Opiat-Induced Molecular and Cellular Plasticity av Ventral Tegmental Area og Locus Coeruleus Catecholamine Neurons (2012)

Neste seksjon

Bakgrunn

VTA har blitt grundig studert i forbindelse med rusmisbruk gitt dens fundamentale rolle i belønning. Dopamin (DA)-nevroner i VTA projiserer til flere hjerneområder, inkludert nucleus accumbens (NAc), hvor økt DA-frigjøring har blitt observert som respons på alle klasser av misbrukte rusmidler ( Di Chiara og Imperato 1988 ). Selv om DA-nevroner er en fremtredende del (∼60 %–65 %) av denne mellomhjernekjernen, er det betydelig cellulært mangfold, med en betydelig andel GABA-nevroner (30 %–35 %) samt beskrivelser av glutamaterge nevroner (2 %–3 %) ( Swanson 1982 ; Nair-Roberts et al. 2008 ; Sesack og Grace 2010 ). DA- og GABA-nevronene i den ventrale mellomhjernen projiserer generelt topografisk (medialt til lateralt), med de viktigste utgangsstrukturene bestående av NAc, prefrontal cortex (PFC) og amygdala (AMY) (omfattende gjennomgått i Sesack og Grace 2010 ) ( fig. 1 ). De primære afferentene til VTA inkluderer eksitatoriske input fra PFC, pedunculopontin og laterodorsal tegmentum (PPTg og LDT), samt mange andre nylig definerte strukturer ( Geisler et al. 2007 ). Den hemmende inputen til VTA er mindre veldefinert, men input fra NAc, ventral pallidum og mesopontin rostromedial tegmental nucleus (RMTg) har blitt rapportert ( Sesack og Grace 2010 ). Forskningen hittil har fokusert uforholdsmessig på DA-nevroner i VTA, og spesielt de som projiserer til NAc, på grunn av den kritiske rollen til denne projeksjonen i belønning ( Nestler 2004 ).

  

Se større versjon:  

• På denne siden
• I et nytt vindu
• Last ned som PowerPoint Slide

Figur 1.  

Tegneserie av en sagittal del av gnagerehjernen som illustrerer VTA og LC og deres store afferente og efferente fremspring. DAergic (rød) og GABAergic (blå) nevroner i VTA-prosjektet til limbiske og kortikale strukturer og mottar glutamatergisk (svart-dash, PFC) og GABAergic-inngang (blue-dash, NAc, VP). Noradrenerge neuroner (grønn) i LC innerverer flere regioner, inkludert HIPP og PFC, og mottar glutamatergisk inngang fra PGi. Forkortelser: AMY, amygdala; HIPP, hippocampus; LC, locus coeruleus; NAc, kjernen accumbens; PFC, prefrontal cortex; PGi, kjerneparagigantocellularis; VP, ventral pallidum; VTA, ventral tegmental område.

Akutte opiatinducerte endringer i neuronal aktivitet

Gitt at akutt morfin har en evne til å fremkalle økt DA-frigjøring i NAc ( Leone et al. 1991 ), har en betydelig mengde arbeid undersøkt de akutte effektene av opiater i VTA. Akutt morfin øker avfyringshastigheten til DA-nevroner i VTA ( Gysling og Wang 1983 ). Denne effekten medieres i det minste delvis av bindingen av morfin til den G _i/o -koblede μ-opioidreseptoren (MOR) på lokale GABA-nevroner, og reduserer dermed deres aktivitet og påfølgende GABA-frigjøring på DA-nevroner og resulterer i desinhibering av DA-nevroner ( Johnson og North 1992 ). Tolkningen av mye av det tidlige elektrofysiologiske arbeidet er imidlertid komplisert av bevis som fremhever den nesten umulige naturen til VTA DA- og GABA-nevroner (etter størrelse, morfologi og elektrofysiologiske egenskaper) ( Margolis et al. 2006 ), noe som tydeliggjør behovet for å identifisere VTA-nevroner som studeres mer definitivt (f.eks. ved immunhistokjemi, bruk av GFP-reportermus, etc.), et poeng som vil bli diskutert i detalj senere i denne gjennomgangen. Her fokuserer vi hovedsakelig på opiater som fungerer som agonister ved MOR i VTA, slik som morfin, ettersom disse stoffene produserer de givende effektene som oftest studeres innen rusmisbruk. Det er imidlertid kjent at κ-opioidreseptorer (KOR) også uttrykkes på VTA DA-nevroner, og at aktivering av disse reseptorene direkte kan hemme avfyringshastigheten til DA-nevroner ( Margolis et al. 2003 ), noe som sannsynligvis bidrar til de ubehagelige effektene av kappaagonister. Opiaters evne til å produsere både VTA DA-nevronaktivering og -hemming, og givende og aversive effekter, er spennende, og denne "yin-yang"-moduleringen og rollen til endogene opioidpeptider i belønning fortjener å være et fokus for fremtidig studie.

Akutt Opiat-Induced Synaptic Plasticity

I tillegg til endringer i nevronal aktivitet, finnes det mange rapporter om synaptisk plastisitet indusert av akutte opiater. Som med kokain og andre misbrukte rusmidler, ble det funnet at en enkelt injeksjon av morfin økte forholdet mellom α-amino-3-hydroksy-5-metyl-4-isoksazolpropionsyre (AMPA) og N -metyl-D-asparaginsyre (NMDA) eksitatoriske postsynaptiske strømmer (EPSC) 24 timer etter administrering, i samsvar med langsiktig potensering (LTP) av glutamaterge synapser på DA-nevroner ( Saal et al. 2003 ). Nylig har det også blitt rapportert at akutt morfin induserer AMPAR-reseptor (AMPAR) omfordeling i VTA på en måte som ligner på kokain, nærmere bestemt en innsetting av GluA2-manglende AMPAR-er ( Brown et al. 2010 ). Brown et al. observerte en økt rektifiseringsindeks og økt cytoplasmisk GluA2 AMPAR som respons på akutt morfin, en effekt som gjenspeiles ved direkte stimulering av DA-nevroner i VTA ved bruk av selektiv kanalrhodposin 2-ekspresjon ( Brown et al. 2010 ), noe som direkte impliserer DA-aktivitet/signalering i VTA for glutamaterg regulering. Disse dataene er i samsvar med tidligere arbeid om at GluA1, men ikke GluA2, overekspresjon i VTA sensibiliserer dyr for morfins lokomotorisk aktiverende og givende atferd ( Carlezon et al. 1997 ).

Akutte opiater påvirker også plastisiteten ved GABAerge synapser i VTA. Høyfrekvent stimulering har vist seg å fremkalle LTP ved GABA-terminaler (LTP _GABA ) på VTA DA-nevroner, en effekt som er avhengig av aktivering av postsynaptiske NMDA-reseptorer (NMDAR) og frigjøring av nitrogenoksid (NO) som en retrograd budbringer fra DA-nevroner ( Nugent et al. 2007 ). NO øker deretter guanylylcyklase (GC)-aktiviteten i GABA-nevronet, noe som fører til økt GABA-frigjøring og LTP _GABA . En enkelt dose morfin hemmer LTP _GABA ved å avbryte NO-GC-proteinkinase G (PKG)-signalkaskaden, noe som forårsaker tap av normal hemmende kontroll (observert 2 og 24 timer etter injeksjon, men ikke 5 dager) ( Nugent et al. 2007 , 2009 ; Niehaus et al. 2010 ). Dermed gir forstyrrelse av LTP _GABA en annen mekanisme for akutte opiaters evne til å øke VTA DA-nevronal aktivitet.

Nylig har en annen form for VTA GABAergisk plastisitet blitt beskrevet: langvarig depresjon av GABAerge synapser på DA-nevroner (LTD _GABA ) ( Dacher og Nugent 2011a ). Ved bruk av lavfrekvent stimulering (LFS) ble en stabil LTD _GABA i DA-celler indusert som, i motsetning til LTP _GABA , ble uttrykt postsynaptisk og ikke var avhengig av NMDAR. Denne effekten var heller ikke avhengig av endocannabinoidsignalering, men ble blokkert av dopamin D2-reseptor (D2R)-antagonisten sulpirid. Interessant nok var en enkelt morfininjeksjon tilstrekkelig til å forhindre LFS-indusert LTD _GABA 24 timer etter administrering, noe som tyder på at morfin kan toveis regulere GABA-plastisitet i VTA ( Dacher og Nugent 2011a ).

Kronisk Opiat-Induced Synaptic Plasticity

Selv om de synaptiske endringene som oppstår med akutte opiater har blitt relativt godt karakterisert, har ikke de kroniske endringene blitt det. Til dags dato har få, om noen, studier undersøkt endringer i enten gluatamaterg eller GABAerg plastisitet som respons på kronisk opiatadministrasjon. Dette inkluderer mangel på kunnskap om hvorvidt det er forskjeller i passiv vs. aktiv legemiddeladministrasjon, en viktig faktor gitt det nyere arbeidet som viser at vedvarende LTP i VTA hos dyr som avstår fra selvadministrasjon av kokain (opptil 3 måneder) bare forekommer ved betinget kokaineksponering ( Chen et al. 2008 ).

Det er imidlertid kjent at kronisk morfin, i likhet med akutt morfin, øker DA-nevronal aktivitet. In vivo-registreringer etter kronisk morfin viser økninger i både basal avfyringshastighet og burst-aktivitet som går tilbake til baseline under seponering ( Georges et al. 2006 ). Dette står i kontrast til tidligere arbeid som observerte en vedvarende reduksjon i DA-aktivitet hos morfin-seponerte rotter ( Diana et al. 1995 , 1999 ). En potensiell årsak til disse forskjellene er administrasjonsmetoden som brukes. For eksempel brukte Georges et al.-studien et subkutant (sc) pelletparadigme med vedvarende frigivelse, som har vist seg å ha en mye annerledes farmakodynamisk profil enn det kronisk eskalerende doseparadigmet som ble brukt i de tidligere Diana et al.-studiene. Som tidligere rapportert ( Fischer et al. 2008 ), synker ikke morfinnivåene i blodet 24 timer etter den siste morfinpelleten, men holder seg relativt stabile med toppen (∼3000 ng/ml), mens den kroniske injeksjonsmodellen produserer en mye høyere topp (∼10 000 ng/ml) etter 1 time, med blodnivåer under 100 ng/ml etter 4 timer og ubetydelige etter 12 timer. Endringen i DA-avfyringshastighet indusert av seponering fra kronisk morfin, enten det er en tilbakevending til baseline eller en reduksjon under baseline, ser ut til å være avhengig av endringer i GABA-frigjøring. Seponering fra kronisk morfin øker GABA-hemmende postsynaptiske strømmer (IPSC) og GABA-frigjøring til VTA DA-nevroner ( Bonci og Williams 1997 ), en effekt som nylig har vist seg å være avhengig av resirkulering av MOR og av syklisk adenosin-5'-monofosfat (cAMP)-signalering ( Madhavan et al. 2010 ).

En annen potensiell bidragsyter til forskjeller mellom studiene er heterogeniteten til VTA sammenlignet med LC (som beskrevet nedenfor). Ikke bare er det kompleksiteten til flere celletyper (primært GABA vs. DA), men fordelingen av celletyper varierer også langs den rostral-kaudale VTA-aksen ( fig. 2 ). Mer spesifikt er andelen DA- til GABA-nevroner mye høyere i rostrale VTA-subregioner (IFN, RL) sammenlignet med kaudale subregioner (PN, PIF) ( Nair-Roberts et al. 2008 ). Denne forskjellen har funksjonell relevans for morfininduserte atferdsendringer. Overekspresjon av HSV-GluA1 økte morfinbelønningsatferd ved injeksjon i rostral VTA, mens det induserte aversiv atferd i caudal VTA, en effekt som også ble observert på viral overekspresjon av cAMP-response-element binding protein (CREB) eller fosfolipase C gamma (PLCγ) ( Carlezon et al. 2000 ; Bolanos et al. 2003 ; Olson et al. 2005 ). Denne forskjellen kan også sees på molekylært nivå, som kronisk morfinindusert cAMP-response element (CRE)-mediert transkripsjon i DA-nevroner i rostral og caudal VTA, men ble bare observert i ikke-DA-nevroner i rostral VTA ( Olson et al. 2005 ). Ultrastrukturelle studier bekrefter slike rostral-kaudale forskjeller, og antyder den økte kompleksiteten i behandlingsregime og projeksjonsutgang. GluA1 ble økt i både tyrosinhydroksylase (TH)-positive (DAergiske) og TH-negative (sannsynligvis GABAerge) dendritter i den parabrachiale (PBP) VTA med en enkelt morfininjeksjon. I motsetning til dette var det med kronisk morfin en økning i GluA1 i den paranigrale (PN) VTA i tillegg til PBP-regionen ( Lane et al. 2008 ).

  

Se større versjon:  

• På denne siden
• I et nytt vindu
• Last ned som PowerPoint Slide

Figur 2. 

Cellulær og projeksjonskompleksitet innenfor VTA. Andelen DA (rød) til GABA (blå) nevroner varierer mellom VTA-subkjerner, med høyere DA:GABA-forhold observert i flere rostrale subregioner som rostral lineær kjerne (RL) sammenlignet med flere kaudale subkjerner som paranigral (PN) og parainterfascikulær (PIF) regioner. I tillegg er DA-nevronale projeksjoner forskjellige gjennom VTA med flere laterale regioner som parabrachial kjerne (PBP) som projiserer til NAc lateralt skall (Lat Sh), mens mediale regioner som PN har forskjellige projeksjoner, inkludert amygdala (AMY), prefrontal cortex (PFC), NAc-kjernen og NAc medialskall (Med Sh). Begrenset arbeid har undersøkt GABA-nevronale projeksjoner; det finnes noen bevis for at GABA-nevroner i rostral PBP har en sterk projeksjon til PFC, mens det er få rostrale PBP DA-nevroner som projiserer til PFC, men en stor kaudal DA PBP-projeksjon; Dette tyder på at PBP-PFC-projeksjonen ikke bare er definert regionalt, men også er spesifikk for den nevrale subtypen ( Lammel et al. 2008 ). (Celletall som brukes er fra Nair-Roberts et al. 2008 , og projeksjonene er fra retrograde merkingsstudier av Lammel et al. 2008. )

Forskjeller mellom VTA DA-nevroner, basert på deres utgangsregion, har vært av stor interesse i det siste, ettersom det nå er veletablert at de elektrofysiologiske egenskapene til DA-nevroner varierer etter projeksjon. VTA DA-nevroner som projiserer til NAc har en mye mindre I _h -strøm enn nevroner som projiserer til basolateral amygdala (BLA) ( Ford et al. 2006 ), og det er forskjeller i projeksjoner innenfor selve NAc, der DA-nevroner som projiserer til NAc lateralt skall viser mye høyere I _h -strøm enn DA-nevroner som projiserer til NAc medialskall ( Lammel et al. 2011 ). Aksjonspotensialvarigheten (AP) til DA-nevroner varierer også etter projeksjon, ettersom NAc-projiserende DA-nevroner har den lengste AP-varigheten, mens PFC-projiserende nevrons AP-varighet er kortere, og AMY-projiserende DA-nevroner har den korteste varigheten ( Margolis et al. 2008 ). Det er viktig å merke seg at responsiviteten på opiater også ser ut til å variere innenfor VTA avhengig av projeksjonstype: DA-nevroner som projiserer til NAc responderte mer på KOR-agonister enn BLA-projiserer nevroner, mens motsatt effekt ble observert for responsiviteten på en MOR/delta (DOR)-agonist, som hadde en større effekt på BLA-projiserer nevroner ( Ford et al. 2006 ). Dette oversattes også til presynaptisk medierte opiateffekter, ettersom en KOR-agonist forårsaket en større hemming av GABA _A IPSC-er i DA-nevroner som projiserer til BLA, mens det var en større KOR-agonistmediert hemming av GABA _B IPSC-er i nevroner som projiserer til NAc ( Ford et al. 2006 ). I tillegg har det nylig blitt observert at modulering av eksitatoriske synapser på DA-nevroner varierer avhengig av projeksjon ( Lammel et al. 2011 ). Lammel og kolleger (2011) fant at AMPA/NMDA-forholdet ble økt av kokain i DA-nevroner som projiserte til NAc, men ikke i DA-nevroner som projiserte til PFC. AMPA/NMDA-forholdet ble imidlertid økt i DA-celler som projiserte til PFC som respons på en aversiv stimulus (formalininjeksjon i bakpoten), en effekt som også ble observert i DA-nevroner som projiserte til NAc lateralt skall, men fraværende i DA-nevroner som projiserte til NAc medialt skall – noe som viser heterogenitet i respons innenfor underregioner av dette projeksjonsmålet ( Lammel et al. 2011 ). Disse studiene indikerer tydelig at en mer grundig forståelse av de synaptiske tilpasningene som skjer med både akutte og kroniske opiater, vil trenge å integrere informasjon om outputtet fra DA-nevronene som studeres. Utviklingen av nevron- og projeksjonsspesifikke teknikker vil bidra til å avklare disse problemstillingene ved å tillate spesifikk modulering i denne heterogene regionen.

Opiat-Induced Structural og Cellular Plasticity

Relevansen av legemiddelinducert strukturell plastisitet til synaptiske og atferdsendringer har blitt vurdert nylig (Russo et al. 2010). De fleste studier av strukturell plastisitet hittil har undersøkt endringer i ryggradsmorfologi eller dendritisk forgrening av nevroner i VTA-målregioner, men vårt laboratorium har undersøkt en annen strukturell tilpasning som respons på kronisk opiatadministrasjon, en forandring av VTA DA neuron soma størrelse. Vi oppdaget først at rotte VTA DA neuron overflatearealet reduserer ~25% som respons på kronisk, men ikke akutt, morfinadministrasjon (Sklair-Tavron et al. 1996). Denne effekten var spesifikk for DA-neuroner i VTA, da TH-negative celler (sannsynligvis GABAergic) ikke ble endret. I tillegg kan denne endringen blokkeres av systemisk naltrexon, noe som tyder på at MOR-signalering var nødvendig, og lokal hjerneavledet neurotrophisk faktor (BDNF) -infusjon i VTA forhindret også reduksjonen, noe som tyder på at redusert nevrotrofil signalering kan ligge til grund for den morfologiske forandringen. Det er viktig at denne reduksjonen i VTA DA neuron soma-størrelse observeres ved kronisk administrasjon av heroin og morfin (Russo et al. 2007), i passive og selvadministrerende protokoller (Spiga et al. 2003; Chu et al. 2007; Russo et al. 2007), og på tvers av arter, som vi nylig har preget denne effekten i mus og i postmortemvev fra menneskelige heroinmisbrukere (Mazei-Robison et al. 2011). Oppfølgingsstudier fant ingen tegn på VTA DA nevronal død eller skade (Sklair-Tavron et al. 1996; Russo et al. 2007) og at reduksjonen i cellestørrelse vedvarer i 14 dager etter kronisk morfinadministrasjon, men går tilbake til baseline etter 30-dager. Denne tidslinjen speiler belønningstoleransen (Russo et al. 2007), der gjentatt bruk av stoffet reduserer stoffets givende effekt og fører til en økning av stoffinntaket, sett hos mennesker (O'Brien 2001).

Gitt at BDNF kunne redde den kroniske morfininducerte strukturelle endringen, ønsket vi å undersøke om nedstrøms nevrotrofe signalveier medierte denne strukturelle plastisiteten. Selv om det er noen uenighet om hvorvidt BDNF-nivåene selv er endret i VTA som svar på kronisk opiatadministrasjon (Numan et al. 1998; Chu et al. 2007; Koo et al. 2010), har regulering blitt rapportert i de tre hovedsignalveiene nedstrøms fra BDNF: PLCγ, fosfatidylinositol 3'-kinase (PI3K) og mitogenaktivert proteinkinase (MAPK) (Russo et al. 2009). Kronisk morfin øker aktiviteten til PLCγ-banen (Wolf et al. 1999, 2007), reduserer aktiviteten av PI3K-banen, målt ved redusert insulinreseptor-substrat-2 (IRS2) og fosfat AKT nivåer (Wolf et al. 1999; Russo et al. 2007; Mazei-Robison et al. 2011), og øker MAPK-signalering, målt ved økt fosforylering og katalytisk aktivitet av ekstracellulær-relatert proteinkinase (ERK) (Ortiz et al. 1995; Berhow et al. 1996; Liu et al. 2007). Ved bruk av viral-mediert overekspresjon fant vi ut at det var den kroniske morfin-induserte forandringen i PI3K-signalering som bidrar til den morfologiske forandringen: Overekspresjon av en dominerende negativ IRS2 (IRS2dn) eller AKTdn var tilstrekkelig til å redusere VTA DA soma størrelse, mens overekspresjon av villtype IRS2 forhindret den morfininducerte reduksjon og overekspresjon av en konstitutivt aktiv AKT (AKTca) økt soma størrelse (Russo et al. 2007; Mazei-Robison et al. 2011). I motsetning til dette var overekspresjon av enten PLCγ eller ERK ikke tilstrekkelig til å endre VTA DA soma-størrelse (Russo et al. 2007). Det var viktig at overekspresjon av IRS2 også kunne forhindre morfinbelønningstoleranse, noe som innebar en rolle for strukturell plastisitet i atferdsrespons.

Vårt nylige arbeid tyder på at denne strukturelle endringen kan være nært knyttet til aktivitetsendringene indusert av kroniske opiater. I likhet med in vivo-studien av Georges et al. som er omtalt ovenfor, fant vi at VTA DA-avfyringshastigheten økte på samme tidspunkt som somastørrelsen reduseres hos mus eksponert for kronisk morfin ( Mazei-Robison et al. 2011 ).

Imidlertid fant vi at DA-utgang til NAc, målt ved in vivo syklisk voltammetri, faktisk reduseres, noe som tyder på en pause i normal aktivering og utgang i mesolimbic-belønningskretsen.

Vi karakteriserte dette resultatet videre og fant at IRS2dn-overekspresjon i VTA, som er tilstrekkelig til å redusere DA-somastørrelsen, reduserte DA-utgang til NAc og også reduserte uttrykket av flere K ⁺ -kanalsubenheter, på en måte som ligner på kronisk morfin.

I våre forsøk på å identifisere signalveiene nedstrøms fra IRS2/AKT som medierer de kroniske morfininduserte nevroadaptasjonene, gjorde vi den overraskende observasjonen at pattedyrs mål for rapamycin (mTOR) kompleks 1 (mTORC1)-signalering, en veletablert signalvei i cellulær vekst, faktisk ble økt av kronisk morfin. I kontrast observerte vi en reduksjon i mTOR kompleks 2 (mTORC2)-signalering, noe vi videre viste er både nødvendig og tilstrekkelig for morfininduserte endringer i somastørrelse og nevronaktivitet. Mer spesifikt fant vi at overekspresjon av rapamycin-ufølsom følgesvenn av mTOR (Rictor), et essensielt komponentprotein av mTORC2, var tilstrekkelig til å forhindre reduksjonen i somastørrelse og også forhindret økningen i DA-nevron-avfyringshastighet på en celle-autonom måte: bare DA-celler i VTA som overuttrykte Rictor hadde en svekket avfyringshastighet, mens nærliggende DA-celler fortsatt viste økningen. Dette antyder at signalendringer i DA-nevroner kan mediere endringer i eksitabilitet indusert av kroniske opiater, muligens ved å endre AKT-modulering av GABA _A- strømmer ( Krishnan et al. 2008 ) eller uttrykket av K ⁺ -kanaler ( Mazei-Robison et al. 2011 ) ( fig. 3 ). Som med IRS2-overuttrykk fant vi at endring av mTORC2-aktivitet korrelerte med morfinbelønningsatferd, ettersom redusert mTORC2-aktivitet reduserte morfinbetinget stedspreferanse (CPP), mens økning av mTORC2-aktivitet var tilstrekkelig til å indusere CPP til en lav dose morfin som ikke induserer stedsbetinging hos kontrolldyr.

  

Se større versjon:  

• På denne siden
• I et nytt vindu
• Last ned som PowerPoint Slide

Figur 3. 

Kronisk morfin reduserer VTA DA-somastørrelsen, men øker neuronal eksitabilitet, mens DA-overføringen til NAc reduseres. Nettoeffekten av morfin er en mindre responsiv belønningsvei, dvs. belønningstoleranse. Nedregulering av IRS2-AKT-signalering (blå) i VTA medierer effektene av kronisk morfin på somastørrelse og elektrisk eksitabilitet; effekten på eksitabilitet medieres via reduserte GABA _A- strømmer og undertrykkelse av K ⁺ -kanaluttrykk. Morfinindusert nedregulering av mTORC2-aktivitet i VTA er avgjørende for disse morfininduserte morfologiske og fysiologiske tilpasningene, så vel som for belønningstoleranse. I motsetning til mTORC2 øker kronisk morfin mTORC1-aktiviteten (rød), noe som ikke ser ut til å direkte påvirke disse morfininduserte tilpasningene. Kronisk morfin reduserer også DA-utgang til NAc, samt reduserer dendrittisk forgrening og antall dendrittiske pigger på mellomstore piggete GABA-nevroner i NAc, noe som ytterligere undertrykker normal DA-signalering i den mesolimbiske kretsen.

Det er usannsynlig at endring i somastørrelse er den eneste strukturelle tilpasningen indusert av kroniske opiater i VTA. Gitt det reduserte antallet dendrittiske ryggradsceller og dendrittiske kompleksiteten i forgreningen av NAc-medium piggete nevroner hos rotter som tidligere har vært eksponert for kronisk morfin ( Robinson og Kolb 1999 ; Robinson et al. 2002 ), forventer vi at dendrittiske endringer også forekommer i VTA DA-nevroner. Nåværende studier pågår for å karakterisere endringer i ryggradens morfologi, et stort gap i feltet, ettersom bare én studie til dags dato har undersøkt medikamentinduserte endringer i VTA-dendrittisk arkitektur. Denne studien fant en økning i dendrittisk ryggradstetthet i én subtype av VTA-nevron som respons på en akutt kokaininjeksjon, den samme subtypen som har vist seg å vise økt NMDA/AMPA-forhold ( Sarti et al. 2007 ). Data fra vårt tidligere arbeid, at lengden på VTA DA-prosesser er redusert (∼30 %) hos rotter behandlet med kronisk morfin ( Sklair-Tavron et al. 1996 ), er i samsvar med globale endringer i VTA DA-arkitektur. Denne endringen kan også bidra til å forklare nedgangen i DA-utgang til NAc etter kronisk morfin, ettersom vi tidligere har rapportert redusert aksonal transport og nivåer av nevrofilamentproteiner i VTA ( Beitner-Johnson et al. 1992 , 1993 ), noe som tyder på at kronisk morfin også påvirker aksonal struktur og funksjon. Gitt den regionale og projeksjonskompleksiteten i VTA DA-nevroner nevnt ovenfor, undersøker vi for tiden om disse strukturelle endringene er indusert i en bestemt delmengde av VTA DA-nevroner ved hjelp av fluorescerende retrograde tracere. Disse dataene vil være avgjørende for å forstå de strukturelle og elektrofysiologiske endringene indusert av kroniske opiater og de relevante utgangskretsene som er involvert.

Som tidligere nevnt har flere studier, både molekylære og elektrofysiologiske, gitt bevis for at kronisk opiatadministrasjon aktiverer cAMP-CREB-signalveien i VTA ( Bonci og Williams 1997 ; Olson et al. 2005 ; Madhavan et al. 2010 ). En mikroarray-studie definerte også de globale endringene i genuttrykk som forekommer i VTA som respons på kronisk morfin ( McClung et al. 2005 ). Det er nå behov for arbeid for å bedre definere den cellulære spesifisiteten til disse nevroadaptasjonene, samt avgrense deres funksjonelle konsekvenser. Dessuten, mens mesteparten av arbeidet med VTA har fokusert på opiatinduserte nevroadaptasjoner som antas å forekomme i DA-nevroner, er det viktig å utforske medikamentindusert plastisitet som forekommer i VTAs GABAerge nevroner, som er et av de viktigste innledende målene for opiatvirkning i denne hjerneregionen.

Bakgrunn

LC er hovedstedet for noradrenalin (NE)-holdige nevroner i hjernen ( Dahlstrom og Fuxe 1965 ). Som tidligere gjennomgått ( Aston-Jones og Bloom 1981a ; Aston-Jones et al. 1991b ; Berridge og Waterhouse 2003 ; Van Bockstaele et al. 2010 ), er LC en diskret, kompakt, homogen kjerne, som nesten utelukkende består av NE-nevroner. De viktigste inngangene til LC kommer fra medullær nucleus paragigantocellularis (PGi) og nucleus prepositus hypoglossus, og LC-utganger er utbredt, inkludert forhjernen, lillehjernen, hjernestammen og ryggmargen ( fig. 1 ) ( Berridge og Waterhouse 2003 ). LC-nevronal aktivitet er svært synkron både basalt og som respons på stimuli ( Foote et al. 1980 ; Aston-Jones og Bloom 1981b ; Aston-Jones et al. 1991a ; Ishimatsu og Williams 1996 ). LC-nevroner er spontant aktive ( Williams et al. 1991 ), og aktiveringen av dem fremkaller NE-frigjøring i flere områder i forhjernen, inkludert cortex og hippocampus. LC fungerer i stor grad som en relékjerne, med begrenset synaptisk plastisitet observert til dags dato, selv om glutamat-afferenter kontrollerer LC-aktivitet, spesielt fra PGi ( Ennis et al. 1992 ). LC-nevroner uttrykker de tre hovedklassene av opioidreseptorer: MOR, DOR og KOR med distinkt fordeling, selv om diskusjonen vår, som med VTA, er begrenset til MOR, som er mest direkte involvert i opiatavhengighet og -avhengighet.

Opiat-Induced Cellular Plasticity

Selv om det ikke er tegn på tradisjonell synaptisk plastisitet (dvs. LTP og LTD) i LC, er det godt beskrevet cellulær plastisitet. Et unikt trekk ved LC er at mange av dets in vivo-responser på kroniske opiater kan rekapituleres og studeres på enkeltcellens nivå (Nestler et al. 1994; Nestler og Aghajanian 1997; Nestler 2004). Binding av opiater (f.eks. Morfin) til MOR fører til redusert adenylylcyklase (AC) aktivitet og cAMP signalering (Duman et al. 1988). Akutt binding av opiater til MOR reduserer også pacemakeraktiviteten til LC-neuroner, i stor grad ved å aktivere G-protein-gated innadrettetende K⁺ (GIRK) kanaler (Williams et al. 1982; Torrecilla et al. 2002). Ved kronisk opiatadministrasjon går imidlertid både avfyringshastigheten og cAMP-signalering tilbake til baseline på grunn av en oppregulering av cAMP-banen, som illustrerer toleranse (Aghajanian 1978; Duman et al. 1988; Nestler og Tallman 1988; Guitart og Nestler 1989; Kogan et al. 1992; Ivanov og Aston-Jones 2001). Denne plastisitet indusert ved kronisk opiatadministrasjon (dvs. oppadregulering av cAMP-pathway) blir funksjonelt synlig ved opptak av opiatet, når avfyringshastigheten for LC-neuroner økes betydelig sammen med en stor økning i cAMP-aktivitet, som illustrerer avhengighet og tilbaketrekning (Fig. 4) (Aghajanian 1978; Rasmussen et al. 1990).

  

Se større versjon:  

• På denne siden
• I et nytt vindu
• Last ned som PowerPoint Slide

Figur 4.  

Oppregulering av cAMP-signalveien i LC som en mekanisme for opiattoleranse og -avhengighet. Øverste panel, opiater hemmer akutt den funksjonelle aktiviteten til cAMP-signalveien (indikert av cellulære nivåer av cAMP og cAMP-avhengig proteinfosforylering). Ved fortsatt opiateksponering gjenopprettes den funksjonelle aktiviteten til cAMP-signalveien gradvis, og øker langt over kontrollnivåene etter fjerning av opiatet (f.eks. ved administrering av opioidreseptorantagonisten nalokson). Disse endringene i den funksjonelle tilstanden til cAMP-signalveien medieres via induksjon av adenylylsyklaser (AC) og proteinkinase A (PKA) som respons på kronisk administrering av opiater. Induksjon av disse enzymene står for den gradvise gjenopprettingen av den funksjonelle aktiviteten til cAMP-signalveien som oppstår under kronisk opiateksponering (toleranse og avhengighet) og aktivering av cAMP-signalveien observert ved fjerning av opiat (abstinens). Bunnpanelet viser at opiater akutt hemmer LC-nevroner ved å øke konduktansen til en innadrettet K ⁺ -kanal via kobling med undertyper av G _i/o , og muligens ved å redusere en Na ⁺ -avhengig innadgående strøm via kobling med G _i/o og den påfølgende hemmingen av AC, reduserte nivåer av PKA-aktivitet og redusert fosforylering av kanalen eller pumpen som er ansvarlig. Hemming av cAMP-banen reduserer også fosforyleringen av mange andre proteiner og påvirker dermed en rekke andre nevrale prosesser. For eksempel reduserer det fosforyleringstilstanden til cAMP-responselementbindende protein (CREB), som initierer noen av de langsiktige endringene i LC-funksjonen. Kronisk administrering av morfin øker nivåene av ACI, ACVIII, PKA katalytiske (kat.) og regulatoriske underenheter, og flere fosfoproteiner, inkludert CREB og tyrosinhydroksylase (TH) (indikert med røde piler). Disse endringene bidrar til den endrede fenotypen av den rusavhengige tilstanden. For eksempel økes den iboende eksitabiliteten til LC-nevroner av økt aktivitet i cAMP-signalveien og Na ⁺ -avhengig innstrøm, noe som bidrar til toleransen, avhengigheten og tilbaketrekningen som disse nevronene viser. Oppregulering av ACVIII og TH medieres via CREB, mens oppregulering av ACI og PKA-underenhetene ser ut til å skje via en uidentifisert, CREB-uavhengig mekanisme.

Disse tilpasningene medieres via oppregulering av flere signalproteiner i cAMP-banen, inkludert AC1 / 8 (Matsuoka et al. 1994; Lane-Ladd et al. 1997; Zachariou et al. 2008), cAMP-avhengig proteinkinase (PKA) (Nestler og Tallman 1988), CREB (Guitart et al. 1992; Shaw-Lutchman et al. 2002; Han et al. 2006), og TH og BDNF-begge nedstrøms CREB mål (Guitart et al. 1989; Akbarian et al. 2002). Kroniske opiater induserer også GIRK2 / 3-ekspresjon i LC (Cruz et al. 2008) samt mange andre gener som avslørt ved mikroarray analyse (McClung et al. 2005). Videre har det nylig blitt vist, ved hjelp av en LC-skjærekulturmodell, at den økte innebygde elektriske aktiviteten til LC-neuroner indusert av kroniske opiater skyldes den direkte aktivering av MOR på LC NE-neuroner, hvilket indikerer en egen hjemmeostatisk tilpasning (Cao et al. 2010). Denne tilnærmingen identifiserte en avgjørende rolle for CREB i både pacemakeraktiviteten og morfininducert økning i LC-avfyringshastigheten (Han et al. 2006; Cao et al. 2010), en effekt som også ble observert hos mus med en tidlig utviklingsmessig knockout av CREB spesifikk for NE-neuroner (Parlato et al. 2010). Endelig har denne aktiveringen av LC-neuronavfyring og den oppregulerte cAMP-CREB-banen, som medierer økt avfyring, vist seg i mange studier for å være både nødvendig og tilstrekkelig til å mediere flere symptomer på fysisk opiatuttak (Lane-Ladd et al. 1997; Punch et al. 1997; Han et al. 2006).

Selv om mesteparten av den opiatinduserte plastisiteten som er beskrevet her antas å være iboende i LC NE-nevroner, finnes det noe bevis for at kronisk morfin også kan påvirke eksitatorisk input til LC, ettersom det er en økning i spontan EPSC-frekvens i snitt fra morfinbehandlede mus ( Torrecilla et al. 2008 ). I tillegg er det en økning i glutamat- og aspartatfrigjøring i LC in vivo hos morfinabstinente rotter, og lokal påføring av eksitatoriske aminosyreantagonister i LC blokkerer delvis den abstinensinduserte økningen i LC-aktivitet ( Akaoka og Aston-Jones 1991 ; Aghajanian et al. 1994 ).

Det er fortsatt en del uenighet om hvorvidt endringene i cAMP-CREB-signalering i LC-nevroner og i LC-nevronal aktivitet medierer opiatabstinenser. For eksempel klarer ikke lesjoner i LC, eller utviklingsmessig knockout av CREB-aktivitet i LC NE-nevroner, å endre abstinenssymptomer påviselig ( Christie et al. 1997 ; Parlato et al. 2010 ). I motsetning til dette har vi vist at modulering av aktiviteten til cAMP-signalveien eller CREB i LC hos voksne dyr konsekvent blokkerer flere abstinenser ( Lane-Ladd et al. 1997 ; Punch et al. 1997 ; Han et al. 2006 ). Vi tror at flere viktige hensyn forklarer disse forskjellige funnene. For det første er LC bare ett av flere hjerneområder som er viktige for fysisk opiatavhengighet og abstinenser ( Koob og Le Moal 2001 ). Det er ikke overraskende at dyr med lesjonerte LC-er fortsatt utvikler dyp fysisk avhengighet mediert av økt avhengighet av disse andre nevrale substratene. For det andre er det svært sannsynlig at noen av verktøyene som brukes til å manipulere cAMP-signalveiaktivitet i LC (f.eks. lokal infusjon av PKA-aktivatorer eller -hemmere) påvirker glutamaterge afferenter i denne regionen, som også ser ut til å vise plastiske endringer (inkludert oppregulering av cAMP-signalveien) etter kronisk morfin ( Nestler 1992 ; Christie et al. 1997 ). For det tredje, til tross for en sannsynlig rolle for disse glutamaterge afferentene, er det ingen tvil om at plastisitet som er iboende i LC NE-nevroner også er involvert, fordi lokal knockout av CREB fra den voksne LC (som ikke kan påvirke afferente nerveterminaler) blokkerer den morfininduserte økte eksitabiliteten til LC NE-nevroner og demper abstinens ( Cao et al. 2010 ; V Zachariou og EJ Nestler, upubl.). Mangelen på effekt av CREB-knockout fra disse nevronene hos mus med betinget knockout ( Parlato et al. 2010 ) fremhever de utviklingsmessige kompensasjonene som kompliserer bruken av tidlige knockout-modeller og understreker viktigheten av å bruke genmanipulasjoner i den fullt differensierte voksne hjernen når man studerer voksen plastisitet.

Dermed etablerer en mengde eksperimentelle bevis oppregulering av cAMP-CREB-signalveien som en mekanisme for iboende homeostatisk plastisitet i LC NE-nevroner i utviklingen av fysisk opiatavhengighet. Det er også viktig å understreke den historiske betydningen av dette arbeidet på LC, ettersom det fungerte som et modellsystem for opiaters langsiktige virkninger på hjernen: basert på disse tidligere undersøkelsene av LC, har oppregulering av cAMP-CREB-signalveien siden vist seg å være en vanlig mekanisme for opiattoleranse, avhengighet og abstinenser i en rekke regioner i det sentrale og perifere nervesystemet, og representerer faktisk en av de best etablerte modellene for det molekylære grunnlaget for rusavhengighet ( Nestler 2001 , 2004 ).