Drug-fremkalt potensiering ved eksitatoriske synapser i VTA

En banebrytende studie av Ungless og kolleger i 2001 viste at en enkelt eksponering for kokain forårsaket en forbedring av synaptisk styrke ved eksitatoriske synapser på VTA DA nevroner når målt 24 h senere i hjerneskiver (Ungless et al., 2001). Dette ble målt som en økning i forholdet mellom AMPA-medierte eksitatoriske postsynaptiske strømmer (EPSCs) over NMDA-medierte EPSC (benevnt AMPA / NMDA-forholdet). Senere elektrisk fremkalt LTP ble vist å bli okkludert ved eksitatoriske VTA synapser i kokainbehandlede mus mens LTD ble forbedret. Disse observasjonene samt en rekke andre elektrofysiologiske tiltak indikerte at forandringen i plastisitet observert potensielt delte lignende mekanismer til synaptisk fremkalt LTP (Ungless et al., 2001). Det har siden blitt vist at administrering av andre rusmidler, inkludert amfetamin, morfin, etanol, nikotin og benzodiazepiner, også kan føre til økning i synaptisk styrke i VTA, en effekt som ikke ses med psykoaktive legemidler som ikke har misbrukspotensial (Saal et al., 2003; Gao et al., 2010; Tan et al., 2010). Denne observasjonen demonstrerer en konvergens av cellulære responser innen VTA av alle misbrukte stoffer og gir en mulig nevrale mekanisme ved hvilken de første nevroadaptasjoner som ligger til grunn for avhengighet kan utløses.

Effekten av ikke-kontingent medisinadministrasjon på VTA-synaptisk plastisitet er forbigående uttrykt, som varer minst 5, men mindre enn 10 dager, og har vist seg å være positivt korrelert med den første utviklingen av atferdsfølsomhet, men ikke med uttrykket (Ungless et al., 2001; Saal et al., 2003; Borgland et al., 2004). Hvis kokain er selvforvaltet, er utfallet ganske annerledes da plastisitet i VTA blir vedvarende og kan detekteres til og med 90 dager i uttak (Chen et al., 2008).

Potensieringen av glutamatergiske synapser på VTA DA-celler er antakelig knyttet til muligheten for narkotika av misbruk for å forbedre ekstracellulær DA i NAc (Di Chiara og Imperato, 1988) Ennd representerer potensielt initiering av "patologisk" belønning læring hvor en "stempling i" av drug-cue foreninger oppstår. Faktisk har NMDA-reseptoravhengige økninger i glutamatergisk synaptisk styrke blitt rapportert i VTA DA-neuroner under oppkjøpet av en cue-reward association (Stuber et al., 2008) og nylig ble det bekreftet at kokain selektivt øker AMPA / NMDA-forholdet mellom VTA-nevroner som projiserer til NAc i motsetning til PFC (Lammel et al., 2011); Det er godt etablert at dopaminoverføring innen NAc er avgjørende for oppkjøpet av en Pavlovian-forening (Kelley, 2004). Dermed kan det være at denne potensering av VTA DA-neuroner kan representere neuralkoding som ligner LTP, muligens en assosiativ læringsprosess, som kan være avgjørende for tidlige kokaininducerte atferdsresponser og har kapasitet til å utløse langsiktige tilpasninger som ligger til grunn for avhengighet, men representerer ikke den avhengige tilstanden selv. Som foreslått av andre, kan det være at vanedannende stoffer kooptiserer hjernekompensasjonskretser for å "overlearn" verdien av et stoff til organismen (Kauer og Malenka, 2007).

Opprinnelsen til de relevante glutamatergiske projeksjonene til VTA involvert i narkotikainducert plastisitet, forblir fullstendig klarlagt. En studie har vist at VTA-glutamatergiske synapser målrettet med fremskrivninger fra både VTA selv og pedunculopontin-kjernen (PPN) viser forbedret potensiering fra kokain, men bare synapsene som mottar inngang fra PPN-afferenter, forsterkes med Δ⁹-tetrahydrocannabinol (THC) (Good and Lupica, 2010). Det ser således ut til at de spesifikke glutamatergiske afferenter involvert i medikamentinducert potensiering kan variere i henhold til det aktuelle stoffet, og det kan også være tilfelle at et bestemt fremspring er vanlig for all medikamentfremkalt eksitatorisk plastisitet i VTA; sistnevnte er ennå ikke bestemt. Than mottar omfattende projeksjoner fra flere hjernegrupper, inkludert PFC, amygdala og subthalamic kjernen (Geisler og Wise, 2008), hvorav mange har vist seg å påvirke burstfire av VTA DA-neuroner (Grillner og Mercuri, 2002). Fremtidige eksperimenter som benytter optogenetiske teknikker kan bidra til å bestemme de spesifikke fremskrivningene som er ansvarlige for den medikamentfremkalte potensering ved VTA-synapser som observeres som svar på forskjellige misbruksmidler, og derved lyser på den nøyaktige naturen til denne nevroadaptasjonen.

Mekanismer som ligger til grunn for legemiddelfremkalt synaptisk plastisitet ved eksitatorisk synaps i VTA

Som med elektrisk inducert LTP i midbrain DA neuroner har økningen i synaptisk styrke i VTA fremkalt av både kokain og nikotin vist seg å være avhengig av NMDA-reseptoraktivering (Bonci og Malenka, 1999; Ungless et al., 2001; Mao et al., 2011). I motsetning til dette ble vedlikehold av kokainfremkalt potensiering nylig vist å kreve aktiviteten av proteinkinase Mζ (Ho et al., 2012), en autonomt aktiv protein kinase C (PKC) isoform, mens spike-timingavhengig LTP i VTA DA-neuroner av narkotika-naive mus avhenger av konvensjonelle PKC-isoformer (Luu og Malenka, 2008). Når det gjelder nikotin, krever synaptisk potensering av VTA eksitering av DA-neuroner mediert av somatodendritiske α4β2 nikotinacetylkolinreceptorer (nAChR) (Mao et al., 2011). Nikotininducerte økninger av presynaptisk glutamatfrigivelse bidrar også til induksjonen av denne spesielle synaptiske plastisitet, sannsynligvis ved økt aktivering av NMDA-reseptorer (Mao et al., 2011).

Relativt mer er kjent om mekanismene som ligger til grund for kokain-fremkalt synaptisk plastisitet enn den underliggende plastisitet indusert av andre rusmidler. Kokain-applikasjon til midbrain-skiver resulterer i forsterkning av NMDA-reseptorsending i løpet av minutter og foreslås å være via innsetting av NR2B-holdige NMDAR til synapser gjennom en mekanisme som krever aktivering av D₅ reseptorer og ny proteinsyntese (Schilstrom et al., 2006; Argilli et al., 2008). Orexin A har også vist seg å være nødvendig for både hurtig kokaininducert innsetting av NR2B-holdige reseptorer og økte AMPA / NMDA-forhold; tilsvarende oreksinen₁ reseptorantagonist SB334867 har vist seg å forhindre utvikling av sensibilisering mot kokain (Borgland et al., 2006). I tillegg til endringer i NMDA-reseptorsubunituttrykk, har økte nivåer av GluR1-holdige (GluR2-manglende) AMPA-reseptorer ved synaps blitt observert så snart 3 h etter kokaineksponeringe (Argilli et al., 2008). Denne observasjonen kombinert med andre nyere bevis har ført til hypotesen om at synaptisk innsetting av høyledende GluR2-manglende reseptorer bidrar til ekspresjon av kokaininducert synaptisk potensiering i VTA (Dong et al., 2004; Bellone og Luscher, 2006; Mameli et al., 2007; Brown et al., 2010; Mameli et al., 2011), for vurderinger se (Kauer og Malenka, 2007; Wolf og Tseng, 2012). Denne innføringen av GluR2-manglende AMPA-reseptorer avhenger av NMDA-reseptorsending i VTA DA-neuroner siden det er fraværende hos mus som mangler funksjonelle NMDA-reseptorer i DA-neuroner (Engblom et al., 2008; Mameli et al., 2009). Jegnsertion av GluR2-manglende AMPA-reseptorer er signifikant fordi de har unike egenskaper; De er kalsiumgennemtrængelige, har større enkeltkanal-konduktans enn GluR2-holdige reseptorer, og har derfor stor kapasitet til å endre synaptisk overføring (Isaac et al., 2007). Innføring av GluR2-manglende AMPA-reseptorer i VTA representerer derfor en mulig mekanisme ved hvilke misbruksmidler kan instantiere plasttilpasningene som ligger til grunn for de første stadier av narkotikabruk.

Innsatsen av GluR2-manglende AMPA-reseptorer i VTA-eksitatoriske synapser har nå vist seg å forekomme som respons på administrering av legemidler fra flere klasser, slik som nikotin og morfin, samt ved optogenetisk aktivering av DA VTA-neuroner (Brown et al., 2010). Thans har ført til forslaget om at innsetting av kalsiumgennemtrængelige GluR2-manglende AMPA-reseptorer representerer en universell mekanisme som kan undergå narkotisk fremkalt potensiering av VTA-synapser (Brown et al., 2010), selv om dataene for amfetamin ikke nødvendigvis stemmer overens med denne hypotesen (Faleiro et al., 2004). Videre, da GluR2-manglende AMPA-reseptorer er innadrettende og dermed utfører svært lite strøm ved + 40 mV, kan deres innføring alene ikke forklare narkotikafremkalt økning i AMPA / NMDA-forhold. En nylig studie som målt enhetlige synaptiske responser fremkalt av en svært lokalisert glutamatkilde (tofoton-fotolyse av caged glutamat) viste, i tillegg til å påvirke AMPA-reseptormedierte EPSC, at kokaineksponering også reduserte enhetlige NMDA-reseptormedierte EPSCs (Mameli et al., 2011), og gir dermed en mulig mekanisme ved hjelp av hvilke AMPA / NMDA-forhold kan økes i dette scenariet (ved å senke nevneren for forholdet). Dette er ennå ikke undersøkt med andre rusmidler.

Den medikamentinducerte utveksling av GluR2-holdig med GluR2-manglende AMPA-reseptorer kan reverseres ved aktivering av mGluR1-reseptorer i VTA (Bellone og Luscher, 2006; Mameli et al., 2007). Således gir mGluR1-mediert utveksling av AMPA-reseptorer en mekanisme som kan forklare hvorfor medikamentfremkalt potensiering av VTA-synapser er forbigående i naturen, varig 5, men ikke 10-dager (Ungless et al., 2001; Mameli et al., 2007). Faktisk, hvis mGluR1-funksjonen i VTA reduseres 24 h før kokainadministrasjonen, fortsetter kokaininducert innvendig rettelse utover 7-dager (Mameli et al., 2007, 2009). Derfor kan en mulig forklaring på hvorfor kokainfremkalt synaptisk styrking fortsetter i VTA etter selvadministrasjon av kokain (i motsetning til følgende ikke-kontingentadministrasjon), at kokain selvadministrasjon fører til depresjon av mGluR1-signalering i VTA.

Drug-fremkalt synaptisk plastisitet ved hemmende synapser i VTA

Excitatory synapses er ikke den eneste typen synaps i VTA DA nevroner som påvirkes av ikke-betinget administrasjon av misbruk. Inhibitoriske synapser i VTA har også en kritisk rolle i kontrollen av avfyringshastigheten til DA-neuroner, og dermed har plasticitet ved GABAergiske synapser evne til å dramatisk påvirke DA-overføring. Faktisk kan kokain, morfin og etanol alle påvirke hemmende synaptisk plastisitet i VTA (Melis et al., 2002; Liu et al., 2005; Nugent et al., 2007). Gjentatt kokaineksponering in vivo for 5-7 dager forårsaker en reduksjon i amplituder av GABA-medierte synaptiske strømmer, derved lette LTP-induksjon i VTA-celler ved å redusere styrken av GABAergisk inhibering (Liu et al., 2005). Etterfølgende studier avslører mekanismen for denne inhiberingen å være endocannabinoid-avhengig LTD ved GABAergiske synapser involverer aktivering av ERK1 / 2 (Pan et al., 2008, 2011). GABA_A reseptor synapser på VTA dopaminneuroner utviser også robust NMDA-avhengig LTP (betegnet LTP_GABA) som respons på høyfrekvent stimulering (Nugent et al., 2007). Denne LTP_GABA er fraværende i VTA-skiver 2 og / eller 24 h etter in vivo administrasjon av morfin, nikotin, kokain eller etanol (Nugent et al., 2007; Guan og Ye, 2010; Niehaus et al., 2010). I tilfelle etanol forebygging av LTP_GABA medieres av μ-opioidreseptoren (Guan og Ye, 2010) Sammen med synaptisk potensiering ved eksitatoriske synapser, dette tapet av LTP_GABA bør øke avfyringen av VTA DA nevroner etter legemiddeleksponering.

Langsom GABA-overføring har også nylig vist seg å være berørt av misbruk. Dermed er en enkelt dose metamfetamin eller kokain tilstrekkelig til å svekke GABAs evne til å svekke seg_B reseptorer for å kontrollere VTA GABA neuron firing når målt ex vivo 24 h senere (Padgett et al., 2012). Metamfetamin-indusert tap av det langsomme hemmende postsynaptiske potensialet (IPSC) stammer fra en reduksjon i GABA_B reseptor-G-proteinkoblede innadrettende kaliumkanalstrømmer (GIRK), på grunn av endringer i proteinhandel, og er ledsaget av en signifikant reduksjon av sensitiviteten til presynaptisk GABA_B reseptorer i GABA nevroner av VTA. Til forskjell fra narkotika-induserte påvirkninger på GABA_A synapser denne depresjonen av GABA_BR-GIRK-signalering fortsetter i dager etter injeksjonen (Padgett et al., 2012).

Behavioral korrelater av medikament-fremkalt potensiering i VTA DA-celler

Som tidligere nevnt, er effekten av ikke-kontingent medisinadministrasjon på synaptisk plastisitet i VTA DA-neuroner uttrykt for sent, idet det varer minst 5, men mindre enn 10 dager, og har vist seg å være positivt korrelert med den første utviklingen av atferdsfølsomhet, men ikke med uttrykket (Ungless et al., 2001; Saal et al., 2003; Borgland et al., 2004). Til støtte for hypotesen om at legemiddelfremkalt potensiering av VTA-synaps representerer induksjon av atferds-sensibilisering, reduserer intra-VTA-administrering av glutamatantagonister, og viralt mediert GluR1 oppregulering øker de lokomotoriske sensibiliserende egenskapene til medikamenter (Carlezon et al., 1997; Carlezon og Nestler, 2002). Sterkt bevis på NR2A- og B-inneholdende NMDA-reseptorinnblanding er gitt ved observasjonen at farmakologisk inhibering enten forhindrer både utvikling av sensibilisering og tilhørende kokaininducerte økninger i AMPA / NMDA-forhold (Schumann et al., 2009). Imidlertid utviser mus med målrettet sletting av NR1 eller GluR1 (selektive til midbrain DA neurons) eller global GluR1 deletjon intakt atferdsfølsomhet og viser likevel nedsatt AMPA-reseptorstrømmer etter kokainbehandling (Dong et al., 2004; Engblom et al., 2008). En ekstra vridning er gitt ved observasjonen at CPP og konditionert lokomotorisk oppførsel er fraværende i GluR1 knockout-mus (Dong et al., 2004) og utryddelse av kokain-CPP er fraværende hos mus med GluR1-deletjon rettet mot midbrain DA-neuroner (Engblom et al., 2008), mens i NR1 knockout-mus blir reinstatement av kokain-CPP og ekspresjon av atferdsfølsomhet svekket (Engblom et al., 2008; Zweifel et al., 2008). Således, selv med forbehold om potensiell utviklingsmessig kompensasjon i mutante mus og / eller mulig ufullstendig deletjon, er det således mulig at de nevrale prosesser som styrer legemiddelfremkalt potensiering av DA-neuroner og atferdsfølsomhet er dissosiert. Snarere kan det være at potensering av VTA-synapser kan bidra til tilskudd av insentivsalighet til narkotikarelaterte tegn.

Måling av synaptiske endringer etter ikke-kontingent medisinadministrasjon er begrenset med hensyn til å informere om den faktiske sykdomsstaten av avhengighet. Mer relevant for den menneskelige tilstanden er studier der endringer i synaptisk plastisitet måles etter kontingent medikamentadministrasjon, for eksempel operant selvadministrasjon. I denne forbindelse er synaptisk styrking av VTA DA-celler fremkalt av selvadministrasjon av kokain unikt vedvarende, og varer 3 måneder i avholdenhet og vist seg å være motstandsdyktig mot utryddelsestrening (Chen et al., 2008). Således, selv om det først ble foreslått å være en forbigående hendelse, ser det ut til at narkotikafremkalt plastisitet i VTA har kapasitet til å være langvarig, og viser at administreringsmetoden (kontingent versus ikke-kontingent) er en kritisk determinant av dens levetid . Dette støttes av observasjonen at yoked kontroller i denne studien ikke viste en tilsvarende økning i AMPA / NMDA forholdet; foreslår at det er læring av cue-belønning eller action-utfall forening som kjører plasticitet. Tilsvarende gir selvadministrasjon av mat eller sukrose under tilsvarende parametere økning i AMPA / NMDA-forhold som vedvarer for 7, men ikke 21-dager i avholdenhet, påvisbart forbigående sammenlignet med det som induseres av kokain (Chen et al., 2008). Mangelen på utholdenhet av matinnusert plastisitet demonstrerer at endringen i synaptisk styrke indusert av kokain ikke bare er en nevral representasjon av de instrumental- eller cue-belønning læringsprosesser involvert i operant-selvadministrasjonsparadigmet per se, snarere en narkotikaspesifikk effekt som potensielt representerer en patologisk styrking av narkotika-cue-foreninger. Som nevnt tidligere, har også signaler som forutser belønning vist seg å forårsake en økning i AMPA / NMDA-forhold i VTA, men ikke så vedvarende, som støtter en rolle for denne modifikasjonen av excitatorisk synaptisk funksjon i belønningslæring (Stuber et al., 2008).

Interessant, størrelsen på økningen i AMPA / NMDA-forholdet er lik uansett antall injeksjoner (enkelt versus flere), administrasjonsprotokoll (kontingent vs ikke-betinget) og tilgangstid (begrenset tilgang vs. utvidet tilgang) (Borgland et al., 2004; Chen et al., 2008; Mameli et al., 2009). Dette indikerer at økningen i AMPA / NMDA-forhold observert i VTA DA-celler potensielt er en permissiv hendelse, kanskje signalering "salience" i motsetning til å representere en initiering av underliggende nevropatologi som antakelig vil øke ved fortsatt eksponering.

Narkotika-fremkalt plastisitet ved eksitatoriske synapser i NAc

I motsetning til VTA forårsaker en enkelt kokaininjeksjon ikke økning i synaptisk styrke i NAc når den måles 24 h senere (Thomas et al., 2001; Kourrich et al., 2007). Denne observasjonen og den toveiselle tidsskala som følger med gjentatt administrasjon og uttak dantyder at legemiddelinducert plastisitet i NAc er markant forskjellig fra det som observeres i VTA. Faktisk, Når gjentatte injeksjoner av kokain administreres (for å indusere atferdssensibilisering), observeres en reduksjon i AMPA / NMDA-forholdet ved NAc-shellsynapsene når den måles 24 h etter siste administrasjonn (Kourrich et al., 2007). Denne synaptiske depresjonen fra gjentatt kokain synes å være knyttet til plastisitet i VTA; Ved selektiv forstyrrelse av mGluR1-funksjonen i VTA kreves det bare en enkelt injeksjon av kokain for å forårsake denne samme depresjonen av NAc-synapser (Mameli et al., 2009). Than forfattere av denne studien postulerer at forbedret eksitering av VTA projeksjoner kan lette sammenfallende utgivelse av DA og glutamat i NAc gjennom en forbedret utgivelse av DA. Dette kan da skifte terskelen for induksjon av lokal plastisitet i NAc ved å påvirke kretsaksitivitet eller ved å integrere intracellulære signalprosesser (Mameli et al., 2009).

Den funksjonelle signifikansen av depresjonen av NAc synapser under akutt uttak er uklart på dette stadiet. En mulig forklaring kan være at depresjon av NAc-medium spiny nevroner (MSNs) reduserer deres respons på naturlig givende stimuli, og dermed bidrar til den anhedonia som oppstår under akutt uttak. Det kan også være at nedgangen som observeres i AMPA / NMDA-forholdet, kan være et resultat av membraninnsetting av NR2B-holdige NMDA-reseptorer (dermed økning av nevnte forhold) da nye tydelige synapser forekommer i NAc-skallet ved kokaineksponering (Huang et al., 2009). Tydelige glutamatergiske synapser, som uttrykker funksjonelle NMDA-reseptormedierte strømmer i fravær av AMPA-reseptormedierte strømmer, antas å ha en økt kapasitet til å gjennomgå styrking av synaptisk overføring (Isaac et al., 1995). Når de er generert, kan disse stille synapene muliggjøre rekruttering av AMPA-reseptorer og derved øke eksitatorisk synaptisk overføring. Dette gir en mulig mekanisme for å forklare økninger i overflate nivået av AMPA-reseptorer og påfølgende AMPAR / NMDAR-forhold observert i NAc under langvarig tilbaketrekning (Boudreau og Wolf, 2005; Boudreau et al., 2007; Kourrich et al., 2007; Conrad et al., 2008). NR2B-holdige NMDA-reseptorer i NAc kunne også vært involvert i dannelsen av narkotika-kontekstforeninger da siRNA-knockdown av denne underenheten forhindrer morfin-CPP i mus, men ikke atferdsfølsomhet (Kao et al., 2011).

I motsetning til kokain resulterer et gjentatt regime av intermitterende etanoleksponering i en potensering av synapser som respons på en tidligere LTD-inducerende stimuleringsprotokoll når målt 24 h etter den siste eksponeringen (Jeanes et al., 2011). Denne NMDA-avhengige potensiering er forbigående som etter en ytterligere 48 h for tilbaketrekning, har den gått bort, og verken LTP eller LTD kan bli indusert (Jeanes et al., 2011). Forfatterne tolker så robuste endringer i NAc-plastisitet som en indikator på den potensielle betydningen av denne prosessen i etanol-induserte neuroadaptasjoner. Dessuten, i motsetning til psykostimulerende midler, kan etanol virke ved NMDA-reseptorer, og har derfor kapasitet til direkte å påvirke glutamatergisk signalering.

Synaptisk potensering observert i NAc etter en periode med uttak

I motsetning til depresjonen som observeres ved akutt uttak, observeres potensering av NAc-skallsynapsene etter 10-14-dager med tilbaketrekking fra gjentatt kokain- eller morfinadministrasjon (Kourrich et al., 2007; Wu et al., 2012). Videre, etter 7-dagers tilbaketrekning fra en enkelt administrering av kokain, blir en økning i amplituden til mEPSCs samt et tap av LTP indusert av høyfrekvent stimulering (HFS) funnet i begge kjerne- og skall-NAc-neuroner som uttrykker dopamin D₁ reseptor (Pascoli et al., 2012). Thans forandring i evnen til å indusere synaptisk plastisitet refereres til som metaplasticitet. Kokain-indusert metaplasticitet observeres også etter uttak fra kokain selvadministrasjon. Dermed viser rotter som har selvforvaltet kokain etterfulgt av 3 uker med enten utryddelse eller avholdenhet en merket in vivo underskudd i evnen til å utvikle LTP i NAc-kjernen etter stimulering av PFC. Denne observasjonen ble ledsaget av et venstresving i inngangs-utgangskurven som antyder potensiering av fEPSP amplitude (Moussawi et al., 2009). Potensiering av NAc-synapser observeres også i form av økte AMPA-medierte strømmer etter en forlenget periode av avholdenhet etter selvadministrasjon (Conrad et al., 2008). Samlet tyder disse dataene på at synaptisk potensering i NAc utvikler seg enten som en funksjon av varighet av uttak eller som en funksjon av tid siden den første administrasjonen av kokain. En nylig studie støtter sistnevnte tolkning, da tilsvarende økninger i frekvensen av mEPSCs ble observert i D₁ reseptor-uttrykkende MSN i mus til tross for fravær eller nærvær av en langvarig tilbaketrekningsperiode etter gjentatt kokainadministrasjon (Dobi et al., 2011). Derfor ser det ut til at hendelsene som fører til endringene i glutamatergisk overføring i NAc, tar litt tid å utvikle seg.

Bidraget fra spesifikke AMPA-reseptor-underenheter til denne endringen varierer i henhold til tilbaketrekningsstadiet og administreringsmetoden; 10-21-dager i uttak fra både passive og selvadministrerende GluR2-holdige AMPA-reseptorer ser ut til å være ansvarlige for endringer i AMPA-overføring (Boudreau og Wolf, 2005; Boudreau et al., 2007; Kourrich et al., 2007; Ferrario et al., 2010) mens mer enn 21-dager tilsettes GluR2-manglende AMPA-reseptorer til synapser. Sistnevnte funn synes å være tilfelle bare når kokain er selvstyrt (Conrad et al., 2008; McCutcheon et al., 2011), skjønt se (Mameli et al., 2009). På grunn av den økte konduktansen av GluR2-manglende AMPA-reseptorer, kan det være at deres innføring skjer som respons på depresjonen av NAc-synapser forårsaket av selvkjøp av kokain, noe som resulterer i økt MSN-responsivitet til eksitatoriske innganger som utløser kokain-søk i fremtiden. Faktisk hindrer blokkering av GluR2-manglende AMPA-reseptorer i NAc ekspresjonen av inkubert cue-indusert kokainsøkende (Conrad et al., 2008), og kokain-søkende indusert av enten AMPA eller kokain blokkeres også ved injeksjoner av antisense-oligonukleotider av GluR1 mRNA i NAc (Ping et al., 2008).

Narkotikautfordring etter tilbaketrekning utvider synaptisk potensial til depresjon

Økningen i synaptisk styrke og overflateekspresjon av AMPA-reseptor-underenheter indusert av kokain i NAc etter uttak fra ikke-kontingent administrering, reverseres deretter ved administrering av ytterligere kokaininjeksjoner (re-challenge) (Thomas et al., 2001; Boudreau et al., 2007; Kourrich et al., 2007; Ferrario et al., 2010). Dermed blir synaptisk depresjon igjen observert i NAc-skallet når det måles 24 h etter denne kokaininjeksjonen (Thomas et al., 2001), skjønt se (Pascoli et al., 2012). Behavioralt synes dette å korrelere med uttrykket av sensibilisering, og i tilfelle av amfetamin i det minste har det blitt vist seg å være clathrin-mediert og avhengig av GluR2-avhengig endocytose av postsynaptiske AMPA-reseptorer (Brebner et al., 2005). Reduksjonen i overflateekspresjon av AMPA-reseptorer etter kokainutfordring er forbigående som innen 7-dagers overflateekspresjon gjenopprettes til nivåer som er sammenlignbare med uønskede kokain-forbehandlede rotter (Ferrario et al., 2010). Som sådan ser det ut til at historien om kokaineksponering og uttak kan lett endre retningen av synaptisk plastisitet i NAc.

En direkte kobling ble nylig gjort mellom forsterkningen av cortico-accumbal synapses på D₁ reseptor-positive celler etter 7-dagers tilbaketrekking og ekspresjon av sensibilisering. Som nevnt tidligere, etter 7-dagers tilbaketrekning fra en enkelt administrasjon av kokain, er disse synapser funnet å bli forsterket i både kjernen og skallet (målt ved en økning i mEPSC amplitude) og LTP indusert av HFS reduseres. Det samme ble ikke funnet for synapser på D₂ reseptor-positive celler (Pascoli et al., 2012). Når reversert optogenetisk in vivo via en protokoll som er kjent for å indusere LTD, cortico-accumbal synapses på D₁-receptor-positive celler viste reduserte mEPSC'er, og uttrykket av lokomotorisk sensibilisering ble forhindret. Viktig er at HFS evne til å indusere LTP ble gjenopprettet til disse nevronene (Pascoli et al., 2012), og dermed demonstrere en direkte sammenheng mellom denne spesielle synaptiske tilpasningen ved cortico-akkumbal synaps og uttrykk for sensitisering til kokain.

Transkripsjonsfaktorer

Transkripsjonsfaktorer er proteiner som binder til spesifikke DNA-sekvenser for å regulere gentranskripsjon ved å interagere med RNA-polymeras II-komplekset (Mitchell og Tjian, 1989). Transkripsjonsfaktorer kan induseres eller undertrykkes som følge av miljøstimuler, noe som resulterer i endringer i genuttrykk og til slutt neuronal funksjon. En rekke transkripsjonsfaktorer har blitt identifisert for deres potensielle rolle i avhengighet fordi deres uttrykk og aktivering er regulert i mesokortikolimbisk vei ved eksponering for misbruk av rusmidler. ΔFosB er en slik transkripsjonsfaktor som har fått særlig oppmerksomhet på grunn av sin uvanlige stabilitet. ΔFosB er en avkortet spleisvariant av FosB-genet, og den deler homologi med andre Fos-familiemedlemmer, inkludert c-Fos, FosB, Fra1 og Fra2 som alle heterodimeriseres med Jun-familieproteiner (c-Jun, JunB eller JunD) for å danne aktivatorprotein-1 (AP-1) transkripsjonsfaktorer (Morgan og Curran, 1995). Disse andre Fos-familiemedlemmene blir indusert raskt i striatum som respons på akutt administrasjon av psykostimulanter, men på grunn av deres ustabilitet er dette uttrykket forbigående og returnerer til basale nivåer i løpet av timer (Graybiel et al., 1990; Young et al., 1991; Hope et al., 1992). Omvendt akkumuleres ΔFosB i striatumet etter kronisk legemiddeladministrasjon, og uttrykket vedvarer i flere uker etter den siste legemiddeleksponeringen (Hope et al., 1994; Nye et al., 1995; Nye og Nestler, 1996; Pich et al., 1997; Muller og Unterwald, 2005; McDaid et al., 2006). Data fra atferdseksperimenter støtter en rolle for ΔFosB i noen av de varige virkningene som misbrukemiddelene gir. Overuttrykk av ΔFosB i striatumet resulterer i økte lokomotoriske responser til både akutt og kronisk kokain, og øker forsterkningsegenskapene til både kokain og morfin (Kelz et al., 1999; Colby et al., 2003; Zachariou et al., 2006), mens inhibering av ΔFosB gir de motsatte atferdsvirkninger (Peakman et al., 2003). På grunn av sin evne til å øke motivasjonsegenskapene til misbruk av misbruk, har denne transkripsjonsfaktoren blitt foreslått å representere en "molekylær bryter" som letter overgangen til avhengighet (Nestler, 2008).

cAMP-responselementbindende protein (CREB) er en annen transkripsjonsfaktor som har vært i fokus for en betydelig mengde forskning på grunn av sin foreslåtte rolle i narkotikaprodusert plastisitet (McPherson og Lawrence, 2007). CREB uttrykkes ubiquitously i hjernen, og kan aktiveres av en rekke intracellulære signalveier som kulminerer i sin fosforylering ved serin 133 (Mayr og Montminy, 2001). Fosforylert CREB (pCREB) stimulerer rekruttering av CREB-bindende protein (CBP) som letter transkripsjonen av forskjellige nedstrømmener (Arias et al., 1994). pCREB induceres raskt i striatumet ved eksponering for psykostimulerende midler (Konradi et al., 1994; Kano et al., 1995; Walters og Blendy, 2001; Choe et al., 2002) og dette er hypotetisert til å representere en homeostatisk mekanisme som motvirker atferdsresponser mot misbruk (McClung og Nestler, 2003; Dong et al., 2006). I overensstemmelse med dette reduserer overekspresjon av CREB i NAc-skallet de belønningsegenskapene til kokain i et CPP-paradigme, mens motsatt er observert ved inhibering av CREB i denne regionen (Carlezon et al., 1998; Pliakas et al., 2001). På samme måte gir genetisk knockdown eller inhibering av CREB i dorsalstriatum økt følsomhet overfor de locomotoriske aktiverende egenskapene til psykostimulanter, og legger ytterligere støtte til denne hypotesen (Fasano et al., 2009; Madsen et al., 2012).

Mens data fra CPP-eksperimenter støtter ideen om CREB som en negativ modulator av narkotikabelønning, i hvert fall med hensyn til kokain, kan dette være en forenkling. En rekke studier ved hjelp av ulike teknikker for å endre CREB-funksjonen i NAc-skallet har vist at inhibering av CREB reduserer kokainforsterkning i et selvadministrasjonsparadigm (Choi et al., 2006; Green et al., 2010; Larson et al., 2011), mens kokainforsterkning økes ved CREB-overekspresjon i denne regionen (Larson et al., 2011). Disse divergerende funnene skyldes sannsynligvis grunnleggende forskjeller mellom instrumental og Pavlovian condition prosedyrer samt frivillig vs. ufrivillig legemiddeladministrasjon. CPP involverer assosiative læringsprosesser, og antas å være et indirekte mål på de medisinske egenskapene til et medikament i stedet for stoffforsterkning per se (Bardo og Bevins, 2000). Frivillig medisinsk selvadministrasjon kan påvirkes av en rekke emosjonelle faktorer, og CREB-aktivitetens evne til å redusere responsene til anxiogene stimuli (Barrot et al., 2002) og dempe depressiv oppførsel (Pliakas et al., 2001) kunne påvirke tilbøyelighet til selvforvaltende stoff. Interessant, sletting av CREB fra PFC resulterer i redusert motivasjon til selvadministrerende kokain (McPherson et al., 2010), som viser at effekten av CREB-manipulering på oppførsel også varierer for forskjellige hjernegrupper. Dette er kanskje ikke overraskende gitt at CREB transkriptomet varierer markant i henhold til celletypen (Cha-Molstad et al., 2004), og det ville derfor være viktig å identifisere endringene i genuttrykk som forekommer nedstrømmen av CREB som bidrar til disse fenotypene. Kompliserende ting videre er observasjonen at CREB i NAc-skallet er avgjørende for nikotin-CPP (Brunzell et al., 2009), noe som tyder på at mekanismene som ligger til grunn for kondisjonert nikotinbelønning er forskjellig fra de underliggende kokain og morfin, som begge forbedres ved CREB-inhibering i NAc-skallet (Carlezon et al., 1998; Pliakas et al., 2001; Barrot et al., 2002).

Epigenetiske mekanismer

Epigenetikk har en rekke definisjoner, men i nevrovitenskap er det ofte definert som endringer i genuttrykk som oppstår ved modulering av kromatin som ikke er forårsaket av endringer i den underliggende DNA-sekvensen (McQuown og Wood, 2010). Kromatin beskriver tilstanden til DNA når den pakkes inn i cellen. Den grunnleggende gjentakende enheten for kromatin er nukleosomet, som består av 147-basepar av DNA innpakket rundt en oktamer bestående av par av de fire kjernehistonene (H2A, H2B, H3 og H4) (Luger et al., 1997). De aminoterminale haler av disse kjernehistonene kan gjennomgå en rekke posttranslasjonelle modifikasjoner, inkludert acetylering, metylering, fosforylering, ubiquitinering og sumoylering (Berger, 2007). Tilsetningen og fjerning av disse funksjonelle grupper fra histone-haler utføres av et stort antall histon-modifiserende enzymer, inkludert acetyltransferaser, deacetylaser, metyltransferaser, demetylaser og kinaser (Kouzarides, 2007). Disse histon-modifikasjonene tjener til å signalere rekruttering av transkripsjonsfaktorer og andre proteiner involvert i transkripsjonsregulering, og endre kromatinkonformasjon for å gjøre DNA mer eller mindre tilgjengelig for transkripsjonsmaskinen (Strahl and Allis, 2000; Kouzarides, 2007; Taverna et al., 2007). Epigenetiske mekanismer representerer derfor et viktig middel der miljøstimuli kan regulere genuttrykk og sluttadferd.

Nylig har kromatinmodifisering blitt anerkjent som en viktig mekanisme som ligger til grund for narkotikaproduserte endringer i plastisitet og atferd (Renthal og Nestler, 2008; Bredy et al., 2010; McQuown og Wood, 2010; Labyrint og Nestler, 2011; Robison og Nestler, 2011). Det første beviset for dette kom fra eksperimenter av Kumar og kollegaer som brukte chromatinimmunutfelling (ChIP) -assays for å demonstrere at kokain induserer histon-modifikasjoner ved spesifikke genpromotorer i striatumet (Kumar et al., 2005). Spesielt resulterte akutt administrasjon av kokain i H4 hyperacetylering av cFos promotor, mens kronisk administrasjon resulterte i H3 hyperacetylering av BDNF og Cdk5 arrangører. Histonacetylering involverer enzymatisk overføring av en acetylgruppe til en histons basiske N-terminale hale, som nøytraliserer den elektrostatiske interaksjonen mellom histonet og det negativt ladede DNA, noe som gjør det mer tilgjengelig for transkripsjonsapparatet (Loidl, 1994). Dette er i samsvar med evnen til kokain til å øke uttrykket av Fos familietransskripsjonsfaktorer akutt (Graybiel et al., 1990; Young et al., 1991), mens BDNF og Cdk5 kun induseres ved kronisk eksponering (Bibb et al., 2001; Grimm et al., 2003).

En histon hyperacetylert tilstand kan også oppnås eksperimentelt ved administrering av histon-deacetylase-hemmere (HDAC) -hemmere, og disse legemidlene har blitt brukt til å undersøke virkningen av globale økninger i histon-acetylering ved atferdsresponser mot misbruk. Systemisk administrering av HDAC-hemmere øker synergistisk hyperacetyleringen observert som svar på kokain i striatumet (Kumar et al., 2005), og dette forsterker kokain-indusert lokasjon og kokainbelønning (Kumar et al., 2005; Sun et al., 2008; Sanchis-Segura et al., 2009). HDAC-hemming kan også øke lokomotorisk sensibilisering til etanol og morfin, og lette morfin-CPP (Sanchis-Segura et al., 2009). Likevel har HDAC-hemmere også blitt funnet å forhindre utvikling av sensibilisering til en enkelt morfineksponering (Jing et al., 2011), og redusere motivasjonen til å administrere kokain (Romieu et al., 2008). Disse kontrasterende funnene kan gjenspeile forskjeller i administrasjonsprotokoller, og viktigere demonstrerer de at HDAC-hemmere ikke indiskriminativt forsterker atferdsresponser mot narkotika under alle forhold.

På grunn av deres permissive effekt på gentranskripsjon kan HDAC-hemmere også virke for å lette visse typer læring (Bredy et al., 2007; Lattal et al., 2007). Det har nylig vist seg at administrering av en HDAC-hemmere etter re-eksponering for et tidligere kokainparametre kan lette utryddelse av kokaininducert CPP, og dette er trolig knyttet til økt histon H3-acetylering i NAc (Malvaez et al., 2010). Infusjon av HDAC-hemmeren suberoylanilidhydroksaminsyre (SAHA) direkte inn i NAc under kondisjoneringsfasen av CPP øker betinget kokainbelønning (Renthal et al., 2007), hvilket indikerer at HDAC-hemming i denne regionen kan lette både belønningsrelatert læring og utryddelseslæring, avhengig av konteksten der legemidlet administreres. Ytterligere eksperimenter har avslørt en rolle for HDAC5, og endogen HDAC uttrykt høyt i NAc i modulering av kokainbelønning. Kokainadministrasjon øker HDAC5-funksjonen ved å regulere dens fosforylering og påfølgende nukleær import, og dephosphorylering av HDAC5 i NAc hemmer utviklingen av en kokain-CPP (Taniguchi et al., 2012). På samme måte demper overuttrykk av HDAC5 i NAc under kondisjoneringsfasen av CPP kokainbelønning, og denne effekten reverseres ved ekspresjon av en mutant form av HDAC5 i NAc (Renthal et al., 2007). Det er mulig at HDAC5 utøver disse effektene ved å hemme medisin-indusert gentranskripsjon som normalt øker de krevende egenskapene til kokain.

Gjennomsøkende analyser av kromatinmodifikasjoner som forekommer i NAc som et resultat av kokaineksponering, har avslørt en rekke kromatinmodifikasjoner i promotorregioner av gener nedstrømmen av både CREB og ΔFosB (Renthal et al., 2009). Denne analysen viste også oppregulering av to sirtuins, SIRT1 og SIRT2, som er proteiner som besitter HDAC-aktivitet, og kan også deacetylere andre cellulære proteiner (Denu, 2005). Induksjon av SIRT1 og SIRT2 er assosiert med økt H3-acetylering og økt binding av FosB ved deres genpromotorer, noe som tyder på at de er downstream-mål for ΔFosB (Renthal et al., 2009). Oppreguleringen av SIRT1 og SIRT2 antas å ha adferdsrelevans relevans; sirtuins reduserer excitability av NAc MSNs vitro, og farmakologisk inhibering av sirtuiner reduserer kokainbelønning, mens aktiveringen øker lonende responser på kokain (Renthal et al., 2009).

I tillegg til den funksjonelle rollen for HDAC, har genetiske studier også avslørt en rolle for histonacetyltransferaser (HAT) ved å formidle noen av de adferdsresponsene mot misbruk. Kanskje den viktigste mekanismen som CBP er i stand til å forbedre gentranskripsjonen, er via sin egen HAT-aktivitet (Bannister og Kouzarides, 1996), og nyere funn impliserer HAT-aktiviteten til CBP i noen av de epigenetiske forandringene som følger av stoffeksponering. Som svar på akutt kokain rekrutteres CBP til FosB promotor hvor den acetylerer histon H4 og øker ekspresjonen av FosB (Levine et al., 2005). I mus som er haploinsikker for CBP, blir mindre CBP rekruttert til promotoren som resulterer i redusert histon-acetylering og FosB-ekspresjon. Dette tilsvarer også mindre akkumulering av ΔFosB i striatumet, og ikke overraskende utviser disse musene nedsatt sensibilisering som svar på en kokainutfordring (Levine et al., 2005). Nylig, ved hjelp av cre-lox-rekombinationssystemet, undersøkte Malvaez og kollegaer rollen som CBP-aktivitet som ligger spesifikt i NAc på kokaininducert gentranskripsjon og oppførsel (Malvaez et al., 2011). Det ble rapportert at målrettet sletting av CBP i NAc resulterte i redusert histon-acetylering og c-Fos-ekspresjon, og svekket lokomotorisk aktivering som respons på både akutt og kronisk kokain (Malvaez et al. 2011). Kondisjonert kokainbelønning ble også hemmet i disse musene, og ga det første beviset på at CBP-aktivitet i NAc er viktig for dannelsen av medikamentrelaterte minner (Malvaez et al., 2011).

Nylig har eksperimenter fra Kandel-laboratoriet avdekket at epigenetiske mekanismer kan ligge til grunn for nikotins antatte evne til å fungere som et "gatewaymedisin". Mus kronisk forbehandlet med nikotin før kokaineksponering viste forbedret lokomotorisk sensibilisering og kokainbelønning sammenlignet med nikotinnaive mus (Levine et al., 2011). I tillegg resulterte nikotinbehandling i økt kokain-indusert depresjon av LTP i eksitatoriske synapser i NAc-kjerne, en effekt som ikke ble sett alene med nikotin. Analyse av histon-modifikasjoner indusert ved 7-dagers nikotineksponering viste økt H3- og H4-acetylering ved FosB promotor i striatum, en effekt som ikke var så uttalt som svar på 7-dagers kokainadministrasjon. HDAC-aktivitet ble redusert i striatum av nikotinbehandlede mus, men uendret hos mus behandlet med kokain. Bemerkelsesverdig var infusjon av en HDAC-hemmer direkte i NAc i stand til å etterligne effekten av nikotinforbehandling ved å styrke kokainens effekter. Ingen av disse endringene ble observert når mus ble behandlet med kokain før nikotin, noe som bekrefter den tidsmessige spesifisiteten til disse effektene. Dette elegante settet med eksperimenter har gitt en mulig epigenetisk forklaring på hvorfor sigarettrøyking nesten alltid går forut for kokainbruk i den menneskelige befolkningen (Kandel, 1975; Kandel et al., 1992).

I tillegg til histon-acetylering har histonmetylering også nylig blitt anerkjent som en adferdsrelevant kromatinmodifisering indusert av misbrukemidler (Laplant et al., 2010; Maze et al., 2010, 2011). Histonmetylering innebærer enzymatisk tilsetning av en, to eller tre metylgrupper til lysin eller argininrester ved N-terminalen av histone-haler, og er forbundet med enten transkripsjonal aktivering eller undertrykkelse, avhengig av modifikasjonens art (Rice and Allis , 2001). De første studiene for å undersøke histon-metylering indusert av kokain førte til identifisering av to histonmetyltransferaser, G9a og G9a-lignende protein (GLP), som var vedvarende nedregulert i NAc 24 h etter både ikke-betinget kokaineksponering og kokain selv administrasjon (Renthal et al., 2009; Maze et al., 2010). Denne nedreguleringen var knyttet til lignende reduksjoner i histon H3 lysin 9 (H3K9) og 27 (H3K27) metylering. Deretter ble G9a-overekspresjon i NAc demonstrert for å redusere kokaininducert ekspresjon av utvalgte gener, redusere kokainbelønning målt ved CPP, og hemme økningen i dendritisk ryggradsdensitet som normalt observeres som respons på gjentatt kokain (Maze et al., 2010). Det motsatte skjedde da G9a-uttrykk i NAc ble hemmet, noe som resulterte i økt dendritisk ryggradens tetthet og økt kokainbelønning. Det er tegn på at disse kokaininducerte endringer i G9a-ekspresjon og etterfølgende reduksjoner i H3K9 og H3K27 er regulert av FosB (Maze et al., 2010). Samlet sett identifiserte disse forsøkene en viktig rolle for histon-metylering av G9a i noen av de langsiktige atferdsmessige og biokjemiske konsekvensene av gjentatt eksponering for kokain.

Nylig viste trimetylering av histon H3 lysin 9 (H3K9me3) som tidligere ble antatt å være et relativt stabilt heterokromatisk merke, å bli dynamisk regulert i NAc ved akutt og kronisk kokaineksponering (Maze et al. 2011). Gjentatt kokain resulterte i vedvarende reduksjoner i repressiv H3K9me3 binding som ble spesielt beriget i ikke-kodende genomiske regioner (Maze et al., 2011). Disse innledende funnene antyder at gjentatt kokaineksponering kan føre til usilring av visse retrotransponible elementer i NAc-neuroner, og det ville være av stor interesse å fastslå atferdsmessige konsekvenser av disse nye epigenetiske tilpasningene.

På grunn av den avhengige naturen av avhengighet har nyere forskning også undersøkt rollen som DNA-metylering, som er en mer stabil epigenetisk tilpasning sammenlignet med histon-modifikasjon. DNA-metylering innebærer tilsetning av metylgrupper til cysteinbaser i DNA, og det er generelt assosiert med transkripsjonsundertrykkelse (Stolzenberg et al., 2011). Analyse av hjerner hos rotter som mottok passive kokaininjeksjoner over 7-dager, eller at selvadministrert kokain over 13-dager viste nedregulering av DNA-metyltransferasen DNMT3a i NAc 24 h etter den siste kokaineksponeringen (Laplant et al. 2010). Omvendt, etter mer kronisk kokaineksponering (både passiv og selvadministrasjon i 3-uker eller mer) og en 28-dags tilbaketrekningsperiode, dnmt3a mRNA ble funnet å være signifikant forbedret i NAc (Laplant et al., 2010). Inhibering av DNA-metylering / DNMT3a spesifikt i NAc ble senere vist å øke både CPP og lokomotorisk sensibilisering mot kokain, mens motsatt ble observert etter overekspresjon av DNMT3a i denne regionen. Videre forhindret inhibering av DNMT3a i NAc også kokaininducerte økninger i dendritisk ryggradensitet (Laplant et al., 2010). Den atferdsrelaterte relevansen av kokaininducerte forandringer i NAc-ryggradens tetthet er fortsatt ikke godt forstått. Manipulasjoner som hemmer legemiddelinducert ryggradinduksjon har vist seg å redusere kokainens givende egenskaper (Russo et al., 2009; Maze et al., 2010); Andre studier har imidlertid funnet at inhibering av spinogenese forsterker kokainbelønning (Pulipparacharuvil et al., 2008; Laplant et al., 2010). Som kokain ser ut til å indusere en svært kompleks regulering av ulike dendritiske spines i løpet av eksponering og tilbaketrekning (Shen et al., 2009), har det vært antydet at disse forskjellene kan avhenge av typen dendritiske spines som endres (Laplant et al., 2010).

Fra de heri beskrevne eksperimenter er det klart at medikamentinducert regulering av cellens transkripsjonspotensial representerer en nøkkelmekanisme som påvirker atferdsresponser mot narkotika og belønningsrelatert læring. Et viktig neste skritt ville være å identifisere hvilke av disse epigenetiske forandringene som er mest relevante for den menneskelige sykdomstilstanden av avhengighet. Siden kun eksponering for medisiner ikke er tilstrekkelig til å produsere "avhengighet" hos både mennesker og dyr, vil innlemmelsen av modeller som tettere adferdsmessige kjennetegn ved avhengighet, som for eksempel kompulsiv bruk og tilbakefall, være av betydelig verdi.