Modulação da transmissão glutamatérgica pela dopamina: foco nas doenças de Parkinson, Huntington e Addiction (2015)

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Sumário

Introdução

A dopamina (DA) é uma catecolamina que atua como neuromodulador, desempenhando um papel importante nas funções motoras e cognitivas, bem como no processamento de recompensas.

Nosso principal entendimento da transmissão de DA deriva de estudos do sistema DA mesencefálico que compreendem tanto a Substância Negra Pars Compacta (SNc-A9) quanto a Área Tegmentar Ventral (VTA-A10). O primeiro está na origem da via nigrostriatal onde os neurônios DA se projetam para o estriado dorsal e desempenham um papel central no controle das funções motoras finas. Em vez disso, os neurônios DA dentro da VTA formam a via mesostriatal e se projetam para o estriado ventral (ou Nucleus accumbens, NaC) exercendo um papel importante no processamento de recompensas (Paillé et al., 2010; Tritsch e Sabatini, 2012). HComo DA forma todas essas diferentes funções no cérebro? Em ambos os circuitos, DA atua como um neuromodulador regulando as entradas glutamatérgicas nos principais neurônios e, portanto, controlando a saída do estriado. Mais de 95% dos neurônios do estriado são representados por Neurônios Espinhosos Médios (MSNs; Kreitzer, 2009) que formam sinapses assimétricas com projeções glutamatérgicas e contatos simétricos nas entradas do DA. Portanto, a atividade dos neurônios DA e a conseqüente liberação de DA na proximidade da fenda sináptica influencia rapidamente a transmissão sináptica, a excitabilidade intrínseca e a integração dendrítica. (Tritsch e Sabatini, 2012), explicando parcialmente as diferentes funções do DA no cérebro. É importante que o DA possa modular a transmissão glutamatérgica pelo efeito de convergência em MSNs, atuando sobre o D2-R localizado pré-sinaptalmente em estímulos glutamatérgicos ou modulando entradas excitatórias em interneurônios GABAérgicos e Colinérgicos.

IDe um modo interessante, vários distúrbios neurodegenerativos e neuropsiquiátricos, incluindo Parkinson, Huntington e doenças relacionadas à dependência, manifestam uma desregulação do glutamato e da sinalização DA no estriado. Nesta revisão, focalizaremos nossa atenção nos mecanismos subjacentes à modulação da transmissão glutamatérgica por DA nos circuitos nigroestriatal e mesostriatal (Figura (Figure11).

  

Figura 1

Circuitos Nigrostriatais e Mesostriatais. Vista sagital das entradas excitatórias nos circuitos nigroestriatal e mesostriatal.

Circuito Nigrostriatal

Os neurônios DA do SNc se projetam para o estriado dorsal. Essa estrutura é principalmente povoada por MSNs que são classificados em duas populações de acordo com suas projeções axonais e expressão do receptor DA.

• Os MSNs contendo receptores tipo DA 1 (D1R) formam o caminho direto e enviam seus axônios para os núcleos de saída GABAérgica dos gânglios da base, to segmento interno do Globus pallidus (GPi) e da Substantia Nigra pars reticulata (SNr), que por sua vez enviam suas aferências aos núcleos motores do tálamo.
• Os MSNs contendo receptores de DA tipo 2 (D2R) constituem o caminho indireto e enviam seus axônios para o segmento externo do Globus Pallidus (GPe), que por sua vez se projetam para os neurônios glutamatérgicos do Núcleo Sub-Thalâmico (STN). Em seguida, os neurônios STN enviam seus axônios para os núcleos de saída dos gânglios da base (GPi e SNr), onde formam sinapses excitatórias nos neurônios de saída inibitória.

A ativação da via direta e indireta exerce um efeito oposto no movimento:

1. a ativação da via direta desinibe as projeções talamocorticais e leva à ativação dos circuitos pré-motores corticais que facilitam os movimentos.
2. A ativação da via indireta inibe os neurônios de projeção talamocortical, reduzindo o impulso pré-motor e inibindo os movimentos (Kreitzer e Malenka, 2008).

• Curiosamente, este modelo foi recentemente desafiado e foi proposto que os dois caminhos são estruturalmente e funcionalmente entrelaçados (Dunah e Standaert, 2001; Calabresi et al. 2014).

Ao atuar em D1R ou D2R, DA modula de maneira diferente a atividade do caminho direto e indireto, controlando a excitabilidade dos MSNs no estriado e controlando a plasticidade sináptica em diferentes entradas glutamatérgicas. A maioria dos aferentes glutamatérgicos no estriado dorsal se origina no córtex e no tálamo. Embora as aferências corticostriatais possam conter informações motoras e cognitivas, as amaliastriatais transmitem informações para a saliência de recompensa e a vigília (Huerta-Ocampo et al., 2014). Apesar desse ponto de vista, tanto os terminais corticostriatais como os thalasteriais formam contatos sinápticos com os MSNs D1 e D2, e a convergência de suas entradas sugere que eles estão igualmente envolvidos na ativação dos MSNs.

Diferenças funcionais profundas nesses caminhos foram encontradas, sugerindo diferenças dependentes de entrada nas funções sinápticas (Smeal et al., 2008). Futuros estudos são necessários para investigar a entrada da segregação nas vias estriatais diretas e indiretas e suas implicações funcionais.

Circuito mesostriatal

Este circuito origina-se no VTA onde os neurônios de DA projetam aos MSN de D1 e de D2 do striatum ventral. Embora a presença de MSNs D1 e D2 no estriado ventral esteja bem estabelecida, existem várias evidências mostrando que as projeções do NAc podem não ser tão segregadas quanto ao estriado dorsal. De fato, foi mostrado que os MSNs D1 e D2 se projetam para o pallidum ventral, enquanto os MSNs D1 também podem projetar diretamente para o VTA (Lu et al., 1998; Zhou et al. 2003; Smith et al. 2013). Apesar dessas diferenças, Está bem estabelecido que os MSNs D1 e D2 no NAc exibem diferentes propriedades eletrofisiológicas (Paillé et al. 2010; Pascoli et al. 2011b, 2014b) e respondem diferentemente à estimulação da ATV (Grueter et al., 2010; Paillé et al. 2010). Apesar desta clara separação de D1 e D2 contendo MSN, deve-se mencionar a existência de uma pequena população de neurônios contendo D1Rs e D2Rs (Matamales et al., 2009).

Similarmente ao circuito nigrostriatal, o DA modula e integra as entradas sinápticas glutamatérgicas do córtex pré-frontal, da amígdala e do hipocampo. Curiosamente, diferentes formas de plasticidade sináptica foram descritas em diferentes entradas excitatórias em MSNs D1 e D2, sugerindo que padrões específicos de atividade neuronal coincidentes com o sinal DA são necessários para resultados comportamentais específicos relacionados à recompensa (Paillé et al., 2010; Pascoli et al. 2014b).

Receptores DA e vias de sinalização

A transmissão de DA é mediada por Receptores Acoplados com Proteína de ligação a nucleotídeos de Guanina (GPCRs). São receptores metabotrópicos com sete domínios transmembrana acoplados a proteínas G que levam à formação de segundos mensageiros e à ativação ou inibição de cascatas de sinalização subseqüentes. Embora cinco receptores DA diferentes tenham sido clonados até o momento, é possível classificá-los em duas populações principais de acordo com suas estruturas e suas propriedades farmacológicas: (a) receptores do tipo D1 (D1 e D5) que estimulam a produção de AMPc; e (b) receptores do tipo D2 (D2, D3 e D4) que reduzem os níveis de cAMP intracelular. A capacidade de receptores semelhantes a D1 e semelhantes a D2 modularem em direcções opostas a concentração de cAMP e, assim, a transdução de sinal a jusante, depende da sua interacção com proteínas G específicas.

Os receptores do tipo D1 são os receptores DA mais altamente expressos no cérebro, estão localizados principalmente no cérebro anterior e, em comparação com a família do tipo D2, têm uma sequência altamente conservada. (Tritsch e Sabatini, 2012). A ligação de DA com receptores do tipo D1 leva a um aumento na atividade da adenilil ciclase e um consequente aumento nos níveis de cAMP. Esta via induz a activao da protea quinase A (PKA) e a fosforilao de diferentes substratos, bem como a induo de express gica precoce imediata que contribuem para a resposta global de D1R (Beaulieu e Gainetdinov, 2011). DARPP-32 (DA e fosfoproteína regulada por cAMP, 32kDa) é um dos substratos de PKA mais estudados ativados por DA e fornece um mecanismo para integrar informações em neurônios dopaminoceptivos (Svenningsson et al., 2004). Através do controlo da Proteína Fosfatase-1 (PP-1), o DARPP-32 regula a excitabilidade neuronal, bem como a transmissão glutamatérgica. A ativação da via cAMP / PKA / DARPP-32 na verdade aumenta a abertura dos canais Ca2 + tipo L, promovendo a transição de MSNs para um nível mais alto de excitabilidade (Vergara et al., 2003). Ao mesmo tempo, a ativação dessa via promove a fosforilação de AMPARs e NMDARs, fornecendo um mecanismo para o controle direto da transmissão glutamatérgica pela sinalização DA (Snyder et al., 1998, 2005).

Há vários efeitos modulatórios após a ativação do D2R. Em primeiro lugar, esses receptores são acoplados a proteínas Gi / o e sua ativação modula negativamente a sinalização de cAMP, reduzindo a fosforilação das proteínas a jusante (alvos de PKA), como DARPP-32. Ao mesmo tempo, a ativação de D2R, através das subunidades Gβγ, inibe o Ca do tipo L²⁺ canais e ativa o potássio de Retificação Interna acoplada à proteína G (K⁺) canais (GIRK) causando uma diminuição da excitabilidade neuronal e uma redução na síntese e liberação de DA (Kebabian e Greengard, 1971). Além disso, os D2Rs também estão localizados presinatpicamente nas entradas excitatórias onde influenciam a liberação de glutamato e em interneurônios ChaT no estriado, onde contribuem para reduzir a liberação de Ach (Surmeier et al., 2007).

Curiosamente, DA tem uma afinidade menor para D1Rs em comparação com D2Rs, apontando para um efeito diferente na via direta e indireta durante a liberação tônica ou fásica DA. De fato, foi sugerido que a liberação fásica ativa D1Rs para facilitar as entradas límbicas, enquanto o lançamento tônico bidirecional ativa D2Rs nas entradas de PFC (Floresco et al., 2003; Goto e Grace, 2005; Goto et al. 2007). É importante considerar os diferentes efeitos do DA para alterar as funções das regiões do cérebro que recebem entradas do DA. De fato, uma modulação DA alterada das entradas excitatórias nessas regiões desempenha um papel importante na fisiopatologia de muitos distúrbios neurológicos (Goto et al., 2007).

Modulação DA de NMDARs e AMPARs

O DA modula o funcionamento da sinapse glutamatérgica atuando em diferentes níveis. A visão clássica indica que DA pode regular a atividade de receptores de glutamato ionotrópicos com uma redução de respostas induzidas por AMPAR e um aumento de respostas evocadas por NMDAR (Cepeda et al., 1993; Levine et al. 1996; Cepeda e Levine, 1998; Graham et al. 2009). Em particular, a ativação de D1R normalmente leva à potenciação de correntes dependentes de NMDAR, enquanto a ativação de D2R induz uma diminuição de respostas dependentes de AMPAR. Esta visão tem uma relevância chave no estriado, onde os terminais dopaminérgicos formam contatos sinápticos no pescoço de espinhas de MSN, enquanto a cabeça recebe entradas de terminais glutamatérgicos (Surmeier et al., 2007).

Curiosamente, os NMDARs na sinapse corticostriatal apresentam características peculiares. De fato, mesmo se GluN2B representar a subunidade reguladora predominante expressa nessa área do cérebro (Dunah e Standaert, 2001), foi proposto que os NMDARs contendo GluN2A, mas não os contendo GluN2B, induzem uma depressão da transmissão sináptica que não envolve a ativação de neurônios corticostriatais, mas sim NMDARs bastante mediados nas sinapses da MSN (Schotanus e Chergui, 1998). 2008a). Curiosamente, relatórios recentes sugeriram que as subunidades GluN2A e GluN2B contribuem diferencialmente para a transmissão glutamatérgica em MSNs do estriado (Paoletti et al., 2008; Jocoy et al. 2011). Enquanto a deleção genética ou o bloqueio farmacológico de GluN2A aumentam a potenciação mediada por D1R das respostas dependentes de NMDAR, a inibição de GluN2B reduz esta potenciação, sugerindo um contrapeso de suas respectivas funções. Além disso, demonstrou que as subunidades GluN2A contribuem principalmente para as respostas de NMDA nos D1-MSNs, enquanto que as subunidades de GluN2B estão mais envolvidas nas respostas de NMDA nas células D2R (Paoletti et al., 2008; Jocoy et al. 2011).

Vários estudos investigaram o efeito da estimulação D1R no tráfego de subunidades NMDAR na membrana sináptica. A activação farmacológica de D1R aumenta os níveis de superfície de NMDAR (Hallett et al., 2006; Paoletti et al. 2008) e localização do NMDAR na fração da membrana sinaptossômica através da estimulação da tirosina quinase Fyn (Dunah et al., 2004; Tang et al. 2007). Em mais detalhes, foi demonstrado que o tratamento com o agonista D1R (SKF38393) leva a uma diminuição significativa de NMDARs contendo GluN2A e a um aumento concomitante na largura da cabeça da coluna (Vastagh et al., 2012). Curiosamente, o co-tratamento de cortes corticostriatais com o antagonista de GluN2A (NVP-AAM077) e o agonista D1R aumentou o aumento da largura da cabeça da coluna dendrítica observada com o SKF38393 sozinho. Por outro lado, o antagonista de GluN2B (ifenprodil) bloqueou qualquer efeito morfológico induzido pela ativação de D1 (Vastagh et al., 2012). No entanto, ainda são necessários mais estudos para uma compreensão abrangente do papel específico de GluN2A- vs. NMDARs contendo GluN2B na modulação da morfologia da coluna dendrítica em MSNs do estriado.

Camundongos transgênicos BAC expressando EGFP em células positivas para D1R e D2R (Valjent et al., 2009) tem sido usado recentemente para analisar cuidadosamente a modulação dependente de DA de MSNs dentro das vias direta e indireta (Cepeda et al., 2008). De acordo com estudos anteriores, a modulação dependente de D1R das respostas evocadas pelo glutamato foi correlacionada com a ativação dos neurônios da via direta. Pelo contrário, a redução dependente de D2R das respostas evocadas pelo glutamato foi específica da via indireta (André et al., 2010). Além disso, ferramentas recentes e avançadas, como optogenética e sofisticada²⁺ imagens demonstraram que a ativação dos receptores D2 diminui as respostas induzidas por NMDAR pela modulação pré-sináptica da liberação de glutamato (Higley e Sabatini, 2001). 2010).

Notavelmente, vários estudos descrevendo a coexistência de D1Rs e NMDARs nas sinapses do MSN estriatal indicam a presença de uma possível interação molecular direta entre os dois sistemas receptores (Kung et al., 2007; Heng et al. 2009; Kruusmägi et al. 2009; Jocoy et al. 2011; Vastagh et al. 2012). Uma interação direta entre esses dois receptores foi originalmente proposta por Lee et al. (2002), que apresentaram co-imunoprecipitação de D1R com subunidades GluN1 / GluN2A do NMDAR. Esta interação não é estática, mas é diminuída pela ativação D1R (Lee et al., 2002; Luscher e Bellone, 2008). Além disso, a interrupção da interação de D1R com NMDARs contendo GluN2A por peptídeos interferentes é suficiente para induzir uma modulação de correntes de NMDAR, sugerindo um papel direto para essa ligação receptor-receptor na transmissão de NMDA (Lee et al., 2002; Brown et al. 2010). No entanto, a questão é mais complicada, pois em ambos os neurônios do estriado e células HEK293 transfectadas, o D1R interage diretamente com a subunidade GluN1 para formar um complexo oligomérico constitutivo que é recrutado para a membrana plasmática pela presença da subunidade GluN2B (Fiorentini et al., 2003). Além disso, essa interação elimina a internalização do D1R, uma resposta adaptativa crucial que normalmente ocorre após a estimulação por agonistas (Fiorentini et al., 2003).

Estudos mais recentes aplicaram técnicas de imagem ao vivo de nanopartículas individuais de alta resolução para investigar o papel da interação dinâmica entre D1R e NMDAR nas sinapses do hipocampo (Ladepeche et al., 2013a). A prevenção da interação física entre D1R e GluN1 pelo peptídeo interferente é capaz de abolir totalmente a estabilização sináptica de D1R, sugerindo que os D1Rs são dinamicamente retidos nas sinapses glutamatérgicas através de um mecanismo que requer a interação com NMDAR (Ladepeche et al., 2013a). Além disso, a ruptura do complexo D1R / NMDAR aumenta o conteúdo sináptico de NMDAR através de uma rápida redistribuição lateral dos receptores e favorece a potenciação sináptica a longo prazo (Ladepeche et al., 2013b). Em particular, a ativação do D1R reduz a interação D1R / GluN1 nos sítios perisinápticos e permite a difusão lateral dos NMDARs na densidade pós-sináptica, onde eles suportam a indução da potenciação de Longo prazo (LTP; Argilli et al., 2008; Ladepeche et al. 2013b).

Os receptores DA do tipo D2 também interagem com os NMDARs. Na densidade pós-sináptica, os D2Rs formam um complexo específico com os NMDARs através do domínio C-terminal da subunidade GluN2B (Liu et al., 2006). Curiosamente, a estimulação de DA pela cocaína (i) aumenta a interacção D2R / GluN2B; (ii) reduz a associação de CaMKII com GluN2B; (iii) reduz a fosforilao dependente de CaMKII de GluN2B (Ser1303); e (iv) inibe as correntes mediadas pelo receptor NMDA em MSNs (Liu et al., 2006).

DA também pode modular a atividade de AMPARs levando a uma redução de respostas evocadas por AMPAR (Cepeda et al., 1993; Levine et al. 1996; Cepeda e Levine, 1998; Bellone e Lüscher, 2006; Engblom et al. 2008; Mameli et al. 2009; Brown et al. 2010). Estudos iniciais realizados em neurônios em cultura mostraram que a ativação do D1R em MSNs do estriado promove a fosforilação de AMPARs pela PKA, bem como a potencialização da amplitude da corrente (Price et al., 1999). Os antagonistas D2Rs aumentam a fosforilação de GluR1 em Ser845 sem afetar a fosforilação em Ser831 (Håkansson et al., 2006). O mesmo efeito é observado usando eticloprida, um antagonista seletivo de D2R. Pelo contrário, o quinpirol do agonista D2R diminuiu a fosforilação de GluR1 em Ser845 (Håkansson et al., 2006). A modulação dos receptores DA também é capaz de regular o tráfico de AMPAR nas membranas sinápticas. Em particular, o tratamento com o agonista D1R leva a um aumento da expressão da superfície das subunidades do receptor AMPA (Snyder et al., 2000; Gao et al. 2006; Vastagh et al. 2012).

Modulação DA de plasticidade sináptica

O DA desempenha um papel importante na modulação de mudanças a longo prazo na força sináptica. Uma das formas mais bem caracterizadas de plasticidade sináptica no estriado é a depressão a longo prazo (LTD). No estriado dorsal e ventral, essa forma de plasticidade requer a ativação concomitante de mGluR5 e canais de cálcio dependentes de voltagem e é expressa pela liberação de endocanabinoides (eCBs). Os eCBs atuam retrogradamente em seus receptores CB e diminuem a probabilidade de liberação de glutamato (Robbe et al., 2002; Kreitzer e Malenka, 2005).

Curiosamente, tsua forma de LTD depende da ativação de D2Rs, mas se é controverso se é apenas expresso em entradas glutamatérgicas em MSNs da via indireta do estriado dorsal. De fato, enquanto o eCB-LTD foi caracterizado pela primeira vez em MSNs D2R do estriado dorsal (Kreitzer e Malenka, 2007), esta forma de plasticidade foi descrita em ambos os neurônios estriados D1R e DR2 das vias direta e indireta em camundongos transgênicos BAC (Wang et al., 2006). Uma explicação possível para a expressão desta forma de LTD em sinapses MNS que não expressam D2Rs é que, em ambos os tipos de células, a dependência de D2R da indução LTD não é direta, mas depende da ativação de D2Rs em interneurônios colinérgicos ( Wang et al. 2006).

Potenciação de longa duração (LTP) em entradas excitatórias em MSNs no estriado dorsal e ventral é menos caracterizada, e as informações que estão disponíveis até agora são ainda mais controversas em comparação com o estriatal LTD, devido à variedade de protocolos usados ​​para induzir essa forma de plasticidade por diferentes laboratórios. No estriado dorsal, a indução de LTP sobre D1 MSNs depende de D1Rs, enquanto, em D2 MSNs, a mesma forma de plasticidade sináptica requer a ativação de adenosina A2R (Shen et al., 2008; Pascoli et al. 2014a). Tanto nas vias diretas como indiretas, a ativação de D1Rs e A2Rs e a ativação concomitante de NMDARs levam à fosforilação de DARPP-32 e MAPKs que estão envolvidos na expressão de LTP (Calabresi et al., 1992, 2000; Kerr e Wickens, 2001; Surmeier et al. 2014). No estriado ventral, um protocolo de Estimulação de Alta Freqüência (HFS) induz uma forma de LTP que depende da ativação de D1Rs, mas não de D2Rs (Schotanus e Chergui, 2008b). Curiosamente, o trabalho anterior mostrou que a LTP é prejudicada por ambos os antagonistas D1 e D2, sugerindo que esta forma de LTP depende da concentração de DA (Li e Kauer, 2004). Um estudo recente, usando identificação de células, relatou que, enquanto a HFS-LTP é induzida em ambos os MSNs D1 e D2, esta forma de LTP é bloqueada pelo tratamento com cocaína apenas na via direta (Pascoli et al., 2011b). Os autores caracterizaram os mecanismos de indução e expressão dessa LTP, os quais foram relatados como dependentes da via NMDA e ERK. Futuros estudos são necessários para investigar os mecanismos subjacentes LTP na via indireta, e para caracterizar esta forma de plasticidade sináptica de uma maneira específica de entrada.

O papel do DA na governança da plasticidade estriatal foi abordado pela análise dos mecanismos de Plasticidade Dependente do Tempo de Pico (STDP) no estriado dorsal. Nos MSNs D1 e D2, a plasticidade sináptica segue as regras Hebbian. A LTP é de fato induzida quando o pico pós-sináptico segue a atividade sináptica (tempo positivo), enquanto a LTD é favorecida quando a ordem é revertida (tempo negativo). Em comparação com outras sinapses, no estriado dorsal, o DA desempenha papéis importantes na determinação do sinal da plasticidade sináptica. No caminho direto, a temporização positiva dá origem a LTP apenas quando D1 é estimulado, caso contrário, leva a LTD. Em vez disso, o timing negativo induz o LTD quando os D1Rs não são estimulados. Na via indireta, o sinal D2 é necessário para a LTD quando o pico pós-sináptico é seguido pela estimulação sináptica. Quando os D2Rs são bloqueados e os A2Rs são estimulados, o mesmo protocolo de emparelhamento induz a LTP (Shen et al., 2008). Portanto, a modulação DA no estriado dorsal garante que a plasticidade sináptica bidirecional siga as regras de Hebbian. Mais investigações são necessárias para determinar se estas regras se aplicam a todos os insumos glutamatérgicos e ao corpo estriado ventral.oo

Doença de Parkinson

A fisiopatologia da doença de Parkinson (DP) está ligada a uma degeneração generalizada de neurônios liberadores de DA da Substantia Nigra pars compacta (SNpc), com a perda de DA atingindo neurônios estriados que se projetam (Obeso et al., 2010). A degeneração da via dopaminérgica nigrostriatal leva a alterações morfológicas e funcionais significativas nos circuitos neuronais do estriado, incluindo modificações da arquitetura sináptica glutamatérgica corticostriatal (Sgambato-Faure e Cenci, 1996). 2012; Mellone e Gardoni, 2013) e a consequente perda de plasticidade sináptica do estriado (Calabresi et al., 2014). Um estudo muito elegante demonstrou a assimetria do efeito da desnervação do DA na conectividade dos MSNs estriatogástricos e estriatopalidos (Day et al., 2006). Em particular, a depleção de DA leva a uma diminuição profunda das espinhas dendríticas e das sinapses glutamatérgicas nos MSNs striatopalídeos, mas não nos MSNs estriatogênicos (Day et al., 2006).

Foi recentemente demonstrado que graus distintos de denervação de DA afetam diferencialmente a indução e a manutenção de duas formas distintas e opostas de plasticidade sináptica corticoestriatal (Paillé et al., 2010). Uma denervação incompleta (aproximadamente 75%) nigral não afeta a LTD corticostriatal em MSNs, que é, no entanto, abolida por uma lesão completa. Esse resultado indica que um nível baixo, embora crítico, de DA é necessário para essa forma de plasticidade sináptica. Por outro lado, uma desnervação incompleta da DA altera drasticamente a manutenção da LTP nos MSNs, demonstrando um papel crítico dessa forma de plasticidade sináptica nos primeiros sintomas de parkinsonismo motor (Paillé et al., 2010). Em dois modelos diferentes de PD Shen et al. (2008) mostrou que em MSNs expressando D2R, a LTP foi induzida não apenas pelo protocolo usual de emparelhamento, mas também por um protocolo validado conhecido por induzir LTD. Por outro lado, em MSNs expressando D1R, um protocolo que normalmente induz a LTP produz uma forma robusta de LTD que era sensível ao bloqueio do receptor CB1 (Shen et al., 2008). Desequilíbrios entre a atividade neural na via direta versus indireta foram indicados como um evento importante subjacente a déficits motores severos observados na DP (Calabresi et al., 2014). Nos modelos de PD, o LTD mediado por eCB está ausente mas é recuperado por tratamento com o agonista do receptor D2R ou com inibidores da degradação de eCB (Kreitzer e Malenka, 2007), indicando assim a depressão mediada por eCB das sinapses das vias indiretas como um ator crítico no controle do comportamento motor na DP.

Alterações na composição da subunidade NMDAR nas sinapses dos MSNs têm sustentado essa expressão alterada de plasticidade (Sgambato-Faure e Cenci, 2012; Mellone e Gardoni, 2013). Sabe-se que os NMDARs são caracterizados pelas subunidades reguladoras GluN2A e GluN2B nos MSNs, sendo os GluN2B os mais abundantes (Dunah e Standaert, 2001). Notavelmente, mudanças na relação da subunidade sináptica NMDAR GluN2A / GluN2B em MSNs do estriatal se correlacionam com as anormalidades de comportamento motor observadas em um modelo de DP em ratos (Picconi et al., 2004; Gardoni et al. 2006; Mellone e Gardoni, 2013). Em particular, os neis de GluN2B foram especificamente reduzidos nas fraces sinticas de ratos 6-OHDA totalmente lesionados quando comparados com ratos com operao simulada na auscia de alteraes de GluN2A nas mesmas amostras (Picconi et al., 2004; Gardoni et al. 2006; Paillé et al. 2010). Além disso, no modelo 6-OHDA de PD, ratos com uma lesão parcial da via nigrostriatal (cerca de 75%) mostraram um aumento dramático na imunocoloração de GluN2A na sinapse sem quaisquer modificações de GluN2B (Paillé et al., 2010). No geral, esses dados indicam uma relação aumentada de GluN2A / GluN2B nas sinapses de MSNs em diferentes estágios de denervação de DA em modelos experimentais de ratos com DP. Consequentemente, um péptido permeável às células que interage com a interacção entre GluN2A e a proteína de suporte PSD-95 é capaz de reduzir os níveis sinápticos de NMDAR contendo GluN2A e recuperar a composição fisiológica de NMDAR e plasticidade sináptica em MSNs (Paillé et al. , 2010). Além disso, a estimulação de D1Rs pela administração sistêmica de SKF38393 normaliza a composição da subunidade NMDAR e melhora o comportamento motor em um modelo de PD inicial estabelecendo uma ligação crítica entre um subgrupo específico de receptores DA e NMDARs e desempenhos motores (Paillé et al., 2010).

Em conjunto, o quadro fisiopatológico emergente mostra que a força dos sinais glutamatérgicos do córtex para o corpo estriado pode ser dinamicamente regulada pelo diferente grau de desnervação durante a progressão da doença (Figura (Figure2) .2). De fato, mudanças bidirecionais na plasticidade sináptica corticoestriatal são criticamente controladas pelo grau de denervação nigral que influencia os níveis de DA endógena e a montagem de NMDARs do estriado (Sgambato-Faure e Cenci, 2012).

  

Figura 2

Alterações moleculares e funcionais na sinapse glutamatérgica na doença de Parkinson e Huntington. O desenho animado ilustra a sinapse corticostriatal glutamatérgica fisiológica (painel esquerdo) e as alterações moleculares e funcionais em DA e NMDA ...

Doença de Huntington

A doença de Huntington (HD) é uma doença neurodegenerativa progressiva caracterizada por coréia, declínio cognitivo e distúrbios psiquiátricos. Alterações nos níveis de receptores DA e DA no cérebro contribuem para os sintomas clínicos da DH (Spokes, 1980; Richfield et al. 1991; Garrett e Soares-da-Silva, 1992; van Oostrom et al. 2009). Em particular, modificações dependentes do tempo da sinalização DA estão correlacionadas com alterações bifásicas da atividade da sinapse glutamatérgica (Cepeda et al., 2003; Joshi et al. 2009; André et al. 2011a). De acordo com essa atividade bifásica, Graham et al. (2009) demonstraram que a suscetibilidade à excitotoxicidade dependente de NMDAR em modelos de camundongos HD estava correlacionada com a gravidade do seu estágio sintomático. Por um lado, os murganhos HD em idade precoce exibem uma sensibilidade aumentada a eventos dependentes de NMDAR excitotóxicos em comparação com animais do tipo selvagem. Por outro lado, camundongos HD sintomáticos antigos são mais resistentes à neurotoxicidade dependente de NMDA (Graham et al., 2009).

Disfunção e perda de MSNs estriatais representam a principal característica neuropatológica da doença (Martin e Gusella, 1986). Embora os mecanismos que explicam uma degeneração seletiva de MSNs em HD não tenham sido abordados, vários relatos correlacionaram um funcionamento anormal da transmissão dopaminérgica e glutamatérgica à indução da morte do MSN estriatal (Charvin et al., 2005; Fan e Raymond, 2007; Tang et al. 2007).

Uma diminuição de D1R e D2R no corpo estriado de cérebros HD pós-morte foi relatada em vários estudos (Joyce et al., 1988; Richfield et al. 1991; Turjanski et al. 1995; Suzuki et al. 2001). Além disso, uma alteração significativa da densidade e da função D1R e D2R no corpo estriado foi descrita em modelos de ratos HD (Bibb et al., 2000; Ariano et al. 2002; Paoletti et al. 2008; André et al. 2011b). Estudos realizados em células estriadas HD knock-in mostraram que a huntingtina mutante aumenta a morte celular do estriado por meio da ativação de D1R, mas não de D2R (Paoletti et al., 2008). Particularmente, o pré-tratamento com NMDA aumentou a morte celular induzida por D1R de células mutantes, mas não de tipo selvagem, sugerindo assim que os NMDARs potenciam a vulnerabilidade de células estriadas HD à toxicidade DA (Paoletti et al., 2008). Curiosamente, uma atividade Cdk5 aberrante está envolvida na sensibilidade aumentada de células estriadas HD para DA e entradas de glutamato (Paoletti et al., 2008). De acordo com esses dados, Tang et al. (2007) relataram que o glutamato eo DA atuam sinergicamente para induzir²⁺ sinais e induzir a apoptose de MSNs em camundongos HD. Novamente, esses efeitos são seletivamente mediados por D1R e não por D2Rs (Tang et al., 2007). No entanto, um papel para D2R na mediação da degeneração MSN tem sido apresentado (Charvin et al., 2005, 2008), levantando assim a hipótese de que tanto a activação de D1R como de D2R possam contribuir para a toxicidade dependente do glutamato / DA. Mais recentemente, André et al. (2011b) mostrou que, no estágio inicial, a liberação de glutamato foi aumentada em células D1R enquanto inalterada em células D2R em camundongos HD. Notavelmente, no estágio tardio, a transmissão do glutamato foi diminuída apenas nas células D1R. No geral, este estudo sugere que mais mudanças ocorrem nas células D1R do que nas células D2R, tanto na idade pré-sintomática quanto sintomática. Por fim, de acordo com este estudo, Benn et al. (2007) mostrou que a percentagem de células positivas para D2R não é modificada com o fenótipo ou com a idade. No entanto, deve-se levar em conta que esses resultados representam uma clara discrepância com estudos iniciais indicando uma maior vulnerabilidade do D2R em HD (Reiner et al., 1988; Albin et al. 1992). Assim, mais estudos são necessários para uma completa caracterização e compreensão das alterações do D1R vs. D2R na DH.

Alterações na localização sináptica versus extra-sináptica de NMDARs também são cruciais para a sobrevivência neuronal em HD (Levine et al., 2010). Em particular, um aumento seletivo de NMDARs contendo GluN2B estriado em associação com um aumento precoce na sinalização de NMDAR extrasináptica foi descrito em diferentes modelos de animais HD (Zeron et al., 2004; Milnerwood et al. 2010). Além disso, a excitotoxicidade mediada por NMDARs contendo GluN2B exacerbou a degeneração seletiva de MSNs em um modelo HD de knockin (Heng et al., 2009).

DA e conversação de glutamato parecem ter um papel fundamental também na plasticidade sináptica aberrante que é observada em modelos animais de DH. A LTP dependente de DA, mas não a de LTD, no estriado dorsal é reduzida no modelo R6 / 2 de HD (Kung et al., 2007; Figura Figure2) .2). Curiosamente, os déficits de LTP e plasticidade de curto prazo observados em modelos animais de HD são revertidos pelo tratamento com o agonista D1R SKF38393 (Dallérac et al., 2011).

Vício

A plasticidade sináptica evocada por drogas das sinapses glutamatérgicas no sistema mesocorticolímbico tem sido amplamente implicada em comportamentos aditivos (Luscher e Bellone, 2008) paraOs neurônios DA da VTA são o ponto de convergência no qual drogas aditivas podem alterar os circuitos cerebrais (Brown et al. 2010). A plasticidade sináptica evocada por drogas tem sido caracterizada pela entrada excitatória nos neurônios DA da VTA 24 h após uma única injeção de drogas aditivas (Ungless et al., 2001; Bellone e Lüscher, 2006; Mameli et al. 2007; Yuan et al. 2013). Curiosamente, é induzida pela ativação de D1 / D5Rs e NMDARs (Ungless et al., 2001; Argilli et al. 2008) e é expressa pela inserção de NMDARs contendo GluN3A (Yuan et al., 2013) e AMPARs sem GluA2 (Bellone e Lüscher, 2006). Além disso, foi demonstrado que a redistribuição de receptores glutamatérgicos induzida pela cocaína na ATV depende da ação da cocaína no transportador DA (DAT) e que a própria atividade dos neurônios DA é suficiente para induzir a plasticidade sináptica evocada por drogas nas sinapses glutamatérgicas (Brown et al. 2010). A sinalização D1 no VTA é necessária para estas adaptações, sugerindo que a convergência da sinalização DAergic / glutamatérgica no VTA modifica o circuito no nível sináptico.

Curiosamente, a redistribuição da transmissão glutamatérgica na VTA é permissiva para a expressão de plasticidade induzida por drogas no NAc e subsequentes comportamentos aditivos. De fato, a deleção de GluN1 seletivamente nos neurônios DA da VTA abole a plasticidade evocada pela cocaína no NAc (Engblom et al., 2008) e impedir a reintegração da autoadministração (Mameli et al., 2009).

No NAc, a convergência do DA e do glutamato após a exposição à cocaína contribui para comportamentos aditivos por meio da facilitação do tráfico de AMPAR em certas entradas glutamatérgicas. Estudos iniciais descobriram que a estimulação por D1R aumenta a expressão da superfície de GluA1 através da ativação de PKA, promovendo ainda plasticidade sináptica dependente de NMDA (Sun et al., 2005, 2008; Gao et al. 2006). Recentemente, foi demonstrado o papel do trafico AMPAR na plasticidade sináptica evocada por drogas e sua ligação com a adaptação comportamental. De fato, a inserção de AMPARs sem GluA2 (homomérico de GluA1) foi demonstrada tanto após a incubação do craving da cocaína quanto da autoadministração de cocaína na entrada excitatória em MSNs no NAc (Conrad et al., 2008; Lee et al. 2013; Ma et al. 2014; Pascoli et al. 2014b; Figura Figure3) .3). Embora esses estudos mostrem algumas discrepâncias em relação à especificidade de células e de entrada de Ca²⁺ inserção de AMPAR permeável, a remoção destes receptores é um método eficiente para reverter comportamentos aditivos (Loweth et al., 2014; Pascoli et al. 2014b). UMAEm conjunto, esses estudos indicam que a expressão de comportamentos aditivos depende da convergência do sinal DA / glutamato e das consequentes mudanças na eficácia e qualidade da transmissão sináptica excitatória.

  

Figura 3

Alterações sinápticas nas sinapses glutamatérgicas durante a procura de cocaína. O desenho animado ilustra as sinapses fisiológicas glutamatérgicas corticostriatais e hipocametrogais (painel da esquerda) e as alterações sinápticas das sinapses excitatórias nos MSNs durante ...

Quais são os mecanismos subjacentes às interações entre o glutamato e o sistema DA no NAc na dependência de drogas? Muitos estudos mostraram que diferentes respostas comportamentais e moleculares induzidas pela cocaína dependem da interação D1R-NMDAR que regula a atividade das vias ERK e controlam a expressão gênica, plasticidade e comportamento. (Girault et al. 2007; Bertran-Gonzalez et al. 2008; Pascoli et al. 2014a). Curiosamente, a ativação induzida por cocaína da via ERK é restrita a MSNs D1 e depende da ativação concomitante de D1 e NMDARs. Além disso, o bloqueio direto da sinalização de ERK induzida pela cocaína previne a expressão da preferência de lugar condicionado (CPP; Valjent et al., 2000), sensibilização locomotora (Valjent et al., 2006) e plasticidade sináptica induzida por drogas (Pascoli et al., 2011b; Cahill et al. 2014). Para confirmar o papel da interação DA / glutamato na ativação de ERK induzida por cocaína, também foi demonstrado que a inibição indireta da via ERK bloqueia comportamentos aditivos. A cocaína ativa a tirosina cinase Fyn que, por meio da fosforilação de GluN2B, potencializa a produção de Ca²⁺ influxo através de NMDARs e ativa a sinalização ERK. Curiosamente, a inibição de Fyn inibe a ativação de ERK induzida por cocaína, enquanto a inibição de NMDAR contendo GluN2B prejudica a sensibilização locomotora e CPP (Pascoli et al., 2011a). Além disso, o bloqueio das vias a jusante D1 / GluN1, apesar de preservar a sinalização individual, bloqueia tanto a potenciação induzida por D1 de Ca²+ influxo via NMDARs e a ativação do ERK. Como conseqüência, a sensibilização comportamental é prejudicada (Cahill et al., 2014).

Conclusões

As interações funcionais entre DA e os receptores de glutamato modulam uma incrível variedade de funções no cérebro e, quando anormais, contribuem para numerosos distúrbios do sistema nervoso central. Em particular, uma conversa cruzada integrada entre DA e receptores de glutamato desempenha um papel fundamental no controle motor, cognição e memória, distúrbios neurodegenerativos, esquizofrenia e comportamentos de dependência. Nesse sentido, um grande número de estudos, descritos na presente revisão, tem sido realizado com o objetivo de compreender os mecanismos moleculares e funcionais que coordenam as funções do glutamato e dos receptores DA. Espera-se que um completo conhecimento da desregulação do glutamato e DA como em Parkinson, Huntington e doenças relacionadas à dependência, possa representar o primeiro passo para a identificação e estabelecimento de novas abordagens terapêuticas para esses distúrbios cerebrais.

Declaração de conflito de interesse

Os autores declaram que a pesquisa foi realizada na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que possam ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.

Referências