Evidências de neuroimagem da função fronto-cortical e estriatal alterada após autoadministração prolongada de cocaína no rato (2011)

Neuropsicofarmacologia. 2011 Nov; 36 (12): 2431 – 2440.

Publicado online 2011 Jul 20. doi:  10.1038 / npp.2011.129

PMCID: PMC3194070

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Sumário

O vício em cocaína é frequentemente modelado em paradigmas experimentais em que os roedores aprendem a auto-administrar (SA) a droga. No entanto, a extensão em que esses modelos replicam as alterações funcionais observadas em estudos clínicos de neuroimagem da dependência de cocaína permanece desconhecida. Usamos a ressonância magnética (RM) para avaliar a função cerebral basal e evocada em ratos submetidos a um esquema prolongado de acesso prolongado à cocaína SA. Especificamente, nós medimos o volume sangüíneo cerebral basal (vCrB), um correlato estabelecido do metabolismo basal, e avaliamos a reatividade do sistema dopaminérgico pelo mapeamento da resposta farmacológica da ressonância magnética nuclear (RNMf) evocada pela anfetamina liberadora de dopamina. Os indivíduos expostos à cocaína exibiram redução do bCBV nas áreas fronto-corticais, no núcleo accumbens, no hipocampo ventral e no tálamo. O grupo da cocaína também mostrou uma resposta funcional atenuada à anfetamina em áreas ventroestriais, um efeito que foi significativamente correlacionado com o consumo total de cocaína. Uma relação inversa entre o bCBV no tálamo reticular e a resposta frontal elicitada pela anfetamina foi encontrada em indivíduos controle, mas não no grupo da cocaína, sugerindo que a interação inibitória dentro deste circuito atencional pode ser comprometida pela droga. É importante ressaltar que a análise histopatológica não revelou alterações significativas do leito microvascular no cérebro de indivíduos expostos à cocaína, sugerindo que os achados de imagem não podem ser simplesmente atribuídos a dano vascular induzido por cocaína. Estes resultados documentam que a cocaína crónica de acesso prolongado SA no rato produz alterações fronto-corticais e estriatais focais que servem como substrato neurobiológico plausível para a expressão comportamental da ingestão compulsiva de fármacos em animais de laboratório.

Palavras-chave: cocaína, fMRI, phMRI, dopamina, dependência, rato

INTRODUÇÃO

O uso crônico de cocaína produz alterações neurobiológicas duradouras que supostamente são a base da perda de controle sobre a ingestão de drogas que define a dependência de cocaína (Koob et al, 1998). Estudos de neuroimagem humana começaram a lançar luz sobre a natureza dessas mudanças e sua relação com comportamentos ou sintomas específicos. Perfusão e metabolismo frontostriatal reduzidos em abusadores abstinentes de cocaína foram relatados por múltiplos investigadores (Strickland et al, 1993; London et al, 1999; Volkow et al, 1992). A função interrompida das regiões frontais tem sido associada aos déficits neuropsicológicos persistentes e ao controle deficiente da ingestão de drogas que freqüentemente desencadeia a recidiva (Strickland et al, 1993; Kalivas, 2004). Estudos de tomografia por emissão de pósitrons (PET) com D seletivo2 ligantes de dopamina (DA) demonstraram que indivíduos com dependência de cocaína apresentam redução persistente em D2 Disponibilidade do receptor DA (Volkow et al, 1993; Martinez et al, 2004) e diminuição da responsividade dopaminérgica no nucleus accumbens e outros componentes do 'circuito de recompensa' (Volkow et al, 1997), consistente com uma diminuição da sensibilidade aos reforçadores naturais observada nesses sujeitos (Volkow et al, 2007). Pesquisas recentes sugerem que a conectividade funcional alterada de circuitos de catecolaminas pode estar por trás da inibição prejudicada da função cortical observada em usuários de cocaína, uma descoberta que retrata novas vias para os processos neuroadaptacionais associados a estados de dependência (Tomasi et al, 2010; Gu et al, 2010).

O abuso de cocaína é frequentemente modelado de forma pré-clínica em paradigmas experimentais em que ratos são treinados para auto-administrar (SA) a droga. Ao empregar diferentes padrões de SA, os experimentadores conseguiram reproduzir vários aspectos marcantes da dependência de drogas, incluindo a busca compulsiva por drogas (Vanderschuren e Everitt, 2004), uso descontrolado de drogas (Ahmed e Koob, 1998) e maior motivação para a SA o medicamento (Paterson e Markou, 2003). Estas características fazem destes modelos uma ferramenta experimental de excelente validade aparente para investigar os eventos neuroplásticos associados à ingestão voluntária de drogas (Roberts et al, 2007). No entanto, correlatos clínicos específicos da dependência de cocaína, tais como a responsividade DA embotada de áreas do estriado observada em estudos PET (Volkow et al, 1993; Martinez et al, 2004), não parecem ser adequadamente modelados pelos paradigmas SA de cocaína de acesso limitado e de curto prazo tradicionais, onde, em vez disso, respostas dopaminérgicas "sensibilizadas" (ou seja, aumentadas) são tipicamente observadas (Narendran e Martinez, 2008). Além disso, a extensão em que esses modelos replicam as múltiplas alterações neurofuncionais observadas em estudos de neuroimagem humana permanece desconhecida.

No presente estudo, utilizamos a ressonância magnética (RM) para mapear a função cerebral basal e evocada em um modelo de cocaína SA em ratos. Um protocolo prolongado (52 dias), de acesso estendido (12 h) SA foi empregado para modelar as características de alta dose, abuso crônico de cocaína em humanos (Gawin e Ellinwood, 1988; Briand et al, 2008). Períodos de abstinência repetidos foram introduzidos para minimizar os efeitos tóxicos agudos da droga e para assegurar motivação sustentada para autoadministrar altas doses de cocaína (Roberts et al, 2007). Após um período de desintoxicação do dia 10, medimos o volume sangüíneo cerebral basal microvascular (bCBV), um indicador indireto da função cerebral em repouso (Gaisler-Salomon et al, 2009; Pequeno et al, 2004), e avaliou a reatividade do sistema dopaminérgico, mapeando a resposta funcional provocada pela anfetamina liberadora-DA, utilizando um protocolo de ressonância magnética farmacológica baseado em CBV (phMRI) (Gozzi et al, 2010; Preto et al, 2004). Análises de correlação entre as respostas de repouso (bCBV) e evocadas por anfetamina (rCBV) foram realizadas na tentativa de identificar a desregulação em circuitos que controlam o recrutamento e a capacidade de resposta funcional de áreas cerebrais específicas. Finalmente, Post-mortem Exames histopatológicos foram realizados para avaliar a contribuição potencial dos efeitos vasculares e neurotóxicos diretos da SA prolongada com a cocaína para os achados de imagem.

MATERIAIS E MÉTODOS

As experiências foram realizadas de acordo com os regulamentos italianos que regem o bem-estar e a proteção dos animais. Os protocolos também foram revisados ​​por um comitê local de cuidados com animais, de acordo com as diretrizes dos Princípios de Cuidados com Animais de Laboratório (publicação do NIH 86-23, revista 1985).

Cocaína SA

Aparelho para cocaína SA

Ratos submetidos à cocaína SA foram testados em câmaras operantes, como descrito anteriormente (Moretti et al, 2010). Cada câmara experimental (Med Associates, St Albans, VT) foi equipada com uma luz indicadora colocada acima de cada alavanca e com um módulo de tom 2900-Hz. Uma bomba de infusão foi conectada através de um cateter externo a um giro líquido de canal único (Instech Laboratories, Plymouth Meeting, PA). Os parâmetros de aquisição de dados e de programação operante foram controlados por um software Med-PC (Med Associates).

Procedimento de cocaína SA

Um total de ratos macho Lister-Hooded 30 (Charles-River, Margate, Kent, UK) que pesam 275-300 g foram alojados individualmente numa sala com temperatura e humidade controlada, com água disponível ad libitum. Os animais foram sujeitos a restrição alimentar ao longo da experiência para manter um peso corporal constante de 300 g (± 10g).

Após a sua chegada, os ratos foram aclimatados durante a semana 1 e subsequentemente implantados com um cateter na veia jugular, como descrito anteriormente (Moretti et al, 2010) Após um período de recuperação de 7 dias, os ratos foram transportados para a câmara operante. O procedimento de cocaína SA foi iniciado sob um esquema de reforço de razão fixa (FR) 1. Cada pressão na alavanca ativa foi associada a uma infusão de 0.1 ml de uma solução de cloridrato de cocaína (3 mg / ml, correspondendo a 300 μg por infusão e 1 mg / kg em ratos pesando 300 g) mais a iluminação simultânea do estímulo (sugestão ) luz e extinção da luz da câmara por 20 s. Pressões na alavanca 'inativa' não tiveram consequências programadas. Cada infusão de droga ('entrega de recompensa') foi seguida por uma retração de alavanca de 20 s. As três primeiras sessões de 'treinamento' foram encerradas após 50 infusões ou 2 horas após o início da sessão. Nas 30 sessões subsequentes, o tempo de acesso à cocaína foi estendido para 12 h (1800–0600 h), a dose unitária reduzida para 0.150 μg / infusão (0.1 ml de solução de cocaína 1.5 mg / ml, correspondendo a 0.5 mg / kg em ratos pesando 300 g), e a FR aumentou gradualmente para 3 (sessões 4–6) e, eventualmente, para 5 (27 sessões restantes).

Indivíduos que perderam a patência do cateter ou pareceram insalubres (ou seja, apresentaram sinais de infecção) foram removidos do estudo (sujeitos 11 no total). Períodos de abstinência 48 – 72 h repetidos foram introduzidos nos dias 16 (sessão 14, 72 h), 23 (sessão 18, 72 h) e 31 (sessão 23, 48 h) para minimizar o risco de intoxicação aguda induzida por cocaína. A sessão 30 foi seguida por uma abstinência por compulsão mais longa (5 dias) seguida por duas sessões adicionais. Tais intervalos foram introduzidos devido à necessidade de harmonizar o tempo da ressonância magnética e do protocolo SA em relação ao número relativamente grande de indivíduos empregados. Um período de desintoxicação de dia 10 dentro da gaiola foi introduzido antes do experimento de imagem.

Procedimento SA de veículo

Um grupo de ratos 14 foi usado como grupo de referência inicial. Os sujeitos foram implantados com um cateter jugular e submetidos aos mesmos procedimentos de treinamento e SA (incluindo número, duração das sessões de SA e abstinência) conforme descrito acima, exceto pelo uso de veículo (salina, 0.1 ml) em vez de cocaína durante o operante. sessões.

Imagem de ressonância magnética

Preparação animal

Os estudos de imagem foram realizados 10 dias após a última sessão de SA. A preparação dos animais e os parâmetros de aquisição da RM foram previamente descritos em maior detalhe (Gozzi et al, 2010; Preto et al, 2004). Resumidamente, os ratos foram anestesiados com 3% halotano, traqueotomizados e ventilados artificialmente com um respirador mecânico. A artéria e a veia femorais foram canuladas e os animais foram paralisados ​​com D-tubocurarina. Após a cirurgia, o nível de halotano foi fixado em 0.8%. A temperatura corporal de todos os participantes foi mantida dentro da faixa fisiológica e a pressão arterial média (PAM) foi monitorada continuamente através da artéria femoral.

Aquisição de imagem MR

As séries de tempo anatômicas e fMRI foram adquiridas em um sistema Bruker Avance 4.7 Tesla. Os animais foram posicionados de bruços em um suporte de suporte feito sob medida, e uma bobina de recepção de duas alças em quadratura curva 'Cérebro de Rato' (Bruker, Ettlingen, Alemanha) foi montada no topo do crânio do animal e fixada no suporte do animal. O portador do animal foi então encaixado em um ressonador de gaiola de 72 mm (Bruker) que foi usado apenas para transmissão de radiofrequência. Ambas as bobinas são componentes padrão fornecidos pelo fabricante.

AT2volume anatômico ponderado foi adquirido pela seqüência RARE (TR = 5461 ms, TEef= 72 ms, fator RARE 8, FOV 40 mm, 256 × matriz 256, 20 1 milimetros contíguos) seguido por uma aquisição de série temporal (TRef= 2700 ms, TEef= 111 ms, fator RARE 32, dt = 27) com a mesma cobertura espacial, produzindo um volume de pixel funcional de ≈1 mm3. O tempo total de aquisição da série temporal da RM foi 58 min (repetições 128) para ambos os grupos.

Após cinco imagens de referência, injectou-se 2.67 ml / kg do agente de contraste Endorem (Guerbet, Roissy CdG Cedex, França) para tornar as alterações do sinal de fMRI sensíveis ao volume sanguíneo cerebral (rCBV) (Mandeville et al, 1998; Preto et al, 2003). A D-anfetamina (0.5 mg / kg) foi administrada por via intravenosa 25 min após a injeção do agente de contraste, e os dados da RM foram adquiridos durante um período de 25 min após o desafio. A dose de -amfetamina foi escolhida com base em in vivo estudos (Preto et al, 2004; Gozzi et al, 2011) A dose garante ativação cerebral robusta, não produz respostas de rCBV 'teto' (Micheli et al, 2007), e provoca respostas transitórias da PAM que são compensadas homeostaticamente sob anestesia com halotano (Gozzi et al, 2007; Zaharchuk et al, 1999).

Análise de Dados

CBV basal

Os dados da imagem de série temporal do bCBV para cada experimento foram analisados ​​dentro da estrutura do modelo linear geral (Worsley et al, 1992). Indivíduos individuais foram normalizados espacialmente para um conjunto de modelos de IRM de cérebro de rato estereotáxico (Preto et al2006a). As mudanças na intensidade do sinal foram convertidas em bCBV (t) numa base de pixels, como descrito anteriormente (Chen et al, 2001; Mandeville et al, 1998). As séries temporais de bCBV foram calculadas ao longo de uma janela de tempo 4.5-min começando 6.8 min após a injeção do agente de contraste. Os volumes médios de bCBV para sujeitos individuais foram criados pela média dos pontos de tempo 10 no tempo. O retardo linear foi introduzido para explicar a eliminação do agente de contraste (Preto et al, 2003). A estatística do grupo Voxel foi realizada usando FSL (ferreiro et al, 2004) utilizando inferência Bayesiana multinível, com suavização espacial de 0.7 mm, Z limite> 1.6, e um limite de significância de cluster corrigido de p= 0.01.

resposta phMRI a D-anfetamina

As alterações na intensidade do sinal da RM foram convertidas em CBV fracional (rCBV), como descrito anteriormente (Mandeville et al, 1998) e compensou a eliminação do agente de contraste da reserva de sangue (Preto et al, 2003). As séries temporais não-suavizadas de rCBV para desafio com anfetamina foram calculadas cobrindo a pré-projecção 12.5-min e a janela de pós-cálculo 24-min. A estatística Voxel-wise foi realizada usando FEAT com 0.7 mm de suavização espacial e usando uma função modelo (Figura Suplementar S1) capturando o perfil temporal da resposta de rCBV induzida por anfetamina (Preto et al2006b). Comparações de grupo de nível mais elevado foram realizadas com inferência Bayesiana multinível e Z> 1.6 com um limite de significância de cluster corrigido de p= 0.01. Para testar especificamente a hipótese de uma reatividade estriada alterada para D-anfetamina em ratos cocaína, uma máscara binária 3D de área subcortical principal (corpo estriado, tálamo, hipocampo, hipotálamo, estriado, pálio ventral, NBT e amígdala) foi gerada usando uma reconstrução digital do atlas cerebral de ratos (Preto et al2006a) e utilizados para séries temporais de rCBV pré-limiar antes da análise de FSL de nível superior. Este procedimento aumenta o poder estatístico da análise reduzindo o número de comparações múltiplas (Huettel et al, 2004). Para investigar a especificidade regional do efeito de uma maneira livre de hipótese e descartar reduções generalizadas na resposta de anfetamina em todo o cérebro, a mesma análise foi repetida em conjuntos de dados não-mascarados de rCBV (Figura Suplementar S5). Os valores médios do volume de interesse (VOI) do bCBV e os tempos de duração do desafio com anfetamina foram extraídos como descrito anteriormente (Preto et al2006a; Gozzi et al, 2008) As diferenças estatísticas na média do bCBV foram avaliadas usando um teste ANOVA de uma via seguido pelo teste de Fisher para comparações múltiplas.

Análise de correlação

Mapas de respostas de rCBV induzidas por bCBV e D-anfetamina correlacionadas através de indivíduos foram calculadas dentro da estrutura de GLM ao nível de grupo com referência a bCBV em regiões representativas usando FSL (Preto et al2007a, 2007b). Um número de VOIs representativos foram selecionados com base nos resultados dos mapas intergrupos de bCBV (medial pré-frontal, insular, orbitofrontal, córtex somatossensorial, córtex caudado, núcleo acumbente, tálamo reticular e tálamo póstero-ventral). Para cada VOI, a matriz de delineamento compreendeu um regressor que capturou o sinal bCBV médio do grupo na estrutura anatômica e outro contendo o vetor bCBV de média zero ao longo do N sujeitos no grupo da estrutura de referência selecionada. o ZAs imagens estatísticas foram calculadas através de contrastes capturando correlações positivas e negativas com a resposta de referência, e foram limita- Z> 1.6 e um limite de significância de cluster corrigido de p= 0.01. Os gráficos de regressão linear das respostas de bCBV e rCBV correlacionadas foram calculados traçando o bCBV e a resposta média de rCBV à anfetamina em indivíduos individuais, sendo este último expresso como resposta média ao longo de uma janela de tempo 20 min (4-24 min pósinjeção).

Histopatologia

A avaliação histopatológica foi realizada em indivíduos tratados com cocaína 10 e 8 escolhidos aleatoriamente como descrito anteriormente (Barroso-Moguel et al, 2002). Após a ressonância magnética, os ratos foram mantidos sob anestesia profunda (halotano 5%), e uma perfusão aórtica 15-min de meio fixador (10% tamponada formalina) foi realizada, precedida por uma infusão de solução salina 5-min. Cérebros perfundidos foram removidos e armazenados em solução fixadora para 24-72 h. O corte do cérebro foi então realizado usando uma matriz cerebral (ASI Instruments) projetada para ratos que pesam 200-400 g. As amostras de tecido foram incluídas em parafina, seccionadas em fatias finas com 5-μm e coradas com uma combinação de hematoxilina-eosina e Luxol Fast Blue (Scholtz, 1977). As regiões do corte e do cérebro analisadas foram o córtex cingulado e pré-frontal, o putâmen caudado, o corpo caloso, o hipocampo (C2), o cerebelo (células purkinje) e a substantia nigra. O exame foi realizado por dois patologistas veterinários cegos para estudo.

PREÇO/ RESULTADOS

Cocaína Crónica SA

Todos os indivíduos completaram as sessões de cocaína 33 SA com sucesso ao longo de um período de tempo de 52 dias. O esquema SA utilizado garantiu uma ingestão prolongada e sustentada de cocaína ao longo do estudo (Figura 1). A ingestão cumulativa média de SA de cocaína por indivíduo foi de 1138.4 ± 33.3 mg / ratazana. Ambas as prensas de nível ativo e a ingestão de cocaína pareciam ser bastante estáveis ​​durante o decorrer do experimento, embora a regressão linear tenha destacado um fraco, mas significativo (p<0.03, F = 4.62) tendência em direção a um aumento geral na ingestão de cocaína ao longo do tempo quando todas as sessões homogêneas foram comparadas (sessões 4-31, FR 3-5, intervalos de abstinência compulsiva 48-72 h) (Figura Suplementar S2).

Figura 1 

a) Número de alavancas activas registadas no grupo SA de cocaína (N= 19) e controle (salina SA, N= 14) nas sessões SA. O procedimento de cocaína SA foi iniciado sob um esquema de reforço com razão fixa (FR) 1. As primeiras três sessões de treinamento ...

CBV basal

A fim de investigar o efeito da administração crônica de cocaína na função cerebral basal, medimos o bCBV em pacientes com SA e cocaína e mapeamos as regiões que exibiram diferenças estatisticamente significativas entre os grupos. Ratos com a cocaína SA mostraram uma redução significativa do bCBV em várias áreas do cérebro em comparação com ratos controle (Figuras 2 e E3) .3). O efeito foi proeminente no córtex medial pré-frontal, cingulado, orbitofrontal, septo, hipocampo ventral, região central do núcleo accumbens, bem como nos núcleos da rafe e áreas talâmicas reticulares. Não houve diferença no total de CBV entre os grupos (p= 0.23, Student's t-teste). Nenhuma correlação foi encontrada entre a ingestão de bCBV e total de cocaína em todos os VOIs examinados (P> 0.16, todos os VOIs).

Figura 2 

Distribuição anatômica das regiões exibindo bCBV significativamente menor em ratos com cocaína auto-administrável cronicamente (cocaína SA; N= 20) vs sujeitos de controlo (veículo SA; N= 14; Z> 1.6, correção de cluster p= 0.001) na horizontal representativa ...
Figura 3 

Média de bCBV em volumes anatômicos representativos 3D (VOIs, Preto et al2006a) para a cocaína SA (N= 20) e controles (salina SA; N= 14). AcbC, núcleo do núcleo accumbens; AcbSh, concha do núcleo accumbens; Amy, amígdala; Cg, córtex cingulado; ...

Resposta Funcional à D-Anfetamina

De modo a sondar a reactividade dopaminérgica do estriado, os ratos de cocaína SA e de controlo foram desafiados com a anfetamina liberadora de DA, e a presença de alterações funcionais na magnitude da resposta de rCBV induzida pela droga foi avaliada através de estatísticas de voxel. Consistente com estudos anteriores (Preto et al, 2004), a anfetamina produziu robusta ativação de áreas subcorticais e corticais em ambos os grupos de sujeitos (Figura Suplementar S3). Ratos cronicamente expostos à cocaína exibiram uma resposta funcional atenuada à anfetamina no corpo estriado em comparação com ratos controle (Figura 4 e Figura Suplementar S3). O efeito também foi aparente em perfis de tempo rCBV sem retardo (Figura Suplementar S4). Em ratos que se auto-administraram cocaína, a magnitude da resposta do estriado à anfetamina foi encontrada inversamente correlacionada com a ingestão acumulada de cocaína (p= 0.03, Figura 4). Focos adicionais de resposta funcional reduzida à anfetamina foram observados no córtex sensório-motor e orbitofrontal (Figuras Suplementares S3 e S5).

Figura 4 

Vista ortogonal (a: horizontal, b: coronal, c: sagital) das regis subcorticais do cebro exibindo uma resposta atenuada de rCBV a D-anfetamina em ratos cocaa auto-administrada cronicamente (cocaa SA; N= 20) vs sujeitos de controlo (veículo SA; N= 14; ...

A administração de anfetaminas produziu aumentos transitórios na MABP (Figura Suplementar S6). O efeito não foi temporalmente correlacionado com a resposta funcional, e estava bem dentro da faixa autoregulatória do fluxo sanguíneo, na qual as respostas vasopressivas são compensadas homeostaticamente sem produzir alterações significativas da rCBV (Gozzi et al, 2007; Zaharchuk et al, 1999). Gasometria arterial (paCO2 e paO2) foram medidos antes e depois da série temporal da fMRI (Tabela Suplementar S1). Nenhuma diferença estatisticamente significativa na média pré ou pós aquisiçãoaCO2 os valores entre os grupos foram encontrados (p> 0.1, todos os grupos; ANOVA unilateral).

Correlação entre Atividade Basal e Evocada

Na tentativa de estabelecer uma correlação entre a atividade funcional basal e evocada e investigar as desregulações no controle desses dois estados, medimos a correlação entre a resposta induzida por bCBV e anfetamina no controle e os animais que cocaína auto-administrada. Não foi encontrada correlação entre o bCBV e as respostas de rCBV induzidas por anfetaminas em nenhum dos grupos em nenhuma das regiões examinadas, com exceção do tálamo reticular e posterior-ventral que revelou, nos indivíduos controle, uma relação inversa com rCBV induzida por anfetamina em fronto áreas -corticais (Figuras Suplementares S7 e S8). Nenhuma tal correlação estava presente no grupo de cocaína SA (Figura Suplementar S8).

Histopatologia

A avaliação histopatológica da massa branca e cinzenta do cérebro, dos compartimentos glial e intersticial, bem como das estruturas macro e micro-vasculares, ependimais e meníngeas, não evidenciou lesões neurocelulares, intersticiais ou microvasculares em nenhum dos grupos. Especificamente, não foram observados sinais de picnose ou atrofia celular, alteração da fibra, necrose e edema intersticial em nenhuma das regiões cerebrais examinadas, nem alterações do leito microvascular e capilar (isto é, dilatação ou ruptura da membrana basal, hemorragia, espessamento endotelial ou fibrose de parede, trombos ou oclusões e necrose ou vacuolização de células endoteliais).

DISCUSSÃO

O presente estudo documenta que a cocaína crónica SA de acesso estendido no rato produz alterações na neuroimagem que imitam de perto os resultados de imagiologia em viciados humanos em cocaína. Especificamente, observamos uma redução significativa do bCBV, um marcador da função cerebral em repouso, em regiões que têm uma contribuição fundamental em funções cognitivas mais altas e controle inibitório (áreas fronto-corticais), craving e antecipação (áreas fronto-hipocampais) e recompensa (mesolimbic). áreas). Além disso, a cocaína SA foi associada à redução da reatividade estriatal à estimulação dopaminérgica e à presença de alterações funcionais putativas na interação inibitória entre o tálamo reticular e a ativação de áreas fronto-corticais. Nossos resultados fornecem evidências de neuroimagem de múltiplas alterações na função cerebral de ratos após a ingestão crônica e voluntária de cocaína que servem como substrato neurobiológico plausível para a expressão comportamental da ingestão compulsiva de drogas em animais de laboratório.

O abuso crônico de cocaína é frequentemente modelado em paradigmas comportamentais em que os roedores são treinados para voluntariamente autoadministrar o medicamento. Aqui, implementamos um protocolo prolongado de acesso prolongado à cocaína SA com períodos repetidos de abstinênciaParsons et al, 1995; Wilson et al, 1994; Wilson e Kish, 1996) para imitar as características do abuso crônico de cocaína em altas doses em humanos. Tem sido relatado que os paradigmas SA prolongados reproduzem as principais características clínicas da dependência de cocaína, incluindo o uso compulsivo de drogas, apesar da presença de adversidades ambientais (Vanderschuren e Everitt, 2004) e alta propensão a recaída na busca de drogas (Deroche-Gamonet et al, 2004). O protocolo crônico empregado (cobrindo ≈10% da vida adulta de um rato, Sharp e La Regina, 1998) permite imitar populações de pacientes com uma história significativa (> 6 meses) de dependência de cocaína, como aqueles normalmente inscritos em estudos de neuroimagem em humanos, maximizando assim a relevância translacional de nossos resultados. Além disso, o uso de acesso estendido à cocaína (ou seja, ⩾6 h) é conhecido por modelar especificamente características neurocomportamentais específicas do vício, como alterações persistentes nas funções cognitivas (Briand et al, 2008; George et al, 2007), aumento da motivação pela cocaína (Paterson e Markou, 2003) e aumento do consumo de drogas (Ahmed e Koob, 1998). Períodos repetidos de abstinência forçada foram introduzidos para reduzir os efeitos tóxicos agudos da droga e para assegurar uma motivação sustentada para auto-administrar altas doses de cocaína (Roberts et al, 2007). Embora o consumo total de cocaína obtido com o presente protocolo seja superior ao observado com os paradigmas de acesso curto, os valores obtidos estão suficientemente distantes do limite de toxicidade aguda (Mantsch et al, 2004; Pequenino et al, 2007), o que explica a falta de letalidade observada neste estudo.

Comparado com protocolos de acesso ilimitado, onde o consumo de drogas exibe alto e baixo número de infusões em dias alternados (Wilson et al, 1994), o protocolo de acesso estendido utilizado aqui garantiu SA sustentada de altas doses de cocaína. Em contraste com o que foi relatado por outros grupos (Ahmed e Koob, 1998; Ferrario et al, 2005; Pequenino et al, 2007), não observamos evidências inequívocas de escalonamento de dose, embora a tendência para um aumento da ingestão de cocaína ao longo de sessões consecutivas fosse aparente (Figura Suplementar S2).

Uma limitação do modelo empregado é que ele não incluiu medidas comportamentais do uso de drogas, apesar das consequências adversas (por exemplo, 'resistência à punição' Deroche-Gamonet et al, 2004), um traço comportamental que é considerado um critério diagnóstico essencial de dependência em humanos (Associação Americana de Psiquiatria, 2008). Porque esse recurso está presente em ca. 20% de ratos expostos à cocaína (Deroche-Gamonet et al, 2004; Ahmed, 2010), as alterações de imagem mapeadas no presente trabalho provavelmente incluem contribuições de subconjuntos de sujeitos que exibem esse comportamento. Entretanto, se esta característica é caracterizada por alterações funcionais específicas, separadas daquelas destacadas neste estudo, ainda precisa ser determinada.

Um período de washout 10-dia foi introduzido antes do estudo de imagem para descartar os efeitos agudos da cocaína e minimizar a potencial interferência dos sintomas de abstinência aguda nas medidas da função cerebral. A maioria das alterações neuroquímicas e comportamentais que podem estar relacionadas com a abstinência aguda têm um início quase imediato, atingem o pico entre 6 e 72 h após o término do acesso ao fármaco e geralmente cessam dentro de 2 a 7 dias da última sessão de cocaína (Baumann e Rothman, 1998; Harris e Aston-Jones, 1993; Malin et al, 2000; Mutschler e Miczek, 1998; Markou e Koob, 1992). Portanto, é improvável que os achados de imagem contenham grandes perturbações de fenômenos neurobiológicos transitórios relacionados à abstinência aguda de cocaína. Por outro lado, espera-se que as alterações funcionais observadas contenham contribuições de processos neuroadaptacionais mais duradouros (isto é, incubação do desejo por cocaína) que se comprovaram após a interrupção da cocaína (Lu et al, 2004), e que são de relevância translacional, pois podem estar relacionados à propensão à recaída.

As medidas de RMB do bCBV permitem um mapeamento de alta resolução da função cerebral em repouso que se correlaciona estreitamente com o metabolismo energético regional e o fluxo sanguíneo cerebral (Gaisler-Salomon et al, 2009; Hyder et al, 2001; Gonzalez et al, 1995). Nossos dados mostraram a presença de redução do bCBV no giro cingulado, no córtex pré-frontal, no córtex orbitofrontal, bem como nas áreas estriada e hipocampal de indivíduos com SA de cocaína. O efeito frontostriatal está em excelente concordância com a pesquisa clínica de neuroimagem da dependência de cocaína, na qual as atividades frontais e estriatais reduzidas têm sido consistentemente observadas (Strickland et al, 1993; Tumeh et al, 1990; London et al, 1999; Volkow et al, 1992, 1988) e correlacionar com os comprometimentos cognitivos, compulsão e perda de controle inibitório sobre o uso de drogas que podem levar à recaída (Goldstein et al, 2010; Kalivas et al, 2005; Kalivas, 2004; Hong et al, 2010; Strickland et al, 1993). É importante ressaltar que os déficits cognitivos foram observados em ratos permitiu o acesso prolongado (mas não limitado) à cocaína (Briand et al, 2008; George et al, 2007), um fenômeno que envolveu tarefas de memória de trabalho e atenção sustentada (duas tarefas dependentes do córtex pré-frontal), bem como medidas de reconhecimento de objetos (uma tarefa dependente do hipocampo). O envolvimento de sistemas hipocampais também é consistente com o papel desempenhado por essa estrutura cerebral no condicionamento contextual e na memória, duas funções que são alteradas pelo uso de cocaína e que, acredita-se, desempenham um papel no desejo citado (revisto por Koob e Volkow, 2010). Da mesma forma, a redução do bCBV no nucleus accumbens não foi inesperada, dada a interconexão estabelecida entre a atividade fronto-cortical e a liberação e liberação de células DA ventroestriatais (Kalivas et al, 2005; Povos et al, 2007). Em consonância com isso, estudos recentes de imagem PET mostraram níveis mais baixos de DA endógena em dependentes de cocaína em comparação com sujeitos de comparação (Martinez et al, 2009) e pesquisa com primatas revelou redução da utilização de glicose nas áreas do estriado após uso crônico de cocaína, uma característica que se tornou mais pronunciada com o aumento da exposição à cocaína (Porrino et al, 2007).

Reduções focais de bCBV também foram observadas nos núcleos reticulares talâmico e rafe. A primeira descoberta é consistente com estudos de neuroimagem humana que mostram a neurotransmissão GABAérgica alterada no tálamo de usuários abstinentes de cocaína (Volkow et al, 1998) e evidências eletrofisiológicas recentes de um estado de superinibição prolongada de áreas talâmicas reticulares após administração compulsiva de cocaína (Urbano et al, 2009). Curiosamente, como a serotonina exerce uma ação excitatória direta sobre os neurônios GABAérgicos no tálamo reticular (McCormick e Wang, 1991), a atividade reduzida desses núcleos e aquela observada nas regiões da rafe pode ser funcionalmente inter-relacionada e parte de um único circuito defeituoso.

Não houve correlação entre a ingestão total de cocaína e o bCBV em nenhum dos VOIs examinados. A falta de correlação pode refletir diferentes suscetibilidades individuais ao efeito da droga, ou pode estar relacionada à alta quantidade de cocaína auto-administrada que pode exceder a quantidade necessária para produzir alterações máximas da bCBV.

Na tentativa de identificar um correlato de RMf da responsividade dopaminérgica estriada diminuída observada em estudos com PET em humanos (Volkow et al, 1990, 1993; Martinez et al, 2004), mapeamos também a resposta funcional desencadeada pela anfetamina DA-releaser usando um protocolo phMRI (Preto et al, 2004; Bifone e Gozzi, 2010). Vários estudos de phMRI forneceram provas convincentes de que a resposta hemodinâmica do estriado produzida pela anfetamina reflete principalmente os efeitos dopaminérgicos (revisto em Knutson e Gibbs, 2007). Por exemplo, a anfetamina mostrou provocar aumento de BOLD ou rCBV em áreas ventroestriais ricas em DA que estão linearmente correlacionadas com as concentrações sinápticas de DA (Dixon et al, 2005; Ren et al, 2009; Choi et al, 2006; Preto et al2007b; Preece et al, 2007). Além disso, as respostas de rCBV induzidas por anfetaminas são abolidas nas áreas de denervação de DA (Chen et al, 1997, 1999), um efeito que pode ser posteriormente restaurado após o transplante de célulasBjorklund et al, 2002; Chen et al, 1999). Assim, a soma destes dados indica que as respostas de rCBV induzidas por anfetaminas podem ser utilizadas de forma fiável como um marcador da neurotransmissão de DA estriatal. Nessa estrutura, a presença de uma resposta atenuada do rCBV no estriado à anfetamina no grupo SA da cocaína aponta para uma responsividade reduzida da função dopaminérgica ventroestriatal análoga ao que foi observado nos estudos de PET em humanos (Narendran e Martinez, 2008) Este achado fornece, pela primeira vez, uma correlação de neuroimagem pré-clínica plausível de uma das manifestações clínicas mais replicadas do vício em cocaína, que se acredita desempenhar uma contribuição chave para a 'hipoedonia' e amotivação relatada por indivíduos viciados em drogas durante a abstinência prolongada (Volkow et al, 1997) Este resultado documenta uma correspondência potencialmente importante entre alterações neuroadaptacionais clínicas e pré-clínicas induzidas por cocaína em sistemas DA, um aspecto que não parece ser modelado adequadamente pelos paradigmas tradicionais de exposição à cocaína, onde respostas dopaminérgicas "sensibilizadas" (ou seja, aumentadas) são tipicamente observadas (revisados ​​pela Narendran e Martinez, 2008). Como não foram observadas respostas estriatais atenuadas de forma semelhante em estudos de neuroimagem em roedores utilizando protocolos de administração de fármacos a curto prazo (5 dias) (Febo et al, 2005; Reese et al, 2004; e A Gozzi, resultados não publicados), nossos dados sugerem que, para que esta característica seja modelada em roedores, pode ser necessário o acesso prolongado e prolongado a altas doses de cocaína. É importante ressaltar que não foram observadas lesões microscópicas apreciáveis ​​nos compartimentos vascular, neurocelular e intersticial de cérebros expostos à cocaína. Este resultado é importante, pois permite descartar uma possível contribuição de processos cerebrovasculares anormais nas medidas hemodinâmicas da função cerebral realizada (ie, bCBV e rCBV).

A análise de correlação entre as respostas de repouso e evocadas por anfetamina (rCBV) revelou uma relação inversa entre o bCBV em áreas talâmicas reticulares e a ativação frontal induzida por anfetaminas em indivíduos controle, mas não no grupo cocaína. Estudos anteriores demonstraram que a inibição da atividade talâmica reticular pode aumentar a neurotransmissão dopaminérgica fronto-cortical (Jones et al, 1988), uma constatação consistente com a conectividade funcional dessas regiões (Paxinos, 2008) ea alta densidade GABAérgica do núcleo talâmico reticular (Paxinos, 2008). Como as projeções pré-frontais ao núcleo reticular do tálamo, desempenham um circuito único para os mecanismos de atenção (Zikopoulos e Barbas, 2006), hipotetizamos que a perda de correlação entre a função basal e a função evocada observada no grupo SA de cocaína pode estar relacionada com os déficits de atenção observados em ratos, permitindo o acesso prolongado à cocaína (Briand et al, 2008; George et al, 2007). Um papel putativo para disfunções tálamo-frontais na dependência de cocaína é apoiado por estudos recentes de neuroimagem mostrando conectividade tálamo-cortical alterada em usuários de cocaína em condições de repouso (Gu et al, 2010) e ao realizar uma tarefa cognitiva (Tomasi et al, 2007). No entanto, como as medidas de correlação não refletem a associação causal, pesquisas adicionais são necessárias para elucidar a natureza exata desse achado.

Em resumo, nós fornecemos evidências de função cerebral alterada em ratos que foram submetidos a SA de cocaína de acesso prolongado e prolongado. Consistente com os achados de neuroimagem clínica, os animais expostos à cocaína revelaram função cerebral basal reduzida nas áreas fronto-cortical e talâmica e atenuaram a responsividade nas regiões do estriado após desafio com a anfetamina liberadora de DA, efeito significativamente correlacionado com a ingestão total de cocaína. A consistência desses achados com as medidas de neuroimagem em pacientes dependentes de cocaína apóia o uso de paradigmas SA prolongados e de acesso estendido no rato para investigar as neuroadaptações subjacentes à dependência de cocaína.

Agradecimentos

Agradecemos a Valerio Crestan e Giuliano Turrini pelo excelente suporte técnico às medidas de phMRI e a Pamela Rodegher da Histolab, Verona, Itália, pelas preparações histológicas.

Notas

Todos os autores são funcionários da GlaxoSmithKline. Os autores declaram que, com exceção da renda recebida de seu principal empregador, nenhum apoio financeiro ou compensação foi recebido de qualquer indivíduo ou entidade corporativa nos últimos 3 anos para pesquisa ou serviço profissional e não há nenhuma participação financeira pessoal que possa ser percebida como constituindo um potencial conflito de interesses.

Notas de rodapé

Informações Complementares acompanham o artigo no site da Neuropsychopharmacology (http://www.nature.com/npp)

Material suplementar

Figura suplementar S1

Figura suplementar S2

Figura suplementar S3

Figura suplementar S4

Figura suplementar S5

Figura suplementar S6

Figura suplementar S7

Figura suplementar S8

Legendas de Figura Suplementares

Tabela suplementar S1

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