Den kliniske relevansen av neuroplasticitet i kortikostriatale nettverk under operant læring (2013)

Gå til:

Abstrakt

Operant læring er en av de mest elementære former for atferdsmessig tilpasning (Rescorla, 1994). Gjennom utveksling med sitt miljø kan et dyr lære om konsekvensene av sine handlinger og dermed endre det nåværende miljøet gjennom ny oppførsel for å produsere gunstigere forhold (Skinner, 1953). Den resulterende endringen i atferd er dramatisk og langvarig. Noen lærde har hevdet at operant læring er grunnlaget for "kunnskap" (Schnaitter, 1987), kan ligge under "kreativitet" (Pryor et al., 1969), er grunnlaget for beslutningsprosessen, og bidrar til den uhåndterlige naturen av narkotikamisbruk. Ettersom organismenes adferd er endret ved responsutfallssituasjoner, aktiveres fysiologiske mekanismer som sikrer at disse endringene blir nesten permanente; de er "stemplet inn", som Thorndike hypoteser (Thorndike, 1911). Selv Skinner antydet at tilbakemeldingsforholdene forandrer oss: "Menn handler om verden, og forandrer den og er endret i sin tur av konsekvensene av deres handling. "(Skinner, 1957, s. 1).

I lys av allestedsnærværende operative atferdsrelasjoner i våre psykologiske liv har nevrobiologien til operant læring (dvs. den første anskaffelsen av en operantrespons) fått overraskende liten oppmerksomhet sammenlignet med andre grunnleggende læringsprosesser som romlig læring (f.eks. Morris Water Maze) eller pavlovsk fryktkondisjonering. Likevel antas operatørrelasjoner å være på jobb nesten hvert øyeblikk i våre liv og i mange fremtredende nevropsykiatriske forhold: narkotikamisbruk, autisme og annen alvorlig problematferd. I denne gjennomgangen trekker vi frem de siste to tiårene av Ann Kelleys forskerkarriere, da hun forfulgte en større forståelse av nevrobiologien til operant læring med håp om at de molekylære, cellulære og genomiske bestanddelene av operant læring, instantiert i distribuerte nettverk, informere bedre behandlingsalternativer.

Kostbare atferds-helseproblemer og operant oppførsel

Narkotikamisbruk er et av de mest skadelige, tilbakevendende og kostbare atferdsmessige helseproblemene i USA, og faktisk verden. Misbruk av narkotika i dette landet alene koster en anslått $ 484 milliarder årlig i helseproblemer, ulykker, tapt arbeid og forsikringspremier (Policy, 2001). Det er også estimert at 540,000 mennesker dør hvert år fra narkotikarelaterte sykdommer. Disse estimatene inkluderer ikke de ikke-monetære eller indirekte psykososiale kostnadene foreldrene betaler¹, ektefeller, søsken, venner og vårt samfunn generelt. Det er ganske sannsynlig at enhver borger i denne nasjonen har blitt negativt påvirket av narkotikamisbruk og avhengighet på en eller annen måte (for eksempel som offer for kriminell oppførsel, en bilulykke eller gjennom et familiemedlems handlinger). Narkotikamisbruk er i økende grad observert når det gjelder fundamentale endringer i kognisjoner og atferd, med vekt på å forholde seg til den kompulsive karakteren av avhengighet til patologiske endringer i beslutnings- og følelses-kodende nettverk (Everitt et al., 2001). Dermed kan en bedre forståelse av operant læringssystemer forbedre vår forståelse av den nevrale årsaken til avhengighet.

I følge Centers for Disease Control (CDC) har 1 i 88-barn blitt identifisert som autisme (Kontroll, 2012). Autismespektrumforstyrrelser (ASD) påvirker individer fra alle etniske bakgrunner og sosioøkonomiske nivåer. ASD kan vise seg å være svært svekkende og sannsynligvis kreve livslang pleie til store utgifter for samfunnet (> $ 3,000,000 per person) (Ganz, 2007). Mer nylig har anvendt adferdsanalyse (ABA) og visse derivater (for eksempel Denver Start Model), som vektlegger dynamisk og fleksibel akademisk, sosial og kommunikativ oppførsel, vist at utrolige gevinster er mulige ved tidlig intensiv behandling (Sallows og Graupner, 2005, Dawson et al., 2010, Warren et al., 2011). Disse modellene har vært så vellykkede at mange barn diagnostisert med ASDs senere blir betegnet som "skilleverdige" fra sine jevnaldrende. Noen anslår at 40-50% av barn som er diagnostisert med autisme, er fullstendig gjenopprettelige (McEachin et al., 1993). I tillegg har den overveldende suksessen med ABA-terapi i behandling av autisme ført til den generelle ideen om at den er synonymt med autisme terapi (Dillenburger og Keenan, 2009), mye til displeasure av utøvere, for å nevne noen, av organisasjonsadferdsstyring (OBM), klinisk atferdsanalyse og dyreopplæring; yrker som bruker atferdsanalyse anvendt på situasjoner ikke involverer autisme. Av interesse her er det faktum at de fleste ABA-prinsipper er basert på moderne operantteori og den eksperimentelle analysen av atferd: evaluere mulige etableringsoperasjoner, identifisere konsekvensfunksjonene for upassende oppførsel, styrke god oppførsel, straffe uønsket oppførsel og vurdere disse relasjonene i en større sosioøkonomisk kontekst (f.eks. atferdsøkonomi). Baer, ​​Wolf og Risley (1968) legger ut et klart forhold mellom operantteori og ABAs konseptuelle systemer, selv om en fullstendig gjennomgang av dette papiret er utenfor oppfatningen av denne nåværende vurderingen. På grunn av at ASIs etiologi stort sett betraktes som nevrogenetisk, og i lys av den fremtredende rollen som operant atferd spiller i læring og terapi overfor ASD, kan en større forståelse av neurobiologien av operant oppførsel hjelpe våre overveier av ASDer.

Begrepet "alvorlig problemadferd" omfatter et bredt spekter av problemer fra skole mobbing til ekstrem selvskade. Alvorlig problemadferd kan vises av typisk utviklende barn, men er mer utbredt hos barn med utviklings- og / eller intellektuelle funksjonshemminger. Alvorlige problematferd skaper store sosiale og pedagogiske hindringer for enkeltpersoner på grunn av deres intensitet og tilsynelatende uforutsigbarhet. Behandling kan innebære suspensjoner fra skolen, plassering i spesielle miljøer, engasjement i straffesystemet, fengsling eller institusjonalisering. I stedet for å vurdere disse mønstrene som "maladaptive" eller "upassende", ser psykologer og lærere nå mange av disse problemadferdene som funksjonelle. Med andre ord, når de betraktes som operantadferd, kan de forsterkende uforutsetningene som fremmer disse alvorlige atferdsproblemer bestemmes, vurderes og endres. På grunn av den vanskelige naturen til disse problemene og innbrudd av sannsynlige nevrofysiologiske problemer, spiral mange individer i vanskelige eller uholdbare levekår eller forhold med manglende behandling. Muligheten for at disse alvorlige problemene oppstår gjennom en kombinasjon av genetisk-miljømessige interaksjoner, blir nå bare vurdert seriøst. En bedre forståelse av neurobiologi av operant oppførsel vil forbedre behandlingsalternativer.

Mekanismer for neural plastisitet i langvarig atferdsendring

Det er nå godt akseptert at langvarige atferdsendringer via operante uforutsetninger er resultatet av betydelige endringer i hjernen: styrking av synaptiske forbindelser, rekonfigurering av nevrale ensembler, syntese av nye proteiner, oppregulering av genuttrykk og epigenetiske modifikasjoner . Langsiktig potensiering (LTP) har fungert som et av de hyppigst forhørte plastisitetsrelaterte systemene, og data sterkt impliserer NMDAR-aktivering som en nøkkelinnledende hendelse. Det vil si at høyfrekvente mønstre av synaptisk stimulering aktiverer NMDAR, noe som resulterer i en tilstrømning av Ca²⁺, som igjen aktiverer flere signalmekanismer, hvorav flere konvergerer på ERK (ekstracellulær reseptor signalering kinase). ERK antas å regulere en rekke transkripsjonsfaktorer som koordinerer dannelsen og stabiliseringen av langsiktige minner (Levenson et al., 2004). Det finnes betydelige data som bekrefter rollen til NMDAR-Ca²⁺-ERK-kaskade i langvarig atferdsendring og minneformasjon i fryktkondisjonering og Morris Water Maze learning (Atkins et al., 1998, Blum et al., 1999, Schafe et al., 2000); en nyere rapport impliserer denne kaskaden i matbelønnet kondisjonering, også, selv om det er i en invertebratmodell (Ribeiro et al., 2005). NMDAR-indusert nevral plasticitet, gjennom transkripsjonsregulering via ERK-banen, gir derfor en neural representasjon av operant condition og en elegant modell for å studere langvarig atferdsendring.

I en direkte forlengelse av denne modellen, Kelley og kolleger (Kelley et al., 1997) undersøkte først rollen som NMDAR-aktivering i operant læring innenfor kjernen accumbens, et nettsted hypoteset å spille en viktig rolle i kompleks integrasjon av sensorisk, belønning og motor informasjon. Etter tilpasning til standardoperantkondisjoneringskamre og magasinopplæring ble injeksjoner av NMDAR-antagonisten (+/-) - 2-amino-5-fosfonopentansyre (AP-5) gjort direkte i nukleinsammenhengskjernen (NAc) av næringsmiddelbegrensede rotter umiddelbart før de fire første, 15-minutters lange operantbetingelsene. Med en spak satt nå inn i kammeret, ble pressene forsterket med sukrosepellets². I løpet av de første 4-treningsøktene gjorde rotter behandlet med AP-5 svært få trykkpresser, i motsetning til vehikelbehandlede rotter. Alle rotter ble ubehandlet for de neste 5-øktene, og begge gruppene nådde raskt asymptotiske nivåer av spakpressing. Viktig, en mikroinjeksjon av AP-5 i NAc før en 10^th økten hadde ingen merkbare effekter. Separate eksperimenter fant ingen effekt av AP-5 på spontan, ubetinget spise- og motoradferdighet i identisk behandlede (f.eks. Kirurgi, deprivasjon, etc.) rotter. Sammenlignet med saltvannsinfusjoner, var AP-5-infusjoner / NMDAR-blokkad i NAC-nedsatt initiell operativ læring, men hadde ingen effekt på etterfølgende ytelse, og heller ikke påvirket NMDAR-blokkad motivasjon for sukrose eller spontan motoradferd. Dermed er disse dataene i tråd med den generelle konsensus at NMDAR-aktivering er avgjørende for læring via sin rolle i nevral plasticitet.

Disse studiene, utført i Ann Kelleys laboratorium, er de første som viser en rolle for NMDA-reseptorer i operant læring innenfor en nøkkelknute i et kortikolimbisk-striatal nettverk. Hernandez et al (Hernandez et al., 2005) direkte replikert denne effekten, og viste særlig en tidsbegrenset kontekstuell rolle for NMDAR-aktivering ved operativ læring for post-sesjon. AP-5-infusjoner hadde ingen effekt på læring. Med andre ord var NMDAR-aktivering under eksponering for kammeret og operanttilfellene kreves for å lære å forekomme, men ikke nødvendig etter økten. Dette funnet kontrasterer med etterfølgende økt stoffvirkninger på andre atferdspreparater, for eksempel fryktkondisjonering (Castellano et al., 1993). Kelley et al. (Kelley et al., 1997) viste også at infusjoner av AP-5 i nucleus accumbens shell (NAS) hadde svært lite effekt på operant læring, noe som tyder på at operant condition innebærer plastiske endringer i et diskret nettverk i stedet for allestedsnærlig nevral virkning av NMDARs. En mer presis karakterisering av dette nettverket kan ha fordel av utallige nevropsykiatriske forhold som involverer læring eller plastisitetsrelaterte mangler ved å hjelpe neurobiologer til å identifisere diskrete kjerner som er kritiske for å utføre atferd samtidig som de identifiserer spesifikk reseptormedling av nevnte atferd.

For å utvide på disse resultatene, Baldwin et al. (2000) fant at AP-5-infusjoner i basolateral amygdala (BLA) og medial prefrontal cortex (mPFC) også svekket operativ læring, men AP-5 hadde ingen effekt på operant læring ved infusjon i dorsal (dSUB) eller ventral vSUB) subikulum. Videre ble disse virkningene igjen begrenset til den innledende kondisjoneringsfasen, da NMDAR-blokkad ikke hadde noen effekt på påfølgende operantytelse, spontan motoradferd eller spontan fôring. McKee et al. (McKee et al., 2010) utvidet rollen som NMDAR aktivering i operant læring til dorsal medial striatum (DMS) og anterior cingulate cortex (ACC), men fant ingen rolle for orbito-frontale cortex (OFC) i operant læring. Kontrollstudier fant ingen bevis for motivasjons- eller motorunderskudd. Andrzejewski et al. (Andrzejewski et al., 2004) også undersøkt rollen som NMDAR i den sentrale kjernen til amygdala (CeA) og 2 andre striatal subnuclei. Mens læringstap ble observert etter AP-5-infusjoner i CeA og posterior lateral striatum (PLS), men ikke dorso lateral striatum (DLS), var det også dype effekter på spontan motor og fôringsadferdighet med AP-5 infusjoner i CeA og PLS. Disse resultatene antyder at operant læring avhenger av NMDAR-aktivering i et distribuert nettverk, som muligens bidrar til å skille mellom sensorisk, motivasjons-, motor- og læringsbehandling. Det er klart at fremtidige studier er nødvendige for å evaluere grensene for operant-nettverket.

Sammen viser disse innledende studiene at NAC, BLA, mPFC, DMS og ACC er kritiske områder i et cortico-limbic striatal nettverk som styrer operant læring som ikke er nødvendig for senere ytelse. Selv om ytterligere arbeid kan tydeliggjøre dette nettverket og kanskje mer spesifikke roller i hver region, ser et slikt nettverk ut til å lære av vanedannende eller maladaptive atferd som kan være mer striatalt regulert når de er etablert.

Dopamin involvering i belønning behandling og plastisitet

Forsterkningsbasert behandling avhenger også sterkt av mesokortikolimbiske DA-systemer, som består av DA-neuroner i det ventrale tegmentale området (VTA) og deres fremskrivninger til nukleus accumbens (NAc), amygdala, prefrontal cortex (PFC) og andre forgrunnsregioner, men den eksakte naturen av DA rolle i belønning prosessering er fortsatt en kilde til strid. En tidlig teori foreslo at DA-formidlet glede av belønning fordi mange naturlige og narkotikabelønninger aktiverer mesokortikolimbiske systemer, og blokkaden demper oppførselsvirkningen av de fleste forsterkere (Wise og Bozarth, 1985). En annen hypotese hevder at mesokortikolimbiske DA-neuroner lærer og forutsier belønningsleveranser, fordi de brenner til appetitivt betingede stimuli, men ikke til de ubetingede stimuli (eller til fordelene selv) (Schultz, 1998, 2002). En tredje, svært innflytelsesrik hypotese, hevder at mesokortikolimbiske DA-systemer koder incitamentegenskaper tilskrives de neurale representasjonene av stimuli og fordeler. Faktisk formidler DA ikke den hedoniske innflytelsen av søte belønninger, men er nødvendig for atferd rettet mot de samme fordelene (Berridge og Robinson, 1998). For det fjerde har noen hevdet at mesokortikolimbiske DA-systemer undersøke innsatsrelaterte funksjoner som påvirker forsterket atferd på grunn av at DA-depletjoner har liten innflytelse på operantrespons når de forsterkes på en "enkel" tidsplan (for eksempel en FR-5) men har dramatiske effekter på mer krevende tidsplaner (Salamone et al., 1994, Salamone et al., 2001). Likevel, mens DAs rolle i operatørens opptreden er entydig, forblir den nøyaktige arten og detaljene i dens rolle sannsynligvis en funksjon av preparatet som brukes og eksperimentatorens teoretiske orientering.

Vi testet DAs rolle på operant læring via D1R aktivitet i mange av de samme strukturer som er nevnt ovenfor. Baldwin et al. (Baldwin et al., 2002b) viste at D1R-blokkering i PFC-nedsatt operativ læring, men ikke hadde noen effekt på ytelsen. D1R blokkering i BLA og CeA også svekket operant læring (Andrzejewski et al., 2005), på en doseavhengig måte. D1Rs rolle i andre strukturer har imidlertid vært vanskelig å dissociere fra andre D1R-medierte medikamenteffekter. For eksempel, Hernandez et al (Hernandez et al., 2005) viste en dyp effekt på operant oppførsel etter pre-sesjon D1R blokkering i NAc; Imidlertid ble nesespissen i matskuffen (ofte betraktet som en Pavlovian appetitivt betinget respons) også betydelig redusert. Andrzejewski et al (Andrzejewski et al., 2006) fant at D1R-blokkering i vSUB, men ikke dSUB, svekket operant læring, men igjen ble motiverende underskudd oppdaget. Mens det synes sannsynlig at DA D1R-aktivering er avgjørende for styring av plastisiteten forbundet med operant læring, forblir den nøyaktige rollen noe uklar. Fremvoksende bevis har imidlertid ført oss til å postulere en kritisk interaktiv rolle av NMDAR og D1R i operant læring.

Intracellulær konvergens av NMDAR- og DA D1R-aktivering: tilfeldighetsdetektorer

Fra dette beviset begynte vi å teoretisere de NMDARene i forbindelse med DA D1R, og spesielt sammenfallende deteksjon av innkommende signaler, spille en kritisk rolle i utformingen av synaptiske konfigurasjoner, og sannsynligvis dominerende nevrale ensembler som ligger til grund for operant læring (Jay et al., 2004). NDMARs og DA D1Rs samhandler på dynamiske måter. For eksempel er NMDA-avhengig LTP i striatale skiver blokkert av D1, men ikke D2-antagonister (Weiss et al., 2000). In vivo bevis for NMDA-D1-interaksjon i plastisitetsrelaterte fenomen antyder at LTP foregår i flere kretser og strukturer. For eksempel er LTP i hippokampale prefrontale cortexsynapser avhengig av koaktivering av NMDA- og D1-reseptorer, så vel som intracellulære kaskader som involverer PKA (Jay et al., 2004). I både striatum og prefrontal cortex forsterker D1-aktivering NMDA-reseptormedierte responser (Cepeda et al., 1993, Seamans et al., 2001, Wang og O'Donnell, 2001). Forsterkningen av hippocampal-fremkalt spikingaktivitet av accumbens-neuroner krever samvirkende virkning av både D1- og NMDA-reseptorer, mens en lignende synergisme blir observert for amygdalo-accumbens-banen (Floresco et al., 2001b, a). Molekylære studier komplementerer disse funnene, som viser NMDA-reseptoravhengighet av D1-mediert fosforylering av CREB (cAMP-responselementbindende protein) (Das et al., 1997, Carlezon og Konradi, 2004) trodde en transkripsjonsfaktor å være en evolusjonær konservert modulator av minneprosesser og nøkkelprotein i cellulære veier berørt av vanedannende stoffer (Silva et al., 1998, Nestler, 2001). Sterk støtte for påstanden om sammenfallende aktivering kommer fra demonstrasjonen av langsiktig forbedring av synaptisk styrke når kortikostriatal excitasjon og dopaminerge aktivering er temporalt koordinert (Wickens et al., 1996). Andre data tyder på at glutamat- og dopamin-signaler, via NMDA og D1-aktivering, konvergerer for å indusere ERK-aktivering i hippocampus og striatum, og derved omkonfigurere nettverk involvert i læring og narkotikabruk (Valjent et al., 2005, Kaphzan et al., 2006). På grunn av kravene som er nødvendige for læring, er det derfor interessant å spekulere at den koordinerte ankomsten av dopaminerge og glutamatergiske signaler, og dens nevromolekylære konsekvenser, tjener som tilfeldighetsdetektor som initierer transkriptjonelle endringer som fører til varige synaptiske endringer. Det er viktig å merke seg at disse meget kaskader er de som foreslås å bli modifisert i vanedannende prosessen (Hyman og Malenka, 2001).

I en direkte test av denne hypotesen, Baldwin et al. (Baldwin et al., 2002b) funnet doser av AP-5 og R (+) - 7-klor-8-hydroksy-3-metyl-1-fenyl-2,3,4,5-tetrahydro-1H-3-benzazepinhydroklorid (SCH-23390) (en D1R-antagonist) i PFC som ikke hadde noen merkbar effekt på operant læring. Men når kombinert og infundert i PFC av naive rotter, var operativ læring betydelig svekket, noe som tyder på sterk synergi mellom de to reseptorene. Det er at plastisitet knyttet til operant oppførsel er mulig med en liten mengde NMDAR eller D1R blokkering, men ikke begge. Selv om vi har sett noen doseavhengige effekter, lurte vi på om operant læring var et "helt eller ingenting" fenomen, som konceptlæringOsler og Trautman, 1961). I vår erfaring viste det seg at våre rotter først brukte sin tid i kammeret å utforske, nese-poking, sniffing, grooming, oppdrett, etc., mens bare noen ganger spak-trykk. Etter et par økter, fikk kontrollrotter "fått det" og fortsatte å trykke presse mye oftere, og oppdrettes, utforsket, snusket, pleide osv., Mindre (f.eks. Svar som det ikke var noen programmerte konsekvenser), akkurat som Staddon og Simmelhag demonstrerte i sitt seminalforsøk på overtroisk oppførsel (Staddon og Simmelhag, 1971). Derfor kan første operant læring involvere et "tipping point" eller terskellignende prosess, i motsetning til en mer gradvis og jevnt skiftende en. Figur 1 viser de kumulative svarene på to rotter med kanyler rettet mot NAc. En ble infundert med kjøretøy før de første fem øktene, mens den andre ble infundert med AP-5. Likheten i funksjoner er slående og synes å være i overensstemmelse med vår oppfatning: det er en svært gradvis og langsom økning i å reagere, overgang, relativt raskt, til en høy og jevn, responsrespons. Vær oppmerksom på at AP-5-behandlet rotte er forsinket i denne overgangen, noe som tyder på at dette "tipping point" er forsinket med NMDAR blokkering.

 

Figur 1

Kumulativ håndtak presses på tvers av øktene. Oppførselen til to representative rotter, en vehikelbehandlet og en AP-5-behandlet, etter infusjoner i nukleinsammenhengskjernen (NAc) før de første 5, 15-minutters lange øktene. Infusjoner opphørt etterpå ...

Selv om disse atferdsmessige dataene og andre observasjoner kan gi et overbevisende argument om denne "tipping point" -hypotesen, ville det være av stor import hvis neurobiologien fulgte etter, for dette ville innebære en "kritisk periode" for operant læring og foreslå mål for intervensjon i en tidsavhengig mote. I det minste ser det ut til at operant læring er svært kontekstualisert vis-à-vis tidsmessige, miljømessige og neurofysiologiske relasjoner.

En intracellulær signalmodell av operant læring

De intracellulære molekylære bestanddelene av læring (generelt, ikke nødvendigvis operativ læring), som nevnt tidligere, har fått stor interesse. Våre egne funn om rollen som NMDAR-aktivering ble grundig informert av disse funnene angående LTP. Imidlertid er de intracellulære signaleringskaskader som er ansvarlige for LTP, vellykket. Er de de samme kaskader som er ansvarlige for omkonfigurering av synaptiske veier under operant læring? Baldwin et al (Baldwin et al., 2002a) inhiberte proteinkinaseaktivitet, avgjørende bestanddeler av intracellulær signalering som er nødvendig for LTP, i NAc av rotter før operante læringssessioner med forbindelsen 1- (5-isokinolinsulfonyl) -2-metylpiperazin dihydroklorid (H-7). I en egen gruppe rotter ble cAMP-avhengig proteinkinase (PKA) aktivitet hemmet av stoffet Rp-adenosin 3 ', 5'-cyklisk monofosphothioat-trietlyamin (Rp-cAMPS) umiddelbart før operante læringssessioner. I begge tilfeller var læring svekket, noe som tyder på at proteinkinase-signalering generelt og PKA-aktivitet spesielt var nødvendig for operant læring. Således er flere viktige intracellulære komponenter av den nevrale plastisiteten forbundet med operant læring identifisert.

PKA, PKC og andre proteinkinaseaktiviteter konvergerer intracellulært, ifølge flere fremtredende modeller ved ERK (Valjent et al., 2005, Kaphzan et al., 2006). Fosforylert ERK (pERK) translokaterer til nukleonens kjerne, hvor den modulerer aktiviteten til CREB, i stor grad holdt som en evolusjonært konservert mediator av langsiktig nevalplastisitet. Overraskende har vi funnet liten rolle for ERK i operant læring. Først produserte U0126 (en pERK-inhibitor) som ble infisert i NAc før operante læringsøkter ingen observerbar effekt (Figur 2, panel A). Vi brukte de samme paradigmene og forberedelsene som med tidligere rapporter, men i lys av vår mangel på erfaring med dette stoffet, er det mulig at denne negative effekten var resultatet av et ukjent teknisk problem. For det andre undersøkte vi ERK-fosforylering etter operant læring ved bruk av standard Western blots og kommersielt tilgjengelige antistoffer. To grupper av 6-rotter ble kjørt: 1) standard operantopplæring (FR-1 / VR-2) og 2) yoked kontroll (mottok det samme antallet forsterkere, men måtte ikke trykke for å produsere dem). Hjerner ble samlet innen fem minutter etter 5^th økt og behandlet av Western blot. Ingen forskjeller i ERK, PERK eller PERK / ERK-forholdet ble notert på noen av 12-områdene som ble studert, inkludert NAc (Figur 2, panel B). Det var en liten, men statistisk signifikant, effekt i pERK i vSUB og PFC, noe som utgjorde omtrent en 20% økning i forhold til yoked kontroller. Selv om effekten var statistisk signifikant, var det svært beskjeden og muligens en Type 1 feil gitt antall sammenligninger vi gjennomførte. For det tredje forsøkte vi å visualisere og forhåpentligvis semi-kvantifisere pERK gjennom hele hjernen etter operant læring ved å bruke standard immunohistokemiske metoder på frie flytende hjerneseksjoner. Disse rotter ble behandlet identisk med Western blot-eksperimenter, men etter hjernekolleksjon ble hele hjernene skåret og pERK-antistoffer ble brukt til å lokalisere pERK.

 

Figur 2

ERKs rolle i operativ læring. Panel A viser at U0126 infused i NAc før læringsøktene ikke har noen effekt sammenlignet med kjøretøy-infunderte kontroller. Panel B viser hverken ERK-1 eller ERK-2 fosforylering økes hos rotter som lærer en operant ...

Igjen, mens det var betydelig pERK-farging i PFC og vSUB, var det svært lite i NAc (Figur 2, panel C). Disse dataene følger nøye med resultatene fra vestlige og foreslår en begrenset rolle for ERK i operant læring, i motsetning til de mange studier som viser en avgjørende rolle for denne kinasen i andre former for læring (Levenson et al., 2004, Chwang et al., 2006, Kaphzan et al., 2006). Imidlertid kan tilfeldig NMDAR / D1R-aktivering rekruttere ERK-uavhengige signalruter til kjernen.

CREBs rolle i nevral plastisitet

pERKs modulering av pCREB er kritisk under læring fordi CREB er en transkripsjonsfaktor som øker eller demper uttrykket for visse gener. Disse generne antas å være regulatorer for syntesen av bestemte proteiner som danner byggesteinene til reseptorer, membraner og andre strukturer som er avgjørende for nevral plastisitet. Vi har faktisk vist at proteinsyntese i NAc er kritisk under operant læring (Hernandez et al., 2002). Ved hjelp av proteinsynteseinhibitoren, anisomycin, viste vi at umiddelbare infusjoner etter infusjonen i NAc-blokkert etterfølgende operant læring, impliserende transkripsjonsfaktorer og de novo protein syntese. Interessant, infusjoner 2 eller 4 timer etter økten hadde ingen effekt; anisomycin hadde heller ingen effekt under en ytelsestest eller en fôringstest. Igjen ser det ut til at vi har avdekket nøkkelfunksjoner i et tett kontrollert, temporalt og kontekstuelt læringssystem som involverer flere strukturer, reseptorer, signalmekanismer og nå proteinsyntese.

Funnet av proteinsynteseavhengighet av operant læring var uten tvil en av de viktigste i laboratoriet, men det utgjorde et stort åpent spørsmål angående spesifisiteten til denne proteinsyntesen. Vi gjennomførte derfor flere eksperimenter for å identifisere hvilke gener som kan syntetiseres / oppreguleres under operant læring. Bruke standard in situ hybridiseringsmetoder med rotter behandlet mye som de som ble brukt for PERK Western-studiene, fant vi ut at de umiddelbare tidlige generene (IEGs) Homer1a og egr1 (ZIF-268) ble oppregulert, sammenlignet med kontrollrotter, umiddelbart etter 3^rd operant treningsøkt innenfor diskrete cortico-limbic-striatal noder. Genuttrykk ble forhøyet i hele cortex og striatum, og i noen tilfeller hippocampus, men overraskende ikke i ventral striatum (dvs. NAc). I motsetning til "tidlig læringsgruppe" opplevde en andre gruppe rotter 23 operant læring økter. Ennå Homer1a og egr1 uttrykket ble nå redusert sammenlignet med den tidlige læringsgruppen, i nesten alle kjerne som ble studert, noe som tyder på at disse generene er involvert i plastisitetsrelaterte funksjoner under tidlig eksponering, men ikke senere eksponering, til operante uforutsetninger. Enkelt unntak var ventrolateral striatum (VLS), som ser ut til å forbli, genetisk sett, "on line" selv under utvidet operant eksponering. Selv om mange lærde har kalt langvarig opplæring som «vaneformasjon», forblir disse svarene tilpasningsdyktige og fleksible (betrakt den "midlertidige" effekten av forsterkning eller reduksjonen man ville se når operative uforutsetninger ble eliminert eller slukket): det er interessant å spekulere det VLS kan se på denne overvåkingsfunksjonen.

Andre glutamatreseptorer hjelper også til plastisitet forbundet med operant læring

Homer1a antas å regulere og trafikk gruppe 1 metabotrofe glutamatreseptorer (mGluR1 og mGluR5). mGluR5s forsterker aktiviteten til NMDARs ved å endre deres permeabilitet til Ca²⁺ (Pisani et al., 2001), og øker den interessante muligheten for at en mekanisme av NMDAR-indusert plastisitet kan avhenge sterkt av mGluR5-aktivitet. Nylig testet vi direkte mGluR5-aktivitetens rolle ved operativ læring ved å blokkere aktiviteten med stoffet 3 - ((2-Methyl-4-tiazolyl) etynyl) pyridin (MTEP). Våre foreløpige resultater tyder på at blokkering av mGluR5 aktivitet i DMS forringer operativ læring, selv om oppfølgingsforsøk på dette funnet pågår.

AMPA-reseptor aktivering og operant læring har også blitt utforsket i vårt laboratorium. Hernandez et al. (2002) demonstrerte en tidsbegrenset rolle for AMPAR-aktivering i NAc under operant læring. Effekten opprettholdt imidlertid for mange økter og kan ha vært et resultat av noen nedregulering eller langsiktig internalisering av glutamatreseptorer. Selv om denne påkjenningen krever ytterligere empirisk støtte, fant vi det veldig overraskende at pre-session blokade av AMPAR ville produsere en slik langsiktig effekt i forhold til post-session blokkering, noe som ga ingen endring i operant læring.

Epigenetiske endringer under operant læring

I tillegg til å aktivere transkripsjonsfaktorer, induserer NMDAR og D1R aktivitet også modifikasjoner, slik som histonacetylering, kromatin, proteinet som organiserer og kondenserer genomisk DNA. Disse modifikasjonene gir rekrutteringssignaler involvert i gentranskripsjon / siling og påvirker tilgangen til DNA ved transkripsjonsmaskinen. NMDAR-aktivering og tilhørende intracellulære signaleringskaskader, inkludert histon 3 (H3) acetylering, styrer langvarig atferdsendring, Pavlovian frykter kondisjonering og instrumental Morris Water Maze learning (Atkins et al., 1998, Blum et al., 1999, Schafe et al., 2000). Vi begynte nylig å undersøke om operant læring endrer kromatin. Faktisk økte Histon H3-acetyleringsuttrykk i visse strukturer under opptreden av en operant oppførsel, versus sukrose-feed kontroller. I dette forsøket ble rotterhåndtaket presset på en RI-30-skjema avlivet 30 minutter etter en økt. Hjerner ble samlet, behandlet og inkubert med anti-acetyl-Histone H3 (Lysine 14) ved bruk av standardprotokoller.

Interessant, i forhold til yoked kontroller, så vi forhøyet histon H3 acetylering i DMS, en struktur allment betraktet som en viktig bidragsyter til operant læring. Dette er noen av de første dataene vi vet om å vise histon-modifikasjoner under operant læring. Økninger i det globale nivået av histon H3-acetylering kan imidlertid være et resultat av modifikasjoner hos promotorer av andre gener enn IEG, og videre hadde rotter anvendt i dette forsøket omfattende trening. Dermed er ytterligere informasjon om lokalet for den acetyleringen under operant læring nødvendig. Likevel foreslår disse dataene sammen med mange andre rapporter sterkt at epigenetiske prosesser er engasjert under operant læring. Langvarige modifikasjoner, som histonacetylering, kan hjelpe oss med å forstå den varige karakteren av operantadferd, dets motstand mot forandring og tilbakevendelsen av visse lidelser til behandling.

Epigenetiske prosesser ser også ut til å bli modifisert under legemiddeladministrasjon og læring. Under kokain-selvadministrasjon, et D1R-avhengig instrumentparamigram, blir kromatinmodifikasjoner indusert i visse regioner av striatumet hos promotorer fra mange plastitetsrelaterte gener, så som Cbp, NR2B, Psd95og GluR2. CBP er kritisk for stimulasjonsinducert aktivering av CREB og har egen histonacetyltranferase (HAT) aktivitet (Shaywitz og Greenberg, 1999). Transgene mus uttrykker en avkortet form av CBP har flere læringsunderskudd (Wood et al., 2005). NR2B, en underenhet av NMDAR-komplekset, inneholder glutamatbindingsstedet og er avgjørende for LTP, mens underenheten NR2A er ikke (Foster et al., Foster et al., 2010). Den NR2B subunit fosforyleres av CaMKII, dephosphorylert av PP1, og medierer NMDAR-internalisering (Roche et al., 2001). Psd-95 hemmer NR2B-mediert internalisering av NMDAR (Roche et al., 2001) og styrer synaptisk lokalisering og stabilisering av NMDARs (Li et al., 2003). GluR2 er en underenhet av AMPAR og inneholder et avgjørende fosforyleringssted også modulert av intracellulær proteinkinase og proteinfosfataseaktivitet. Fosforylering av GluR2 Delvis styrer AMPARs permeabilitet for kalsium og andre kationer. Interessant, inducerer mGluR5 stimulering i rotte dorsal striatum GluR2 fosforylering, en effekt blokkert av NMDAR-antagonisme (Ahn og Choe, 2009).

En Intra-cellular konvergensmodell av operant læring

Mot denne bakgrunnen av dynamisk og interessant arbeid skaper vi en modell av NMDAR-DA D1R-konvergens som kan fremme en større forståelse for den nevrale plastisiteten som er involvert i operant læring. Figur 4 illustrerer den rådende hypotesen om at glutamatkodede sensoriske / informasjonsbehandlingssignaler aktiverer NMDAR, og AMPAR, som fører til Ca²⁺ tilstrømning i cellen. DA-aktivering av D1R aktiverer adenylsyklase (AC, betegnet med en svart pil), og i sin tur cAMP. De to signalveiene interagerer på flere steder, for eksempel som CaM, indusert ved NMDAR-aktivering, påvirker AC (selv om dette er en litt forenklet representasjon). PKA aktiverer MEK, men inhiberer også Ras / Raf (utpekt med en stangledd linje), noe som tyder på at konvensjonene ikke bare samler seg, men kan også konkurrere om signaldominans.

 

Figur 4

En intracellulær signalmodell av operantletting. De funksjonelle og strukturelle forandringene som er involvert i neural plastisitet, impliserer koordinert NMDAR- og DA D1R-aktivering gjennom hele kortikale-striatal-limbiske nettverk. Denne figuren oppsummerer den rådende ...

Flere poeng av mulig konvergens er demonstrert, særlig aktiveringen av CREB, MEK og ERK. Kritiske plastisitetsrelaterte effekter er også påvist, som den CREB-avhengige transkripsjonen av IEG Arc, Homer1a, og egr1. Homer1a trafikkerer mGluR5-reseptorer (representert av en grå pil), som senere potenserer Ca²⁺ tilstrømning via Gαq-proteinkoblet fosfolipase C (PLC) aktivitet (denne potensiering er representert med en gul pil og lynbolter); mGluR5-aktiviteten forsterker også DA D1R-aktivering. Arc blir transportert til nylig aktiverte synapser, som sannsynligvis utfører en slags "tagging" -rolle. Nylig tyder fremvoksende data på en viktig rolle for Arc og ERK i AMPAR-underenhetinnsetting og regulering av spenningsgated kalsiumkanaler av L-type. DARPP-32, aktivert av PKA-aktivitet, akkumuleres i kjernen, hemmer proteinfosfatase 1 (PP1) -aktivitet, som er direkte involvert i kromatinmodifikasjoner via egenverdisk defosforyleringsaktivitet (symbolisert ved en halvcirkelformet pil "gripe" en fosfatgruppe ). Histone deactylease (HDACs) -aksjoner er representert med en invertert pil på linjen "gripe" acetylgrupper fra Histone 3 (H3). Disse histon-modifikasjonene slapper av eller kompaktkromatin og derved muliggjør eller undertrykker gentranskripsjon (de spesifikke modifikasjoner som er betegnet i figuren representerer ikke nødvendigvis de faktiske modifikasjoner som kreves for promotorer av IEGene for transkripsjon) (Figur 4 er basert på (Sweatt, 2001, Kelley og Berridge, 2002, Haberny og Carr, 2005, Ostlund og Balleine, 2005, Valjent et al., 2005). Derfor gir nevromolekylær konvergens av informasjon fra cortico-striatal-limbic NMDAR og DA D1R et mulig substrat for plastisitet i belønningsbasert læring. De spesifikke hjernekjernene og nevronene som er representert i denne modellen, kommer nå bare i fokus, men sannsynligvis involverer viktige striatal-, limbiske og kortikale steder. Vår sterke mistanke er at mellomstore, nervøse nevroner, spesielt i striatum, kan være velegnet for plastisitetsrelaterte funksjoner på grunn av deres uvanlig høye tetthet av spenningsavhengige ionkanaler som produserer eksepsjonelle tilstandsoverganger (Houk og Wise, 1995) i kombinasjon med konvergensen av utbredt, glutamatkodede kortikale, limbiske og thalamiske afferenter, samt monoaminerge innganger fra midbrain.

Kelley og kolleger (Kelley et al., 1997) uttalt opprinnelig en avgjørende rolle for NAc i nevral plastisitet og operant læring. Faktisk har vårt laboratorium utforsket rollen til nucleus accumbens i en rekke atferdsmessige paradigmer ved hjelp av en faglig tilrettelagt tverrfaglig tilnærming (f.eks. Eksperimentell analyse av atferd, atferdsmessig nevrovitenskap, molekylær og cellulær nevrovitenskap, etc.). Dr. Kelley var en av ekspertene på strukturen, fysiologien, tilkoblingen og funksjonen til nucleus accumbens. Imidlertid ser det ut til at flere av våre egne eksperimenter strider mot Dr. Kelleys første uttalelse. Den overbevisende mangelen på MEK / ERK-involvering i NAc under operant læring og mangel på genuttrykk tjener som to dristige unntak fra påstanden om at plastisitet i NAc er avgjørende for operant læring. For det første kan det være at MEK / ERK ikke er involvert i operant læring hvor som helst i hjernen. Våre studier av 12 andre nettsteder ga svært liten forskjell mellom operant læring og åket kontroller. Kanskje er MEK / ERK-banen involvert i den "kritiske perioden" eller "vippepunktet" når rotter ser ut til å "få det" og våre studier ikke hadde den tidsmessige oppløsningen for å oppdage denne effekten, spesielt ettersom ERK-aktivering er en dynamisk og relativt rask begivenhet. Kanskje våre doser av U0126 var for lave til å hemme ERK-aktivering. En like sannsynlig hypotese er imidlertid at CREB-mediert transkripsjon av gener som er involvert i nevral plastisitet aktiveres direkte av andre signalveier, som PKAc eller CAM (se Figur 4), omgå MEK / ERK-banen. Og kanskje har vi ikke identifisert de kritiske plastisitetsrelaterte gener eller myriaden av mulige epigenetiske modifikasjoner på NAc-neuroner som muliggjør og instantier operantadferd. Vi håper å engasjere disse spørsmålene med samme strenghet og entusiasme som Ann gjorde.

Kliniske implikasjoner

Den rådende hypotesen av denne vurderingen er at modellen presenteres i Figur 4 kan informere behandling av mange kliniske problemer. Av åpenbar betydning er narkotikamisbruk, for narkotikamisbruk påvirker i stor grad mange av de samme molekylære prosessene som er involvert i operant læring. I de senere år er noen av de mest bemerkelsesverdige funnene i forskning om avhengighet de som demonstrerer betydelig overlapping av mekanismene som medierer rusmisbruk og normal belønningsrelatert læring (Hyman og Malenka, 2001, Nestler, 2001, Wang et al., 2009). Vi er sikre på at mange av anmeldelsene i denne spesialutgaven elegant har fremhevet forholdet mellom narkotikamisbruk og normal belønningsrelatert læring. Riktignok har dette forholdet vist seg å være avgjørende for vår forståelse av avhengighet, men vi vil gjerne sitere noen viktige nye koblinger mellom Dr. Kelleys arbeid med operativ læring med nye data og funn om andre kliniske problemer. Disse implikasjonene faller inn i to generelle temaer: 1) kliniske problemer med tilhørende læringshemming som kan betjenes av en bedre forståelse av hvordan operant læring fortsetter via nevromolekylære mekanismer av plastisitet og 2) kliniske problemer forbundet med pågående, allerede lært, og muligens meget motstandsdyktig, operant oppførsel og dens nevromolekylære bestanddeler. Dette sistnevnte tilfellet utgjør problemet med avhengighet, tror vi, da det er korrekt sett på som pågående operant oppførsel med svært skadelige og langvarige bivirkninger.

Som nevnt innledningsvis antas det at autismespektrumforstyrrelser påvirker 1 av 88 barn. Kommunikasjonsunderskudd, sosiale samhandlingsproblemer og stereotype atferdsmønstre kjennetegner autisme, selv om kommunikasjonsevner kan være typiske hos barn med Asperger. Tidlig intensiv atferdsterapi (EIBT), basert på operante prinsipper, danner ryggraden i omfattende behandlingsregimer som gir utrolige resultater. Denne tidlige behandlingen, som er svært individualisert og kontekstualisert, involverer vanligvis minst 40 timer med en-til-en-behandling per uke, ofte i mange år. Data indikerer at jo tidligere intervensjonen begynner, jo bedre suksessrate. I mange av disse tilfellene (noen estimater er mellom 40-50%) er fullstendig integrering i vanlige klasserom mulig med minimal eller ingen ekstra støtte (Lovaas, 1987, Sallows og Graupner, 2005, LeBlanc og Fagiolini, 2011). Disse funnene nærmer seg neural plasticitet som en drivende komponent i suksessen til EIBT. Forskere i autismebehandlingssamfunnet spekulerer i stor grad om "kritiske perioder" av utvikling som sammenfaller med økt neuralplastisitet (LeBlanc og Fagiolini, 2011). Dermed kan vår forskning om operant læring ha to mulige implikasjoner: 1) Det er mulig at den autistiske "hjernen" kan ha redusert plastpotensial, og kun gjennom intensiv praksis og terapi blir disse reduksjonene overvunnet og 2) det kan være mulig med En mer fullstendig forståelse av operant læring, for å indusere perioder av plastisitet, slik at eldre barn kan ha nytte av terapi.

Selv om det er en svært spekulativ påstand om at operant læring, EIBT og neural plasticitet deler underliggende ASD, er det flere kilder til konvergerende støttende bevis. Til å begynne med er den ledende arvelige årsaken til ASD-er Fragile X syndrom (FXS), et enkelt gentrinukleotid-gjentaksproblem med FMR1-genet. FXS er assosiert med læringstap, sosiale atferdsdefekter, samt noen fysiske (primært ansikts) abnormiteter. FMR1 genet koder for Fragile X mental retardation protein (FMRP), som kreves for normal nevral utvikling (Crawford et al., 2001, Antar et al., 2004). I tillegg modulerer FMRP kraftig gruppe 1 mGluR-aktivitet, og mangel på FMRP-aktivitet dysregulerer NMDAR LTP (Antar et al., 2004). Vårt siste arbeid med mGluR5 inhibitor MTEP antyder en rolle i operant læring for denne reseptoren under "normale" forhold. Farmakoterapier basert på modulerende mGluR5-aktivitet undersøkes nå for bruk hos mennesker med FXS (Hagerman et al., 2012).

En annen form for autisme, referert til som "regressiv autisme" fordi barn med dette skjemaet utvikler seg typisk i en periode og deretter mister "normal" kommunikasjon og sosiale ferdigheter, har nylig vært knyttet til redusert aktivitet av PKA og den katalytiske underenhet av PKA, nemlig c-isoformen. Når man sammenlignet post mortem med ikke-regressive autistiske kontroller, viste regressive autisme frontale kortikaler redusert aktivitet og uttrykk for PKA (Ji et al., 2011). Ingen forskjeller ble observert i andre kortikale områder, og det var heller ingen forskjell mellom ikke-regressiv autisme og ikke-autistiske kontroller. Således kan regressiv autisme være knyttet til PKA-mediert fosforylering av proteiner og anomaløs intracellulær signalering. Igjen har vårt arbeid vist en avgjørende rolle for PKA i operant læring, som sammenfaller pent med dette siste arbeidet med regressiv autisme.

Rubenstein-Taybi syndrom (RTS) er en autosomal dominerende lidelse forårsaket av mutasjoner av CREB-bindingsproteinet (CREBBP) -genet. Kort statur, brede tommelfinger, karakteristiske ansiktsegenskaper og moderate til alvorlige læringsproblemer karakteriserer RTS (Bartsch et al., 2010). Av kritisk import her er den åpenbare koblingen mellom operant læring, CREB-funksjon og RTS. Kanskje barn med RTS kan ha nytte av EIBT eller noen farmakologisk terapi som muliggjør, supplerer eller supplerer CREB-modulering av gentranskripsjon. CREB-fosforylering ser ut til å kontrollere IEG-funksjonen og syntesen av nye proteiner, og sannsynligvis regulerer neural plastisitet forbundet med operant læring.

Til slutt impliserer vår data og intracellulære modell epigenetiske prosesser som ansvarlig for den vedvarende karakteren av operantadferd. Vårt felles hensyn til operant oppførsel som "vaneformasjon", gjentatte demonstrasjoner av spontan gjenoppretting, og den tilsynelatende ubegrensede tilbakekallingsperioden forbundet med operantrepertoarer bidrar sterkt til denne ideen. Faktisk har mange alvorlige problematikker vist seg å være svært motvilje mot behandling, noe som fører til begrensede sosiale muligheter, kjemisk begrensning, sykehusinnstilling og institusjonalisering. Imidlertid er en bred klasse av diagnostiske verktøy, ofte referert til som "funksjonell analyse av problemadferd" eller "FBA", utviklet for å identifisere de kontrollerende relasjonene for disse alvorlige oppføringene. Vanligvis betraktes disse oppførselsklassene som operant, forsterket av oppmerksomhet, tilgang til foretrukne elementer / aktiviteter, eller unnslippe uønskede omstendigheter (Lerman og Iwata, 1993). Med denne informasjonen i hånden kan terapi styres på en måte som gir alternative kilder til forsterkning eller alternative hensiktsmessige operanter som produserer de ønskede forholdene, muligens til og med lenge etter den opprinnelige operative læring av den upassende oppførelsen. Er det mulig at en større forståelse av operant læring kunne gi farmakoterapeutiske mål, som histon acetylering, som forbedrer operant utryddelse og / eller fremme ny operativ læring?

Mens mange av disse forestillingene er svært spekulative, vil Dr. Ann Kelleys og kollegers arbeid i operant læring trolig informere, i det minste naturen og løpet av narkotikamisbruk. Vi ønsker også å utvide vår teori og funn for å hjelpe til med å forstå læringsunderskuddene knyttet til ASD, FXS og RTS, så vel som det vanskelig knyttet til styrken av visse alvorlige problematiske operantrepertoarer.

Fotnoter

Referanser