaptisk styrke i skall og kjerne. (A) Representative EPSCs (A1) tatt opp ved –70 og +40 mV fra en NAc-skall D1-kontroll (svart) og [Økning]FosB(+) (rød) MSN og sammendragsgraf (A2) av ...

Virkninger av [Økning]FosB om eksitatoriske postsynaptiske egenskaper i NAc D2 MSN-er.

I motsetning til D1 NAc MSN, [Økning]FosB-overuttrykk i D2 MSN-er fremkalte en økning i AMPAR/NMDAR-forhold i NAc-skallet (Fig. 2A), men overraskende nok ingen påvisbar effekt i NAc-kjernen (Fig. 2B). Videre avslørte ingen av de andre synaptiske analysene effekter av [Økning]FosB-overuttrykk i NAc D2 MSN-er. AMPAR-medierte mEPSC-amplituder (Fig. 2 C og D), AMPAR EPSC IV kurver og rettingsindekser (Fig. 2 E og F), så vel som NMDAR EPSC forfallstidskurs, var alle upåvirket av [Økning]FosB-overuttrykk i NAc D2 MSN-er. Disse funnene viser det [Økning]FosB-overuttrykk modifiserer egenskapene til eksitatoriske synapser på NAc D2 MSN-er i mye mindre grad enn eksitatoriske synapser på NAc D1 MSN-er.

Fig. 2.    

Overekspresjon av [Økning]FosB i NAc modifiserer D2 MSN synaptisk styrke i skallet, men ikke kjernen. (A) Representative EPSCs (A1) tatt opp ved –70 og +40 mV fra en NAc-skall D2-kontroll (svart) og [Økning]FosB(+) (grønn) MSN og oppsummeringsgraf ...

Virkninger av [Økning]FosB på stille synapser i NAc D1 og D2 MSN.

Postsynaptiske stille synapser er synapser med uoppdagelige nivåer av AMPAR, men lett detekterbare NMDARer (25-27). De gir et ideelt underlag for langsiktig potensering (LTP) (28) og kan genereres ved ekspresjon av konstitutivt aktiv CREB i hippocampus CA1 pyramidale celler (28) og NAc MSN-er (24). Fordi flere av de observerte synaptiske effektene av [Økning]FosB-overuttrykk kan forklares av endringer i andelen stille synapser på NAc MSN-er, vi utførte en CV-analyse av AMPAR EPSC-er i forhold til NMDAR EPSC-er. I opptak fra enkeltceller er forholdet 1/CV2 av NMDAR EPSCs til 1/CV2 av AMPAR EPSCs korrelerer direkte med andelen stille synapser (28, 29). [Økning]FosB-overuttrykk forårsaket en betydelig økning i dette forholdet i D1 MSN-er i NAc-skallet og kjernen (Fig. 3 A og B). Derimot ble ingen endring i dette forholdet observert i [Økning]FosB-uttrykkende NAc-kjerne D2 MSN-er, mens en reduksjon skjedde i NAc-skall D2 MSN-er som overuttrykker [Økning]FosB (Fig. 3C). Disse resultatene stemmer overens med hypotesen om at [Økning]FosB-overuttrykk forårsaker en økning i andelen stille synapser på NAc-skall og kjerne-D1 MSN-er og en oppheving av synapser på NAc-skall D2 MSN-er.

Fig. 3.    

ΔFosB-uttrykk har motsatte effekter på stille synapseanalyse i D1 og D2 NAc MSN-er. (A) Plott av AMPAR EPSC-er (−70 mV) og NMDAR EPSC (+40 mV) amplituder fra en kontroll (A1) Og [Økning]FosB(+) (A2) D1 MSN i NAc-skall. (B) Sammendrag ...

Virkninger av [Økning]FosB på NAc MSN dendritiske spines.

En veletablert konsekvens av kokainadministrasjon i NAc MSN-er er induksjon av dendritiske ryggraden (30, 31), en strukturell endring som kan være selektiv for D1 MSN (32) og er avhengig av ΔFosB (17, 18). Disse observasjonene antyder at regulering av ryggradsdannelse av ΔFosB kan være spesifikk for D1 MSN. Fordi tilgjengelige muselinjer som uttrykker fluorescerende proteiner med celletypespesifisitet ikke er tilstrekkelige for identifikasjon av dendritiske ryggrader på spesifikke celler, brukte vi en unik HSV-vektor som uttrykker mCherry på en Cre-rekombinase-avhengig måte (Fig. S2; SI-metoder) i kombinasjon med transgene muselinjer som uttrykker Cre spesifikt i D1 eller D2 MSN (5). Kotransdusering av NAc-skallet til disse musene med Cre-avhengige HSV-mCherry og HSV-GFP-ΔFosB (eller HSV-GFP som en kontroll) avslørte at ΔFosB øker dendritisk ryggradstetthet i D1 MSN, men ikke D2 MSN (Fig. 4). Denne økningen er primært drevet av induksjon av stubbe og kanskje tynne ryggrader, som anses som "umodne" (33). I motsetning til dette hadde ΔFosB-overuttrykk ingen effekt på tettheten til mer modne soppformede dendritiske ryggrader. Disse ΔFosB-induserte økningene i umodne dendritiske spines i NAc D1 MSN-er korrelerer godt med forslaget om at ΔFosB-uttrykk resulterer i en økning i stille synapser (27).

Fig. 4.    

ΔFosB-uttrykk øker umodne ryggrader i D1 men ikke D2 NAc MSN-er. (A) Eksempelbilder av pigger fra kontroll (GFP) og [Økning]FosB(+) D1 og D2 NAc MSN. (B-E) Kvantifisering av effekter av ΔFosB-ekspresjon på hver dendrittisk ...

Effekter av selektiv [Økning]FosB-uttrykk i NAc MSN-er om avhengighetsrelatert atferd.

For å finne ut om celletypespesifikke effekter på kortere sikt [Økning]FosB-overuttrykk på synaptiske egenskaper korrelerer med celletypespesifikke effekter på avhengighetsrelatert atferd, vi brukte D1-Cre- og D2-Cre-mus, i kombinasjon med en unik HSV-vektor som inneholder et stoppkodon omgitt av loxP-steder (LS1) for å forhindre målgenuttrykk i enhver celle som ikke uttrykker Cre (Fig. S3). Voksne D1- og D2-Cre-hannmus ble injisert bilateralt i NAc med enten HSV-GFP-LS1-[Økning]FosB eller HSV-GFP (kontroll), og atferd ble vurdert i løpet av 5 dager etter operasjonen når transgenekspresjonen er maksimal. Overuttrykk av [Økning]FosB spesifikt i D1 NAc MSN forårsaket en økning i lokomotorisk sensibilisering for kokain ved både lave (3.75 mg/kg) og høye (7.5 mg/kg) doser, samt en økning i den opprinnelige lokomotoriske responsen på den lavere dosen av kokain (Fig. 5 A og C). I motsetning, [Økning]FosB-overuttrykk i D2 NAc MSN-er hadde ingen effekt på dyrs bevegelsesrespons på kokain (Fig. 5 B og D). Lignende resultater ble oppnådd når kokainbetinget stedspreferanse (CPP) ble analysert. D1- eller D2-Cre-mus injisert med HSV-GFP viste en typisk doseavhengighet av kokain CPP uten signifikant preferanse observert ved lavere dose (Fig. 5 E og F). Overekspresjon av [Økning]FosB i D1 MSN økte dramatisk kokain CPP med maksimal respons observert ved lavere kokaindose (Fig. 5E), mens [Økning]FosB-uttrykk i D2 NAc MSN-er hadde ingen effekt på kokainbelønning (Fig. 5F). Disse resultatene viser det [Økning]FosB-overuttrykk i D1 MSN, men ikke i D2 MSN, i NAc forbedrer atferdsreaksjoner på kokain.

Fig. 5.    

Uttrykk av ΔFosB i D1 men ikke D2 NAc MSN-er fremmer atferdsreaksjoner på kokain. (A-D) Bevegelsesrespons på saltvann (trekanter) eller kokain (firkanter) ble målt daglig hos dyr som uttrykker GFP alene (åpen) eller GFP og [Økning]FosB ...

Diskusjon

Tidligere arbeid har antydet en sterk sammenheng mellom endringer i hjernens belønningskretser på grunn av medikamentindusert induksjon av ΔFosB og avhengighetsassosiert atferd (6). Fordi ΔFosB er uvanlig stabil og er sterkt indusert av kronisk eksponering for narkotika, en effekt som også sees hos menneskelige rusavhengige (18), har de fleste studier fokusert på nevrale og atferdsmessige tilpasninger forårsaket av langsiktig ΔFosB-uttrykk, typisk 2–8 uker (3, 6, 7).

Likevel induserer første eksponering for misbruksmedisiner ΔFosB mRNA og protein (3, 6, 34), men effekten av denne induksjonen på NAc MSN synaptiske egenskaper og påfølgende atferdsmessige responser på medikamentadministrasjon har ikke blitt utforsket. Hfør vi presenterer bevis for at kortsiktig uttrykk for [Økning]FosB produserer dypt forskjellige synaptiske og atferdsmessige effekter når det uttrykkes i NAc D1 versus D2 MSN-er. Jegn D1 MSN-er i både NAc-kjernen og skallet, forårsaket ΔFosB-overuttrykk en reduksjon i AMPAR-mediert synaptisk overføring uten påvisbare endringer i støkiometrien til synaptiske AMPAR-er. NMDAR-mediert EPSC-er ble også forlenget i NAc-skallneuroner (med en lignende trend i kjerneneuroner), noe som tyder på en økning i andelen GluN2B-holdige synaptiske NMDARer. Disse endringene i eksitatoriske synapseegenskaper kan delvis forklares av [Økning]FosB-overuttrykk forårsaker en økning i andelen såkalte postsynaptiske stille synapser. I samsvar med denne hypotesen, forholdet 1/CV2 av NMDAR EPSCs til 1/CV2 av AMPAR EPSCs ble økt med [Økning]FosB som var tettheten av umodne pigger. I motsetning, [Økning]FosB-overuttrykk i D2 NAc MSN-er forårsaket en relativ økning i AMPAR-mediert synaptisk overføring i NAc-skallet, men ikke kjernen. En 1/CV2 analyse tyder på at dette delvis kan skyldes en nedgang i andelen stille synapser, selv om vi ikke kan utelukke at en relativ nedgang i NMDAR-mediert synaptisk overføring skjedde.

For å bestemme om disse celletypespesifikke synaptiske tilpasningene i NAc på grunn av kortsiktig ΔFosB-overuttrykk korrelerer med eventuelle atferdsendringer, vi utviklet en unik metode for å begrense ΔFosB-uttrykk til enten D1 eller D2 NAc MSN-er ved å bruke de tilsvarende Cre driver linjer. Tidligere arbeid demonstrerte at langvarig (>6 uker) overekspresjon av ΔFosB i D1 direkte bane, men ikke D2 indirekte bane MSN i både NAc og dorsal striatum forårsaker økt lokomotorisk sensibilisering for kokain, samt økt kokain CPP ved lav, men ikke høyere, dose av stoffet (7). Her viser vi at bare 2–4 d av ΔFosB-overuttrykk i D1 men ikke D2 MSN i NAc selektivt fremkaller en økt bevegelsesrespons på en lav kokaindose og økt sensibilisering av bevegelsesresponsen til en høyere dose. Spå samme måte forårsaket denne kortsiktige ΔFosB-overuttrykket i D1 NAc MSN-er en økning i kokain-CPP til en lavere kokaindose. Disse resultatene viser at en økning i nivåer av ΔFosB i D1 NAc MSN-er per se forbedrer et dyrs følsomhet for de lokomotorisk-aktiverende og belønnende effektene av kokain mye raskere enn tidligere antatt. Disse resultatene tyder også på at induksjonen av ΔFosB forårsaket av initial eksponering for legemidler kan bidra til de påfølgende endringene som oppstår i respons på gjentatt administrering.

Tidligere arbeid med rotter viste at kortvarig (1–2 d) tilbaketrekning fra kronisk ikke-kontingent kokainadministrasjon (5 d) forårsaker generering av stille synapser i NAc MSN (35). Denne kokaininduserte synaptiske modifikasjonen blokkeres ved uttrykk av en dominerende negativ form for CREB og etterlignes ved uttrykk av konstitutivt aktiv CREB (24), som også induserer stille synapser i hippocampus (28). Videre inneholder de tause synapsene i NAc en større andel av GluN2B-holdige NMDARer, blokkering av som forhindrer kokain induksjon av stille synapser, samt kokain-utløst lokomotorisk sensibilisering (24, 35). De synaptiske effektene av kortsiktig ΔFosB-overuttrykk demonstrert her kombinert med det faktum at kokainadministrasjon sterkt induserer ΔFosB i mus (7) antyder at kokainadministrasjon også genererer stille synapser i NAc MSN-er hos mus, om enn på en celletypespesifikk måte. Hvorvidt induksjon av begge transkripsjonsfaktorene er nødvendig for disse medikamentinduserte synaptiske endringene vil kreve ytterligere studier. Than observasjon at CREB og [Økning]FosB begge kan indusere stille synapser i NAc MSN-er er interessant i lys av betydelige bevis på at de formidler motsatte atferdsfenotyper: mens langsiktig [Økning]FosB fremmer kokainbelønning, CREB utøver motsatt effekt (3, 6). Imidlertid kortsiktig [Økning]FosB-overuttrykk i induserbare bitransgene mus dempet kokainens atferdseffekter (36), et resultat som kan reflektere lavere nivåer av [Økning]FosB indusert på dette tidspunktet eller de direkte konsekvensene av de kortere uttrykksperiodene. Funnene som presenteres her antyder den førstnevnte muligheten fordi korte perioder med høye nivåer av HSV-mediert overekspresjon av [Økning]FosB i D1 NAc MSN, som langsiktig uttrykk, forbedret atferdseffektene av kokain. Det er klart at ytterligere arbeid er nødvendig for å forstå de paradoksale effektene av induksjonen av CREB versus [Økning]FosB i NAc. En forklaring kan være celletypespesifisiteten til deres handlinger, fordi kokain induksjon av [Økning]FosB er selektiv for D1 MSN, mens CREB-induksjon forekommer likt i D1 og D2 MSN, så vel som i noen GABAerge interneuroner (3). Det vil også være avgjørende å identifisere de mange målgenene gjennom hvilke disse transkripsjonsfaktorene induserer deres elektrofysiologiske og atferdsmessige effekter.

NAc er en kompleks hjerneregion, bestående av en heterogen blanding av flere celletyper med distinkte roller i flere sammenhengende kretser og atferdsutganger (1, 3). Her fokuserer vi spesifikt på MSN-er, fordi de er projeksjonsnevronene til NAc, deres funksjonelle utgang har vært direkte knyttet til avhengighetsrelatert atferd (5, 37, 38), og endringer i den eksitatoriske driften på NAc MSN-er forårsaker avhengighetslignende atferdsavvik (39). Flere proteiner regulert av misbruksmedisiner har vært knyttet til endringer i fysiologien til NAc MSN (4, 19, 40, 41). Mens noen tidligere studier har undersøkt de synaptiske forskjellene mellom direkte og indirekte MSN-er (2, 4) og andre har fokusert på forskjeller mellom NAc-skallet og kjerneunderregioner (16), et fullstendig bilde av hvordan et gitt protein påvirker fysiologien til begge MSN-subtypene i begge NAc-underregionene har ikke tidligere blitt gitt. Vi viser nå at kortsiktig uttrykk for [Økning]FosB har celletypespesifikke og regionspesifikke effekter på eksitatoriske synaptiske egenskaper til NAc MSN og at denne molekylære manipulasjonen spesifikt i D1 NAc MSN forbedrer atferdsresponser på kokain. Fordi de to celletypene i begge underregionene deler vanlige proteiner og signalveier, men likevel har divergerende effekter på atferd, presenterer disse resultatene et første skritt i å gi en omfattende forståelse av molekylær- og kretstilpasningene i NAc forårsaket av misbruksmedisiner. Fremtidig arbeid vil måtte definere om disse synaptiske endringene fortrinnsvis skjer ved spesifikke innganger til NAc, om det er en direkte årsakssammenheng mellom disse [Økning]FosB-induserte synaptiske og atferdsendringer, og om administrering av rusmidler eller stress, som begge induserer [Økning]FosB, forårsaker lignende synaptiske og atferdsmessige tilpasninger.

Metoder

For en detaljert beskrivelse av metoder, se SI-metoder.

Heterozygote bakterielle kunstige kromosomer (BAC) voksne (8–12 uker) hannmus ble brukt i alle eksperimenter og ble plassert sammen i grupper på to til fem per bur i en 12/12-timers lys/mørke-syklus, med mat og vann tilgjengelig. til alle tider. Elektrofysiologiske studier brukte D1-tdTomato-mus som ble krysset tilbake på C57/Bl6 (21). For atferdseksperimenter og dendritiske ryggradsanalyser ble D1- og D2-Cre-mus delt inn i alderstilpassede grupper brukt (5, 42). Alle eksperimenter ble utført i samsvar med retningslinjene fastsatt av institusjonelle dyrepleie- og brukskomiteer (IACUC) ved Stanford University og Mount Sinai School of Medicine.

Tilleggsmateriale

Støttende informasjon:   

Erkjennelsene

Vi takker medlemmer av Malenka- og Nestler-laboratoriene for nyttige kommentarer gjennom hele prosjektet. Dette arbeidet ble støttet av National Institute on Drug Abuse Grants 1K99DA031699 (til BAG) og P01 DA008227 (til EJN og RCM) og National Institute of Mental Health Grant R01 MH51399 (til EJN).

Fotnoter

Forfatterne erklærer ingen interessekonflikt.

Denne artikkelen inneholder støtteinformasjon på nettet på www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1221742110/-/DCSupplemental.

Referanser

1. Lüscher C, Malenka RC. Drug-fremkalt synaptisk plastisitet i avhengighet: Fra molekylære endringer til kretsremodellering. Nevron. 2011;69(4):650–663. [PubMed]
2. Grueter BA, Rothwell PE, Malenka RC. Integrering av synaptisk plastisitet og striatal kretsfunksjon i avhengighet. Curr Opin Neurobiol. 2012;22(3):545–551. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
3. Robison AJ, Nestler EJ. Transkripsjonelle og epigenetiske mekanismer for avhengighet. Nat Rev Neurosci. 2011;12(11):623–637. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
4. Grueter BA, Brasnjo G, Malenka RC. Postsynaptisk TRPV1 utløser celletypespesifikk langtidsdepresjon i nucleus accumbens. Nat Neurosci. 2010;13(12):1519–1525. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
5. Lobo MK, et al. Celletypespesifikt tap av BDNF-signalering etterligner optogenetisk kontroll av kokainbelønning. Vitenskap. 2010;330(6002):385–390. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
6. Nestler EJ. Anmeldelse. Transkripsjonelle mekanismer for avhengighet: DeltaFosBs rolle. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2008;363(1507):3245–3255. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
7. Kelz MB, et al. Uttrykk av transkripsjonsfaktoren deltaFosB i hjernen kontrollerer følsomheten for kokain. Natur. 1999;401(6750):272–276. [PubMed]
8. Zachariou V, et al. En viktig rolle for DeltaFosB i nucleus accumbens i morfinvirkning. Nat Neurosci. 2006;9(2):205–211. [PubMed]
9. Colby CR, Whisler K, Steffen C, Nestler EJ, Self DW. Striatal celletypespesifikk overekspresjon av DeltaFosB øker insentiv for kokain. J Neurosci. 2003;23(6):2488–2493. [PubMed]
10. Nikulina EM, Marchand JE, Kream RM, Miczek KA. Atferdssensibilisering for kokain etter et kort sosialt stress er ledsaget av endringer i fos-uttrykk i den murine hjernestammen. Brain Res. 1998;810(1-2):200–210. [PubMed]
11. Miczek KA, Nikulina E, Kream RM, Carter G, Espejo EF. Atferdssensibilisering for kokain etter et kort sosialt nederlagsstress: c-fos-uttrykk i PAG. Psychopharmacology (Berl) 1999;141(3):225–234. [PubMed]
12. Miczek KA, Nikulina EM, Shimamoto A, Covington HE., 3. eskalert eller undertrykt kokainbelønning, tegmental BDNF og akkumbal dopamin forårsaket av episodisk versus kontinuerlig sosialt stress hos rotter. J Neurosci. 2011;31(27):9848–9857. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
13. Covington HE, 3rd, et al. En rolle for undertrykkende histonmetylering i kokainindusert sårbarhet for stress. Nevron. 2011;71(4):656–670. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
14. Lim BK, Huang KW, Grueter BA, Rothwell PE, Malenka RC. Anhedonia krever MC4R-mediert synaptiske tilpasninger i nucleus accumbens. Natur. 2012;487(7406):183–189. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
15. Vialou V, et al. DeltaFosB i hjernebelønningskretser formidler motstand mot stress og antidepressive responser. Nat Neurosci. 2010;13(6):745–752. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
16. Kourrich S, Thomas MJ. Lignende nevroner, motsatte tilpasninger: Psykostimulerende opplevelse endrer forskjellig avfyringsegenskaper i accumbens kjerne versus skall. J Neurosci. 2009;29(39):12275–12283. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
17. Maze I, et al. Essensiell rolle for histonmetyltransferase G9a i kokainindusert plastisitet. Vitenskap. 2010;327(5962):213–216. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
18. Robison AJ, et al. Atferdsmessige og strukturelle reaksjoner på kronisk kokain krever en feed-forward loop som involverer [Økning]FosB og CaMKII i nucleus accumbens skall. J Neurosci. 2013 i trykken.
19. Dong Y, et al. CREB modulerer eksitabiliteten til nucleus accumbens nevroner. Nat Neurosci. 2006;9(4):475–477. [PubMed]
20. Pulipparacharuvil S, et al. Kokain regulerer MEF2 for å kontrollere synaptisk og atferdsmessig plastisitet. Nevron. 2008;59(4):621–633. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
21. Shuen JA, Chen M, Gloss B, Calakos N. Drd1a-tdTomato BAC transgene mus for samtidig visualisering av middels spiny nevroner i de direkte og indirekte banene til basalgangliene. J Neurosci. 2008;28(11):2681–2685. [PubMed]
22. Kauer JA, Malenka RC. Synaptisk plastisitet og avhengighet. Nat Rev Neurosci. 2007;8(11):844–858. [PubMed]
23. Conrad KL, et al. Dannelse av accumbens GluR2-manglende AMPA-reseptorer medierer inkubasjon av kokain-trang. Natur. 2008;454(7200):118–121. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
24. Brown TE, et al. En stille synapsebasert mekanisme for kokainindusert lokomotorisk sensibilisering. J Neurosci. 2011;31(22):8163–8174. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
25. Isaac JT, Nicoll RA, Malenka RC. Bevis for stille synapser: Implikasjoner for uttrykket av LTP. Nevron. 1995;15(2):427–434. [PubMed]
26. Liao D, Hessler NA, Malinow R. Aktivering av postsynaptisk stille synapser under paringsindusert LTP i CA1-regionen av hippocampus-skiven. Natur. 1995;375(6530):400–404. [PubMed]
27. Kerchner GA, Nicoll RA. Stille synapser og fremveksten av en postsynaptisk mekanisme for LTP. Nat Rev Neurosci. 2008;9(11):813–825. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
28. Marie H, Morishita W, Yu X, Calakos N, Malenka RC. Generering av stille synapser ved akutt in vivo-ekspresjon av CaMKIV og CREB. Nevron. 2005;45(5):741–752. [PubMed]
29. Kullmann DM. Amplitudesvingninger av dual-komponent EPSCs i hippocampus pyramidale celler: implikasjoner for langsiktig potensering. Nevron. 1994;12(5):1111–1120. [PubMed]
30. Robinson TE, Kolb B. Strukturell plastisitet forbundet med eksponering for rusmidler. Neuropharmacology. 2004; 47 (Suppl 1): 33-46. [PubMed]
31. Russo SJ, et al. Den avhengige synapsen: mekanismer for synaptisk og strukturell plastisitet i nucleus accumbens. Trender Neurosci. 2010;33(6):267–276. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
32. Lee KW, et al. Kokainindusert dendritisk ryggradsdannelse i D1- og D2-dopaminreseptorholdige medium piggete nevroner i nucleus accumbens. Proc Natl Acad Sci USA. 2006;103(9):3399–3404. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
33. Bourne JN, Harris KM. Balanserende struktur og funksjon ved hippocampus dendritiske ryggrader. Annu Rev Neurosci. 2008;31:47–67. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
34. Chen J, et al. Regulering av delta FosB og FosB-lignende proteiner ved elektrokonvulsive anfall og kokainbehandlinger. Mol Pharmacol. 1995;48(5):880–889. [PubMed]
35. Huang YH, et al. In vivo kokainopplevelse genererer stille synapser. Nevron. 2009;63(1):40–47. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
36. McClung CA, Nestler EJ. Regulering av genuttrykk og kokainbelønning av CREB og [Økning]FosB. Nat Neurosci. 2003;11:1208–1215. [PubMed]
37. Covington HE, 3rd, et al. Antidepressiv effekt av optogenetisk stimulering av den mediale prefrontale cortex. J Neurosci. 2010;30(48):16082–16090. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
38. Stefanik MT, et al. Optogenetisk hemming av kokainsøking hos rotter. Misbruker Biol. 2013;18(1):50–53. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
39. Lobo MK, Nestler EJ, Covington HE., III Potensiell nytte av optogenetikk i studiet av depresjon. Biol Psykiatri. 2012;71(12):1068–1074. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
40. McCutcheon JE, Wang X, Tseng KY, Wolf ME, Marinelli M. Kalsiumgennemtrængelige AMPA-reseptorer er tilstede i nucleus accumbens synapses etter langvarig uttak fra kokain selvadministrasjon, men ikke eksperimentert administrert kokain. J Neurosci. 2011; 31 (15): 5737-5743. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
41. Kim J, Park BH, Lee JH, Park SK, Kim JH. Celletypespesifikke endringer i nucleus accumbens ved gjentatt eksponering for kokain. Biol Psykiatri. 2011;69(11):1026–1034. [PubMed]
42. Gong S, et al. Målretting av Cre-rekombinase til spesifikke nevronpopulasjoner med bakterielle kunstige kromosomkonstruksjoner. J Neurosci. 2007;27(37):9817–9823. [PubMed]