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

Następny rozdział

Tło

VTA była szeroko badana w kontekście nadużywania narkotyków ze względu na jej fundamentalną rolę w nagradzaniu. Neurony dopaminowe (DA) w VTA projektują do wielu obszarów mózgu, w tym jądra półleżącego (NAc), gdzie zauważono zwiększone uwalnianie DA w odpowiedzi na każdą klasę nadużywanych narkotyków ( Di Chiara i Imperato 1988 ). Jednakże, podczas gdy neurony DA stanowią znaczącą część (∼60%–65%) tego jądra śródmózgowia, występuje znaczna różnorodność komórkowa, ze znaczną częścią neuronów GABA (30%–35%), a także opisami neuronów glutaminergicznych (2%–3%) ( Swanson 1982 ; Nair-Roberts i in. 2008 ; Sesack i Grace 2010 ). Neurony DA i GABA w brzusznym śródmózgowiu, ogólnie rzecz biorąc, projektują topograficznie (przyśrodkowo do bocznie), przy czym główne struktury wyjściowe składają się z NAc, kory przedczołowej (PFC) i ciała migdałowatego (AMY) (szczegółowo omówione w Sesack i Grace 2010 ) ( Rys. 1 ). Główne drogi aferentne do VTA obejmują pobudzające sygnały wejściowe z PFC, konaru mostowego i boczno-grzbietowego jądra nakrywki (PPTg i LDT), a także wielu innych niedawno zdefiniowanych struktur ( Geisler i in. 2007 ). Hamujące sygnały wejściowe do VTA są słabiej zdefiniowane, ale doniesiono o sygnałach wejściowych z NAc, gałki bladej brzusznej i jądra rostromedialnego nakrywki mezomostowej (RMTg) ( Sesack i Grace 2010 ). Dotychczasowe badania skupiały się przede wszystkim na neuronach DA w VTA, a w szczególności na tych, które projektują do NAc, ze względu na kluczową 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 wywołania zwiększonego uwalniania DA w NAc ( Leone i in. 1991 ), znaczna ilość prac badała ostre efekty opiatów w VTA. Ostra morfina zwiększa częstotliwość wyładowań neuronów DA w VTA ( Gysling i Wang 1983 ). Efekt ten jest pośredniczony przynajmniej częściowo przez wiązanie morfiny do receptora μ-opioidowego sprzężonego z G _i/o (MOR) na lokalnych neuronach GABA, zmniejszając w ten sposób ich aktywność i późniejsze uwalnianie GABA na neuronach DA, co skutkuje rozhamowaniem neuronów DA ( Johnson i North 1992 ). Jednakże interpretacja dużej części wczesnych prac elektrofizjologicznych jest skomplikowana przez dowody podkreślające niemal nieodróżnialną naturę neuronów DA i GABA VTA (pod względem rozmiaru, morfologii i właściwości elektrofizjologicznych) ( Margolis i in. 2006 ), wyjaśniając potrzebę identyfikacji neuronów VTA badanych bardziej definitywnie (np. za pomocą immunohistochemii, przy użyciu myszy reporterowych GFP itp.), co zostanie omówione szczegółowo w dalszej części tego przeglądu. Tutaj skupiamy się głównie na opiatach, które działają jako agoniści MOR w VTA, takich jak morfina, ponieważ leki te wywołują nagradzające efekty najczęściej badane w dziedzinie nadużywania narkotyków. Wiadomo jednak, że receptory opioidowe κ (KOR) są również wyrażane na neuronach DA VTA i że aktywacja tych receptorów może bezpośrednio hamować częstotliwość wyładowań neuronów DA ( Margolis i in. 2003 ), prawdopodobnie przyczyniając się do awersyjnych efektów agonistów kappa. Zdolność opiatów do wywoływania zarówno aktywacji, jak i hamowania neuronów VTA DA oraz wywoływania efektów nagradzających i awersyjnych jest intrygująca, a ta modulacja „yin-yang” i rola endogennych peptydów opioidowych w nagradzaniu zasługują na uwagę przyszłych badań.

Ostra plastyczność synaptyczna wywołana opiatami

Oprócz zmian w aktywności neuronalnej, istnieje wiele doniesień o plastyczności synaptycznej wywołanej przez ostre opiaty. Podobnie jak w przypadku kokainy i innych nadużywanych narkotyków, stwierdzono, że pojedynczy zastrzyk morfiny zwiększa stosunek pobudzających prądów postsynaptycznych (EPSC) kwasu α-amino-3-hydroksy-5-metylo-4-izoksazolopropionowego (AMPA) do kwasu N -metylo-D-asparaginowego (NMDA) 24 godziny po podaniu, co jest zgodne z długotrwałym wzmocnieniem (LTP) synaps glutaminergicznych na neuronach DA ( Saal i in. 2003 ). Ostatnio doniesiono również, że ostra morfina indukuje redystrybucję receptora AMPAR (AMPAR) w VTA w sposób podobny do kokainy, a konkretnie insercję AMPAR pozbawionych GluA2 ( Brown i in. 2010 ). Brown i in. zaobserwowali zwiększony indeks rektyfikacji i zwiększony cytoplazmatyczny AMPAR GluA2 w odpowiedzi na ostrą dawkę morfiny, co odzwierciedla bezpośrednia stymulacja neuronów DA w VTA z wykorzystaniem selektywnej ekspresji rodpozyny kanałowej 2 ( Brown i in. 2010 ), co bezpośrednio implikuje aktywność/sygnalizację DA w VTA na regulację glutaminergiczną. Dane te są zgodne z wcześniejszymi badaniami, zgodnie z którymi nadmierna ekspresja GluA1, ale nie GluA2, w VTA uwrażliwia zwierzęta na morfinę, aktywizujące i nagradzające zachowania lokomotoryczne ( Carlezon i in. 1997 ).

Ostre opiaty wpływają również na plastyczność synaps GABAergicznych w VTA. Stwierdzono, że stymulacja wysokoczęstotliwościowa wywołuje LTP w zakończeniach GABA (LTP _GABA ) neuronów DA VTA, co jest zależne od aktywacji postsynaptycznych receptorów NMDA (NMDAR) i uwalniania tlenku azotu (NO) jako wstecznego przekaźnika z neuronów DA ( Nugent i in. 2007 ). NO zwiększa następnie aktywność cyklazy guanylowej (GC) w neuronie GABA, co prowadzi do zwiększonego uwalniania GABA i LTP _GABA . Pojedyncza dawka morfiny hamuje LTP _GABA poprzez przerwanie kaskady sygnałowej NO–GC–kinaza białkowa G (PKG), powodując utratę normalnej kontroli hamującej (obserwowanej 2 i 24 godziny po wstrzyknięciu, ale nie 5 dni) ( Nugent i in. 2007 , 2009 ; Niehaus i in. 2010 ). Zatem przerwanie LTP _GABA zapewnia kolejny mechanizm umożliwiający ostrym opioidom zwiększanie aktywności neuronalnej VTA DA.

Niedawno opisano inną formę plastyczności GABAergicznej VTA: długotrwałą depresję synaps GABAergicznych na neuronach DA (LTD _GABA ) ( Dacher i Nugent 2011a ). Za pomocą stymulacji niskoczęstotliwościowej (LFS) indukowano stabilną LTD _{GABA w komórkach DA, która w przeciwieństwie do LTP GABA} była wyrażana postsynaptycznie i nie zależała od NMDAR. Ten efekt również nie zależał od sygnalizacji endokannabinoidowej, ale był blokowany przez antagonistę receptora dopaminy D2 (D2R) sulpiryd. Co ciekawe, pojedyncze wstrzyknięcie morfiny wystarczyło, aby zapobiec indukowanej przez LFS LTD _GABA 24 godziny po podaniu, co sugeruje, że morfina może dwukierunkowo regulować plastyczność GABA w VTA ( Dacher i Nugent 2011a ).

Chroniczna plastyczność synaptyczna wywołana opiatem

Chociaż zmiany synaptyczne zachodzące pod wpływem ostrych opiatów zostały stosunkowo dobrze scharakteryzowane, zmiany przewlekłe nie zostały jeszcze dokładnie opisane. Do tej pory niewiele, jeśli w ogóle, badań dotyczyło zmian plastyczności glutaminergicznej lub GABA-ergicznej w odpowiedzi na przewlekłe podawanie opiatów. Dotyczy to również braku wiedzy na temat różnic między biernym a czynnym podawaniem narkotyków, co jest istotnym czynnikiem, biorąc pod uwagę najnowsze badania wykazujące, że utrzymywanie się LTP w VTA u zwierząt abstynujących od samopodawania kokainy (do 3 miesięcy) występuje jedynie w przypadku warunkowej ekspozycji na kokainę ( Chen i in. 2008 ).

Wiadomo jednak, że przewlekła morfina, podobnie jak ostra morfina, zwiększa aktywność neuronalną DA. Zapisy in vivo po przewlekłej morfinie pokazują wzrost zarówno podstawowej częstości wyładowań, jak i aktywności wybuchowej, która powraca do poziomu wyjściowego podczas odstawiania ( Georges i in. 2006 ). Jest to w przeciwieństwie do wcześniejszych prac, w których zaobserwowano stały spadek aktywności DA u szczurów po odstawieniu morfiny ( Diana i in. 1995 , 1999 ). Jednym z potencjalnych powodów tych różnic jest stosowana metoda podawania. Na przykład w badaniu Georges i in. zastosowano paradygmat podskórnego (sc) uwalniania peletek, który, jak wykazano, ma zupełnie inny profil farmakodynamiczny niż paradygmat przewlekłej dawki zwiększającej się stosowany we wcześniejszych badaniach Diany i in. Jak wcześniej donoszono ( Fischer i in. 2008 ), 24 godziny po podaniu ostatniej tabletki morfiny, poziomy morfiny we krwi nie zmniejszają się, pozostając względnie stabilne przy szczycie (~3000 ng/ml), podczas gdy model przewlekłego wstrzyknięcia wytwarza znacznie wyższy szczyt (~10 000 ng/ml) po 1 godzinie, ze poziomami we krwi poniżej 100 ng/ml po 4 godzinach i nieistotnymi po 12 godzinach. Zmiana częstotliwości wyładowań DA wywołana odstawieniem przewlekłego morfiny, niezależnie od tego, czy powrót do poziomu wyjściowego, czy spadek poniżej poziomu wyjściowego, wydaje się zależeć od zmian w uwalnianiu GABA. Odstawienie przewlekłej morfiny zwiększa hamujące prądy postsynaptyczne GABA (IPSC) i uwalnianie GABA do neuronów DA VTA ( Bonci i Williams 1997 ), co jak niedawno wykazano, jest efektem zależnym od recyklingu prądów MOR i sygnalizacji cyklicznego adenozyno-5′-monofosforanu (cAMP) ( Madhavan i in. 2010 ).

Innym potencjalnym czynnikiem wpływającym na różnice między badaniami jest heterogeniczność VTA w porównaniu do LC (jak opisano poniżej). Nie tylko występuje złożoność wielu typów komórek (głównie GABA vs. DA), ale rozkład typów komórek zmienia się również wzdłuż osi rostralno-ogonowej VTA ( Ryc. 2 ). Konkretnie, proporcja neuronów DA do GABA jest znacznie wyższa w rostralnych podregionach VTA (IFN, RL) w porównaniu z podregionami ogonowymi (PN, PIF) ( Nair-Roberts i in. 2008 ). Ta różnica ma znaczenie funkcjonalne dla zmian behawioralnych wywołanych morfiną. Nadmierna ekspresja HSV-GluA1 zwiększyła zachowanie nagrody w postaci morfiny po wstrzyknięciu do rostralnej VTA, podczas gdy wywołała zachowanie awersyjne w ogonowej VTA, efekt obserwowany również w przypadku wirusowej nadmiernej ekspresji białka wiążącego element odpowiedzi na cAMP (CREB) lub fosfolipazy C gamma (PLCγ) ( Carlezon i in. 2000 ; Bolanos i in. 2003 ; Olson i in. 2005 ). Tę różnicę można zaobserwować również na poziomie molekularnym, jako przewlekłą morfinę indukowaną przez element odpowiedzi na cAMP (CRE) transkrypcję w neuronach DA w rostralnej i ogonowej VTA, ale obserwowano ją tylko w neuronach nie-DA w rostralnej VTA ( Olson i in. 2005 ). Badania ultrastrukturalne potwierdzają takie rostralno-ogonowe różnice i sugerują dodatkową złożoność schematu leczenia i wyników projekcji. Pojedyncza iniekcja morfiny zwiększyła poziom GluA1 zarówno w dendrytach z dodatnią (DAergiczną) hydroksylazą tyrozynową (TH), jak i z ujemnymi (prawdopodobnie GABA-ergicznymi) hydroksylazą tyrozynową (TH) w VTA okołoramiennej (PBP). Natomiast w przypadku przewlekłego stosowania morfiny, oprócz regionu PBP, obserwowano wzrost poziomu GluA1 w VTA okołonaczyniowym (PN) ( Lane i in. 2008 ).

  

Zobacz większą wersję:  

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

Rysunek 2. 

Złożoność komórkowa i projekcyjna w VTA. Proporcja neuronów DA (czerwone) do GABA (niebieskie) różni się między podjądrami VTA, przy czym wyższe stosunki DA:GABA obserwowano w bardziej rostralnych podregionach, takich jak rostralne jądro liniowe (RL) w porównaniu z bardziej ogonowymi podjądrami, takimi jak regiony paranigralne (PN) i parainterfaskikularne (PIF). Ponadto projekcje neuronalne DA różnią się w całym VTA, przy czym bardziej boczne regiony, takie jak jądro parabrachialne (PBP), projektują do bocznej powłoki NAc (Lat Sh), podczas gdy regiony środkowe, takie jak PN, mają zróżnicowane projekcje, w tym ciało migdałowate (AMY), kora przedczołowa (PFC), rdzeń NAc i przyśrodkową powłokę NAc (Med Sh). Ograniczone prace badały projekcje neuronalne GABA; Istnieją pewne dowody na to, że neurony GABA w rostralnym PBP mają silną projekcję do PFC, podczas gdy istnieje niewiele rostralnych neuronów DA w PBP, które projektują do PFC, ale istnieje duża projekcja DA w ogonowym PBP; sugeruje to, że projekcja PBP-PFC jest nie tylko zdefiniowana regionalnie, ale także specyficzna dla podtypu neuronu ( Lammel i in. 2008 ). (Wykorzystane liczby komórek pochodzą z pracy Nair-Roberts i in. 2008 , a projekcje z badań znakowania wstecznego przeprowadzonych przez Lammel i in. 2008 ).

Różnice między neuronami DA VTA, w oparciu o ich obszar wyjściowy, wzbudziły ostatnio duże zainteresowanie, ponieważ obecnie jest dobrze udokumentowane, że właściwości elektrofizjologiczne neuronów DA różnią się w zależności od projekcji. Neurony DA VTA projektujące do NAc mają znacznie mniejszy prąd I _h niż neurony projektujące do ciała migdałowatego boczno-podstawnego (BLA) ( Ford i in. 2006 ), a także występują różnice w projekcjach w samym NAc, przy czym neurony DA projektujące do bocznej powłoki NAc wykazują znacznie wyższy prąd I _h niż neurony DA, które projektują do środkowej powłoki NAc ( Lammel i in. 2011 ). Czas trwania potencjału czynnościowego (AP) neuronów DA również różni się w zależności od projekcji, ponieważ neurony DA projektujące do NAc mają najdłuższy czas trwania AP, podczas gdy czas trwania AP neuronów projektujących do PFC jest krótszy, a neurony DA projektujące do 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 projektujące do NAc reagowały silniej na agonisty KOR niż neurony projektujące do BLA, podczas gdy odwrotny efekt zauważono w przypadku reakcji na agonistę MOR/delta (DOR), który miał większy wpływ na neurony projektujące do BLA ( Ford i in. 2006 ). Przekłada się to również na presynaptycznie pośredniczone efekty opioidowe, ponieważ agonista KOR powodował większe hamowanie GABA _A IPSC neuronów DA projektujących do BLA, podczas gdy wystąpiło większe hamowanie GABA _B IPSC pośredniczone przez agonistę KOR w neuronach projektujących do NAc ( Ford i in. 2006 ). Ponadto ostatnio zaobserwowano, że modulacja pobudzających synaps na neuronach DA różni się w zależności od projekcji ( Lammel i in. 2011 ). Lammel i współpracownicy (2011) odkryli, że stosunek AMPA/NMDA był zwiększony przez kokainę w neuronach DA, które projektowały do ​​NAc, ale nie w neuronach DA, które projektowały do ​​PFC. Jednakże stosunek AMPA/NMDA był zwiększony w komórkach DA projektujących do PFC w odpowiedzi na bodziec awersyjny (wstrzyknięcie formaliny do tylnej łapy), efekt, który obserwowano również w neuronach DA, które projektowały do ​​bocznej powłoki NAc, ale nieobecny w neuronach DA projektujących do środkowej powłoki NAc — pokazując heterogeniczność odpowiedzi w obrębie podregionów tego celu projekcji ( Lammel i in. 2011 ). Badania te wyraźnie wskazują, że dokładniejsze zrozumienie adaptacji synaptycznych, które występują zarówno w przypadku ostrych, jak i przewlekłych opiatów, będzie wymagało zintegrowania informacji na temat wyjścia badanych neuronów DA. Opracowanie technik specyficznych dla neuronów i projekcji posłuży wyjaśnieniu 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 badania sugerują, że ta zmiana strukturalna może być ściśle związana ze zmianami aktywności indukowanymi przez przewlekłe opiaty. Podobnie jak w badaniu in vivo przeprowadzonym przez Georges i in., omówionym powyżej, stwierdziliśmy, że u myszy narażonych na przewlekłe działanie morfiny, częstotliwość aktywacji receptorów DA w VTA wzrastała w tym samym momencie, w którym zmniejszał się rozmiar soma ( 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.

Dokładniej scharakteryzowaliśmy ten wynik i odkryliśmy, że nadmierna ekspresja IRS2dn w VTA, która jest wystarczająca, aby zmniejszyć rozmiar somy DA, zmniejszyła produkcję DA do NAc, a także zmniejszyła ekspresję kilku podjednostek kanału K ⁺ w sposób podobny do przewlekłego stosowania morfiny.

W naszych staraniach o identyfikację szlaków sygnałowych poniżej IRS2/AKT, które pośredniczą w przewlekłych neuroadaptacjach indukowanych morfiną, dokonaliśmy zaskakującej obserwacji, że sygnalizacja kompleksu 1 ssaczego celu rapamycyny (mTOR) (mTORC1), dobrze poznanej ścieżki wzrostu komórkowego, była faktycznie zwiększona przez przewlekłe podawanie morfiny. Z kolei zaobserwowaliśmy spadek sygnalizacji kompleksu 2 mTOR (mTORC2), który, jak wykazaliśmy, jest zarówno niezbędny, jak i wystarczający do wywołania zmian wielkości somy i aktywności neuronalnej indukowanych morfiną. W szczególności odkryliśmy, że nadmierna ekspresja niewrażliwego na rapamycynę białka towarzyszącego mTOR (Rictor), niezbędnego składnika białka mTORC2, była wystarczająca, aby zapobiec zmniejszeniu wielkości somy, a także zapobiec wzrostowi częstotliwości wyładowań neuronów DA w sposób autonomiczny dla komórek: tylko komórki DA w VTA z nadekspresją Rictor miały osłabioną częstotliwość wyładowań, podczas gdy pobliskie komórki DA nadal wykazywały wzrost. Sugeruje to, że zmiany w sygnalizacji wewnętrznej neuronów DA mogą pośredniczyć w zmianach pobudliwości wywołanych przewlekłymi opiatami, prawdopodobnie poprzez zmianę modulacji AKT prądów GABA _A ( Krishnan i in. 2008 ) lub ekspresji kanałów K ⁺ ( Mazei-Robison i in. 2011 ) ( Rys. 3 ). Podobnie jak w przypadku nadmiernej ekspresji IRS2, odkryliśmy, że zmiana aktywności mTORC2 korelowała z zachowaniem nagrody za morfinę, ponieważ zmniejszenie aktywności mTORC2 zmniejszało preferencję miejsca warunkowaną morfiną (CPP), podczas gdy zwiększenie aktywności mTORC2 było wystarczające, aby wywołać CPP do niskiej dawki morfiny, która nie indukuje warunkowania miejsca u zwierząt kontrolnych.

  

Zobacz większą wersję:  

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

Rysunek 3. 

Przewlekła morfina zmniejsza rozmiar somy DA w VTA, ale zwiększa pobudliwość neuronów, podczas gdy transmisja DA do NAc jest zmniejszona. Efektem netto morfiny jest słabsza reakcja szlaku nagrody, tj. tolerancja na nagrodę. Obniżenie sygnału IRS2-AKT (niebieski) w VTA pośredniczy w wpływie przewlekłej morfiny na rozmiar somy i pobudliwość elektryczną; wpływ na pobudliwość jest pośredniczony poprzez zmniejszenie prądów GABA _A i supresję ekspresji kanału potasowego ^. Indukowane morfiną obniżenie aktywności mTORC2 w VTA ma kluczowe znaczenie dla tych indukowanych morfiną adaptacji morfologicznych i fizjologicznych, a także dla tolerancji na nagrodę. W przeciwieństwie do mTORC2, przewlekła morfina zwiększa aktywność mTORC1 (czerwony), co nie wydaje się bezpośrednio wpływać na te indukowane morfiną adaptacje. Przewlekłe stosowanie morfiny zmniejsza również wydzielanie DA do NAc, a także zmniejsza rozgałęzienia dendrytyczne i liczbę kolców dendrytycznych na średniokolczastych neuronach GABA w NAc, co dodatkowo hamuje normalne sygnalizowanie DA w obwodzie mezolimbicznym.

Jest mało prawdopodobne, aby zmiana rozmiaru soma była jedyną adaptacją strukturalną indukowaną przez przewlekłe opiaty w VTA. Biorąc pod uwagę zmniejszoną liczbę kolców dendrytycznych i złożoność dendrytyczną rozgałęzień średnich neuronów kolczastych NAc szczurów wcześniej narażonych na przewlekłą morfinę ( Robinson i Kolb 1999 ; Robinson i in. 2002 ), spodziewamy się, że zmiany dendrytyczne zachodzą również w neuronach DA VTA. Obecnie trwają badania mające na celu scharakteryzowanie zmian morfologii kolców, co stanowi ogromną lukę w tej dziedzinie, ponieważ tylko jedno badanie do tej pory zbadało zmiany w architekturze dendrytycznej VTA wywołane przez narkotyki. W badaniu tym stwierdzono wzrost gęstości kolców dendrytycznych w jednym podtypie neuronu VTA w odpowiedzi na ostrą iniekcję kokainy, ten sam podtyp wykazał zwiększony stosunek NMDA/AMPA ( Sarti i in. 2007 ). Dane z naszej poprzedniej pracy, że długość procesów VTA DA jest zmniejszona (∼30%) u szczurów leczonych przewlekle morfiną ( Sklair-Tavron i in. 1996 ), są zgodne z globalnymi zmianami w architekturze VTA DA. Ta zmiana może również pomóc wyjaśnić spadek wyjścia DA do NAc po przewlekłym morfinie, ponieważ wcześniej zgłaszaliśmy zmniejszony transport aksonalny i poziomy białek neurofilamentowych w VTA ( Beitner-Johnson i in. 1992 , 1993 ), co sugeruje, że przewlekła morfina wpływa również na strukturę i funkcję aksonów. Biorąc pod uwagę regionalną i projekcyjną złożoność neuronów VTA DA wspomnianą powyżej, obecnie badamy, czy te zmiany strukturalne są indukowane w określonym podzbiorze neuronów VTA DA przy użyciu fluorescencyjnych znaczników wstecznych. Dane te będą miały kluczowe znaczenie dla zrozumienia strukturalnych i elektrofizjologicznych zmian indukowanych przez przewlekłe opiaty i odpowiednich zaangażowanych obwodów wyjściowych.

Jak wspomniano wcześniej, kilka badań, zarówno molekularnych, jak i elektrofizjologicznych, dostarczyło dowodów na to, że przewlekłe podawanie opiatów aktywuje szlak cAMP-CREB w VTA ( Bonci i Williams 1997 ; Olson i in. 2005 ; Madhavan i in. 2010 ). Ponadto badanie mikromacierzowe określiło globalne zmiany w ekspresji genów, które zachodzą w VTA w odpowiedzi na przewlekłe podawanie morfiny ( McClung i in. 2005 ). Obecnie konieczne są prace mające na celu lepsze zdefiniowanie swoistości komórkowej tych neuroadaptacji, a także nakreślenie ich konsekwencji funkcjonalnych. Ponadto, podczas gdy większość prac nad VTA skupiała się na neuroadaptacjach indukowanych przez opiaty, które przypuszczalnie występują w neuronach DA, istotne jest zbadanie plastyczności indukowanej lekami, która występuje w neuronach GABAergicznych VTA, które są jednym z kluczowych początkowych celów działania opiatów w tym obszarze mózgu.

Tło

LC jest głównym miejscem neuronów zawierających noradrenalinę (NE) w mózgu ( Dahlstrom i Fuxe 1965 ). Jak omówiono wcześniej ( Aston-Jones i Bloom 1981a ; Aston-Jones i in. 1991b ; Berridge i Waterhouse 2003 ; Van Bockstaele i in. 2010 ), LC jest odrębnym, zwartym, jednorodnym jądrem, składającym się niemal wyłącznie z neuronów NE. Główne wejścia do LC pochodzą z jądra przygigantokomórkowego rdzenia przedłużonego (PGi) i jądra przedsionkowego podjęzykowego, a wyjścia LC są szeroko rozpowszechnione, w tym przodomózgowie, móżdżek, pień mózgu i rdzeń kręgowy ( ryc. 1 ) ( Berridge i Waterhouse 2003 ). Aktywność neuronalna LC jest wysoce synchroniczna zarówno bazowo, jak i w 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 ), a 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 plastycznością synaptyczną zauważoną do tej pory, chociaż aferentne włókna glutaminianowe kontrolują aktywność LC, zwłaszcza z PGi ( Ennis i in. 1992 ). Neurony LC wyrażają trzy główne klasy receptorów opioidowych: MOR, DOR i KOR o odmiennym rozmieszczeniu, chociaż, podobnie jak w przypadku VTA, nasza dyskusja ogranicza się do MOR, który jest najbardziej bezpośrednio powiązany z uzależnieniem od opioidów i nałogiem.

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.  

Wzmożona ekspresja szlaku cAMP w LC jako mechanizm tolerancji i uzależnienia od opiatów. Panel górny : Opiaty gwałtownie hamują aktywność funkcjonalną szlaku cAMP (o czym świadczy poziom cAMP w komórkach i fosforylacja białek zależna od cAMP). Wraz z ciągłą ekspozycją na opiaty, aktywność funkcjonalna szlaku cAMP stopniowo powraca do normy i wzrasta znacznie powyżej poziomów kontrolnych po odstawieniu opiatów (np. po podaniu antagonisty receptora opioidowego, naloksonu). Te zmiany stanu funkcjonalnego szlaku cAMP są spowodowane indukcją cyklaz adenylowych (AC) i kinazy białkowej A (PKA) w odpowiedzi na przewlekłe podawanie opiatów. Indukcja tych enzymów odpowiada za stopniową regenerację aktywności funkcjonalnej szlaku cAMP, która ma miejsce podczas przewlekłej ekspozycji na opiaty (tolerancja i uzależnienie) oraz aktywację szlaku cAMP obserwowaną po odstawieniu opiatów (zespół odstawienny). Dolny panel: Opiaty gwałtownie hamują neurony LC poprzez zwiększenie przewodnictwa dośrodkowo prostowniczego kanału potasowego ^poprzez sprzężenie z podtypami G _i/o oraz, prawdopodobnie, poprzez zmniejszenie zależnego od Na ⁺ prądu dośrodkowego poprzez sprzężenie z G _i/o i wynikające z tego zahamowanie AC, obniżenie poziomu aktywności PKA i zmniejszenie fosforylacji kanału lub pompy odpowiedzialnej za ten proces. Hamowanie szlaku cAMP zmniejsza również fosforylację wielu innych białek, a tym samym wpływa na liczne procesy neuronalne. Na przykład, obniża stan fosforylacji białka wiążącego element odpowiedzi na cAMP (CREB), które inicjuje niektóre z długoterminowych zmian w funkcji LC. Przewlekłe podawanie morfiny zwiększa poziom ACI, ACVIII, podjednostek katalitycznych (kat.) i regulacyjnych PKA oraz kilku fosfoprotein, w tym CREB i hydroksylazy tyrozynowej (TH) (oznaczone czerwonymi strzałkami). Zmiany te przyczyniają się do zmienionego fenotypu uzależnienia od narkotyków. Na przykład, wewnętrzna pobudliwość neuronów LC wzrasta dzięki zwiększonej aktywności szlaku cAMP i zależnego od Na ⁺ prądu dopływu, co przyczynia się do tolerancji, uzależnienia i objawów odstawienia obserwowanych u tych neuronów. Wzrost ekspresji ACVIII i TH jest mediowany przez CREB, podczas gdy wzrost ekspresji 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 zakłada się, że większość opisanej tutaj plastyczności indukowanej opiatami jest inherentna dla neuronów NE w neuronach LC, istnieją pewne dowody na to, że przewlekłe podawanie morfiny może również wpływać na pobudzające bodźce w neuronach LC, ponieważ obserwuje się wzrost częstości spontanicznych EPSC w skrawkach pobranych od myszy leczonych morfiną ( Torrecilla i in. 2008 ). Ponadto, zaobserwowano wzrost uwalniania glutaminianu i asparaginianu w neuronach LC in vivo u szczurów po odstawieniu morfiny, a miejscowe zastosowanie antagonistów aminokwasów pobudzających w neuronach LC częściowo blokuje wzrost aktywności neuronów LC wywołany odstawieniem ( Akaoka i Aston-Jones 1991 ; Aghajanian i in. 1994 ).

Pewne kontrowersje pozostają co do tego, czy zmiany w sygnalizacji cAMP-CREB w neuronach LC i w aktywności neuronalnej LC pośredniczą w zachowaniach odstawiennych od opioidów. Na przykład, uszkodzenia LC lub rozwojowy nokaut aktywności CREB w neuronach NE LC nie powodują wykrywalnej zmiany objawów odstawiennych ( Christie i in. 1997 ; Parlato i in. 2010 ). Natomiast my wykazaliśmy, że modulacja aktywności szlaku cAMP lub CREB w LC dorosłych zwierząt konsekwentnie blokuje kilka zachowań odstawiennych ( Lane-Ladd i in. 1997 ; Punch i in. 1997 ; Han i in. 2006 ). Uważamy, że kilka kluczowych rozważań wyjaśnia te rozbieżne ustalenia. Po pierwsze, LC jest tylko jednym z kilku obszarów mózgu ważnych dla fizycznego uzależnienia od opioidów i odstawienia ( Koob i Le Moal 2001 ). Nie jest zaskakujące, że u zwierząt z uszkodzonymi LC nadal rozwija się głęboka zależność fizyczna, pośredniczona przez zwiększone poleganie na tych innych substratach neuronalnych. Po drugie, jest bardzo prawdopodobne, że niektóre narzędzia stosowane do manipulowania aktywnością szlaku cAMP w LC (np. miejscowa infuzja aktywatorów lub inhibitorów PKA) wpływają na aferentne włókna glutaminergiczne w tym regionie, które również wydają się wykazywać zmiany plastyczne (w tym regulację w górę szlaku cAMP) po przewlekłym podawaniu morfiny ( Nestler 1992 ; Christie i in. 1997 ). Po trzecie, pomimo prawdopodobnej roli tych glutaminergicznych aferentów, nie ma wątpliwości, że plastyczność właściwa neuronom LC NE jest również zaangażowana, ponieważ miejscowe wyłączenie genu CREB z dorosłego LC (które nie może wpływać na zakończenia nerwów aferentnych) blokuje indukowaną morfiną zwiększoną pobudliwość neuronów LC NE i osłabia odstawienie ( Cao i in. 2010 ; V Zachariou i EJ Nestler, nieopublikowane). Brak efektu wyłączenia genu CREB z tych neuronów u myszy z warunkowym wyłączeniem genu ( Parlato i in. 2010 ) podkreśla kompensacje rozwojowe, które komplikują stosowanie wczesnych modeli wyłączenia genu i podkreśla znaczenie stosowania manipulacji genetycznych w całkowicie zróżnicowanym mózgu dorosłego podczas badania plastyczności u dorosłych.

Zatem bogactwo dowodów eksperymentalnych ustanawia regulację w górę szlaku cAMP-CREB jako mechanizm wewnętrznej plastyczności homeostatycznej neuronów NE LC w rozwoju fizycznego uzależnienia od opiatów. Ważne jest również podkreślenie historycznego znaczenia tej pracy nad LC, ponieważ posłużyła ona jako modelowy system dla długoterminowego działania opiatów na mózg: w oparciu o te wcześniejsze badania nad LC, wykazano, że regulacja w górę szlaku cAMP-CREB jest powszechnym mechanizmem tolerancji na opiaty, uzależnienia i odstawienia w wielu obszarach ośrodkowego i obwodowego układu nerwowego i rzeczywiście stanowi jeden z najlepiej ugruntowanych modeli molekularnych podstaw uzależnienia od narkotyków ( Nestler 2001 , 2004 ).