Indukowana opiatami molekularna i komórkowa plastyczność brzusznych obszarów nakrywkowych i miejscowych neuronów katecholaminowych (2012)

Następny rozdział

Tło

VTA była szeroko badana w nadużywaniu narkotyków, zważywszy na jej fundamentalną rolę w nagradzaniu. Neurony dopaminowe (DA) w projekcie VTA do wielu regionów mózgu, w tym jądra półleżącego (NAc), gdzie odnotowano wzrost uwalniania DA w odpowiedzi na każdą klasę nadużywanego leku (Di Chiara i Imperato 1988). Jednakże, podczas gdy neurony DA są znaczącą częścią (N60% –65%) tego jądra śródmózgowia, istnieje znaczna różnorodność komórkowa, ze znaczną częścią neuronów GABA (30% –35%), jak również opisy neuronów glutaminergicznych ( 2% –3%) (Swanson 1982; Nair-Roberts i in. 2008; Sesack i Grace 2010). Neurony DA i GABA w brzusznym śródmózgowiu, ogólnie, projektują topograficznie (środkowo-bocznie) z głównymi strukturami wyjściowymi składającymi się z NAc, kory przedczołowej (PFC) i ciała migdałowatego (AMY) (szeroko omówione w Sesack i Grace 2010) (Rys. 1). Podstawowe doprowadzające do VTA obejmują pobudzające dane wejściowe z PFC, pedunculopontine i lateralorsal tegmentum (PPTg i LDT), a także wiele innych niedawno zdefiniowanych struktur (Geisler i in. 2007). Wkład hamujący do VTA jest słabiej zdefiniowany, ale zgłoszono dane wejściowe z NAc, bladości brzusznej i jądra rostromedialnego mezopontyny (RMTg) (Sesack i Grace 2010). Dotychczasowe badania koncentrowały się nieproporcjonalnie na neuronach DA w VTA, a konkretnie na neuronach, które projektują na NAc, ze względu na krytyczną rolę tej projekcji w nagrodzie (Nestler 2004).

  

Zobacz większą wersję:  

• Na tej stronie
• W nowym oknie
• Pobierz jako slajd PowerPoint

Rysunek 1.  

Rysunek przedstawiający strzałkową część mózgu gryzonia ilustrujący VTA i LC oraz ich główne projekcje aferentne i eferentne. Neurony DAergiczne (czerwone) i GABAergiczne (niebieskie) w projekcie VTA do struktur limbicznych i korowych i otrzymują glutamatergiczne (czarne kreski, PFC) i wejście GABAergiczne (niebieska kreska, NAc, VP). Noradrenergiczne neurony (zielone) w LC unerwiają wiele regionów, w tym HIPP i PFC, i otrzymują wejście glutaminergiczne z PGi. Skróty: AMY, ciało migdałowate; HIPP, hipokamp; LC, locus coeruleus; NAc, jądro półleżące; PFC, kora przedczołowa; PGi, jądro paragigantocellularis; VP, brzuszna bladość; VTA, brzuszny obszar nakrywkowy.

Ostre zmiany w aktywności neuronów wywołane opiatami

Biorąc pod uwagę zdolność ostrej morfiny do VTA w celu wywołania zwiększonego uwalniania DA w NAc (Leone i in. 1991) znaczna część pracy zbadała ostre skutki działania opiatów w VTA. Ostra morfina zwiększa szybkość zapłonu neuronów DA w VTA (Gysling i Wang 1983). Efekt ten jest pośredniczony przynajmniej częściowo przez wiązanie morfiny z G_{i / o}sprzężony z receptorem opioidowym μ (MOR) na lokalnych neuronach GABA, zmniejszając w ten sposób ich aktywność i późniejsze uwalnianie GABA na neuronach DA i powodując rozhamowanie neuronów DA (Johnson i North 1992). Jednak interpretacja wielu wczesnych prac elektrofizjologicznych jest skomplikowana przez dowody podkreślające niemal nieodróżnialną naturę neuronów VTA DA i GABA (według wielkości, morfologii i właściwości elektrofizjologicznych) (Margolis i in. 2006), wyjaśniając potrzebę identyfikacji neuronów VTA badanych bardziej definitywnie (np. za pomocą immunohistochemii, stosowania myszy reporterowych GFP itp.), co zostanie omówione szczegółowo w dalszej części tego przeglądu. Tutaj koncentrujemy się głównie na opiatach, które działają jako agoniści na MOR w VTA, takich jak morfina, ponieważ leki te przynoszą efekty nagradzające najczęściej badane w dziedzinie nadużywania narkotyków. Wiadomo jednak, że receptory κ-opioidowe (KOR) ulegają także ekspresji na neuronach VTA DA i że aktywacja tych receptorów może bezpośrednio hamować szybkość zapłonu neuronów DA (Margolis i in. 2003), prawdopodobnie przyczyniając się do niechętnych efektów agonistów kappa. Intrygująca jest zdolność opiatów do wytwarzania zarówno aktywacji, jak i hamowania neuronów VTA DA, oraz efektów nagradzających i awersyjnych, a ta modulacja „yin-yang” i rola endogennych peptydów opioidowych w nagrodach zasługuje na uwagę w przyszłych badaniach.

Ostra plastyczność synaptyczna wywołana opiatami

Oprócz zmian w aktywności neuronów, istnieje wiele doniesień o plastyczności synaptycznej indukowanej przez ostre opiaty. Podobnie jak w przypadku kokainy i innych nadużywanych leków, stwierdzono, że pojedyncze wstrzyknięcie morfiny zwiększa stosunek kwasu α-amino-3-hydroksy-5-metylo-4-izoksazolepropionowego (AMPA) do N-metylo-D-kwas asparaginowy (NMDA) pobudzające prądy postsynaptyczne (EPSC) 24 godziny po podaniu, zgodne z długotrwałym wzmocnieniem (LTP) synaps glutaminergicznych na neurony DA (Saal i in. 2003). Ostatnio doniesiono również, że ostra morfina indukuje redystrybucję receptora AMPAR (AMPAR) w VTA w sposób podobny do kokainy, w szczególności insercję AMPAR pozbawionych GluA2 (Brown i in. 2010). Brown i in. zaobserwował zwiększony wskaźnik rektyfikacji i zwiększony cytoplazmatyczny GluA2 AMPAR w odpowiedzi na ostrą morfinę, co jest rekapitulowane przez bezpośrednią stymulację neuronów DA w VTA przy użyciu selektywnej ekspresji 2 channelrhodposin (Brown i in. 2010), bezpośrednio implikując aktywność / sygnalizację DA w obrębie VTA do regulacji glutaminergicznej. Dane te są zgodne z wcześniejszymi pracami nadekspresji GluA1, ale nie nadekspresji GluA2 w VTA, uwrażliwiając zwierzęta na zachowania aktywujące i nagradzające morfinę (Carlezon i in. 1997).

Ostre opiaty wpływają również na plastyczność synaps GABAergicznych w VTA. Stwierdzono, że stymulacja wysokiej częstotliwości wywołuje LTP w terminalach GABA (LTP_GABA) na neurony VTA DA, efekt zależny od aktywacji postsynaptycznych receptorów NMDA (NMDAR) i uwalniania tlenku azotu (NO) jako przekaźnika wstecznego z neuronów DA (Nugent i in. 2007). NO zwiększa następnie aktywność cyklazy guanylowej (GC) w neuronie GABA, co prowadzi do zwiększenia uwalniania GABA i LTP_GABA. Pojedyncza dawka morfiny hamuje LTP_GABA przerywając kaskadę sygnału NO – GC – kinaza białkowa G (PKG), powodując utratę normalnej kontroli hamowania (obserwowane godziny 2 i 24 po wstrzyknięciu, ale nie dni 5) (Nugent i in. 2007, 2009; Niehaus i in. 2010). Tak więc zakłócenia LTP_GABA zapewnia inny mechanizm zdolności ostrych opiatów do zwiększania aktywności neuronalnej VTA DA.

Ostatnio opisano inną formę plastyczności VTA GABAergic: długotrwała depresja synaps GABAergicznych na neurony DA (LTD_GABA) (Dacher i Nugent 2011a). Używanie stymulacji niskoczęstotliwościowej (LFS), stabilna LTD_GABA w komórkach DA wywołano to, w przeciwieństwie do LTP_GABA, był wyrażony postsynaptycznie i nie zależał od NMDAR. Efekt ten nie był również zależny od sygnalizacji endokannabinoidowej, ale był blokowany przez sulpiryd, antagonistę receptora dopaminy D2 (D2R). Co ciekawe, pojedyncza iniekcja morfiny była wystarczająca, aby zapobiec indukowanej przez LFS LTD_GABA 24 godziny po podaniu, sugerując, że morfina może dwukierunkowo regulować plastyczność GABA w VTA (Dacher i Nugent 2011a).

Chroniczna plastyczność synaptyczna wywołana opiatem

Chociaż zmiany synaptyczne występujące przy ostrych opiatach zostały stosunkowo dobrze scharakteryzowane, przewlekłe zmiany nie. Do tej pory niewiele, jeśli w jakimkolwiek badaniu, badano zmiany plastyczności gluatamatergicznej lub GABAergicznej w odpowiedzi na przewlekłe podawanie opiatów. Obejmuje to brak wiedzy na temat tego, czy istnieją różnice w pasywnym kontra aktywnym podawaniu leków, co jest ważne, biorąc pod uwagę ostatnie prace pokazujące, że utrzymywanie się LTP w VTA u zwierząt abstynujących od kokainy samopodawania (do 3 miesięcy) występuje tylko z przypadkową ekspozycją na kokainę (Chen i in. 2008).

Wiadomo jednak, że przewlekła morfina, podobnie jak ostra morfina, zwiększa aktywność neuronów DA. Zapisy in vivo po przewlekłym morfinie wykazują wzrost zarówno szybkości wypalania podstawowego, jak i aktywności rozerwania, które wracają do linii podstawowej podczas wycofywania (Georges i in. 2006). Jest to przeciwieństwo wcześniejszych prac, w których obserwowano utrzymujący się spadek aktywności DA u szczurów pozbawionych morfiny (Diana i in. 1995, 1999). Jedną z potencjalnych przyczyn tych różnic jest zastosowana metoda administrowania. Na przykład Georges et al. w badaniu użyto podskórnego (sc) paradygmatu osadu o przedłużonym uwalnianiu, który, jak wykazano, ma znacznie odmienny profil farmakodynamiczny niż paradygmat chronicznej eskalacji dawki stosowany we wcześniejszych Diana et al. studia. Jak wcześniej informowano (Fischer i in. 2008), 24 hr po ostatniej osadzie morfiny, poziomy morfiny we krwi nie zmniejszają się, pozostając względnie stabilne wraz z pikiem (∼3000 ng / ml), podczas gdy model wstrzykiwania przewlekłego daje znacznie wyższy pik (N10,000 ng / ml) w 1 hr, z poziomami krwi poniżej 100 ng / ml po 4 hr i pomijalny przez 12 hr. Zmiana szybkości wypalania DA wywołana odstawieniem od przewlekłej morfiny, niezależnie od tego, czy powrót do linii podstawowej czy spadek poniżej linii podstawowej, wydaje się zależeć od zmian w uwalnianiu GABA. Odstąpienie od chronicznej morfiny zwiększa prądy postsynaptyczne hamujące GABA (IPSC) i uwalnianie GABA na neurony VTA DA (Bonci i Williams 1997), efekt, który ostatnio został uznany za zależny od recyklingu MOR i cyklicznego przekazywania sygnałów przez monofosforan adenozyny-5 (cAMP) (Madhavan i in. 2010).

Innym potencjalnym czynnikiem różnic między badaniami jest niejednorodność VTA w porównaniu z LC (jak opisano poniżej). Złożoność wielu typów komórek (głównie GABA vs. DA) jest nie tylko złożona, ale rozkład typów komórek również zmienia się wzdłuż osi VTA w kierunku rostalno-ogonowym (Rys. 2). W szczególności proporcja DA do neuronów GABA jest znacznie wyższa w podregionach dziobowych VTA (IFN, RL) w porównaniu z podregionami ogonowymi (PN, PIF) (Nair-Roberts i in. 2008). Ta różnica ma znaczenie funkcjonalne dla indukowanych morfiną zmian behawioralnych. Nadekspresja HSV-GluA1 zwiększała zachowanie nagrody morfinowej poprzez wstrzyknięcie do VTA rostalnego, podczas gdy indukowała ona zachowanie awersyjne w ogonowym VTA, efekt obserwowano także na wirusową nadekspresję białka wiążącego element cAMP-odpowiedź (CREB) lub fosfolipazy C gamma (PLCγ) (Carlezon i in. 2000; Bolanos i in. 2003; Olson i in. 2005). Różnicę tę można zaobserwować również na poziomie molekularnym, jako transkrypcję za pośrednictwem przewlekłej indukowanej morfiną odpowiedzi na cAMP (CRE) w neuronach DA w VTA rostralnym i ogonowym, ale obserwowano ją tylko w neuronach innych niż DA w rostalnym VTA (Olson i in. 2005). Badania ultrastrukturalne potwierdzają takie różnice rostalno-ogonowe i sugerują dodatkową złożoność schematu leczenia i wyników projekcji. GluA1 był zwiększony zarówno w dendrytach hydroksylazy tyrozynowej (TH) -dodatniej (DAergic), jak i TH-ujemnej (prawdopodobnie GABAergicznej) w VTA parabrachialnym (PBP) z pojedynczym wstrzyknięciem morfiny. Dla kontrastu, w przypadku przewlekłej morfiny, nastąpił wzrost GluA1 w paranigralnym (PN) VTA oprócz regionu PBP (Lane i in. 2008).

  

Zobacz większą wersję:  

• Na tej stronie
• W nowym oknie
• Pobierz jako slajd PowerPoint

Rysunek 2. 

Złożoność komórkowa i projekcyjna w ramach VTA. Proporcja DA (czerwona) do neuronów GABA (niebieskich) różni się w obrębie jąder VTA o wyższych stosunkach DA: GABA obserwowanych w bardziej podrzędnych podregionach, takich jak rostral jądro liniowe (RL) w porównaniu do bardziej jądra ogoniastego, takich jak paranigral (PN) i paraprzyczepowe ( Regiony PIF). Dodatkowo, projekcje neuronalne DA różnią się w całym VTA z większą ilością regionów bocznych, takich jak jądro przylegające (PBP) wystające do bocznej powłoki NAc (Lat Sh), podczas gdy regiony przyśrodkowe, takie jak PN, mają różne projekcje, w tym ciało migdałowate (AMY), kora przedczołowa (PFC) , Rdzeń NAc i powłoka przyśrodkowa NAc (Med Sh). Ograniczone prace zbadały projekcje neuronalne GABA; istnieją dowody na to, że neurony GABA w dziobowym PBP mają silną projekcję do PFC, podczas gdy istnieje kilka neuronów dziobowych PBP DA, które rzutują na PFC, ale duża ogonowa projekcja DA PBP; sugeruje to, że projekcja PBP-PFC jest nie tylko definiowana regionalnie, ale jest także specyficzna dla podtypu neuronów (Lammel i in. 2008). (Liczba użytych komórek jest z Nair-Roberts i in. 2008 a prognozy pochodzą z badań etykietowania wstecznego Lammel i in. 2008.)

Różnice między neuronami VTA DA, w oparciu o ich region wyjściowy, cieszą się ostatnio dużym zainteresowaniem, ponieważ obecnie wiadomo, że elektrofizjologiczne właściwości neuronów DA różnią się w zależności od projekcji. Neurony VTA DA rzutujące na NAc mają znacznie mniejsze I_h prąd niż neurony wystające do podstawy-bocznego ciała migdałowatego (BLA) (Ford i in. 2006), i istnieją różnice w projekcjach wewnątrz samego NAc, z neuronami DA rzutującymi na boczną powłokę NAc wykazującą znacznie wyższe I_h prąd niż neurony DA, które rzutują na powłokę przyśrodkową NAc (Lammel i in. 2011). Czas trwania potencjału czynnościowego (AP) neuronów DA również zmienia się w zależności od projekcji, ponieważ neurony DA z projekcją NAc mają najdłuższy czas trwania AP, podczas gdy czas trwania AP neuronu projekcyjnego PFC jest krótszy, a neurony DA z AMY mają najkrótszy czas trwania (Margolis i in. 2008). Co ważne, reakcja na opiaty wydaje się również różnić w obrębie VTA w zależności od typu projekcji: neurony DA rzutujące na NAc reagowały bardziej na agonistów KOR niż neurony projekcyjne BLA, podczas gdy efekt odwrotny odnotowano dla odpowiedzi na agonistę MOR / delta (DOR) , który miał większy wpływ na neurony projekcyjne BLA (Ford i in. 2006). Przełożyło się to również na presynaptycznie zależne efekty opioidowe, ponieważ agonista KOR powodował większe hamowanie GABA_A IPSC neuronów DA rzutujących na BLA, podczas gdy było większe hamowanie GABA za pośrednictwem agonisty KOR_B IPSC w neuronach rzutujących na NAc (Ford i in. 2006). Dodatkowo ostatnio zaobserwowano, że modulacja synaps pobudzających na neurony DA różni się w zależności od projekcji (Lammel i in. 2011). Lammel i współpracownicy (2011) stwierdzili, że stosunek AMPA / NMDA był zwiększony przez kokainę w neuronach DA, które rzutowały na NAc, ale nie w neuronach DA, które rzutowały na PFC. Jednak stosunek AMPA / NMDA był zwiększony w komórkach DA rzutujących na PFC w odpowiedzi na bodziec awersyjny (wstrzyknięcie formaliny z tylnej łapy), efekt ten zaobserwowano również w neuronach DA, które rzutowały na boczną powłokę NAc, ale nie występowały w neuronach DA rzutujących na NAc powłoka środkowa - wykazująca niejednorodność odpowiedzi w ramach podregionów tego celu projekcji (Lammel i in. 2011). Oczywiście badania te wskazują, że bardziej dogłębne zrozumienie adaptacji synaptycznych, które występują zarówno w ostrych, jak i przewlekłych opiatach, będzie wymagało zintegrowania informacji o wydajności badanych neuronów DA. Opracowanie technik specyficznych dla neuronów i projekcji posłuży do wyjaśnienia tych kwestii, umożliwiając specyficzną modulację w tym heterogenicznym regionie.

Tworzona przez opiaty plastyczność strukturalna i komórkowa

Znaczenie plastyczności strukturalnej wywołanej lekami w zmianach synaptycznych i behawioralnych zostało niedawno omówione (Russo i in. 2010). Większość dotychczasowych badań plastyczności strukturalnej dotyczyła zmian w morfologii kręgosłupa lub rozgałęzień dendrytycznych neuronów w regionach docelowych VTA, ale nasze laboratorium zbadało inną adaptację strukturalną w odpowiedzi na przewlekłe podawanie opiatów, zmianę wielkości somatycznej neuronów VTA DA. Po raz pierwszy zaobserwowaliśmy, że pole powierzchni szczurzego neuronu VTA DA zmniejsza N25% w odpowiedzi na przewlekłe, ale nie ostre, podawanie morfiny (Sklair-Tavron i in. 1996). Ten efekt był specyficzny dla neuronów DA w VTA, ponieważ komórki TH-ujemne (prawdopodobnie GABAergiczne) nie uległy zmianie. Dodatkowo, zmiana ta może być zablokowana przez układowy naltrekson, co sugeruje, że sygnalizacja MOR była wymagana, a infuzja miejscowego czynnika neurotroficznego pochodzącego z mózgu (BDNF) w VTA również zapobiegała spadkowi, co sugeruje, że zmniejszona sygnalizacja neurotroficzna może leżeć u podstaw zmiany morfologicznej. Co ważne, to zmniejszenie wielkości somatycznego neuronu VTA DA obserwuje się przy przewlekłym podawaniu heroiny oraz morfiny (Russo i in. 2007), w protokołach pasywnych i samorządowych (Spiga i in. 2003; Chu i in. 2007; Russo i in. 2007), i między gatunkami, ponieważ ostatnio scharakteryzowaliśmy ten efekt u myszy i tkanki pośmiertnej u osób nadużywających heroiny (Mazei-Robison i in. 2011). Dalsze badania nie wykazały dowodów na śmierć lub uszkodzenie neuronów VTA DA (Sklair-Tavron i in. 1996; Russo i in. 2007) i że spadek wielkości komórek utrzymuje się przez dni 14 po przewlekłym podawaniu morfiny, ale powraca do linii podstawowej przez dni 30. Ta linia czasu odzwierciedla tolerancję nagrody (Russo i in. 2007), w którym powtarzane zażywanie narkotyków zmniejsza nagradzający efekt leku i prowadzi do eskalacji przyjmowania leków, jak to jest obserwowane u ludzi (O'Brien 2001).

Biorąc pod uwagę, że BDNF może uratować przewlekłą zmianę strukturalną indukowaną morfiną, chcieliśmy zbadać, czy szlaki sygnalizacji neurotroficznej poniżej pośredniczyły w tej plastyczności strukturalnej. Chociaż istnieją pewne kontrowersje co do tego, czy same poziomy BDNF są zmieniane w VTA w odpowiedzi na przewlekłe podawanie opiatów (Numan i in. 1998; Chu i in. 2007; Koo i in. 2010) opisano trzy główne szlaki sygnałowe poniżej BDNF: PLCγ, kinaza 3′ fosfatydyloinozytolu (PI3K) i kinaza białkowa aktywowana mitogenami (MAPK) (Russo i in. 2009). Przewlekła morfina zwiększa aktywność szlaku PLCγ (Wolf i in. 1999, 2007), zmniejsza aktywność szlaku PI3K, mierzoną przez obniżony poziom substratu receptora insuliny - 2 (IRS2) i poziomy fosfo-AKT (Wolf i in. 1999; Russo i in. 2007; Mazei-Robison i in. 2011) i zwiększa sygnalizację MAPK, mierzoną przez zwiększoną fosforylację i aktywność katalityczną kinazy białkowej pokrewnej zewnątrzkomórce (ERK) (Ortiz i in. 1995; Berhow et al. 1996; Liu i in. 2007). Stosując nadekspresję za pośrednictwem wirusów, odkryliśmy, że to przewlekła indukowana morfiną zmiana w sygnalizacji PI3K przyczynia się do zmiany morfologicznej: nadekspresja dominującego negatywnego IRS2 (IRS2dn) lub AKTdn była wystarczająca do zmniejszenia wielkości soma VTA DA, podczas gdy nadekspresja IRS2 typu dzikiego zapobiegała indukowanemu morfiną zmniejszeniu i nadekspresji konstytutywnie aktywnej zwiększonej wielkości somy AKT (AKTca) (Russo i in. 2007; Mazei-Robison i in. 2011). W przeciwieństwie do tego, nadekspresja PLCγ lub ERK nie była wystarczająca do zmiany wielkości somy VTA DA (Russo i in. 2007). Co ważne, nadekspresja IRS2 była również w stanie zapobiec tolerancji na nagrodę morfiny, implikując rolę plastyczności strukturalnej w odpowiedzi behawioralnej.

Nasze ostatnie prace sugerują, że ta zmiana strukturalna może być ściśle związana ze zmianami aktywności wywołanymi przez przewlekłe opiaty. Podobnie jak w badaniach in vivo Georgesa i in. omówiono powyżej, stwierdziliśmy, że szybkość wypalania VTA DA została zwiększona w tym samym punkcie czasowym, w którym wielkość somy zmniejsza się u myszy narażonych na przewlekłą morfinę (Mazei-Robison i in. 2011).

Jednak odkryliśmy, że wyjście DA do NAc, mierzone za pomocą cyklicznej woltamperometrii in vivo, jest faktycznie zmniejszone, co sugeruje przerwę w normalnej aktywacji i wyjście w mezolimbicznym obwodzie nagrody.

Scharakteryzowaliśmy ten wynik i stwierdziliśmy, że nadekspresja IRS2dn w VTA, która jest wystarczająca do zmniejszenia wielkości sromu DA, zmniejszona wyjściowa DA do NAc, a także zmniejszyła ekspresję kilku K⁺ podjednostki kanału, w sposób podobny do przewlekłej morfiny.

W naszych wysiłkach zmierzających do zidentyfikowania szlaków sygnałowych w dół od IRS2 / AKT, które pośredniczą w przewlekłych neuroadaptacjach indukowanych morfiną, dokonaliśmy zaskakującej obserwacji, że ssacze cele rapamycyny (mTOR) kompleks 1 (mTORC1) sygnalizują, dobrze ustaloną ścieżkę wzrostu komórkowego , był rzeczywiście zwiększony przez chroniczną morfinę. W przeciwieństwie do tego zaobserwowaliśmy spadek sygnalizacji kompleksu mTOR 2 (mTORC2), który okazał się zarówno konieczny, jak i wystarczający dla indukowanych przez morfinę zmian w wielkości somy i aktywności neuronalnej. W szczególności stwierdziliśmy, że nadekspresja nieczułego na rapamycynę towarzysza mTOR (Rictor), niezbędnego składnika białka mTORC2, była wystarczająca, aby zapobiec zmniejszeniu wielkości somy, a także zapobiegała wzrostowi szybkości wystrzeliwania neuronu DA w sposób autonomiczny dla komórek: tylko komórki DA w VTA, które uległy nadmiernej ekspresji Rictor, miały osłabioną szybkość zapłonu, podczas gdy pobliskie komórki DA nadal wykazywały wzrost. Sugeruje to, że zmiany sygnalizacyjne związane z neuronami DA mogą pośredniczyć w zmianach pobudliwości indukowanych przez przewlekłe opiaty, prawdopodobnie zmieniając modulację AKT GABA_A prądy (Krishnan i in. 2008) lub wyrażenie K⁺ kanały (Mazei-Robison i in. 2011) (Rys. 3). Podobnie jak w przypadku nadekspresji IRS2, stwierdziliśmy, że zmiana aktywności mTORC2 korelowała z zachowaniem nagrody morfiny, ponieważ zmniejszenie aktywności mTORC2 zmniejszało preferencję miejsca warunkowanego morfiną (CPP), podczas gdy zwiększanie aktywności mTORC2 było wystarczające do indukowania CPP do niskiej dawki morfiny, która nie indukuje umieść kondycjonowanie u zwierząt kontrolnych.

  

Zobacz większą wersję:  

• Na tej stronie
• W nowym oknie
• Pobierz jako slajd PowerPoint

Rysunek 3. 

Przewlekła morfina zmniejsza wielkość somy VTA DA, ale zwiększa pobudliwość neuronów, podczas gdy transmisja DA do NAc jest zmniejszona. Efekt netto morfiny jest mniej wrażliwym szlakiem nagrody, tj. Tolerancją nagrody. Zmniejszenie sygnalizacji IRS2-AKT (niebieski) w VTA pośredniczy w działaniu przewlekłej morfiny na wielkość somy i pobudliwość elektryczną; wpływ na pobudliwość jest zależny od zmniejszonego GABA_A prądy i tłumienie K⁺ wyrażenie kanału. Indukowane morfiną obniżenie aktywności mTORC2 w VTA jest kluczowe dla tych indukowanych morfiną adaptacji morfologicznych i fizjologicznych, jak również dla tolerancji nagrody. W przeciwieństwie do mTORC2, przewlekła morfina zwiększa aktywność mTORC1 (czerwona), co nie wydaje się bezpośrednio wpływać na te adaptacje indukowane morfiną. Przewlekła morfina zmniejsza również wydajność DA do NAc, jak również zmniejsza rozgałęzienia dendrytyczne i liczbę kolców dendrytycznych na średnich kolczastych neuronach GABA w NAc, dalej tłumiąc normalną sygnalizację DA w obwodzie mezolimbicznym.

Jest mało prawdopodobne, że zmiana wielkości somy jest jedyną adaptacją strukturalną indukowaną przez przewlekłe opiaty w VTA. Biorąc pod uwagę zmniejszoną liczbę kręgosłupa dendrytycznego i złożoność dendrytyczną rozgałęzień średnich kolczastych neuronów NAc szczurów uprzednio wystawionych na chroniczną morfinę (Robinson i Kolb 1999; Robinson i in. 2002), spodziewamy się, że zmiany dendrytyczne występują również w neuronach VTA DA. Obecnie prowadzone są badania mające na celu scharakteryzowanie zmian morfologii kręgosłupa, ogromnej luki w tej dziedzinie, ponieważ tylko jedno dotychczasowe badanie dotyczyło zmian wywołanych przez leki w architekturze dendrytycznej VTA. Badanie wykazało wzrost gęstości kręgosłupa dendrytycznego w jednym podtypie neuronu VTA w odpowiedzi na ostrą iniekcję kokainy, ten sam podtyp, który wykazuje zwiększony stosunek NMDA / AMPA (Sarti i in. 2007). Dane z naszej poprzedniej pracy, że długość procesów VTA DA jest zmniejszona (N30%) u szczurów leczonych przewlekłą morfiną (Sklair-Tavron i in. 1996), jest zgodny z globalnymi zmianami w architekturze VTA DA. Ta zmiana może również pomóc w wyjaśnieniu spadku wydajności DA do NAc po przewlekłej morfinie, ponieważ wcześniej zgłaszaliśmy obniżony transport aksonów i poziomy białek neurofilamentowych w VTA (Beitner-Johnson i in. 1992, 1993), sugerując, że przewlekła morfina wpływa również na strukturę i funkcję aksonów. Biorąc pod uwagę regionalną i projekcyjną złożoność neuronów VTA DA wspomnianych powyżej, badamy obecnie, czy te zmiany strukturalne są indukowane w określonym podzbiorze neuronów VTA DA przy użyciu fluorescencyjnych znaczników wstecznych. Dane te będą kluczowe dla zrozumienia zmian strukturalnych i elektrofizjologicznych wywołanych przez przewlekłe opiaty i odpowiednie obwody wyjściowe.

Jak wspomniano wcześniej, kilka badań, zarówno molekularnych, jak i elektrofizjologicznych, dostarczyło dowodów, że przewlekłe podawanie opiatów aktywuje szlak cAMP-CREB w VTA (Bonci i Williams 1997; Olson i in. 2005; Madhavan i in. 2010). Ponadto badanie mikromacierzy zdefiniowało globalne zmiany w ekspresji genów, które występują w VTA w odpowiedzi na przewlekłą morfinę (McClung i in. 2005). Potrzebne są obecnie prace, aby lepiej zdefiniować specyficzność komórkową tych neuroadaptacji, a także nakreślić ich konsekwencje funkcjonalne. Co więcej, podczas gdy większość prac nad VTA skupia się na neuroadaptacjach wywołanych opiatami, które przypuszczalnie występują w neuronach DA, istotne jest zbadanie plastyczności indukowanej lekiem, która występuje w neuronach GABAergicznych VTA, które są jednym z kluczowych początkowych celów działania opiatów w ten region mózgu.

Tło

LC jest głównym miejscem neuronów zawierających noradrenalinę (NE) w mózgu (Dahlstrom i Fuxe 1965). Jak wcześniej sprawdzono (Aston-Jones i Bloom 1981a; Aston-Jones i in. 1991b; Berridge i Waterhouse 2003; Van Bockstaele i in. 2010), LC jest dyskretnym, zwartym, jednorodnym jądrem, składającym się prawie wyłącznie z neuronów NE. Główne dane wejściowe do LC pochodzą z jądra rdzeniastego paragigantocellularis (PGi) i jądra prepositus hypoglossus, a wyniki LC są szeroko rozpowszechnione, w tym przodomózgowia, móżdżku, pnia mózgu i rdzenia kręgowego (Rys. 1) (Berridge i Waterhouse 2003). Aktywność neuronalna LC jest wysoce synchroniczna zarówno w zasadzie, jak iw odpowiedzi na bodźce (Foote i in. 1980; Aston-Jones i Bloom 1981b; Aston-Jones i in. 1991a; Ishimatsu i Williams 1996). Neurony LC są spontanicznie aktywne (Williams i in. 1991) i ich aktywacja wywołuje uwalnianie NE w kilku obszarach przodomózgowia, w tym w korze mózgowej i hipokampie. LC w dużej mierze służy jako jądro przekaźnikowe, z ograniczoną do tej pory plastycznością synaptyczną, chociaż glutaminianowe aferents kontrolują aktywność LC, zwłaszcza z PGi (Ennis i in. 1992). Neurony LC wyrażają trzy główne klasy receptorów opioidowych: MOR, DOR i KOR z wyraźną dystrybucją, chociaż, podobnie jak w przypadku VTA, nasza dyskusja ogranicza się do MOR, który jest bezpośrednio związany z uzależnieniem od opiatów i uzależnieniem.

Plastyczność komórkowa indukowana opiatami

Chociaż nie ma dowodów na tradycyjną plastyczność synaptyczną (tj. LTP i LTD) w LC, istnieje dobrze opisana plastyczność komórkowa. Unikalną cechą LC jest to, że wiele jego odpowiedzi in vivo na przewlekłe opiaty można podsumować i zbadać na poziomie pojedynczych komórek (Nestler i in. 1994; Nestler i Aghajanian 1997; Nestler 2004). Wiązanie opiatów (np. Morfiny) z MOR prowadzi do zmniejszenia aktywności cyklazy adenylowej (AC) i sygnalizacji cAMP (Duman i in. 1988). Ostre wiązanie opiatów z MOR również zmniejsza aktywność stymulatorów neuronów LC, głównie poprzez aktywację G-bramkowanego do wewnątrz prostującego K⁺ (GIRK) kanały (Williams i in. 1982; Torrecilla i in. 2002). Jednak przy przewlekłym podawaniu opiatów zarówno szybkość wypalania, jak i sygnalizacja cAMP powracają do wartości wyjściowych ze względu na zwiększenie szlaku cAMP, ilustrując tolerancję (Aghajanian 1978; Duman i in. 1988; Nestler i Tallman 1988; Guitart i Nestler 1989; Kogan i in. 1992; Ivanov i Aston-Jones 2001). Ta plastyczność indukowana przez przewlekłe podawanie opiatów (tj. Regulacja w górę szlaku cAMP) staje się funkcjonalnie widoczna po wycofaniu opiatów, gdy szybkość zapłonu neuronów LC jest znacznie zwiększona wraz z dużym wzrostem aktywności cAMP, ilustrując zależność i wycofanie (Rys. 4) (Aghajanian 1978; Rasmussen i in. 1990).

  

Zobacz większą wersję:  

• Na tej stronie
• W nowym oknie
• Pobierz jako slajd PowerPoint

Rysunek 4.  

Regulacja w górę szlaku cAMP w LC jako mechanizm tolerancji i uzależnienia od opiatów. Topy Panel, Opiaty ostro hamują funkcjonalną aktywność szlaku cAMP (wskazaną przez komórkowe poziomy fosforylacji białka zależnej od cAMP i cAMP). Przy ciągłej ekspozycji na opiaty aktywność funkcjonalna szlaku cAMP stopniowo powraca i wzrasta znacznie powyżej poziomów kontroli po usunięciu opiatów (np. Przez podawanie antagonisty receptora opioidowego naloksonu). W tych zmianach w stanie funkcjonalnym szlaku cAMP pośredniczy indukcja cyklaz adenylowych (AC) i kinazy białkowej A (PKA) w odpowiedzi na przewlekłe podawanie opiatów. Indukcja tych enzymów odpowiada za stopniowe odzyskiwanie aktywności funkcjonalnej szlaku cAMP, która występuje podczas przewlekłej ekspozycji na opiat (tolerancja i zależność) i aktywacja szlaku cAMP obserwowana po usunięciu opiatów (wycofanie). Dolny Panel, Opiaty ostro hamują neurony LC poprzez zwiększenie przewodnictwa K wewnątrz prostującego⁺ kanał poprzez sprzęganie z podtypami G_{i / o} i ewentualnie przez zmniejszenie Na⁺-zależny prąd wewnętrzny przez sprzęgło z G_{i / o} i wynikające z tego hamowanie AC, obniżone poziomy aktywności PKA i zmniejszona fosforylacja odpowiedzialnego kanału lub pompy. Hamowanie szlaku cAMP zmniejsza również fosforylację wielu innych białek, a tym samym wpływa na wiele innych procesów neuronalnych. Na przykład, zmniejsza stan fosforylacji białka wiążącego element odpowiedzi cAMP (CREB), który inicjuje niektóre z długoterminowych zmian w funkcji LC. Przewlekłe podawanie morfiny zwiększa poziomy podjednostek ACI, ACVIII, PKA katalitycznych (kat.) I regulacyjnych oraz kilka fosfoprotein, w tym CREB i hydroksylazy tyrozynowej (TH) (wskazane czerwonymi strzałkami). Zmiany te przyczyniają się do zmienionego fenotypu stanu uzależnienia od narkotyków. Na przykład, wewnętrzna pobudliwość neuronów LC jest zwiększona przez zwiększoną aktywność szlaku cAMP i Na⁺-zależny prąd wewnętrzny, który przyczynia się do tolerancji, zależności i wycofania wykazanego przez te neurony. Regulacja w górę ACVIII i TH odbywa się za pośrednictwem CREB, podczas gdy regulacja w górę ACI i podjednostek PKA wydaje się zachodzić za pośrednictwem niezidentyfikowanego, niezależnego od CREB mechanizmu.

Te adaptacje są mediowane przez regulację w górę kilku białek sygnałowych w szlaku cAMP, w tym AC1 / 8 (Matsuoka i in. 1994; Lane-Ladd i in. 1997; Zachariou i in. 2008), zależna od cAMP kinaza białkowa (PKA) (Nestler i Tallman 1988), CREB (Guitart i in. 1992; Shaw-Lutchman i in. 2002; Han i in. 2006) oraz TH i BDNF - oba docelowe cele CREB (Guitart i in. 1989; Akbarian i in. 2002). Przewlekłe opiaty wywołują również ekspresję GIRK2 / 3 w LC (Cruz i in. 2008), jak również liczne inne geny ujawnione przez analizę mikromacierzy (McClung i in. 2005). Co więcej, ostatnio wykazano, stosując model kultury warstwowej LC, że zwiększona wewnętrzna aktywność elektryczna neuronów LC indukowanych przez przewlekłe opiaty jest spowodowana przez bezpośrednią aktywację MOR na neuronach LC NE, co implikuje wewnętrzną adaptację homeostatyczną (Cao i in. 2010). To podejście zidentyfikowało kluczową rolę CREB zarówno w aktywności stymulatora, jak i indukowanym morfiną wzroście szybkości wypalania LC (Han i in. 2006; Cao i in. 2010), efekt, który zaobserwowano również u myszy z wczesnym nokautem CREB specyficznym dla neuronów NE (Parlato i in. 2010). Wreszcie, w wielu badaniach wykazano, że ta aktywacja odpalania neuronów LC i regulowany w górę szlak cAMP-CREB, który pośredniczy w zwiększonym wypalaniu, są zarówno konieczne, jak i wystarczające do pośredniczenia w kilku objawach fizycznego odstawienia opiatów (Lane-Ladd i in. 1997; Punch i in. 1997; Han i in. 2006).

Chociaż większość opisanej tutaj plastyczności opiatów jest wewnętrznie związana z neuronami LC NE, istnieją pewne dowody na to, że przewlekła morfina może również wpływać na pobudzenie pobudzenia do LC, ponieważ występuje wzrost spontanicznej częstotliwości EPSC w skrawkach od myszy leczonych morfiną (Torrecilla i in. 2008). Dodatkowo, obserwuje się wzrost uwalniania glutaminianu i asparaginianu w LC in vivo u szczurów pozbawionych morfiny i miejscowe stosowanie antagonistów pobudzających aminokwasów w LC częściowo blokuje indukowany przez wycofanie wzrost aktywności LC (Akaoka i Aston-Jones 1991; Aghajanian i in. 1994).

Istnieją pewne kontrowersje dotyczące tego, czy zmiany w sygnalizacji cAMP-CREB w neuronach LC iw aktywności neuronalnej LC pośredniczą w zachowaniach związanych z odstawieniem opiatów. Na przykład uszkodzenia LC lub nokaut rozwojowy aktywności CREB w neuronach LC NE, nie wykrywają w sposób zauważalny objawów odstawienia (Christie i in. 1997; Parlato i in. 2010). Natomiast wykazaliśmy, że modulacja aktywności szlaku cAMP lub CREB w LC dorosłych zwierząt konsekwentnie blokuje kilka zachowań związanych z odstawieniem (Lane-Ladd i in. 1997; Punch i in. 1997; Han i in. 2006). Wierzymy, że kilka kluczowych rozważań wyjaśnia te różne ustalenia. Po pierwsze, LC jest tylko jednym z kilku obszarów mózgu ważnych dla fizycznej zależności od opiatów i odstawienia (Koob i Le Moal 2001). Nic dziwnego, że zwierzęta z uszkodzonymi LC nadal rozwijają głęboką zależność fizyczną, w której pośredniczy zwiększone uzależnienie od tych innych substratów neuronowych. Po drugie, jest bardzo prawdopodobne, że niektóre z narzędzi wykorzystywanych do manipulowania aktywnością szlaku cAMP w LC (np. Miejscowa infuzja aktywatorów lub inhibitorów PKA) wpływają na aferentne glutaminergiczne w tym regionie, co również wydaje się wykazywać zmiany plastyczne (w tym szlak cAMP w górę - regulacja) po przewlekłej morfinie (Nestler 1992; Christie i in. 1997). Po trzecie, pomimo prawdopodobnej roli tych aferentnych glutaminergicznych, nie ma wątpliwości, że plastyczność jest również związana z neuronami LC NE, ponieważ miejscowy nokaut CREB z LC dorosłych (który nie może wpływać na doprowadzające zakończenia nerwowe) blokuje zwiększoną pobudliwość wywołaną morfiną neuronów LC NE i łagodzi wycofanie (Cao i in. 2010; V Zachariou i EJ Nestler, unpubl.). Brak efektu nokautu CREB z tych neuronów u myszy warunkowych z nokautem (Parlato i in. 2010) zwraca uwagę na kompensacje rozwojowe, które komplikują stosowanie modeli wczesnego knockoutu i podkreśla znaczenie wykorzystywania manipulacji genami we w pełni zróżnicowanym mózgu dorosłego podczas badania plastyczności dorosłych.

Zatem bogactwo dowodów doświadczalnych ustala regulację w górę szlaku cAMP-CREB jako mechanizmu wewnętrznej homeostatycznej plastyczności neuronów LC NE w rozwoju uzależnienia fizycznego opiatów. Ważne jest również podkreślenie historycznego znaczenia tej pracy nad LC, ponieważ służyła ona jako modelowy model dla długotrwałych działań opiatów na mózg: w oparciu o wcześniejsze badania LC, regulacja w górę cAMP-CREB od tego czasu wykazano, że jest to wspólny mechanizm tolerancji opiatów, uzależnienia i wycofania w wielu regionach centralnego i obwodowego układu nerwowego i rzeczywiście stanowi jeden z najlepiej ustalonych modeli molekularnych podstaw uzależnienia od narkotyków (Nestler 2001, 2004).