Den striatale balansen handling i narkotikamisbruk: forskjellige roller av direkte og indirekte vei medium spiny nevroner (2011)

Introduksjon

Narkotika av misbruk utøver kraftige molekylære og cellulære endringer i både dorsalstriatum (dStr) og ventral striatum (nucleus accumbens, NAc), og mange av disse endringene forekommer i mellomstore, nervøse nevroner (MSNs), de viktigste projiseringsnekronene i dStr og NAc, som står for 90-95% av alle nevroner i disse regionene. Forskere har imidlertid frem til nylig ikke klart å definere differensialrollen for de to MSN-subtypene i avhengighetsrelaterte fenomener. De to MSN-subtypene er differensiert av deres anrikning av dopaminreseptor 1 (D₁) eller dopaminreseptor 2 (D₂) samt flere andre gener (Gerfen og Young, 1988; Gerfen et al., 1990; Le Moine et al., 1990, 1991; Bernard et al., 1992; Ince et al., 1997; Lobo et al., 2006, 2007; Heiman et al., 2008; gensat.org) og ved deres distinkte fremskrivninger gjennom cortico-basal ganglia-banen (direkte mot indirekte veier; Gerfen, 1984, 1992). Tidlig arbeid foreslo at narkotika av misbruk har størst innflytelse på D₁+ MSN, med bruk av en rekke dopaminreseptoragonister og antagonister som gir viktig innsikt i funksjonelle og molekylære roller i hvert MSN i narkotikabelønningsadferd (Selv, 2010). Men nåværende celletypespesifikke metoder, inkludert fluorescerende reportermus som uttrykker GFP under D₁ eller D₂ bakterielle kunstige kromosomer (BACs; Gong et al., 2003; Valjent et al., 2009; gensat.org), betingede musemodeller som bruk av tetracyklinregulerte inducerbare transgene mus (Chen et al., 1998; Kelz et al., 1999), og transgene mus uttrykker Cre-rekombinase ved bruk av D₁ eller D₂ BAC, gjær kunstige kromosomer (YACer) eller knock-in-mus (Gong et al., 2007; Lemberger et al., 2007; Heusner et al., 2008; Parkitna et al., 2009; Valjent et al., 2009; Bateup et al., 2010; Lobo et al., 2010; gensat.org) samt celle-type-spesifikk viral-mediert genoverføring (Cardin et al., 2010; Hikida et al., 2010; Lobo et al., 2010; Ferguson et al., 2011), har gitt dyp ny innsikt i de presise molekylære underlagene til hver MSN-undertype og deres regulering av misbrukemidler (tabell 1).

Tabell 1. Effekter av celletype-spesifikk genetisk manipulasjon i D₁+ og D₂+ MSNer i stoffmisbrukmodeller.

Nylige funn støtter konklusjonen av en mer dominerende rolle for D₁+ MSN-er i å produsere den forsterkende og sensibiliserende effekten av rusmidler, med de mest robuste molekylære endringene som forekommer i disse MSNene. For eksempel induserer akutt eksponering for psykostimulanter potensielt mange signalmolekyler, inkludert FosB, ERK, c-Fos og Zif268 i D₁+ MSN, mens gjentatt kokain fortrinnsvis inducerer ΔFosB og endrer GABA-reseptor og andre ionkanal-underenheter i denne celletypen også (Robertson et al., 1991; Young et al., 1991; Berretta et al., 1992; Cenci et al., 1992; Moratalla et al., 1992; Håper et al., 1994; Bertran-Gonzalez et al., 2008; Heiman et al., 2008). Videre forstyrrer eller overtrykkende spesifikke molekyler, som ΔFosB, DARPP-32 eller Nr3c1 (glukokortikoidreceptoren), i D₁+ MSNs etterligner typisk de narkotikarelaterte oppføringene som observeres når disse endringene blir gjort på en ikke-celletypespesifikk måte, mens de forstyrrer slike gener i D₂+ MSN-er forårsaker ofte et motsatt svar (Fienberg et al., 1998; Kelz et al., 1999; Deroche-Gamonet et al., 2003; Zachariou et al., 2006; Ambroggi et al., 2009; Bateup et al., 2010). Ikke desto mindre kan vi ikke utelukke et viktig bidrag fra D₂+ MSN i tilpasninger til misbrukmisbruk, fordi kokaineksponering endrer genuttrykk i begge MSN-undertyper (Heiman et al., 2008) og D₂-receptoragonister og antagonister utøver sterke virkninger ved atferdsanalyser (Selv, 2010). Faktisk viser nyere funn at molekylære signaltilpasninger i D₂+ MSNs modifiserer potensielt et dyrs atferdsrespons mot rusmidler (Lobo et al., 2010). Sistnevnte funn viste at tap av TrkB (reseptoren for BDNF) i D₂+ MSNs resulterer i lignende atferdsresponser mot kokain som totalt TrkB knockout fra NAc, som for første gang viser en selektiv dominerende rolle for en molekylærbane i D₂+ MSN-er i formidling av effekten av misbruk av rusmidler.

Endelig avslører ny litteratur at de to MSNene utøver antagonistiske effekter i narkotikarelaterte atferd, hvor aktivering av D₁+ MSN eller inhibering av D₂+ MSNer forbedrer et dyrs følsomhet overfor et stoff av misbruk (Hikida et al., 2010; Lobo et al., 2010; Ferguson et al., 2011). Disse funnene stemmer overens med motsatte roller av de to MSNene og deres direkte kontra indirekte veier i basalganglia i motorisk adferd (Alexander et al., 1986; Albin et al., 1989; Graybiel, 2000; Kravitz et al., 2010). Denne nylige litteraturen er i tråd med den generelle ideen om at dopaminerg nevrotransmisjon, som aktiveres av alle rusmidler, letter glutamatergisk aktivering av D₁+ MSNer mens de hemmer glutamatergisk aktivering av D₂+ MSNer gjennom sine handlinger på D₁ vs. D₂ dopaminreseptorer (fig 1). I denne vurderingen tar vi opp gjeldende kjennskap til den tydelige molekylære signaleringen som er vist av disse to MSN-undertypene i forhold til deres funksjonelle roller og svar på misbruk.

Figur 1. Alle stoffer med misbruk øker dopamin signalering i striatum, som kan differensielt modulere glutamatergisk aktivitet i de to MSN subtypene. Spesielt binder kokain til dopamintransportøren som hindrer dopaminopptak i terminaler av VTA dopaminneuroner. Aktivering av G_s/_olf koblet D₁ reseptorer forbedrer PKA aktivitet og endrer Ca²⁺ og K⁺ konduktanser for å forbedre glutamatformidlet "up-state" i disse MSN-ene. I motsetning, aktivering av G_i/G_o D₂-receptorer reduserer PKA-aktivitet og forandrer Ca²⁺, Na⁺, og K⁺ konduktanser for å redusere den glutamatformidlede "up-state". Dette skifter disse MSN-ene tilbake til deres hvilende "down-state".

Dopaminreceptor Signalering i D₁ vs. D₂ MSN

Som allerede nevnt, aktiverer alle misbrukere dopaminerg input til NAc og relaterte limbiske hjernegrupper (Volkow et al., 2004; Klok, 2004; Nestler, 2005). For eksempel virker psykostimulerende midler som kokain eller amfetamin direkte på den dopaminerge belønningsbanen ved å forstyrre dopamintransportøren: kokain blokkerer transportøren og amfetamin reverserer transportøren, begge handlinger som resulterer i en oppbygging av dopamin i synapset som kan aktivere nedstrøms dopamin reseptorer på målneuroner (Figur 1). De to MSNene er mest spesielt differensiert av deres anrikning av D₁ vs. D₂-receptorer, selv om single-cell RT-PCR studier avslører at D₁+ MSNs uttrykker lave nivåer av D₂-like reseptor, D₃ og D₂+ MSNs uttrykker lave nivåer av D₁-like reseptor, D₅ (Surmeier et al., 1996). De to MSNene krever glutamatergisk innervering for å drive nevralaktivitet; dopamin modulerer motsatt disse funksjonelle responsene ved stimulering av forskjellige dopaminreseptor-subtyper: ved positiv modulerende eksitatorisk glutamatergisk inngang gjennom D₁ reseptor signalering via G_s eller G_olf, som stimulerer adenylyl-syklase som fører til økt PKA-aktivitet, mens dopamin modulerer denne inngangen negativt negativt gjennom D₂-receptor signalering via G_i og G_o som hemmer adenylyl-syklase som forårsaker redusert PKA-aktivitet (Surmeier et al., 2007; Gerfen og Surmeier, 2011). I virkeligheten utøver hver reseptor komplekse effekter på mange flere nedstrøms signalveier. I hvile er de to MSN-undertypene vanligvis hemmet, de er i hvilke forskere som har betegnet ned-tilstanden. Excitatorisk glutamatergisk synaptisk aktivitet kan frigjøre MSNene fra denne nedtilstanden og skifte dem til en mer depolarisert tilstand (opp-tilstanden). Dopamin modulerer motsatt det eksitatoriske glutamatergiske skiftet til opp-tilstanden. D₁ aktivering av PKA forbedrer Cav1 L-type Ca²⁺ kanalaktivitet, reduserer somatisk K⁺ kanalaktivitet, og nedregulerer Cav2 Ca²⁺ kanaler som styrer aktivering av Ca²⁺ avhengig, liten konduktivitet K⁺ (SK) kanaler, noe som resulterer i økt spiking i disse MSNene (Surmeier et al., 2007; Gerfen og Surmeier, 2011). I motsetning d₂ signalering hemmer opptil-overgang, og forhindrer dermed økt spiking, via reduksjon av Cav1 L-type Ca²⁺ kanalaktivitet og Nav1 Na⁺ kanalaktivitet mens du øker K⁺ kanalstrømmer (Surmeier et al., 2007; Gerfen og Surmeier, 2011; Figur 1). Slike motsatte endringer i de to MSNene antyder at økt dopamin-signalering fremkalt av misbrukmidler bør øke glutamatergisk aktivering av D₁+ MSN og redusere glutamatergisk aktivering av D₂+ MSNer. I virkeligheten er slike svar langt mer varierte og komplekse av grunner som fortsatt er dårlig forstått. Dette emnet vil bli behandlet nærmere nedenfor.

Dopaminreseptorens rolle i narkotikamisbruk er komplisert og ofte unnvikende (Selv, 2010). Det er en overflod av litteratur om D-rollen₁ og D₂-receptoragonister og antagonister i modulerende givende egenskaper og selvadministrasjon av misbruksmidler, men resultatene avhenger av hvilken type agonist / antagonist som brukes, typen av levering (systemisk vs hjernespesifikke) og timingen av behandlingen (Selv, 2010). Slike resultater blir ytterligere forvirret av ikke-striatal-spesifikke effekter, slik som bidraget fra presynaptisk D₂-receptorer fra VTA eller nærvær av D₁ reseptorer i mange andre limbiske regioner, og mangelen på spesifisitet av agonister / antagonister benyttet så vel som uttrykket av D₁-lik og D₂-like reseptorer i begge MSN-undertypene som nevnt tidligere. Generelt antas det at D₁ reseptorer spiller en mer overordnet rolle i de primære givende egenskapene til narkotika av misbruk, mens D₂-reseptorer spiller en rolle i medisinssøkemekanismer (Self et al., 1996; Selv, 2010). Studier med D₁ reseptor og D₂-receptor knockout-mus gir noe innblikk i rollen til disse reseptorene i de to MSNene. D₁ knockout-mus viser en stump induksjon av umiddelbare tidlige gener (IEGs) c-Fos og Zif268 som svar på kokain, et redusert respons på psykostimulant-indusert lokomotorisk aktivitet, men uten endringer i kokain-betinget stedpreferanse (CPP) - et indirekte mål på narkotika belønning, og redusert kokain selvadministrasjon og etanolforbruk (Miner et al., 1995; Drago et al., 1996; Crawford et al., 1997; El-Ghundi et al., 1998; Caine et al., 2007). D₂ knockout mus viser redusert belønningseffektene til opiater og kokain, samt redusert etanolforbruk, men ingen reduksjon i kokaintaking (Maldonado et al., 1997; Cunningham et al., 2000; Risinger et al., 2000; Caine et al., 2002; Chausmer et al., 2002; Elmer et al., 2002; Welter et al., 2007). Slike data støtter viktige roller for D₁ og D₂-reseptorer i de to MSN-ene i flere aspekter av stoffmisbruk, men knockoutene mangler striatal spesifisitet og forekommer tidlig i utviklingen, og man kan derfor ikke utelukke andre hjerneområder og celletyper og utviklingsfaktorer i å formidle denne atferden. Til slutt reduserte nivåer av D₂/D₃ reseptorer i striatum, som visualisert ved hjernebilding, har blitt en vanlig avhengighetsmarkør hos humane pasienter, spesielt i perioder med abstinens (Volkow et al., 2009). Gnagere som får viral-mediert genoverføring av D₂-reseptorer til NAc viser svekket selvadministrasjon av kokain og etanolforbruk (Thanos et al., 2004, 2008). Disse studiene ble ikke utført på en celletypespesifikk måte, så vi kan ikke utelukke den mulige effekten av D₂-reseptoroveruttrykk som påvirker D₁+ MSN-er. Denne innsamlingen av data understreker behovet for å gå til mer selektive tilnærminger, inkludert celletypespesifikke, region-spesifikke og til og med midlertidig spesifikke manipulasjoner av dopaminreseptorene for bedre å belyse deres funksjonelle roller i de to MSN-undertypene i medikamentavhengighet.

Endelig er det rapportert nylig at D₂-GFP homozygote BAC transgene mus viser økte ekspresjonsnivåer av D₂-reseptor i striatum og forbedret atferdsfølsomhet og dopamin-signalering til D₂ agonister. Videre utviser både homozygoter og hemizygoter stumpete atferdsresponser på kokain (Kramer et al., 2011). Denne studien belyser behovet for å utføre grundig karakterisering av D₁ og D₂ fluorescerende reporter og Cre sjåførlinjer. Imidlertid brukte flertallet av dataene som ble samlet inn i denne studien homozygoter, som ikke er den ideelle eksperimentelle genotypen siden 5 – 10% av transgenintegrasjoner resulterer i innsatsmutasjoner (Meisler, 1992); derfor er hemizygote-genotypen den mer pålitelige eksperimentelle genotypen. I tillegg brukte denne studien ikke littermate-wildtype-kontroller, men brukte kontroller på lignende bakgrunn (Swiss Webster) hentet fra Taconic, mens deres transgene linjer ble oppnådd fra GENSAT og MMRRC. Endelig har en annen gruppe vist normale kokain-lokomotoriske atferdsresponser i D₂-GFP hemizygoter (Kim et al., 2011). Dermed må fremtidige studier som bruker riktige kontroller og riktige genotyper, utføres for å fullstendig karakterisere de forskjellige celletypespesifikke transgene linjer som er tilgjengelige.

Glutamat og GABA signalering i D₁ vs. D₂ MSN

Medium spiny nevroner mottar glutamatergisk input fra flere hjerneområder inkludert prefrontal cortex, amygdala og hippocampus, og GABAergic input fra lokale interneurons og kanskje sikkerhetsinnspill fra andre MSN. Nett eksitatorisk og hemmende regulering av MSN er uten tvil avgjørende for å regulere den medikamentavhengige tilstanden, og det er nå en voksende litteratur om de komplekse måtene misbruksmedisiner endrer glutamatergisk nevrotransmisjon spesielt i NAc (Pierce et al., 1996; Thomas et al., 2001; Beurrier og Malenka, 2002; Kourrich et al., 2007; Bachtell og Selv, 2008; Bachtell et al., 2008; Conrad et al., 2008; Kalivas, 2009; Wolf, 2010). Selv om det antas at MSN først og fremst eksisterer i en hemmet nedtilstand under basale forhold med glutamatdrivende aktivitet av begge celletyper, er det fortsatt begrenset informasjon med hensyn til distinkt regulering som forekommer i D₁ vs. D₂ MSN.

ΔFosB-overuttrykk i D₁+ MSN-er (se nedenfor for mer informasjon) forbedrer de givende effektene av kokain og øker nivåene av Ca²⁺-impermeabel glutamatreseptor-underenhet, GluR2, i NAc. Videre forbedrer viral-mediert genoverføring av GluR2 til NAc på samme måte de givende effektene av kokain (Kelz et al., 1999). Det er imidlertid ikke kjent om induksjon av GluR2 sett som respons på ΔFosB-overuttrykk i D₁+ MSN-er er også spesifikke for disse nevronene, og den virale overuttrykket av GluR2 er ikke celletypespesifikk, derfor kan vi ikke utlede direkte konklusjoner om GluR2-funksjon i disse to MSN-ene i medikamentell belønning. Heusner og Palmiter (2005) vurderte rollen som NMDA glutamatergisk ledningsevne i kokainatferd ved å uttrykke en NR1-underenhet, som inneholder en mutasjon i poren som reduserer kalsiumfluks, selektivt i D₁+ MSN-er. Denne gruppen viste at mangel på NMDA-ledelse i D₁+ MSN forhindrer kokainindusert CPP og kokain-locomotor sensibilisering, og fremhever nødvendigheten av NMDA-signalering i D₁+ MSN-er for de givende og sensibiliserende effektene av kokain (Heusner og Palmiter, 2005). Videre har det nylig blitt funnet at å slå ut NR1-underenheten i D₁+ MSNs demper amfetaminsensibilisering, og denne fenotypen ble reddet ved å tilføre NR1-underenheten på nytt til D₁+ MSNer spesifikt i NAc (Beutler et al., 2011). Til slutt, knockdown av underenheten mGluR5, ved bruk av RNA-interferens, i D₁+ MSN har ingen innvirkning på de innledende givende egenskapene til kokain, men reduserer den indikasjonsinduserte gjeninnføringen av kokain som søker (Novak et al., 2010). Mens disse dataene avslører overbevisende roller for glutamatergisk signalering i D₁+ MSN, fremtidig arbeid er nødvendig for å studere glutamatergiske systemer i D₂+ MSN-er. Fremtidig forskning bør også evaluere hvordan modulering av disse glutamatreseptor-underenhetene i de to MSN-undertypene påvirker de strukturelle synaptiske endringene som er observert i NAc etter misbruk av medikamenter (Dietz et al., 2009; Russo et al., 2010), spesielt de dendritiske endringene som er observert etter selektiv eksponering av kokain i D₁+ MSN-er (Lee et al., 2006; Kim et al., 2011) som kan være assosiert med økningen i miniatyr eksitatoriske postsynaptiske strømmer observert i D₁+ MSN-er (Kim et al., 2011). Interessant nok, ΔFosB induksjon i D₁+ MSN har vært relatert direkte til slike dendritiske tilpasninger etter kronisk kokain (Maze et al., 2010).

I motsetning til glutamat mangler det forskning på GABA-funksjon i de to MSN-ene i avhengighetsmodeller, noe som er overraskende med tanke på at både etanol og benzodiazepiner forbedrer effekten av GABA, og de to MSN-ene mottar tette GABAergiske innganger som angitt ovenfor. Det er også betydelige bevis som peker til økt hemming i NAc minst etter kronisk kokaineksponering (White et al., 1995; Peoples et al., 1998; Zhang et al., 1998; Thomas et al., 2001; Beurrier og Malenka, 2002). Heiman et al. (2008) gjennomført genetisk screening med høyt gjennomstrømning i de to MSN-ene etter kronisk kokaineksponering, og, interessant nok, den mest endrede biologiske prosessen i D₁+ MSN var GABA-signalering. Spesielt var det kraftig oppregulering av GABA_A reseptorenhetene Gabra1 og Gabra4 samt GABA_B reseptorsubenhet Gabrb3, og denne gruppen fant at kronisk kokain øker frekvensen av liten amplitude GABAergic mini-hemmende postsynaptiske strømmer (mIPSCs) i D₁+ MSN-er (Heiman et al., 2008). På den annen side viste en annen gruppe nylig at kronisk kokain resulterer i en motsatt respons med nedsatt frekvens og amplitude av mIPSC i D1 + MSNs (Kim et al., 2011). Den sistnevnte gruppen viste imidlertid redusert membran-eksitabilitet i D₁+ MSN etter kronisk kokain, noe som kan være en refleksjon av forbedret GABA-tone og er i samsvar med feltets vurdering av forbedret hemming i NAc etter eksponering for kronisk kokain. Videre kan slike forskjeller mellom de to gruppene ganske enkelt skyldes tidspunktet for kokaineksponering og tilbaketrekning. Generelt sett er det behov for å studere glutamatergisk og GABAergisk funksjon i de to MSN-ene som svar på misbruk av medikamenter, og feltet er nå utstyrt med ressursene som gjør en slik celletype- og regionspesifikk studie mulig.

Annen mottaker signalering i D₁ vs. D₂ MSN undertyper

De to MSN-ene er differensiert anriket i andre G-proteinkoblede reseptorer i tillegg til dopaminreseptorer. D₁+ MSN-er uttrykker høyere nivåer av acetylkolin-muskarinreseptoren 4 (M₄; Bernard et al., 1992; Ince et al., 1997) og D₂+ MSN er beriket i både adenosinreseptor 2A (A_2A; Schiffmann et al., 1991; Schiffmann og Vanderhaeghen, 1993) og G-protein-koblet reseptor 6 (Gpr6; Lobo et al., 2007; gensat.org). M₄ er koblet til G_{i / o}, som ville gi en motsatt respons, sammenlignet med D₁ reseptorer, i D₁+ MSN ved å hemme cAMP / PKA-aktivitet. Faktisk, en D₁+ MSN selektiv M₄ knockout viste forbedret atferdsfølsomhet for kokain og amfetamin (Jeon et al., 2010). Videre viste nyere studier med en designerreseptor eksklusivt aktivert av et syntetisk medikament (DREADDs) at aktivering av DREADD Gi / o-koblet human M₄ reseptor (hM₄D) i D₁+ MSN reduserte atferdssensibilisering for amfetamin, med motsatt respons sett i D.₂+ MSN-er (Ferguson et al., 2011). Slike data avslører den motstående rollen til M₄ reseptorer i D₁+ MSNs i narkotikamisbruk. I tillegg, siden hM₄D-reseptor hemmer potensielt disse MSN-ene, dataene gir innsikt i effekten av endret aktivitet av disse to MSN-ene i rusmisbruk, som vil bli diskutert videre nedenfor.

Begge A_2A og Gpr6 er positivt koblet til G_s/G_olf proteiner, noe som impliserer deres rolle i å motvirke D₂-reseptor i D₂+ MSN-er. Faktisk stimulering av A_2A reseptorer har vist seg å redusere både utviklingen og uttrykket av kokainfølsomhet (Filip et al., 2006), svekke igangsettingen av selvadministrasjon av kokain (Knapp et al., 2001), og motarbeide gjeninnsetting av kokain som søker fremkalt av kokain, D₂-reseptorstimulering, eller kokain-betingede signaler (Bachtell og Selv, 2009). Ettersom Gpr6 også er beriket i D₂+ MSN-er (Lobo et al., 2007), bør dens rolle i atferdsprogrammene til striatum evalueres. Til dags dato har det vist seg å påvirke instrumentell læring (Lobo et al., 2007) men rollen i stoffmisbrukmodeller er ennå ukjent.

Cannabinoidreseptoren 1 (CB1) uttrykkes allestedsnærværende i hele sentralnervesystemet (Mackie, 2008), derfor er det vanskelig å dissekere den nøyaktige rollen til spesifikke hjerneområder og celletyper i å mediere Δ9-tetrahydrocannabinol (THC) avhengighet. Nylig sletting av CB1 fra D₁+ MSN-er viste seg å beskjedne påvirke atferdsresponsene til THC, inkludert avstumpede effekter i THC-indusert hypolocomotion, hypotermi og analgesi (Monory et al., 2007). Det ville være interessant å evaluere cannabinoid reseptor funksjon i D₂+ MSN-er siden disse MSN-ene uttrykker endocannabinoid-mediert langvarig depresjon (eCB-LTD), som krever dopamin D₂-reseptoraktivering (Kreitzer og Malenka, 2007).

Glukokortikoidreseptoren, Nr3c1, er også bredt uttrykt i CNS og periferi. Stressindusert glukokortikoid sekresjon kan potensere maladaptiv atferd inkludert medikamentell avhengighet (Frank et al., 2011). Spesielt å forstyrre glukokortikoid signalering i D₁+ MSN ved å slette Nr3c1 reduserte motivasjonen disse musene viser for å selv administrere kokain, og dette stemmer overens med tidligere data der Nr3c1 ble slettet fra hele hjernen (Ambroggi et al., 2009). Disse dataene stemmer overens med andre funn beskrevet i denne gjennomgangen, og viser en dominerende rolle for D₁+ MSNs i å mekle mange av effektene av misbruk av rusmidler.

Til slutt forstyrret vi nylig BDNF-signalering i de to MSN-ene ved å slette TrkB-reseptoren selektivt fra hver MSN-undertype. Vi observerte motsatte effekter på kokain fremkalt adferd: kokainindusert lokomotorisk aktivitet og induksjon av kokain CPP ble forbedret etter TrkB-sletting fra D₁+ MSNs, men dempet etter sletting fra D₂+ MSN-er (Lobo et al., 2010). Interessant nok er sletting av TrkB fra D₂+ MSNs etterligner virkningene av total sletting av TrkB fra NAc samt forstyrrelse av BDNF-signalering fra VTA (Horger et al., 1999; Graham et al., 2007, 2009; Bahi et al., 2008; Crooks et al., 2010). Disse funnene viser således for første gang en dominerende rolle som en signaleringskaskade i D₂+ MSNs i å mekle effekten av et rusmisbruk. Den dominerende rollen til D₂+ MSN i formidling av BDNFs effekter på kokain fremkalt atferd er ikke overraskende med tanke på at både TrkB mRNA og protein er beriket i D₂+ MSN-er (Lobo et al., 2010; Baydyuk et al., 2011). De atferdsendringene som ble observert i disse musene ble ledsaget av forbedret neuronal aktivitet i D₂+ MSN ved en selektiv knockout av TrkB. Disse funnene fikk oss til å bruke optogenetisk teknologi for selektivt å manipulere MSN-aktivitet i kokainbelønning (se nedenfor).

Transkripsjonsfaktorer i D₁ vs. D₂ MSN

Det mest overbevisende beviset for den mer robuste rollen som D₁+ MSN i medikamentmisbruk kommer fra litteratur som evaluerer induksjon av intracellulære signalmolekyler. Som nevnt ovenfor induserer akutte doser av psykostimulanter IEG-ekspresjon, inkludert c-Fos, Zif268 (Egr1), og FosB primært i D₁+ MSNer i NAc og dStr (Robertson et al., 1991; Young et al., 1991; Berretta et al., 1992; Cenci et al., 1992; Moratalla et al., 1992; Bertran-Gonzalez et al., 2008). Denne induksjonen krever aktivering av D₁ reseptorer, og celletypespesifisiteten til IEG-induksjonen som respons på akutt kokain ble nylig bekreftet ved bruk av D₁-GFP og D₂-GFP reportermus (Bertran-Gonzalez et al., 2008). Interessant er bekreftelsen av kokainens induksjon av c-Fos først og fremst i D₁-GFP gjennom hele striatum med en liten induksjon i D₂-GFP MSN bare i dStr ble bekreftet ved hjelp av et kontekstavhengig paradigme (mus ble injisert i et nytt miljø utenfor hjemmet deres bur). Videre en tidligere studie som bruker in situ hybridisering hos mus viste også induksjon av c-Fos i D₁+ og D₂+ MSNer i dStr, selv om i denne studien representative representasjonsdiagrammer viser større antall D₁+ c-Fos positive nevroner (Ferguson et al., 2006). Interessant nok avslører denne studien signifikant forbedret c-Fos induksjon i D₂+ MSNer i dStr etter tap av ERK1, som paralleller våre funn om forbedret c-Fos induksjon i D₂+ MSNer spesifikt i NAc-skallet etter forstyrrelse av BDNF-signalering, som er kjent for å styrke ERK-aktivitet (Lobo et al., 2010). Imidlertid ble motsatte atferdsresponser på kokain observert i hver studie, noe som kan reflektere induksjon av c-Fos i D₂+ MSNer i dStr vs. NAc-skall. Til slutt, tidligere litteratur ved bruk av in situ hybridisering / immunhistokjemi hos rotter har vist akutte psykostimulanter kan indusere c-Fos likt i begge MSN når legemidlet gis i et nytt miljø (Badiani et al., 1999; Uslaner et al., 2001a,b; Ferguson og Robinson, 2004) og kronisk administrering av amfetamin rapporteres selektivt å indusere c-Fos i D₂+ MSN-er (Mattson et al., 2007). Disse forskjellige resultatene kan være en refleksjon av de eksperimentelle prosedyrene som ble brukt (in situ hybridisering mot GFP-reportermus) eller til og med skyldes dyreartene som ble brukt som sistnevnte eksperiment brukte rotter.

Nylig profilerte forskere de kokainkontektsavhengige, c-Fos-aktiverte nevronene i rotter ved bruk av immunmerket merket fluorescensaktivert cellesortering (FACS) og viste at c-Fos + nevronene er beriket i en D₁+ MSN-gen, prodynorfin (Pdyn), men har lavere nivåer av D₂ Og a_2A, begge D₂+ MSN gener (Guez-Barber et al., 2011), noe som antyder at de c-Fos + aktiverte nevronene hovedsakelig består av D₁+ MSN-er. Videre viste denne gruppen tidligere at c-Fos som uttrykker MSN-er er viktig for denne kontekstavhengige sensibiliseringen, ettersom ablasjon av disse nevronene opphever denne atferdsfenotypen (Koya et al., 2009). Selv om tidligere data viste at kokainkontekstavhengig induksjon av c-Fos forekommer i begge D₁+ og D₂+ MSN hos rotter, de nyere resultatene tilsvarer funn der sletting av c-Fos selektivt fra D₁+ MSN blunts kokainindusert lokomotorisk sensibilisering hos mus (Zhang et al., 2006). Videre fant denne gruppen at sletting av c-Fos i D₁+ MSNs sløser de dendritiske ryggmargsendringene normalt indusert av kokain i NAc, noe som indikerer en rolle for c-Fos i å formidle disse synaptiske plastisitetsendringene. Til slutt observerte gruppen ingen endring i induksjon av kokain-CPP, men fant at tap av c-Fos i D₁+ MSN-er forhindret utryddelse av kokain-CPP. Slike data illustrerer en dynamisk rolle for c-Fos-induksjon i D.₁+ MSNs, men man kan ikke utelukke at de forskjellige effektene på atferdsnivået blir formidlet av noen av flere andre limbiske hjerneområder som uttrykker D₁ reseptoren.

En annen IEG som har blitt grundig studert i de to MSN-undertypene er FosB. Akutt eksponering for kokain induserer FosB i D₁+ MSN-er (Berretta et al., 1992), mens kronisk eksponering induserer ΔFosB, et stabilt produkt av FosB-genet generert ved alternativ spleising (Håper et al., 1994; Nestler et al., 2001; Nestler, 2008), i D₁+ MSN-er (Nye et al., 1995; Moratalla et al., 1996; Lee et al., 2006). Lignende funn observeres med mange andre misbruksmedisiner, så vel som med naturlige fordeler som mat, sex og hjulkjøring. For eksempel kronisk hjulkjøring, som er en naturlig belønning (Iversen, 1993; Belke, 1997; Lett et al., 2000), induserer ΔFosB i D₁+ MSNer, men ikke D₂+ MSN-er (Werme et al., 2002). For å få funksjonell innsikt i rollen til osFB i de to MSN-ene genererte gruppen vår NSE-tTa-linjer, kalt 11A og 11B, som dirigerer transgenuttrykk til enten D₁+ eller D₂+ MSNer, henholdsvis (Chen et al., 1998; Kelz et al., 1999; Werme et al., 2002). Linje 11A mus krysset med en Tet-Op ΔFosB-linje viser økte responser på de givende og lokomotoriske effektene av kokain (Kelz et al., 1999), som er konsistent med ΔFosB-induksjon i D₁+ MSN-er (Nye et al., 1995; Moratalla et al., 1996). Videre viser disse musene økt morfinbelønning (evaluert av CPP) så vel som redusert morfinanalgesi og forbedret morfintoleranse, mens 11B Tet-Op ΔFosB mus ikke viser noen endring i morfinbelønning. Overekspresjon av en dominerende negativ antagonist av ΔFosB utøver effekter motsatt av de som sees med ΔFosB, selv om denne musemodellen ikke skiller D₁ vs. D₂ MSN-er (Peakman et al., 2003). Til sammen støtter disse dataene rollen som FosB induksjon i D₁+ MSNs som en viktig molekylær aktør i de givende egenskapene til misbruksmedisiner (Zachariou et al., 2006). Dette fenomenet blir også observert i andre belønningsatferd, spesielt hjulkjøring: 11A Tet-Op ΔFosB-mus viser økt hjulkjøringsatferd, mens 11B Tet-Op ΔFosB-musedisplay reduserte hjulkjøringen (Werme et al., 2002). Funnet at osFosB induksjon i D₁ MSN fremmer belønning er i samsvar med nylige funn om at slik celletype-selektiv induksjon også fremmer resiliensrespons på kronisk stress (Vialou et al., 2010). Til slutt, kronisk kokaininduksjon av ΔFosB i D₁+ MSN-er viste seg å være ledsaget av robuste langvarige økninger i dendritiske ryggtettheter (Lee et al., 2006) og nylig ble vist at FB i NAc var både nødvendig og tilstrekkelig for å formidle den økte tettheten av dendritiske ryggrader i dette hjerneområdet (Maze et al., 2010). Slike data støtter en rolle for osFosB i D₁+ MSNs i å formidle de givende aspektene ved misbruk av medikamenter og naturlige belønninger så vel som medfølgende strukturelle plastisitetsendringer Dataene antyder også at induksjon av ΔFosB i D₂+ MSN gir negative konsekvenser til givende stimuli. Siden osFosB induksjon i D₂+ MSN sees som respons på kronisk stress og antipsykotisk medisineksponering (Hiroi og Graybiel, 1996; Perrotti et al., 2004), er det behov for ytterligere studier av de sistnevnte handlingene.

Andre intracellulære signalmolekyler i D₁ vs. D₂ MSN

Et signalmolekyl som er blitt studert godt i de to MSN-ene i sammenheng med medikamentmisbruk, er proteinkinasen, ERK (ekstracellulær signalrelatert kinase). Akutt eller kronisk eksponering for kokain induserer fosforylert ERK (pERK), den aktiverte formen av proteinet, i NAc og dStr i D₁+ MSNs ved bruk av D₁-GFP og D₂-GFP BAC transgene reportermus (Bertran-Gonzalez et al., 2008) og denne responsen er formidlet gjennom D₁ reseptorer (Valjent et al., 2000; Lu et al., 2006). Denne gruppen viste også at pMSK-1 (fosfo-MAP og stressaktivert kinase-1) og histon H3, begge mål for pERK-signalering, induseres robust i pERK som inneholder D₁+ MSN etter akutt kokaineksponering og øket beskjedent etter kronisk kokainBertran-Gonzalez et al., 2008). pERK induseres også er respons på kronisk morfin, spesielt er pERK indusert robust i D₁+ MSNs og beskjedent indusert i D₂+ MSN i NAc-skallet etter uttak som svar på den kontekstspesifikke assosiasjonen med morfin (Borgkvist et al., 2008). Den nøyaktige funksjonelle rollen til pERK i medikamentavhengighet gjenstår å bestemme. Farmakologisk behandling med ERK-hemmere har vist seg å redusere kokainbelønning, men en knockout av ERK1 potenserer kokainbelønning, noe som antyder at ERK-hemmere fortrinnsvis kan påvirke ERK2. Nylig viste vi at optogenetisk aktivering av D₁+ MSNer i NAc, som øker et dyrs givende respons på kokain, reduserer kraftig både pERK1 og pERK2. Fremtidige studier som manipulerer ERK-uttrykk på en celletypespesifikk måte er nødvendige for å fullt ut ta tak i den funksjonelle rollen til ERK-signalering i de to MSN-ene i narkotikamisbruk.

DARPP-32 er et annet signalmolekyl som har blitt grundig studert som respons på misbruksmedisiner. Det er velkjent at akutte psykostimulanter fører til PKA fosforylering av DARPP-32 ved treonin 34 (T34), noe som får den til å bli en sterk hemmer av proteinfosfatase 1 (PP-1), som regulerer fosforyleringstilstanden til mange effektorproteiner, inkludert transkripsjonsfaktorer, ionotropiske reseptorer og ionekanaler (Greengard et al., 1999). Inntil nylig var det imidlertid uklart hvilken MSN-undertype som formidler denne biokjemiske endringen. Greengard et al. (1999) genererte BAC transgene musemodeller som muliggjør evaluering av DARPP-32 fosforylering i D₁+ eller D₂+ MSN ved å uttrykke taggede versjoner av DARPP-32 ved å bruke D₁ eller D₂ BAC-er som muliggjør immunutfelling av DARPP-32 fra hver MSN-undertype. Disse studiene demonstrerte at akutt kokainbehandling øker T34 fosforylering i D₁+ MSN og induserer fosforylering av treonin 75 (T75) ved Cdk5, som hemmer PKA-signalering, selektivt i D₂+ MSN-er (Bateup et al., 2008). Til slutt viste denne gruppen at sletting av DARPP-32 fra hver MSN-undertype ved bruk av D₁-Cre og D₂-Cre BAC transgene mus resulterer i motsatt regulering av kokainindusert lokomotorisk aktivitet (Bateup et al., 2010). Tap av DARPP-32 fra D₁+ MSN reduserte den lokomotoriske effekten av kokain, som etterligner tidligere data som evaluerte en total DARPP-32 knockout (Fienberg et al., 1998), mens tap av DARPP-32 fra D₂+ MSN forbedret kokain-lokomotoriske svar. Slike data gir konkrete bevis for forskjellig rolle for DARPP-32 i de to MSN-ene som svar på misbruk av medikamenter, og illustrerer viktigheten av celletypespesifikke metoder for å fullt ut forstå bidraget til disse to nevrontypene i rusavhengighet.

Modulerende aktivitet av D₁ eller D₂ MSN

Direkte modulering av aktiviteten til de to MSN-undertypene har nylig gitt ny innsikt i molekylær og funksjonell rolle D₁ og D₂ MSN-er i avhengighet. Vi brukte optogenetiske verktøy kombinert med en betinget (dvs. Cre-avhengig) adeno-assosiert viral (AAV) vektor som uttrykker den blå lysaktiverte kationkanalen, channelrhodopsin-2 (ChR2). Vi injiserte vektoren, eller en kontroll, i NAc av D₁-Cre eller D₂-Cre BAC transgene mus og stimulerte deretter det injiserte området med blått lys for selektivt å aktivere D₁+ vs. D₂+ MSNer i forbindelse med kokain-CPP. Vi fant at aktivering av D₁+ MSNs potenserer induksjon av kokain-CPP, mens aktivering av D₂+ MSN hemmer denne induksjonen (Lobo et al., 2010). Som tidligere nevnt observerte vi de samme atferdseffektene da TrkB ble selektivt slettet fra disse MSN-undertypene: forbedret kokain-CPP og lokomotorisk aktivitet etter TrkB-sletting fra D₁+ MSN, og redusert kokain-CPP og lokomotorisk aktivitet etter TrkB-sletting fra D₂+ MSN-er. Den sannsynlige vanlige handlingen med TrkB-knockout og optogenetisk stimulering i D₂+ MSN-er er økt aktivitet, siden sletting av TrkB fra disse cellene øker deres elektriske eksitabilitet. Som nevnt tidligere fant vi også en robust reduksjon av pERK etter TrkB-sletting fra D₁+ MSN-er. pERK er et kjent nedstrømsmål for BDNF-signalering, derfor er de delte atferdseffektene observert etter TrkB-sletting fra D₁+ MSNs og fra optogenetisk aktivering av disse cellene kan skyldes konvergerende effekter på pERK-aktivitet. Imidlertid er fremtidig arbeid nødvendig for å bestemme den presise, delte molekylære undergrunnen som styrer atferdseffektene sett etter forstyrrelse av BDNF-signalering og optogenetisk kontroll av disse to nevronale undertypene.

Andre grupper har brukt forskjellige verktøy for å modulere aktivitet av de to MSN-ene i stoffmisbrukmodeller. Hikida et al. (2010) brukte AAV-vektorer for å uttrykke tetracyklin-repressiv transkripsjonsfaktor (tTa) ved bruk av stoffet P (a D₁+ MSN-gen) eller enkefalin (en D₂+ MSN-gen) promotere. Disse vektorene ble injisert i NAc fra mus, der tetanus toxin light chain (TN) - et bakterietoksin som spalter det synaptiske vesikkel-assosierte protein, VAMP2 - ble kontrollert av det tetracyklin-responsive elementet, for selektivt å avskaffe synaptisk transmisjon i hver MSN undertype. I samsvar med vår optogenetiske tilnærming, viste disse dataene en rolle som D₁+ MSN-aktivitet for å styrke kokain-CPP så vel som kokainindusert lokomotorisk aktivitet, siden avskaffelse av synaptisk overføring i D₁+ MSN-er reduserte begge atferdseffektene. I motsetning til de optogenetiske studiene fant forfatterne ingen endringer i kokain-CPP etter å ha avskaffet synaptisk overføring i D₂+ MSN, men observerte redusert kokainindusert lokomotorisk aktivitet som svar på de to første kokaineksponeringene. Interessant nok viste denne gruppen at inaktivering av D₂+ MSN-er spilte en mer dyp rolle i å formidle aversiv atferd.

Som nevnt tidligere, Ferguson et al. (2011) brukte herpes simplex virus (HSV) vektorer for å uttrykke en konstruert GPCR (en G_{i / o}-koblede humane muskariniske M₄ designer reseptor eksklusivt aktivert av et designer drug, hM₄D) som aktiveres av en ellers farmakologisk inert ligand ved bruk av enkefalin- og dynorfinpromotorer for selektivt å stille D₁+ eller D₂+ MSNer i dStr. Forfatterne viste at forbigående forstyrre D₂+ MSN-aktivitet i dStr forenklet amfetaminsensibilisering, mens reduserende eksitabilitet av D₁+ MSN svekket vedvarenheten av amfetaminindusert sensibilisering. Til slutt, avskaffelse av D₂+ MSN i NAc i voksne aldre ved bruk av diptheria toxin reseptor forbedrer den givende effekten av amfetamin (Durieux et al., 2009). Slike data er i samsvar med våre optogenetiske funn, og tilsier sammen motsatte roller til D₁+ vs. D₂+ MSNs i rusavhengighet, med D₁+ MSNs som fremmer både belønning og sensibiliserende svar på psykostimulanter og D₂+ MSN-er demper denne oppførselen.

Fremtidige retninger

Feltet har gjort enorme fremskritt mot å forstå den selektive rollen til D₁+ og D₂+ MSN-undertyper i NAc og dStr for å formidle effekten av misbruk av medikamenter. Spesielt nylig utviklede verktøy som muliggjør selektiv manipulering av disse celletypene har spilt en dominerende rolle i å få mesteparten av denne informasjonen. Hva er de neste trinnene? Siden de underliggende molekylære tilpasningene i legemiddelavhengighetsmodeller ikke er statiske, men veldig dynamiske, er det avgjørende å utvikle evnen til selektivt å manipulere signalmolekyler av interesse for D₁+ vs. D₂+ MSNer på en midlertidig presis måte. DREADD-er og optogenetiske verktøy kan hjelpe med denne tidsskala-manipulasjonen. DREADD-ligander kan administreres på forskjellige tidskurser gjennom medikamentell adferdsparadigmer for å pakke ut den selektive rollen til signalreseptorer i de to MSN-ene i medikamentmodeller. Spesielt optogenetiske verktøy gir et ekstremt kraftig middel for å midlertidig regulere ikke bare neuronal aktivitet, men G-protein-koblet reseptorsignalering ved bruk av OptoXRs (Airan et al., 2009), glutamatergisk signalering (Volgraf et al., 2006; Numano et al., 2009), GABAergisk signalering og til og med visse intracellulære signalmolekyler (Wu et al., 2009; Hahn og Kuhlman, 2010). Til syvende og sist kan det være mulig å utvide disse mulighetene til optogenetisk regulering av transkripsjonell aktivitet. På samme måte gjør optogenetiske verktøy det mulig for første gang å studere påvirkningen fra spesifikke innganger til striatum og å bestemme om slike innganger påvirker selektivt på D₁+ vs. D₂+ MSN-er (Higley og Sabatini, 2010). Evnen til å kontrollere slike signaliserings- og molekylære egenskaper med stor tidsoppløsning vil tillate store skritt å bli gjort mot en mer omfattende forståelse av de to MSN-undertypene, og andre celleundertyper i NAc og dStr, for å formidle tidsforløpet og forskjellige faser av medikamentet avhengighet.

Interessekonflikt

Forfatterne erklærer at forskningen ble utført i fravær av kommersielle eller økonomiske forhold som kunne tolkes som en potensiell interessekonflikt.

Referanser