Trendy Neurosci. Rękopis autora; dostępne w PMC 2011 June 1. Opublikowane w ostatecznej formie edytowanej jako:
Trendy Neurosci. 2010 Czerwiec; 33(6): 267-276.
Opublikowane online 2010 March 5. doi: 10.1016 / j.tins.2010.02.002
Scott J. Russo,1,* David M. Dietz,1 Dani Dumitriu,1 Robert C. Malenka,2 i Eric J. Nestler1
Abstrakcyjny
Leki uzależniające powodują trwałą restrukturyzację kilku typów komórek nerwowych w regionach limbicznych mózgu, które są uważane za odpowiedzialne za długoterminowe uzależnienie od zachowania plastyczności. Chociaż te zmiany strukturalne są dobrze udokumentowane w jądrze półleżącym średnich kolczastych neuronów, niewiele wiadomo na temat podstawowych mechanizmów molekularnych. Ponadto pozostaje niejasne, czy plastyczność strukturalna i jej synaptyczne czynniki towarzyszące napędzają zachowania uzależniające, czy też odzwierciedlają homeostatyczne kompensacje leku niezwiązane z uzależnieniem per se. Tutaj omawiamy ostatnie dane paradoksalne, które albo wspierają, albo przeciwstawiają się hipotezie, że wywołane przez leki zmiany w kolcach dendrytycznych napędzają zachowania uzależniające. Definiujemy obszary, w których przyszłe badania mogą dostarczyć bardziej szczegółowy obraz indukowanej lekami reorganizacji synaptycznej, w tym badania ultrastrukturalne, elektrofizjologiczne i behawioralne.
Wprowadzenie
Uzależnienie od narkotyków charakteryzuje się długotrwałymi zmianami w zachowaniu, takimi jak głód i nawrót. Z tymi stabilnymi zaburzeniami behawioralnymi wiąże się trwała restrukturyzacja wielu typów komórek nerwowych w limbicznych obszarach mózgu. Zaobserwowano dwa ogólne rodzaje plastyczności strukturalnej: zmiany wielkości ciał komórkowych [1] i zmiany w arborizacjach dendrytycznych lub morfologii kręgosłupa [2]. W odniesieniu do tego ostatniego, w zależności od klasy substancji uzależniającej, charakteru paradygmatu podawania leku (np. Eksperymentatora w porównaniu z samodzielnym podawaniem) i badanego typu komórek nerwowych, leki nadużywające mogą zmieniać złożoność rozgałęzień dendrytycznych, jak również liczba i rozmiar kolców dendrytycznych na neuronach w kilku regionach mózgu (Tabela 1). Korelacyjne dowody sugerują, że pewne zmiany morfologiczne są ważnymi mediatorami zachowań uzależniających. Na przykład, morfina i kokaina zmieniają gęstość kolców dendrytycznych na średnich neuronach kolczastych (MSN) w jądrze półleżącym (NAc), kluczowym regionie nagrody mózgowej, w większym stopniu u zwierząt, które samodzielnie podają lek, w porównaniu ze zwierzętami, którym podano lek badacz, sugerując, że wola może być ważna dla kluczowych aspektów plastyczności (recenzja w [3]). Ponadto indukowane kokainą zmiany w strukturze dendrytycznej NAc są ściśle skorelowane z indukcją uczulenia behawioralnego [4]: dawki i schematy podawania leków, które wywołują uczulenie, niezawodnie zwiększają kolce dendrytyczne i rozgałęzienia. Jednak pomimo tych dowodów, znaczenie behawioralne plastyczności strukturalnej jest nadal niepewne. Kilka ostatnich badań z wykorzystaniem transferu genów za pośrednictwem wirusów i innych metod w celu lepszego zrozumienia istotności behawioralnej i podstaw molekularnych wywołanych kokainą zmian w strukturze dendrytycznej MSN przyniosło sprzeczne wyniki, z dwoma rękopisami potwierdzającymi hipotezę, że indukowany kokainą wzrost kręgosłupa dendrytycznego gęstość pośredniczy w sensytyzacji behawioralnej, a dwie inne diametralnie przeciwstawiają się jej5-8]. W tym przeglądzie omawiamy aktualne paradoksalne dane eksperymentalne i formułujemy obszary do przyszłych badań. Wyszczególniamy kluczowe tematy, począwszy od rodzajów plastyczności synaptycznej indukowanej przez leki nadużywające i szlaki sygnalizacyjne, które pośredniczą w plastyczności strukturalnej indukowanej lekami, i przechodząc do bardziej szczegółowych dyskusji na temat morfometrii kręgosłupa i funkcjonalnej roli reorganizacji aktyny w uzależnieniu.
Plastyczność strukturalna wywołana przez narkotyki opiatowe i stymulujące
Indukowana przez leki strukturalna plastyczność dendrytów została po raz pierwszy opisana w 1997 (recenzja w [3, 9, 10]). Od tego czasu liczne laboratoria wykazały, że przewlekłe podawanie prawie każdego narkotyku wywołuje strukturalną plastyczność obwodów nagrody w mózgu. Badania te korelują również zmiany strukturalne w określonych regionach mózgu z fenotypami behawioralnymi związanymi z uzależnieniem. Od czasu oryginalnych raportów Robinsona i współpracowników (recenzja w [3]), wielu badaczy dodało do tej rosnącej literatury i odkryło bardziej subtelny i specyficzny dla klasy leków wpływ na morfologię neuronów. Na przykład opiaty i stymulanty regulują plastyczność strukturalną w przeciwnym kierunku. Opiaty zmniejszają liczbę i złożoność kolców dendrytycznych w NAc MSN, przyśrodkowej korze przedczołowej (mPFC) i neuronach piramidalnych hipokampa, a także zmniejszają wielkość somy neuronów dopaminergicznych brzusznej strefy nakrywkowej (VTA) [1, 3, 11, 12]. Do tej pory istnieje jeden wyjątek od tych ustaleń: przewlekła morfina zwiększa liczbę kręgosłupa w neuronach piramidalnych kory oczodołowo-czołowej (oPFC) [13]. W przeciwieństwie do opiatów, stymulantów, takich jak kokaina, amfetamina i metylofenidat, konsekwentnie zwiększają złożoność dendrytyczną i gęstość kręgosłupa MSNs NAc, neuronów dopaminergicznych VTA i neuronów piramidalnych mPFC [2, 8, 14-17]. Z perspektywy behawioralnej morfina zmniejsza gęstość kręgosłupa i złożoność dendrytyczną niezależnie od tego, czy jest podawana w sposób ciągły, aby wytworzyć tolerancję i zależność, czy nieregularnie, aby zmaksymalizować uczulenie, podczas gdy paradygmaty stymulujące, które zwiększają gęstość i złożoność kręgosłupa, wszystkie raz do kilku razy dziennie przerywane zastrzyki lek wywołujący uczulenie na lek [3, 9].
Przeciwne zmiany morfologiczne wywołane w regionach nagradzania mózgu przez opiaty w porównaniu ze środkami pobudzającymi są paradoksalne, ponieważ oba leki powodują bardzo podobne fenotypy behawioralne. Opiaty i stymulanty indukują zarówno aktywację lokomotoryczną, jak i lokomotoryczną, a także chronicznie uwrażliwiają na uczulenie [9]. Oba te czynniki wywołują podobne wzorce eskalacji samopodawania leku, jak również negatywny stan emocjonalny (dysforia) podczas wycofania [18]. Tak więc, jeśli przeciwne zmiany morfologiczne wywołane przez opiaty i stymulanty są ważnymi mediatorami uzależnienia, albo muszą mieć właściwości dwukierunkowe, dzięki czemu zmiana od linii podstawowej w obu kierunkach daje ten sam fenotyp behawioralny, albo istnieją kluczowe informacje dotyczące funkcji synaptycznej, które nie są wychwytywane przez pomiar dużych zmian gęstości kręgosłupa dendrytycznego, ponieważ może to zostać skompensowane przez zmianę siły synaptycznej utrzymującą całkowity wkład synaptyczny na stałą neuronu [19]. Na przykład alkohol zmniejsza złożoność i gęstość neuronów, konsolidując wcześniej istniejące synapsy [20], i może się zdarzyć, że opiaty i stymulanty wywołują podobny wpływ na wielkość gęstości postsynaptycznej (PSD), co prowadzi do tej samej zmiany netto skuteczności synaptycznej. Nie jest również jasne, czy przewlekłe narażenie na opiaty lub stymulanty prowadzi do podobnych zmian elektrofizjologicznych w synapsach NAc, jak można się spodziewać, biorąc pod uwagę wspólne cechy uzależnionego fenotypu. Wreszcie, powinniśmy rozważyć, że wywołana przez narkotyki zmiana liczby synaptycznej i skuteczności w jednym obszarze mózgu może spowodować wzmocnienie lub osłabienie połączeń z innymi obszarami mózgu i może prowadzić do odmiennych aspektów zachowań uzależniających [21-23].
Neurofizjologiczne znaczenie plastyczności strukturalnej wywołanej lekami
Podstawowe badania dotyczące znaczenia zmian dendrytycznych w hipokampie i korze mózgowej wskazują, że wielkość i kształt poszczególnych kolców korelują z formami plastyczności synaptycznej, takimi jak długotrwałe wzmocnienie (LTP) i długotrwała depresja (LTD) [24, 25]. Uważa się, że stabilizacja przejściowego, niedojrzałego kręgosłupa w bardziej trwały, funkcjonalny kręgosłup następuje poprzez mechanizm zależny od aktywności (omówiony w [26]). Protokoły stymulacji, które indukują LTD są związane z kurczeniem się lub cofaniem kolców [27-29], podczas gdy indukcja LTP jest związana z tworzeniem nowych kolców i powiększaniem istniejących kolców [27, 28, 30]. Na poziomie molekularnym uważa się, że LTP i LTD inicjują zmiany w szlakach sygnałowych oraz w syntezie i lokalizacji białek cytoszkieletowych, które zmieniają polimeryzację aktyny, wpływając na dojrzewanie i stabilność kręgosłupa, które albo zakotwiczają, albo internalizują α-amino-3 -hydroksylo-5-metylo-4-izoksazol-propionian (AMPA) receptory glutaminianu do wytwarzania bardziej funkcjonalnego kręgosłupa (LTP) lub wycofania istniejącego kręgosłupa (LTD) [24, 26]. Po stabilizacji kolce stają się w kształcie grzybów, mają większe gęstości postsynaptyczne [31], wykazują zwiększoną ekspresję powierzchniową receptorów AMPA i utrzymują się przez miesiące [29, 32]. Zmiany te odzwierciedlają wysoce stabilne zdarzenie komórkowe, które może być wiarygodnym wyjaśnieniem pewnych długoterminowych zmian behawioralnych związanych z uzależnieniem.
Ostatnie prace w modelach uzależnień rzeczywiście pokazały funkcjonalne zmiany w MSNs NAc, które są wysoce zależne od czasu i płynne podczas procesu uzależnienia (Rysunek 1). We wczesnych punktach czasowych po ostatniej ekspozycji na kokainę obserwuje się wzrost cienkich (bardziej plastycznych) kolców i depresji synaptycznej [33, 34], które mogą stanowić zwiększoną pulę cichych synaps [35, 36]. Ciche synapsy zawierają receptory glutaminianu N-metylo-D-asparaginianu (NMDA), ale niewiele receptorów AMPA lub nie zawierają ich wcale, wyrażają względnie stabilne pobudzające prądy postsynaptyczne za pośrednictwem receptora NMDA i są idealnymi substratami dla LTP [36, 37]. Krótko po leczeniu kokainą takie ciche synapsy w NAc wydają się wyrażać zwiększony udział receptorów NMDA zawierających NR2B [35], stwierdzenie zgodne z tymi synapsami, które są dość nowe i niedojrzałe [38, 39]. Podczas wycofywania kokainy, te niedawno uformowane kolce wydają się być bardzo przejściowe i mogą się cofać lub konsolidować w kolce w kształcie grzybów [33], zdarzeniu, któremu towarzyszy wzrost ekspresji powierzchniowej receptorów AMPA pozbawionych GluR2 i wzmocnienie tych synaps glutaminergicznych [40-42]. (Brak receptorów AMPA GluR2 wykazuje większą Ca2+ i całkowita przewodność w porównaniu z receptorami AMPA zawierającymi GluR2.) Zachowawczo, inkubacja głodu kokainowego jest widoczna podczas odstawiania kokainy z samopodawania; charakteryzuje się stopniowym i postępującym wzrostem poszukiwania kokainy i podatnością na nawrót, co może wymagać tych zmian w stechiometrii synaptycznych receptorów AMPA [42, 43]. Jednak badania behawioralne z wykorzystaniem transferu genów za pośrednictwem wirusów pokazują, że nadekspresja podjednostki AMPA GluR1 paradoksalnie zmniejsza uczulenie behawioralne na kokainę, podkreślając potrzebę dalszych badań w tej dziedzinie [44]. Dodatkowe dowody wskazują, że ponowna ekspozycja na kokainę po dniach odstawienia 14 lub 30 powoduje zmniejszenie średnicy głowy kręgosłupa [33], zmniejszona ekspresja powierzchniowa receptorów AMPA [40] i obniżenie siły w tych synapsach [45]. Podczas tych przejściowych zmian w strukturze i składzie synaps, występują również istotne zmiany w aktywności białek sygnałowych RhoGTPazy wymaganych do polimeryzacji aktyny, efekt, który może być odpowiedzialny za restrukturyzację kręgosłupa [46]. Dane te wskazują na złożoną interakcję między strukturą głowy kręgosłupa, właściwościami elektrofizjologicznymi MSNs NAc i zachowaniami związanymi z uzależnieniem. Biorąc pod uwagę, że wiele białek synaptycznych może regulować te zdarzenia, ważne będzie określenie precyzyjnych sieci molekularnych zaangażowanych w ich regulację.
Mechanizmy plastyczności strukturalnej wywołanej opiatami i stymulantami
Jak już wspomniano, funkcjonalne znaczenie plastyczności strukturalnej w modelach uzależnień jest skomplikowane, ponieważ morfina i kokaina mają przeciwny wpływ na gęstość kręgosłupa MSN. Co więcej, niewiele jest bezpośrednich badań dotyczących dalszych działań leków w celu wyjaśnienia tej dychotomii w plastyczności strukturalnej. Chociaż istnieje kilka badań mikromacierzy na dużą skalę badających zmiany w ekspresji genów po podaniu psychostymulantów, istnieje stosunkowo niewielka liczba takich informacji dostępnych dla opiatów. Co więcej, badania zmian ekspresji genów w odpowiedzi na morfinę lub kokainę wykorzystywały bardzo rozbieżne punkty czasowe, schematy i dawki, uniemożliwiając bezpośrednie porównania. Pomimo tych ograniczeń jasne jest, że opiaty i leki pobudzające regulują liczne geny kodujące białka regulatorowe cytoszkieletu. Na przykład w NAc morfina zmniejsza Homera 1 i PSD95 [47], białka rusztowania związane z cytoszkieletem postsynaptycznym. Co ciekawe, kokaina podobnie zmniejsza te białka w NAc [48-51]. Dodatkowo morfina zmniejsza RhoA, Rac1 i Cdc42, małe GTPazy, które regulują cytoszkielet aktyny (patrz poniżej) [47]. Aktywność tych GTPaz i ich docelowych celów jest również zmniejszona przez kokainę [52]. Badania te nie miały na celu bezpośredniego porównania regulacji morfiny i kokainy genów związanych z budową, jednak stwierdzono, że oba leki wywołują wiele podobnych zmian pomimo przeciwstawnej regulacji kolców dendrytycznych MSNs NAc. Sugeruje to, że regulacja tego szlaku może służyć jako inicjator plastyczności; nie wyjaśnia jednak dychotomii między plastycznością strukturalną wywołaną opiatami i stymulantami.
Fakt, że opiaty i stymulanty podobnie indukują wiele genów regulatorowych cytoszkieletu, można przypisać ich aktywacji podobnych regulatorów transkrypcji, w tym czynników transkrypcyjnych, ΔFosB i białka wiążącego element odpowiedzi cyklicznego AMP (CREB), w NAc [53-56] (Rysunek 2). ΔFosB jest indukowany w NAc przez praktycznie wszystkie klasy nadużywanych leków [57] i wzmacnia nagradzające efekty zarówno morfiny, jak i kokainy [58, 59]. ΔFosB wydaje się odpowiadać w przybliżeniu za 25% wszystkich genów regulowanych w NAc przez przewlekłą kokainę, w tym kilka genów związanych z plastycznością synaptyczną, takich jak kofilina, białko 4 związane z aktyną (ARP4) i białko cytoszkieletowe regulowane aktywnością (Arc)58, 60]. Ponadto ΔFosB jest zarówno konieczne, jak i wystarczające dla wywołanych kokainą zmian gęstości dendrytycznej kręgosłupa [7]. Jednakże, jeśli zarówno morfina jak i kokaina indukują ΔFosB, a ΔFosB jest kluczowym mediatorem zwiększonej spinogenezy, dlaczego chroniczna morfina zmniejsza gęstość kręgosłupa MSN? Jedną z możliwości jest to, że ΔFosB reguluje częściowo różne podzbiory genów w kontekście podawania morfiny w porównaniu z kokainą, w zależności od innych zmian transkrypcyjnych, lub że morfina indukuje inne adaptacje w neuronach NAc, które zastępują sygnał ΔFosB, który sam stymuluje spinogenezę. Potrzebne są dalsze badania, aby rozwiązać te i alternatywne wyjaśnienia.
W przeciwieństwie do ΔFosB, rola CREB w plastyczności strukturalnej wywołanej lekami jest znacznie bardziej hipotetyczna. Pomimo dowodów, że indukcja CREB w NAc pośredniczy w tolerancji i uzależnieniu od nagrody za morfinę i kokainę (recenzja w [61]), niewiele jest danych do zbadania, czy CREB pośredniczy w zmianach strukturalnych po ekspozycji na narkotyki. W kilku innych obszarach mózgu CREB indukuje spinogenezę [37, 62, 63], efekty prawdopodobnie mediowane przez cele transkrypcyjne, takie jak czynnik wzmacniający miocyt 2C (MEF2C) i czynnik neurotroficzny pochodzenia mózgowego (BDNF), z których oba są również zaangażowane w plastyczność związaną z uzależnieniem [5, 64, 65]. CREB może również pośredniczyć w plastyczności poprzez indukcję mikroRNA, mir132, który, jak wykazano ostatnio, indukuje wzrost neurytów w neuronach hipokampowych w hodowli, częściowo poprzez zmniejszenie poziomów GTPazy p250GAP [66]. Biorąc pod uwagę dużą ilość dowodów wskazujących na rolę CREB w plastyczności strukturalnej w innych obwodach nerwowych, bezpośrednie badanie roli CREB w pośredniczeniu w plastyczności strukturalnej leku w NAc jest najwyższym priorytetem dla przyszłych badań. Również tutaj istnieje paradoks, że zarówno opiaty, jak i stymulanty indukują aktywność CREB w NAc, jednocześnie wywołując przeciwne skutki dla struktury dendrytycznej.
Mechanizmy molekularne pośredniczące w indukowanej kokainą plastyczności strukturalnej
1. Ścieżki sygnałowe RhoGTPazy regulują plastyczność strukturalną
Zmiany strukturalne w cytoszkieletie aktynowym są w dużej mierze regulowane przez rodzinę małych GTPaz, mianowicie Rho, cykl podziału komórek 42 (Cdc42), Ras i Rac (patrz Rysunek 2). Te małe GTPazy są aktywowane przez guaninowe czynniki wymiany nukleotydów (GEF), takie jak czynnik uwalniający nukleotyd Ras-guaniny (RasGRF1 / 2), VAV, Kalirin 7 i Tiam1, z których wszystkie katalizują wymianę PKB na GTP [67-71]. GEF są same aktywowane przez liczne sygnały zewnątrzkomórkowe, w tym pochodzący z mózgu czynnik neurotroficzny (BDNF) poprzez mechanizm kinazy receptora tyrozynowego (TRKB), czynnik wzrostu nowotworu-B (TGF-B), białka adhezji komórek (integryny) i receptory glutaminianu NMDA poprzez wzrost Ca2+ i aktywacja Ca2+/ kinaza białkowa zależna od kalmoduliny II (CAMKII) [71-74]. Wiązanie GTP aktywuje te GTPazy, które następnie prowadzą do aktywacji dalszych regulatorów cytoszkieletu aktynowego, w tym kinazy domeny lim (LIMK), białek syndromu Wiskotta-Aldricha (WASP), ARP i rodziny verprolin WASP (WAVE) [75-77]. Jednak szczegółowe etapy molekularne, poprzez które te różne białka są regulowane przez sygnały zewnątrzkomórkowe, a z kolei mechanizmy, za pomocą których regulują one wytwarzanie, wycofywanie lub przekształcanie poszczególnych kolców dendrytycznych, pozostają słabo poznane.
Ostatnio te małe GTPazy i ich aktywatory GEF zbadano pod kątem ich roli w plastyczności strukturalnej indukowanej lekami. Myszy pozbawione GEF Ras-GRF1 wykazują osłabioną wrażliwość na kokainę, podczas gdy konstytutywna nadekspresja w całym mózgu zwiększa uczulenie na lek i nagrodę [78]. Ponadto Ras-GRF1 wydaje się pośredniczyć w ekspresji ΔFosB [78], co, jak wspomniano wcześniej, promuje spinogenezę w NAc MSNs [6, 7] Co ciekawe, ostatnio wykazano, że przewlekła kokaina zmniejsza poziomy RhoA związanego z GTP, prawdopodobnie prowadząc do zmniejszenia dalszych cząsteczek oddzielających aktynę, takich jak LIMK i kofilina [52].
Aktywna postać małych GTPaz jest kończona przez białka aktywujące GTPazę (GAP), które zwiększają hydrolizę GTP, a zatem działają jako negatywne regulatory RhoGTPazy. Chociaż znacznie mniej wiadomo na temat roli GAP w uzależnieniu, jedno z badań wykazało, że mutacje w RhoGAP18B przenoszą zmienioną wrażliwość na etanol, nikotynę i kokainę Drosophila [79]. Wyniki te podkreślają potrzebę dalszych badań w celu określenia regulacji RhoGTPazy i ich białek regulatorowych po ekspozycji na kokainę lub inne uzależniające leki.
2. Regulatory transkrypcji plastyczności strukturalnej
Chociaż dokładne etapy molekularne, za pomocą których ΔFosB pośredniczy w indukowanych kokainą zmianach gęstości kręgosłupa na NAN MSN, pozostają nieznane, kilka ostatnich badań scharakteryzowało geny kandydatów poniżej ΔFosB, które prawdopodobnie biorą udział w przebudowie synaptycznej (patrz Rysunek 2). Wykorzystując analizy całego genomu, wykazano, że ΔFosB reguluje kilka genów, o których wiadomo, że pośredniczą w spinogenezie [58]. Jednym z takich celów jest kinaza zależna od cykliny 5 (Cdk5), która jest indukowana przez kokainę w NAc przez ΔFosB [80] i znany w innych systemach do regulacji RhoGTPazy. Lokalne hamowanie Cdk5 zapobiega proliferacji kręgosłupa indukowanej kokainą w NAc [8]. Jednym z celów Cdk5 jest MEF2: indukcja Cdk5 fosforyluje i hamuje MEF2, co z kolei zwiększa kolce dendrytyczne w NAc MSN [5]. Represja aktywności MEF2 w odpowiedzi na kokainę może pozwolić na transkrypcję genów związanych z cytoszkieletem, N-WASP i WAVE, które mają przypuszczalne miejsca wiązania MEF w ich proksymalnych regionach promotora. Istnieją również dowody sugerujące, że jedno szczególne białko WAVE, WAVE1, reguluje morfogenezę kręgosłupa w sposób zależny od Cdk5 [81, 82]. Zatem indukcja Cdk5 przez przewlekłą kokainę za pośrednictwem ΔFosB może spowodować regulację aktywności WAVE, podczas gdy MEF2 może regulować poziom ekspresji, aby pośredniczyć w długoterminowych zmianach związanych z uzależnieniem. Z funkcjonalnego punktu widzenia hamowanie Cdk5 lub aktywacja MEF2, z których oba przeciwstawiałyby się działaniu kokainy na kolce dendrytyczne NAc, paradoksalnie zwiększa reakcje behawioralne na kokainę [5, 83, 84]. Te nieoczekiwane wyniki sugerują, że poważne zmiany ogólnej gęstości kręgosłupa niekoniecznie muszą prowadzić do uwrażliwionych odpowiedzi leków per se, ale mogą być wynikiem „adaptacji homeostatycznych” w celu skompensowania innych zmian spowodowanych przewlekłą ekspozycją na kokainę, takich jak zmniejszenie stymulacji glutaminergicznej MSNs przez przedczołowe kory doprowadzające aferents [34, 85].
W kolejnym badaniu zbadaliśmy inny czynnik transkrypcyjny, czynnik jądrowy κB (NFκB). Stwierdziliśmy, że kokaina indukuje aktywność NFκB w NAc i że wynikająca z tego aktywacja NFκB jest niezbędna dla indukowanego kokainą formowania kręgosłupa dendrytycznego na MSN [6]. Podobnie jak w przypadku szlaku Cdk5-MEF2, ΔFosB jest wymagany do indukcji kokainy podjednostek NFκB, co wskazuje, że ΔFosB reguluje większy program zmienionej ekspresji genów, który ostatecznie prowadzi do spinogenezy MSNs NAc. Co ciekawe, odkryliśmy również, że hamowanie szlaku NFκB hamuje reakcje behawioralne na kokainę, zgodnie z dominującą hipotezą w tej dziedzinie, że indukowane kokainą wzrosty gęstości kręgosłupa pośredniczą w uczuleniu behawioralnym [6].
Paradoksalne różnice między efektami behawioralnymi Cdk5-MEF2 vs wpływ NFκB, pomimo tego, że indukcja obu szlaków odbywa się za pośrednictwem ΔFosB i zwiększa gęstość kręgosłupa dendrytycznego, podkreśla złożoność tych szlaków wewnątrzkomórkowych i znaczenie przyszłych badań. Nasza hipoteza jest taka, że efektem netto kokainy jest indukowanie, poprzez ΔFosB, gęstości kręgosłupa NAc przez wiele docelowych celów (np. NFκB, Cdk5-MEF2, wiele innych), a konsekwencją jest uwrażliwiona reakcja behawioralna na kokainę. Jednocześnie jednak indywidualny szlak docelowy, taki jak Cdk5-MEF2, może w izolacji wywoływać wyraźne efekty behawioralne poprzez swoje własne różnorodne konsekwencje molekularne. Dlatego ważne jest, aby przyszłe badania profilowały szlaki molekularne dla wielu celów kokainowych i ΔFosB, aby uzyskać wgląd w konkretny udział każdego szlaku w wywołaną kokainą spinogenezę i zmienione reakcje behawioralne na kokainę. Te rozbieżne wyniki można również wytłumaczyć błędami związanymi z myszami transgenicznymi i nokautowymi lub systemami nadekspresji wirusów. Modele te, które są krytyczne w badaniu szlaków molekularnych zaangażowanych w plastyczność strukturalną, mogą wytwarzać efekty genów poza celem i indukować produkty genowe na poziomach znacznie przekraczających te obserwowane po ekspozycji na lek. Wreszcie musimy uznać, że mierząc tylko całkowitą liczbę kręgosłupa dendrytycznego, tracimy istotne informacje o tym, czy te kolce tworzą aktywne synapsy, a tym samym zmieniają przepływ informacji przez obwód. Mając na uwadze te zastrzeżenia, potrzebne są dalsze badania, aby zbadać bardziej szczegółowe zmiany w strukturze i składzie kręgosłupa oraz ich presynaptycznych danych wejściowych (Box 1), jak również konsekwencje elektrofizjologiczne tych manipulacji molekularnych w kontekście indukowanego lekiem kręgosłupa i plastyczności synaptycznej (Box 2).
3. Specyficzność typu plastyczności plastyczności strukturalnej
NNN MSN występują w dwóch głównych podtypach, głównie zawierających receptory dopaminy Drd1 lub Drd2. Ścieżki wewnątrzkomórkowe poniżej receptorów znacznie się różnią, a zatem szlaki molekularne regulujące strukturę neuronalną mogą się odpowiednio różnić. Chociaż indukcja kolców dendrytycznych po wielokrotnym leczeniu psychostymulantami występuje zarówno w MSN wyrażających Drd1, jak i Drd2, długoterminowa stabilność nowych kolców wydaje się być większa w neuronach Drd1. Obserwacje te potwierdzają tezę, że wewnątrzkomórkowe szlaki sygnałowe poniżej Drd1 mogą pośredniczyć w długoterminowej stabilizacji kolców niż w neuronach Drd2 [17, 86]. Rzeczywiście, utrzymywanie się zwiększonych kolców dendrytycznych w MSN zawierających Drd1 silnie koreluje z trwałą indukcją ΔFosB w MSN Drd1 i uwrażliwioną reakcją behawioralną na chroniczną ekspozycję na lek [87, 88]. Zatem możliwe jest, że morfina i kokaina regulują różne kaskady wewnątrzkomórkowe w MSN Drd1 i Drd2. Kluczowym pytaniem jest zatem, czy różne leki nadużywające różnie regulują strukturę neuronową poprzez selektywną regulację ekspresji genów w tych różnych MSNs NAc. Jest to kluczowa kwestia, ponieważ te dwie populacje biorą udział w odrębnych aspektach funkcji NAC, wciąż niezupełnie zdefiniowanych, w tym różnych wkładach w efekty behawioralne kokainy. Na przykład selektywny nokaut dopaminy i fosfoproteiny regulowanej przez cAMP 32 kDa (DARPP-32) z komórek Drd1 w porównaniu z komórkami Drd2 wywiera przeciwny wpływ na poruszanie się kokainy [89]. Ponadto selektywny nokaut receptora glukokortykoidowego z neuronów Drd1 zmniejszył motywację do kokainy i zahamował spożycie w szerokim zakresie dawek [90]. Możliwość teraz używania bardziej czułych metod do badania zmian molekularnych w MSN Drd1 i Drd2 (Box 1) pomoże nam zrozumieć, w jaki sposób zmiany molekularne zachodzące w tych typach komórek neuronowych mogą prowadzić do wyraźnych zmian w strukturze neuronalnej w odpowiedzi na różne klasy nadużywania narkotyków i jak te zmiany wpływają na zachowania uzależniające.
wnioski
Plastyczna strukturalna plastyczność jest jedną z bardziej powtarzalnych i trwałych zmian związanych z modelami uzależnień. Liczne badania korelacyjne i kilka badań funkcjonalnych dostarczają przekonujących dowodów, że te neuroadaptacje mają kluczowe znaczenie w pośredniczeniu w uczulaniu behawioralnym na kokainę. Istnieje jednak również kilka raportów funkcjonalnych, które dowodzą, że indukowana lekiem plastyczność kręgosłupa jest zjawiskiem epi niezwiązanym z uczuleniem. Jest oczywiste, że potrzeba więcej pracy, aby w pełni zrozumieć udział synaptycznej i strukturalnej plastyczności w uzależniających zachowaniach. Na tym etapie przedwczesne jest twierdzenie definitywnie dla każdej ze stron, ponieważ większość opublikowanych badań opiera się na pomiarach całkowitej gęstości kręgosłupa dendrytycznego, ignorując liczne cechy plastyczności kręgosłupa (patrz Box 1). W trakcie tego przeglądu przedstawiliśmy najważniejsze obszary przyszłych badań, podsumowane w Tabela 2, które są potrzebne do wyjaśnienia paradoksalnych danych eksperymentalnych i pomagają wyjaśnić rolę plastyczności kręgosłupa dendrytycznego w uzależnieniu. Przyszłe badania z zastosowaniem wielofotonowej i mikroskopii elektronowej będą potrzebne do porównania efektów nadużywania opiatów i stymulujących leków na szczegółowe właściwości strukturalne synaps pobudzających, takie jak liczba zadokowanych pęcherzyków presynaptycznych w puli rezerwowej, PSD i długość strefy aktywnej oraz kręgosłup gęstość i objętość głowy. Pomoże to odpowiedzieć na pytanie, czy paradoksalne różnice w całkowitej gęstości kręgosłupa dendrytycznego po morfinie i kokainie rzeczywiście odzwierciedlają różnice w liczbie i sile synaps. Dodatkowo, ze względu na przejściowy charakter wielu zmian elektrofizjologicznych, potrzebujemy znacznie bardziej szczegółowych informacji dotyczących przebiegu czasowego plastyczności dendrytycznej, LTD / LTP oraz insercji lub internalizacji receptorów glutaminianowych indukowanych przez opiaty i stymulanty, które mogą odzwierciedlać szczególne cechy behawioralne uzależnienie. Aby ustalić przyczynowość, będziemy musieli określić, w jaki sposób każda z tych zmian funkcjonalnych i strukturalnych wpływa na zachowania uzależniające. Ten ostatni punkt jest szczególnie ważny i będzie wymagał integracji kilku technik. Po pierwsze, szlak molekularny jest zidentyfikowany jako regulowany przez leki nadużywające i profilowane geny docelowe dla dowolnych istotnych genów związanych z plastycznością strukturalną. Następnie, poprzez wykorzystanie transferu genów za pośrednictwem wirusa, ekspresji shRNA lub indukowalnych mutantów genetycznych do manipulowania tymi szlakami molekularnymi, możliwe będzie określenie ich specyficznych ról w zmianach elektrofizjologicznych, strukturalnych i behawioralnych po przewlekłym podawaniu leków. Wreszcie, wszystkie te badania należy rozważyć na podstawie specyficznej dla komórki i mózgu regionu, aby uzyskać zrozumienie dokładnych mechanizmów patologii mózgu w uzależnieniu.
Podziękowanie
Przygotowanie tego przeglądu zostało wsparte dotacjami Narodowego Instytutu ds. Narkomanii
Słownik Lista terminów
- Zachowanie związane z uzależnieniem
- Jest to najczęściej badane za pomocą paradygmatów samopodawania leku, w tym nabywania i utrzymywania samokontroli, wycofania i wymierania, jak również przywrócenia (nawrotu)
- Schematy leczenia pobudzającego
- Obejmuje to eksperymentalnie lub samodzielnie podawaną amfetaminę kokainy lub nikotynę w danej dawce i częstotliwości przez dany czas. Zwierzęta są następnie analizowane w różnych czasach po ostatniej dawce leku
- Paradygmaty leczenia opiatów
- Obejmuje to morfinę, heroinę lub inne opioidowe leki nadużywające eksperymentalnie lub samodzielnie podawane w danej dawce i częstotliwości przez dany czas. Zwierzęta są następnie analizowane w różnych czasach po ostatniej dawce leku
- Regiony nagradzania mózgu
- Należą do nich neurony dopaminergiczne śródmózgowia w brzusznym obszarze nakrywkowym i regiony limbiczne, do których projektują te neurony, w tym jądro półleżące (prążkowate brzuszne), ciało migdałowate, hipokamp i kilka obszarów kory przedczołowej (np. Przyśrodkowy, oczodołowy itp.)
- Receptory glutaminianowe
- Główne jonotropowe receptory glutaminianu w mózgu są nazwane dla specyficznych agonistów, α-amino-3-hydroksy-5-metylo-4-izoksazol-propionian (AMPA) i N-metylo-D-asparaginian (NMDA)
- Receptor dopaminy
- Dwa główne typy receptorów dopaminy ulegają ekspresji w jądrze półleżącym, zawierającym receptory Drd1 lub Drd2, które różnią się mechanizmami sygnalizacji po receptorach. Receptory Drd1 są sprzężone z Gs i stymulują cyklazę adenylylową, podczas gdy receptory Drd2 są sprzężone z Gi / o i hamują cyklazę adenylylową, aktywują prostowanie wewnętrzne K+ kanały i hamują napięcie bramkowane Ca2+ kanały. Oba receptory mogą także regulować kaskady regulowanej kinazą zewnątrzkomórkową (ERK)
- RhoGTPazy
- Te małe białka G odgrywają centralną rolę w regulacji cytoszeleltonu aktynowego, uważanego za integralny w rozwoju i cofaniu kolców dendrytycznych. Są aktywowane przez guaninowe czynniki wymiany nukleotydów (GEF) i hamowane przez białka aktywujące GTPazę (GAP)
- Czynniki transkrypcyjne
- Są to białka, które wiążą się ze specyficznymi sekwencjami DNA (zwanymi elementami odpowiedzi) w reagujących genach, a tym samym zwiększają lub zmniejszają szybkość transkrypcji tych genów. Przykładami czynników transkrypcyjnych, które regulują kolce dendrytyczne są: ΔFosB (białko z rodziny Fos), białko wiążące element odpowiedzi cyklicznej AMP (CREB), czynnik jądrowy κB (NFκB) i czynnik zwiększający miocyt-2 (MEF2)
- Kinazy białkowe
- Kilka kinaz białkowych, enzymów, które fosforylują inne białka w celu regulowania ich funkcji, odgrywa rolę w kontroli formowania kręgosłupa dendrytycznego, w tym Ca2+/ kinaza białkowa zależna od kalmoduliny II (CaMKII), zależna od cyklin kinaza-5 (Cdk5), kinaza aktywowana p21 (PAK1), i kinaza domeny lim (LIMK), wśród wielu innych
- Białka związane z aktyną
- Cytoszkielet aktynowy jest regulowany przez dużą liczbę białek, jednak szczegółowa rola każdego z nich w ostatecznym wzroście lub wycofaniu kręgosłupa lub zmianie rozmiaru i kształtu kręgosłupa pozostaje niezupełnie zrozumiana. Przykłady obejmują białka związane z aktyną (ARP), białka zespołu Wiskotta-Aldricha (WASP), homologi rodziny WASP (WAVE) i kofilinę, wśród wielu innych
Przypisy
Zastrzeżenie wydawcy: Jest to plik PDF z nieedytowanym manuskryptem, który został zaakceptowany do publikacji. Jako usługa dla naszych klientów dostarczamy tę wczesną wersję manuskryptu. Rękopis zostanie poddany kopiowaniu, składowi i przeglądowi wynikowego dowodu, zanim zostanie opublikowany w ostatecznej formie cytowania. Należy pamiętać, że podczas procesu produkcyjnego mogą zostać wykryte błędy, które mogą wpłynąć na treść, a wszystkie zastrzeżenia prawne, które odnoszą się do czasopisma, dotyczą.
;