Neurotrofiske faktorer og strukturell plastisitet i avhengighet (2009)

• Neuropharmacology. 2009; 56 (Suppl 1): 73-82.
• Publisert på nettet 2008 Jul 4. gjør jeg:  10.1016 / j.neuropharm.2008.06.059

Scott J. Russo, Michelle S. Mazei-Robison, Jessica L. Ablesog Eric J. Nestler^*

Forfatterinformasjon ► Opphavsrett og lisensinformasjon ►

Gå til:

Abstrakt

1. Innledning

Et viktig element i narkotikamisbruk er at en person fortsetter å bruke stoff til tross for trusselen om alvorlig negative fysiske eller psykososiale konsekvenser. Selv om det ikke er kjent med sikkerhet hva som driver disse oppførselsmønstrene, har det blitt hypotesert at langsiktige forandringer som skjer i hjernens belønningskretser er viktige (Figur 1). Spesielt antas tilpasninger i dopaminerge nevroner i det ventrale tegmentale området (VTA) og i deres målneuroner i nucleus accumbens (NAc) å endre individets respons på stoff og naturlige fordeler, noe som fører til stofftoleranse, belønningsdysfunksjon, eskalering av stoffinntak, og til slutt tvangsmessig bruk (Everitt et al., 2001; Kalivas og O'Brien, 2008; Koob og Le Moal, 2005; Nestler, 2001; Robinson og Kolb, 2004).

 

Figur 1

Store celletyper i den neurale kretsløpet underliggende avhengighet

Det har vært en stor innsats de siste årene for å bestemme de cellulære og molekylære forandringene som oppstår under overgangen fra første bruk til kompulsiv inntak. Blant mange typer medikamentinducerte tilpasninger er det foreslått at endringer i hjerneavledet nevrotrofisk faktor (BDNF) eller tilhørende nevrotropiner, og deres signalveier, forandrer funksjonen til nevroner innenfor VTA-NAc-kretsen og andre belønningsområder for å modulere Motivasjonen til å ta medikamenter (Bolanos og Nestler, 2004; Pierce og Bari, 2001). En følge av denne hypotesen er at slike vekstfaktorinducerte cellulære og molekylære tilpasninger reflekteres i morfologiske forandringer av belønningsrelaterte nevroner. For eksempel øker kronisk stimulantadministrasjon forgrening av dendritter og antall dendritiske spines og øker dynamisk nivåer av BDNF i flere hjernebelønningsområder, mens kronisk opiatadministrasjon reduserer dendritisk forgrening og spines samt BDNF-nivåer i noen av de samme regioner (for anmeldelse se (Robinson og Kolb, 2004; Thomas et al., 2008). Videre reduserer kronisk morfin størrelsen på VTA dopaminneuroner, en effekt reversert av BDNF (Russo et al., 2007; Sklair-Tavron et al., 1996). Imidlertid mangler direkte, årsaks bevis for at disse strukturelle endringene kjører avhengighet.

Forslaget om at BDNF kan være relatert til strukturell plastisitet av VTA-NAc-kretsen i avhengighetsmodeller, er i samsvar med en stor litteratur som har indusert denne vekstfaktoren i regulering av dendritiske spines. For eksempel viser studier ved bruk av betingede deletjoner av BDNF eller TrkB-reseptoren at de kreves for spredning og modning av dendritiske spines i utviklingen av nevroner, samt vedlikehold og spredning av spines på nevroner gjennom den voksne hjernen (Chakravarthy et al., 2006; Danzer et al., 2008; Horch et al., 1999; Tanaka et al., 2008a; von Bohlen und Halbach et al., 2007).

Selv om de nøyaktige molekylære mekanismer ved hvilke BDNF medierer strukturell plastisitet i hjernens belønningskretser, forblir ukjente, tyder nyere studier på at spesifikke veier nedstrøms for BDNF er modulert av misbruksmedisiner, og at disse neurotrofiske faktoravhengige signalendringer forholder seg til morfologisk og atferdsendende ende -poeng i dyremodeller av narkotikamisbruk. I denne vurderingen diskuterer vi nye fremskritt i vår forståelse av hvordan opiater og stimulanter regulerer neurotrofiske faktorer signalering og de cellulære og atferdsmessige konsekvensene av disse effektene. Vi foreslår også områder for fremtidig undersøkelse for å takle de paradoksalt motsatte virkningene av stimulanter og opiater på nevronmorfologi og visse atferdsfenotyper som er konsistente med avhengighet.

2. Neurotropin signalveier

Avdekke signalveiene som formidler neuronal utvikling og overlevelse har vært et langsiktig mål for nevrovitenskapelig forskning. Imidlertid har nevrotrofisk signalering i det sentrale nervesystemet (CNS) i løpet av det siste tiåret blitt et viktig område av interesse, da nevrotrofisk signalering har vist seg å modulere neural plastisitet og oppførsel gjennom hele organismens liv (for gjennomgang se (Chao, 2003)). Den første nevrotrofiske faktoren identifisert, nervevækstfaktor (NGF), ble isolert i 1954 (Cohen et al., 1954); kloning av genet selv skjedde ikke før 1983 (Scott et al., 1983). Denne oppdagelsen ble fulgt nøye ved rensing og identifisering av ytterligere NGF-lignende vekstfaktorer som definerte en neurotropinfamilie: BDNF (Barde et al., 1982; Leibrock et al., 1989), neurotrofin-3 (NT3) (Hohn et al., 1990; Maisonpierre et al., 1990), og nevrotrofin-4 / 5 (NT4 / 5) (Berkemeier et al., 1991). Neurotropin-familiemedlemmer er paraloger og deler betydelig homologi (Hallbook et al., 2006); alle er polypeptider som homodimeriserer og finnes i både umodne og modne former i CNS. Selv om det lenge har vært antatt at den spaltede 13 kDa modne form var det aktive signalmolekylet, viser nyere studier at de pro (umodne) formene av nevrotrofinene som beholder deres N-terminus, kan påvises i hjernen (Fahnestock et al., 2001) og formidle signaleringskaskader som er forskjellig fra de modne peptidene. Virkningene av NGF i den voksne CNS er i stor grad lokalisert til kolinergiske celler i basal forebrain, mens fordelingen av de andre neurotrofinene er mye mer utbredt.

Ytterligere spesifisitet av nevrotrofin-signalet blir fremstilt gjennom differensial ekspresjon av nevrotropinreceptorer, som kan separeres i to kategorier, tropomyosinrelaterte kinase (Trk) og p75-neurotropin (p75NTR) -receptorer. P75NTR ble først identifisert som en reseptor for NGF (Johnson et al., 1986), men binder faktisk både de umodne og modne former av alle fire nevrotrofiner (Lee et al., 2001; Rodriguez-Tebar et al., 1990; Rodriguez-Tebar et al., 1992). I motsetning til p75NTR viser Trk-familien av reseptorer spesifisitet for dets ligander. TrkA-reseptoren binder fortrinnsvis NGF (Kaplan et al., 1991; Klein et al., 1991), binder TrkB-reseptoren BDNF (Klein et al., 1991) og NT4 / 5 (Berkemeier et al., 1991), og TrkC-reseptoren binder NT3 (Lamballe et al., 1991). Mens de modne nevrotrofinene har økt affinitet for Trk-reseptorer sammenlignet med propeptidene, kan både de umodne og modne former binde p75NTR med høy affinitet. I tillegg har p75NTR vist seg å danne komplekser med Trk-reseptorer, og disse reseptorkompleksene utviser en økt affinitet for de respektive Trk-ligander sammenlignet med homodimerisk Trk.

Trk-reseptorer er enkle transmembran spenner proteiner sammensatt av et ekstracellulært ligandbindende domene og en intracellulær region som inneholder et tyrosinkinase-domene. I likhet med andre reseptortyrosinkinaser homodimeriserer Trk-reseptorene som respons på ligandbinding, noe som muliggjør transfosforylering i aktiveringssløyfen for å øke katalytisk aktivitet av reseptorkinasen. Transfosforylering ved tyrosinrester i juxtamembran-domenet og i C-terminalen genererer bindingssteder for SH2 (Src homologi 2) -type "linker" -proteiner, slik som Src-homologidomeneholdige protein (Shc) og fosfolipase Cγ (PLCγ ), henholdsvis. Shc-binding initierer nedstrøms signaleringskaskader som i siste ende fører til aktiveringen av mitogenaktivert proteinkinase (MAPK) og fosfatidylinositol 3'-kinase (PI3K) -baner. Stimulering av MAPK-banen inkluderer aktivering av ekstracellulær signalregulert kinase (ERK), mens binding av insulinreceptor-substrat (IRS) fører til rekruttering og aktivering av PI3K og til aktivering av nedstrøms kinaser som tymomviralproto-onkogen (Akt) , også kjent som protein kinase B (PKB). Fosforylering og aktivering av PLCy fører til dannelsen av inositol (1,4,5) trifosfat (IP₃) og diacylglyserol (DAG) og til stimulering av proteinkinase C (PKC) og cellulær Ca²⁺ trasé. Disse tre hovedsignalveiene-PI3K, PLCγ og MAPK / ERK-indusert ved Trk-reseptoraktivering er illustrert i Figur 2. Interessant er det tegn på differensial aktivering av disse tre kaskader avhengig av nevrotrofin, reseptortype og signalstyrke og varighet involvert (se (Segal, 2003). Differensialaktiveringen av disse nedstrømsbanene virker spesielt relevant for medikamentinducerte endringer i nevronmorfologi og -adferd, som vil bli beskrevet i senere avsnitt i denne gjennomgangen.

 

Figur 2

Intracellulære signalveier nedstrøms for nevrotrofiner

Sammenlignet med den omfattende kunnskapen om konsekvensene av Trk-reseptoraktivering, er det mye mindre kjent om rollen som p75NTR-signalering i nevrotrofinfunksjonen. Aktivering av Trk-effektorene fører generelt til pro-overlevelse og differensieringssignaler, mens aktiveringen av p75NTR initierer både pro-overlevelse og pro-døds signaleringskaskader. Overlevelsessignalering gjennom p75NTR krever nedstrøms Nuclear Factor kappa B (NFκB) som antas å være aktivert indirekte gjennom TNF (tumor nekrosefaktor) reseptorassosiert faktor 4 / 6 (TRAF4 / 6) eller reseptorinteraksjonsprotein 2 (RIP2) anmeldelse se (Chao, 2003)). Selv om nevrotropin-signalering tillater et komplekst utvalg av signaler som er avhengige av ekspresjonsmønsteret til nevrotropiner og reseptorer og behandling av nevrotropinpeptidene, fokuserer denne gjennomgang på medikamentinducerte endringer i nevrotropin-signalveier nedstrøms for BDNF.

3. Narkotikainducerte forandringer i BDNF i hjernebelønningsregioner

Endringer i nivåer av BDNF protein og mRNA har blitt undersøkt i flere hjerneområder etter administrering av mange klasser av vanedannende stoffer. Stimulantene produserer en utbredt, men forbigående, induksjon av BDNF-protein i NA-prekataleksjonen (PFC), VTA og de sentrale (CeA) og basolaterale (BLA) kjernene i amygdalaen (Graham et al., 2007; Grimm et al., 2003; Le Foll et al., 2005). Både kontingent og ikke-kontingent (dvs. dyr yoked til selvadministrerende dyr) kokainadministrasjon forårsaker forhøyede nivåer av BDNF-protein i NAc (Graham et al., 2007; Liu et al., 2006; Zhang et al., 2002). På samme måte korreleres langvarig uttak av opptil 90 dager etter kokain selvadministrasjon med økt BDNF protein i NAc, VTA og amygdala (Grimm et al., 2003; Pu et al., 2006), og det er tidlig bevis på at epigenetisk regulering ved BDNF genet kan være involvert i å mediere denne vedvarende induksjonen (Kumar et al., 2005).

Selv om færre studier har blitt utført for å undersøke BDNF mRNA og protein nivåer etter eksponering for opiater, ser det ut til at BDNF nivåer er regulert av opiater i visse belønningsrelaterte hjernegrupper. Akutt morfinadministrasjon øker BDNF-mRNA-nivåene i NAc, medial PFC (mPFC), VTA og orbitofrontal cortex. I VTA er kronisk morfin, gitt via subkutane (sc) implantater, rapportert å være ineffektiv ved å endre BDNF mRNA-ekspresjon (Numan et al., 1998). Dette er imidlertid i kontrast til endringer i BDNF-protein observert etter kronisk morfinbehandling. Ved å bruke økende doser intraperitoneal (ip) morfin har det vist seg at antall BDNF immunoreaktive celler i VTA er redusert (Chu et al., 2007), noe som tyder på nedregulering av BDNF-funksjonen. Selv om ingen rapporter har undersøkt BDNF-ekspresjon i hippocampus eller caudate-putamen (CPu) etter administrering av stimulanter eller opiater, er slike studier berettiget, da robuste morfologiske endringer er observert i pyramidale nevroner i hippocampal CA3-regionen og mellomstore, nervøse nevroner (MSNs) av CPu under disse forholdene ((Robinson og Kolb, 2004); se Tabell 1).

 

Tabell 1

Narkotika-induserte morfologiske endringer

4. Legemiddelinducerte endringer i BDNF-signalveier i hjernebelønningsområder

Flere proteiner i nevrotropin-signalkaskader har vist seg å være regulert i mesolimbic dopamin-systemet med opiater og stimulanter; disse inkluderer medisinskeffekter på IRS-PI3K-Akt, PLCγ, Ras-ERK og NFκB-signalering (Figur 3). Stimulanter øker ERK-fosforyleringen dramatisk i flere hjerneområder, inkludert NAc, VTA og PFC, etter akutt eller kronisk legemiddeladministrasjon (Jenab et al., 2005; Shi og McGinty, 2006, 2007; Sun et al., 2007; Valjent et al., 2004; Valjent et al., 2005). Disse funnene er konsistente med stimulant-induserte økninger i nevronforgrening og ryggradenummer, gitt Ras-ERKs etablerte rolle i neurittutvæksten. Effektene av opiater på ERK-signalering er mindre klare. Nylig har det blitt rapportert at ERK fosforylering er redusert i NAc (Muller og Unterwald, 2004), PFC (Ferrer-Alcon et al., 2004) og VTA (upubliserte observasjoner) etter kronisk morfin, en effekt som er i samsvar med redusert neurittforgrening sett i disse regionene i morfin-avhengige dyr. Tidligere arbeid fra vår gruppe og andre rapporterte imidlertid økt ERK-aktivitet, inkludert økt ERK-fosforylering og katalytisk aktivitet, i VTA etter kronisk morfin (Berhow et al., 1996b; Liu et al., 2007; Ortiz et al., 1995). Videre studier er nødvendig for å bestemme forklaringen for disse uoverensstemmende funnene. Videre er det viktig å bruke flere tilnærminger til å måle proteinaktivitet slik at biokjemiske hendelser kan korreleres med morfologiske og atferdsmessige endepunkter. For eksempel påvirker inhibering av ERK i VTA dopaminneuroner ikke cellestørrelsen (Russo et al., 2007), slik at fremtidige studier kreves for å adressere den funksjonelle relevansen av narkotikaproduserte endringer i ERK-aktivitet i dette og andre hjernegrupper som de relaterer til vanedannende fenotyper.

 

Figur 3

Tilpasninger i BDNF-signaleringskaskader assosiert med opiat og stimulerende-indusert strukturell plastisitet i VTA-NAc-kretsen

Flere nyere rapporter har vist at IRS-PI3K-Akt-signalering er påvirket av misbruk (Brami-Cherrier et al., 2002; McGinty et al., 2008; Muller og Unterwald, 2004; Russo et al., 2007; Shi og McGinty, 2007; Wei et al., 2007; Williams et al., 2007). Kronisk opiatadministrasjon reduserer Akt fosforylering i både NAc og VTA (Muller og Unterwald, 2004; Russo et al., 2007). Disse biokjemiske endringene korresponderer med redusert nevronforgrening og dendritisk ryggradensitet eller, når det gjelder VTA dopaminneuroner, redusert cellekroppsstørrelse (Diana et al., 2006; Robinson et al., 2002; Robinson og Kolb, 1999b; Russo et al., 2007; Spiga et al., 2005; Spiga et al., 2003)

Virkningen av stimulanter på IRS-PI3K-Akt-signalering i disse områdene er mindre klar. For eksempel øker kronisk kokain PI3K-aktivitet i NAc-skallet og reduserer aktiviteten i NAc-kjernen (Zhang et al., 2006). Disse data er i tråd med en tidligere rapport som viser at kronisk kokain selektivt økte BDNF mRNA-nivåene i NAc-skallet og redusert TrKB-reseptor-mRNA i NAc-kjernen (Filip et al., 2006). Dermed kan skall- og kjerneforskjeller i PI3K-aktiviteten forklares ved differensial oppstrømsregulering av BDNF og TrKB av kokain. Interessant, når en mer generell disseksjon av striatum er brukt (inkludert NAc og CPu), har det vist seg at amfetamin reduserer Akt aktivitet i synaptosompreparater (Wei et al., 2007; Williams et al., 2007), og vi har observert lignende effekter av kronisk kokain i NAc uten å skille mellom kjernen og skallet (Pulipparacharuvil et al., 2008). I tillegg er disse studiene komplisert av tidsforløpet som brukes til å studere Akt-signaleringsendringer, ettersom nylig arbeid fra McGinty og kollegaer antyder at kronisk amfetamin forårsaker en forbigående og nukleinspecifik endring i Akt fosforylering i striatum (McGinty et al., 2008). Ved tidlige tidspunkter etter amfetaminadministrasjon er det en nukleospesifikk økning i Akt fosforylering, men etter to timer er Akt fosforylering redusert, noe som tyder på en kompensasjonsmekanisme for å slå av denne aktiviteten. Forståelse av det dynamiske forholdet mellom stimulanter og Akt-signalering vil være viktig for å avgjøre om denne signalveien kjører stimulerende inducerte strukturelle plastisitet i NAc, slik det er tilfelle for opiater i VTA (se avsnitt 6).

Endringer i PLCy og NFκB signalveier i narkotikamisbruk er ikke like studert som ERK og Akt; Det siste arbeidet viser imidlertid at begge veiene reguleres av misbruk. Kronisk administrasjon av morfin øker totale nivåer av PLCγ-protein så vel som nivåer av dets aktiverte tyrosinfosforylerte form (Wolf et al., 2007; Wolf et al., 1999). Videre ble virusmediert PLCγ-overekspresjon i VTA funnet å øke ERK-aktivitet i denne hjerneområdet (Wolf et al., 2007), og etterlikner tilsvarende en økning i ERK-aktivitet sett etter kronisk morfin i tidligere studier (Berhow et al., 1996b). PLCγ overekspresjon i VTA regulerer også opiatbelønning og relatert følelsesmessig atferd, med forskjellige virkninger sett i rostral vs caudal VTA (Bolanos et al., 2003). På samme måte, Graham og kolleger (Graham et al., 2007) observert økt fosforylering av PLCy i NAc etter akutt, kronisk yoked og kronisk selvadministrasjon kokain, en effekt som var avhengig av BDNF.

En tidligere studie fra vår gruppe viste at NFκB-underenhetene p105, p65 og IκB økes i NAc som svar på kronisk kokainadministrasjon (Ang et al., 2001). Dette stemmer overens med funn fra kadet og kollegaer (Asanuma og Cadet, 1998), som viste at metamfetamin induserer NFκB-bindingsaktivitet i striatale regioner. Gitt at noen av de medikamentregulerte NFκB-proteiner aktiverer NFκB-signalering, mens andre hemmer det, var det uklart fra disse opprinnelige undersøkelsene om de observerte proteinendringene reflekterer en generell økning eller reduksjon i NFκB-signalering. Vi har nylig løst dette spørsmålet ved å vise at kronisk kokainadministrasjon oppregulerer NFκB transkripsjonsaktivitet i NAc, basert på funn i transgena reportermus (Russo, Soc. Neurosci, Abstr. 611.5, 2007). Nyere bevis har direkte implisert induksjon av NFκB-signalering i NAc i konstruktions- og adferdseffekter av kokain (se avsnitt 6). Disse tidlige funnene er spennende og garanterer videre leting, inkludert en undersøkelse av effekten av opiater på NFκB-signalering i hjernekompensasjonsregioner.

5. Narkotika-indusert strukturell plastisitet i hjernebelønningsområder

Hjernens belønningskrets har utviklet seg til å lede sine ressurser for å oppnå naturlig belønning, men dette systemet kan bli ødelagt eller kapret av misbruk. Innenfor denne kretsen er strukturell plastisitet generelt preget av endret dendritforgrening eller arborisering og ved endringer i tetthet eller morfometri for dendritiske spines. Selv om den direkte adferdsrelevante relevansen av erfaringsavhengige morfologiske forandringer fortsatt er undersøkt, antas det at synaptisk funksjon ikke bare bestemmes av tallet, men også størrelsen og formen til hvert enkelt ryggradshod. Som spines former, sender de ut tynne umodne strukturer som tar på enten stubby, multisynaptisk, filopodial eller forgrenet former (for gjennomgang se (Bourne og Harris, 2007; Tada og Sheng, 2006). I den voksne hjernen, under basale forhold, anslås det at minst 10% av ryggradene har disse umodne figurene som tyder på at plastisitet er en kontinuerlig prosess gjennom livet (Fiala et al., 2002; Harris, 1999; Harris et al., 1992; Peters og Kaiserman-Abramof, 1970). Disse strukturene er forbigående og kan danne innen timer etter stimulering og vedvarer så lenge som noen få dager in vivo (Holtmaat et al., 2005; Majewska et al., 2006; Zuo et al., 2005).

Det antas at stabilisering av en forbigående, umoden ryggrad i en mer permanent funksjonell ryggraden oppstår gjennom en aktivitetsavhengig mekanisme (for gjennomgang se (Tada og Sheng, 2006). Stimuleringsprotokoller som induserer langvarig depresjon (LTD) er assosiert med krymping eller tilbaketrekking av ryggrader på hippokampale og kortikale pyramidale nevroner (Nagerl et al., 2004; Okamoto et al., 2004; Zhou et al., 2004), mens induksjon av langvarig potensiering (LTP) er assosiert med dannelsen av nye spines og utvidelse av eksisterende spines (Matsuzaki et al., 2004; Nagerl et al., 2004; Okamoto et al., 2004). På molekylært nivå antas det at LTP og LTD initierer endringer i signalveier, og i syntese og lokalisering av proteiner, som til slutt endrer polymerisasjonen av actin for å påvirke ryggradsmetning og stabilitet og til slutt å produsere en funksjonell ryggrad (LTP) eller tilbaketrekking av en eksisterende ryggrad (LTD) (for gjennomgang se (Bourne og Harris, 2007; Tada og Sheng, 2006). Ved stabilisering blir spines svampformet, har større postsynaptiske tetthet (Harris et al., 1992), og har vist seg å fortsette i flere måneder (Holtmaat et al., 2005; Zuo et al., 2005). Disse endringene gjenspeiler en svært stabil cellulær hendelse som kan være en plausibel forklaring på minst noen av de langsiktige atferdsendringene som er forbundet med narkotikamisbruk.

De fleste klasser av vanedannende stoffer, når de administreres kronisk, endrer strukturell plastisitet gjennom hjernens belønningskretser. De fleste av disse studiene er korrelative og forbinder strukturelle endringer i bestemte hjerneområder med en atferdsfenotype som indikerer avhengighet. I løpet av det siste tiåret har Robinson og kolleger ført veien til å forstå hvordan narkotika av misbruk regulerer strukturell plastisitet (for gjennomgang se (Robinson og Kolb, 2004). Siden disse opprinnelige observasjonene har andre rusmiddelforskere lagt til denne voksende litteraturen for å avdekke stoffklassespesifikke effekter på nevronmorfologi. Som avbildet i Tabell 1 og Figur 3, opiater og stimulanter påvirker differensielt strukturell plastisitet. Opiater har vist seg å redusere antallet og kompleksiteten til dendritiske spines på NAc MSNs og mPFC og hippocampuspyramidale nevroner, og for å redusere den totale soma-størrelsen på VTA dopaminerge nevroner, uten effekt på ikke-dopaminerge nevroner i denne hjerneområdet (Nestler, 1992; Robinson og Kolb, 2004; Russo et al., 2007; Sklair-Tavron et al., 1996). Til nå er det et enkelt unntak fra disse funnene, hvor det ble rapportert at morfin øker ryggraden på orbitofrontale kortikale nevroner (Robinson et al., 2002). I motsetning til opiater har stimulanter som amfetamin og kokain vist seg å øke dendritiske spines og kompleksitet i NAc MSNs, DTA-dopaminerge neuroner og PFC-pyramidale nevroner, uten rapporter om nedsatt strukturell plastisitetLee et al., 2006; Norrholm et al., 2003; Robinson et al., 2001; Robinson og Kolb, 1997, 1999a; Sarti et al., 2007).

Selv om de molekylære mekanismene nedstrøms for nevrotrofisk signalering som ligger til grund for disse forandringene, er dårlig forstått, blir mange av disse strukturelle endringer ledsaget av endringer i nivåer eller aktivitet av proteiner som er velkjent for å regulere det neuronale cytoskelet. Disse inkluderer, men er ikke begrenset til, medikamentinducerte forandringer i mikrotubulær assosiert protein 2 (MAP2), nevrofilamentproteiner, aktivitetsregulert cytoskeletalt assosiert protein (Arc), LIM-kinase (LIMK), myocytforsterkerfaktor 2 (MEF2) , cyklinavhengig kinase s5 (Cdk5), postsynaptisk tetthet 95 (PSD95) og cofilin, samt endringer i aktinsyklusering i NAc eller andre hjernebelønningsregioner (Beitner-Johnson et al., 1992; Bibb et al., 2001; Chase et al., 2007; Marie-Claire et al., 2004; Pulipparacharuvil et al., 2008; Toda et al., 2006; Yao et al., 2004; Ziolkowska et al., 2005). Siden mange av de biokjemiske forandringene indusert av stimulanter og morfin er like, vil det være viktig å identifisere forskjellige opiat- og stimulantregulerte genmål relatert til dendritisk funksjon, da de kan gi innsikt i de generelt motsatte virkningene av opiat og stimulanter på nevrotrofe faktoravhengig strukturell plastisitet.

De motsatte morfologiske forandringene indusert i hjernebelønningsregioner av opiater og stimulanter er paradoksale siden de to stoffene forårsaker svært likartede atferdsfenotyper. For eksempel gir spesifikke behandlingsregimer for opiater og stimulanter, som begge resulterer i lokomotorisk sensibilisering og lignende mønstre av eskalering av selvadministrasjon av medikament, motsatte endringer i dendritisk ryggradens tetthet i NAc (Robinson og Kolb, 2004). Hvis disse morfologiske forandringene er viktige mediatorer av avhengighet, må de enten ha toveisegenskaper, hvorved en endring fra baseline i begge retninger gir den samme oppførselsfenotypen, eller de formidler forskjellige adferds- eller andre fenotyper som ikke er fanget med de eksperimentelle verktøyene som brukes . I tillegg må disse funnene vurderes i sammenheng med legemiddeladministrasjonsparadigmet i spørsmålet. I våre studier, for eksempel, dyr får høye doser av subkutan morfin, kontinuerlig frigjort fra pelletimplantater, et paradigme som er mer konsistent med opiattoleranse og avhengighet. I motsetning til de fleste stimulerende paradigmer bruker en gang til flere ganger daglig injeksjoner av legemidlet, slik at blodnivåene kan toppe og gå tilbake til baseline før neste administrasjon, paradigmer som er mer konsistente med narkotika sensibilisering. Mønstre av opiat og stimulant bruk av mennesker kan variere mye fra person til person. Derfor vil fremtidige studier må adressere den adferdsrelaterte relevansen av narkotikaproduserte morfologiske forandringer i hjernebelønningsregioner i sammenheng med doserings- og legemiddeladministrasjonsparadigmer som speiler eksponeringer sett hos mennesker.

6. Rollen av BDNF og dens signalkaskader i medikamentfremkalt strukturell og atferdsplastikk

Endringer i vekstfaktor signalering er hypotetisert til å være en viktig faktor som påvirker strukturell og atferdsplastikk forbundet med narkotikamisbruk. Menneskelige studier er begrenset. Narkotikainducerte endringer i serum BDNF er observert hos mennesker som er avhengige av kokain, amfetamin, alkohol eller opiater (Angelucci et al., 2007; Janak et al., 2006; Kim et al., 2005), men kilden til denne BDNF, og relevansen av disse endringene til oppstart og vedlikehold av avhengighet, har vært uklart. Det ville være interessant i fremtidige studier for å undersøke BDNF og dets signalveier i menneskelig postmortem hjernevev.

I løpet av det siste tiåret har arbeid i gnagere etablert BDNFs innflytelse på ulike faser av avhengighetsprosessen. Tidlige studier viste at lokal infusjon av BDNF til VTA eller NAc øker lokomotoriske og givende svar på kokain, mens globalt tap av BDNF utøver motsatte effekter (Hall et al., 2003; Horger et al., 1999; Lu et al., 2004). Nyere arbeid har vist at kokain selvadministrasjon øker BDNF-signalering i NAc (Graham et al., 2007). I tillegg forsterker en intra-NAc-infusjon av BDNF kokain selvadministrasjon og kokain-søker og tilbakefall, mens infusjon av antistoffer mot BDNF, eller lokal knockout av BDNF gen i NAc (oppnådd via viral ekspresjon av Cre recominase i floxed BDNF-mus) blokkerer disse atferdene. Basert på disse studiene, Graham og kolleger (2007) konkluderte med at BDNF utgivelse i NAc under initiering av kokain selvadministrasjon er en nødvendig del av avhengighetsprosessen.

Disse dataene støtter visningen om at BDNF er et kandidatmolekyl for å formidle de strukturelle endringene i NAc-neuroner produsert ved kronisk eksponering for kokain eller andre stimulanser. I henhold til denne hypotesen vil stimulant-induserte økninger i BDNF-signalering i NAc fremkalle en økning i dendritisk arborisering av NAc-neuroner, som vil legge til grunn sensibiliserte atferdsresponser mot stimulansene, samt sterke narkotikarelaterte minner avgjørende for tilbakefall og avhengighet. Konsistent med denne hypotesen er funn fra dyrkede hippokampale nevroner, der det har vist seg at BDNF-sekresjon induserer proteinsynteseavhengig utvidelse av individuelle dendritiske spines (Tanaka et al., 2008b). Svakheten i denne hypotesen er at det ikke har vært noen direkte eksperimentelle bevis for at forbedring av dendritiske spines av NAc-neuroner per se er nødvendig eller tilstrekkelig for sensibiliserte legemiddelresponser. Faktisk er det data som tyder på et mer komplekst forhold mellom de to fenomenene: Inhibering av Cdk5 i NAc blokkerer kokainens evne til å øke dendritiske spines på NAc-neuroner, til tross for at slik inhibering forsterker lokomotoriske og givende svar på kokain (Norrholm et al., 2003; Taylor et al., 2007). Det er tydeligvis nødvendig med videre arbeid for å studere forholdet mellom denne strukturelle og atferdsplastisiteten.

En annen viktig motsetning til denne hypotesen er at endringer i BDNF-signalering kan gi dypt forskjellige effekter på nevronmorfologi og oppførsel, avhengig av hjernen som undersøkes. Nylige rapporter har trukket tydelige forskjeller mellom BDNF-funksjonen i hippocampus versus VTA (Berton et al., 2006; Eisch et al., 2003; Krishnan et al., 2007; Shirayama et al., 2002): BDNF-infusjoner i hippocampus er antidepressive-lignende, mens infusjoner av BDNF i VTA eller NAc produserer prodepressantlignende effekter. Lignende mønstre kommer fram i avhengighetsfeltet. Spesielt øker økt BDNF i NAc kokain-indusert adferd (Graham et al., 2007; Horger et al., 1999), mens i PFC BDNF undertrykker de samme oppføringene (Berglind et al., 2007). Ikke overraskende er induksjonen av BDNF av kokain også differensielt regulert i disse to hjernegruppene, et mønster som videre underbygger atferdsforskjellene (Fumagalli et al., 2007).

Foreløpig bevis har medført NFKB-signalering i reguleringen av kokaininducerte strukturelle og adferdsmessige plastisitet. Selv om den direkte mekanismen som disse endringene forekommer ukjent, har tidligere arbeid vist at p75NTR, som er oppstrøms for NFκB, er lokalisert ved synaps, og at p75NTR-aktivering av BDNF er nødvendig for LTD. Selv om BDNF-TrkB-interaksjoner har blitt grundig studert i narkotikamisbruk, foreslår disse dataene en alternativ vei gjennom NFκB som garanterer videre undersøkelse. I tråd med denne hypotesen har vi nylig observert at viral-mediert overekspresjon av en dominerende negativ antagonist av NFκB-banen i NAc forhindrer muligheten for kronisk kokain til å øke tetthetene av dendritiske spines på NAc MSNs. En slik inhibering av NFκB-signalering blunter også sensibilisering til de givende effektene av kokain (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007). Disse dataene, i motsetning til situasjonen for Cdk5 nevnt ovenfor, støtter en sammenheng mellom økt dendritisk arborisering og atferdsfølsomhet til kokain, og understreker kompleksiteten av disse fenomenene og behovet for videre studier.

Selv om begrenset arbeid har adressert relevansen av nevrotrofisk signalering i opiat-indusert oppførsel, har arbeid fra laboratoriet avdekket en rolle for BDNF og den nedstrøms IRS2-PI3K-Akt-banen i reguleringen av VTA dopaminergisk cellestørrelse og påfølgende belønningstoleranse (Russo et al., 2007; Sklair-Tavron et al., 1996). Spesielt gir kronisk opiatadministrasjon hos gnagere en tilstand av belønningstoleranse og fysisk avhengighet under relativt tidlige uttakstidspunkter som antas å bidra til en økning av narkotikaadferd. Tidlige eksperimenter fant at intra-VTA infusjon av BDNF forhindrer den morfininducerte reduksjonen i VTA-neuronstørrelsen (Sklair-Tavron et al., 1996). Mer nylig har vi vist at tidslinjen for belønningstolerans, målt ved betinget stedpreferanse, paralleller tidslinjen for redusert dopaminerge cellestørrelser, og at disse fenomenene medieres via BDNF-signaleringskaskader (Russo et al., 2007). Som nevnt tidligere reguleres de biokjemiske signalveiene i VTA som er nedstrøms for BDNF og TrKB-reseptoren differensielt av kronisk morfin: morfin aktiverer PLCy (Wolf et al., 2007; Wolf et al., 1999), reduserer aktiviteten til IRS-PI3K-Akt-banen (Russo et al., 2007; Wolf et al., 1999), og produserer variable effekter på ERK (se ovenfor). I lys av nyere bevis på at Akt regulerer størrelsen på mange celletyper i sentralnervesystemet (Backman et al., 2001; Kwon et al., 2006; Kwon et al., 2001; Scheidenhelm et al., 2005), benyttet vi virusgenoverføringsteknikker for å direkte vise at morfin produserer belønningstoleranse gjennom inhibering av IRS2-PI3K-Akt-banen og redusert størrelse av VTA dopaminneuroner. Disse effektene ble ikke observert ved å endre ERK- eller PLCγ-signalering, og pekte igjen på betydningen av IRS-PI3K-Akt-signalering for dette fenomenet. Fremtidige studier vil adressere relevansen av BDNF og IRS-PI3K-Akt-veier i eskalering av opiat selvadministrasjon, et mer klinisk relevant paradigme for å måle avhengighet. En større forståelse av oppstrømsendringer i nevrotrofiske faktorer eller deres reseptorer og nedstrøms mål for Akt vil adressere de spesifikke mekanismer for opiatbelønningstoleranse i avhengighetsmodeller. Videre vil det være viktig å forstå rollen som BDNF-signalering i reguleringen av VTA-funksjonen i en neural krets-kontekst. I denne forbindelse er det interessant å merke seg det Pu et al. (2006) viste at etter tilbaketrekking fra gjentatt kokain-eksponering, er eksitatoriske synapser på dopaminneuroner i VTA mer responsive mot potensiering ved svake presynaptiske stimuli, en effekt som krever endogen BDNF-TrkB-signalering.

7. Rolle av andre nevrotrofiske faktorer i legemiddelfremkalt strukturell og adferdsmessig plastisitet

Mens den ovennevnte diskusjonen fokuserer på BDNF og dens signalkaskader, er det tegn på at flere andre nevrotrofiske faktorer og deres nedstrøms signalveier også påvirker adferdsmessige eller biokjemiske responser på misbrukemiddel. NT3, som BDNF, har vist seg å fremme sensitiv respons på kokain på nivået av VTA (Pierce og Bari, 2001; Pierce et al., 1999). Kronisk administrasjon av morfin eller kokain oppregulerer glialcellelinjeavledet nevrotrofisk faktor (GDNF) signalering i VTA-NAc kretsen, som i sin tur strømmer tilbake og undertrykker adferdseffekter av disse stoffene av misbruk (Messer et al., 2000). Amfetamin inducerer grunnleggende fibroblastvekstfaktor (bFGF) i VTA-NAc-kretsen, og bFGF-knockout-mus har et stump respons på lokomotorisk sensibilisering indusert av gjentatte amfetamininjeksjoner (Flores et al., 2000; Flores og Stewart, 2000). Cytokin, ciliær nevrotrofisk faktor (CNTF), administrert direkte inn i VTA, forbedrer kokainenes evne til å indusere biokjemiske tilpasninger i denne hjerneområdet; kokain øker intracellulære signaleringskaskader gjennom Janus kinase (JAK) og signaltransduktorer og aktivatorer for transkripsjon (STAT), en effekt som ble forsterket ved en akutt infusjon av CNTF (Berhow et al., 1996a). Det er også tegn på at kronisk morfin endrer nivåer av insulinliknande vekstfaktor 1 (IGF1) i VTA og andre hjernegrupper (Beitner-Johnson et al., 1992). Disse isolerte funnene indikerer at et mangfoldig utvalg av nevrotrofe mekanismer styrer VTA-NAc-funksjonen for å regulere plastisitet til misbrukmisbruk på komplekse måter og markere behovet for mye fremtidig forskning på dette området.

8. konklusjoner

I løpet av det siste tiåret har vi utvidet vår forståelse av hvordan narkotika av misbruk regulerer nevrotrofe signalveier og morfologien til ulike neuronalbefolkninger gjennom hele hjernens belønningskrets. Nylige fremskritt i virusgenoverføring tillater manipulering av bestemte nedstrøms nevrotrofe signalproteiner innenfor en gitt hjernegruppe av interesse for fullt utviklede voksne dyr for å studere forholdet mellom narkotikamisbruk, neuronal morfologi og adferdsmessig plastisitet. Med nye bicistroniske virusvektorer er det mulig å uttrykke et protein som manipulerer nevrotrofe signalveier, så vel som et fluorescerende protein for å visualisere neuronal morfologi (Clark et al., 2002). Med forbedrede immunhistokemiske teknikker for å markere spesifikke neuronpopulasjoner er det således mulig å vurdere medikamentinducerte morfologiske forandringer og tilhørende biokjemiske tilpasninger i nevrotrofisk signalering på en celletypespesifikk måte, og gir derfor viktig informasjon for legemiddelinducert regulering av heterogen hjerne belønne regioner. Ved å bruke tverrfaglige tilnærminger med atferdsmessige, fysiologiske, biokjemiske og morfologiske endepunkter, vil det i økende grad bli mulig å definere avhengighetsmekanismer med langt større presisjon, inkludert den nøyaktige rolle nevrotrofiske signaler i erfaringsavhengig plastisitet og avhengighetsprosessen. Denne kunnskapen kan føre til utvikling av nye medisinske inngrep for å normalisere maladaptiv plastisitet indusert av misbruksmidler i hjernekompensasjonsregioner og dermed reversere avhengighetsprosessen hos mennesker.

Fotnoter

Referanser