A Sinapse Viciada: Mecanismos de Plasticidade Sináptica e Estrutural no Núcleo Accumbens (2010)

Tendências Neurosci. Manuscrito do autor; disponível no PMC 2011 June 1.Publicado na forma final editada como:

Tendências Neurosci. 2010 junho; 33(6): 267-276.

Publicado on-line 2010 March 5. doi: 10.1016 / j.tins.2010.02.002

Scott J. Russo,^1,^* David M. Dietz,¹ Dani Dumitriu,¹ Robert C. Malenka,² e Eric J. Nestler¹

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Sumário

Drogas que causam dependência causam uma reestruturação persistente de vários tipos de células neuronais nas regiões límbicas do cérebro, consideradas responsáveis pela plasticidade comportamental de longo prazo que impulsiona o vício. Embora essas mudanças estruturais estejam bem documentadas nos neurônios espinhosos médios do nucleus accumbens, pouco se conhece sobre os mecanismos moleculares subjacentes. Além disso, ainda não está claro se a plasticidade estrutural e seus concomitantes sinápticos impulsionam comportamentos de dependência, ou se eles refletem compensações homeostáticas para o medicamento não relacionado ao vício per se. Aqui, discutimos dados paradoxais recentes, que apoiam ou se opõem à hipótese de que mudanças induzidas por drogas em espinhas dendríticas causam comportamento aditivo. Definimos áreas onde a investigação futura pode fornecer um quadro mais detalhado da reorganização sináptica induzida por drogas, incluindo estudos ultraestruturais, eletrofisiológicos e comportamentais.

Palavras-chave: espinhos dendríticos, dependência de drogas, recaída, sistema de dopamina mesolímbica, potenciação a longo prazo (LTP), depressão a longo prazo (LTD), neurônio espinhoso médio (MSN), α-amino-3-hidroxil-5-metil-4-isoxazole -propionato (AMPA), N-metil D-aspartato (NMDA), ΔFosB, proteína de ligação ao elemento de resposta AMP cíclica (CREB), fator nuclear kappaB (NFκB) e fator de aumento de miócitos 2 (MEF-2)

Introdução

A dependência de drogas é marcada por mudanças duradouras no comportamento, como desejo e recaída. Correlacionado com estas anormalidades comportamentais estáveis está a reestruturação persistente de muitos tipos de células neuronais nas regiões límbicas do cérebro. Dois tipos gerais de plasticidade estrutural foram observados: mudanças no tamanho dos corpos celulares [1] e alterações nas arborizações dendríticas ou morfologia da coluna [2]. Com relação a este último, dependendo da classe da substância aditiva, natureza do paradigma de administração de medicamentos (por exemplo, experimentador versus autoadministrado) e tipo de célula neuronal examinada, as drogas de abuso podem alterar a complexidade da ramificação dendrítica, bem como o número e tamanho das espinhas dendríticas nos neurônios em várias regiões do cérebro (tabela 1). Evidências correlativas sugerem que certas mudanças morfológicas são importantes mediadores de comportamentos aditivos. Por exemplo, a morfina e a cocaína alteram a densidade das espinhas dendríticas nos neurônios espinhosos médios (MSNs) no nucleus accumbens (NAc), uma região-chave da recompensa cerebral, em maior grau em animais que se auto-administram a droga, comparados aos animais o investigador, sugerindo que a volição pode ser importante para aspectos-chave da plasticidade (revisado em3]). Além disso, alterações induzidas pela cocaína na estrutura dendrítica de NAc estão fortemente correlacionadas com a indução de sensibilização comportamental [4]: doses e paradigmas de administração de medicamentos que induzem a sensibilização aumentam de forma confiável espinhos dendríticos e ramificações. Apesar dessa evidência, no entanto, a relevância comportamental da plasticidade estrutural ainda é incerta. Diversos estudos recentes usando transferência gênica mediada por vírus e outros métodos para entender melhor a relevância comportamental e a base molecular das mudanças induzidas pela cocaína na estrutura dendrítica dos MSNs produziram resultados conflitantes, com dois manuscritos apoiando a hipótese de que a cocaína aumenta a espinha dendrítica sensibilização comportamental mediada pela densidade e duas outras que se opõem diametralmente [5-8]. Nesta revisão, discutimos dados experimentais paradoxais atuais e formulamos áreas para futuras investigações. Nós detalhamos os principais temas, começando com os tipos de plasticidade sináptica induzida por drogas de abuso e vias de sinalização que medeiam a plasticidade estrutural induzida por drogas, e progredindo para discussões mais detalhadas sobre a morfometria da coluna e o papel funcional da reorganização da actina na dependência.

Alterações induzidas por drogas na morfologia neuronal

Plasticidade estrutural induzida por drogas opiáceas e estimulantes de abuso

A plasticidade estrutural induzida por drogas dos dendritos foi descrita pela primeira vez em 1997 (revisto em3, 9, 10]). Desde então, numerosos laboratórios demonstraram que a administração crônica de quase todas as drogas de abuso induz plasticidade estrutural nos circuitos de recompensa do cérebro. Esses estudos também correlacionaram mudanças estruturais dentro de regiões específicas do cérebro com fenótipos comportamentais associados à dependência. Desde os relatórios originais de Robinson e colegas (revisados em [3Muitos pesquisadores adicionaram a esta crescente literatura e descobriram efeitos mais sutis e específicos da classe de drogas sobre a morfologia neuronal. Por exemplo, opiáceos e estimulantes regulam a plasticidade estrutural na direção oposta. Os opiáceos diminuem o número e a complexidade das espinhas dendríticas nos MSNs de NAc, no córtex pré-frontal medial (mPFC) e nos neurônios piramidais do hipocampo, e também diminuem o tamanho de soma dos neurônios dopaminérgicos da área ventral da tegmentação (VTA).1, 3, 11, 12]. Até o momento, há uma única exceção a estas descobertas: a morfina crônica aumenta o número de espinhas nos neurônios piramidais do córtex orbitofrontal (oPFC) [13]. Em contraste com os opiáceos, os estimulantes como a cocaína, a anfetamina e o metilfenidato aumentam consistentemente a complexidade dendrítica e a densidade da coluna dos MSNs de NAc, neurónios dopaminérgicos de VTA e neurónios piramidais de mPFC [2, 8, 14-17]. Do ponto de vista comportamental, a morfina reduz a densidade da coluna e a complexidade dendrítica independentemente de ser administrada continuamente para produzir tolerância e dependência, ou de forma intermitente para maximizar a sensibilização, enquanto paradigmas estimulantes que aumentam a densidade e complexidade da coluna usam injeções intermitentes de várias vezes ao dia. o medicamento para induzir a sensibilização a drogas [3, 9].

As alterações morfológicas opostas induzidas nas regiões de recompensa do cérebro pelos opiáceos versus estimulantes são paradoxais, uma vez que as duas drogas causam fenótipos comportamentais muito semelhantes. Os opiáceos e estimulantes induzem a ativação locomotora de forma aguda e locomotora, bem como a cronificação da sensibilização cronicamente [9]. Eles também induzem padrões semelhantes de escalonamento da autoadministração de drogas, bem como um estado emocional negativo (disforia) durante a retirada [18]. Assim, se as alterações morfológicas opostas induzidas por opiáceos e estimulantes são importantes mediadores da dependência, ou elas devem ter propriedades bidirecionais, pelo que uma mudança da linha de base em ambas as direções produz o mesmo fenótipo comportamental, ou existem informações importantes sobre a função sináptica não são capturados medindo mudanças grosseiras na densidade da coluna dendrítica, pois isso pode ser compensado por uma mudança na força sináptica mantendo a entrada sináptica total por constante de neurônio [19]. Por exemplo, o álcool diminui a complexidade e a densidade neuronal enquanto consolida as sinapses pré-existentes [20], e pode ser que os opiatos e estimulantes produzam efeitos similares no tamanho da densidade pós-sináptica (PSD) levando à mesma mudança na eficácia sináptica. Também não está claro se a exposição crônica a opiáceos ou estimulantes leva a alterações eletrofisiológicas semelhantes nas sinapses da NAc, como seria de esperar, dadas as características compartilhadas do fenótipo viciado. Finalmente, devemos considerar que uma mudança induzida por drogas no número sináptico e eficácia em uma área do cérebro pode resultar no fortalecimento ou enfraquecimento das conexões com outras áreas do cérebro, e pode direcionar aspectos distintos dos comportamentos aditivos.21-23].

Relevância neurofisiológica da plasticidade estrutural induzida por drogas

Pesquisas básicas sobre a relevância das alterações da coluna dendrítica no hipocampo e no córtex cerebral indicam que o tamanho e a forma das espinhas individuais se correlacionam com formas de plasticidade sináptica, como a potenciação de longo prazo (LTP) e a depressão de longo prazo (LTD).24, 25]. Acredita-se que a estabilização de uma espinha transitória e imatura em uma coluna funcional mais permanente ocorra por meio de um mecanismo dependente de atividade (revisado em [26]). Protocolos de estimulação que induzem a LTD estão associados ao encolhimento ou retração de espinhos [27-29], enquanto a indução de LTP está associada à formação de novos espinhos e ao alargamento de espinhos existentes [27, 28, 30]. Em um nível molecular, acredita-se que LTP e LTD iniciem mudanças nas vias de sinalização, e na síntese e localização de proteínas do citoesqueleto, que alteram a polimerização da actina para afetar a maturação e a estabilidade da coluna e que ancoram ou internalizam α-amino-3 -hidroxil-5-metil-4-isoxazol-propionato (AMPA) receptores de glutamato para produzir uma espinha mais funcional (LTP) ou retração de uma espinha existente (LTD) [24, 26]. Após a estabilização, os espinhos se tornam em forma de cogumelo, têm densidades pós-sinápticas maiores [31], apresentam expressão aumentada da superfície dos receptores AMPA e persistem por meses [29, 32]. Essas mudanças refletem um evento celular altamente estável que pode ser uma explicação plausível para certas mudanças comportamentais de longo prazo associadas ao vício.

Trabalhos recentes em modelos de dependência mostraram, de fato, mudanças funcionais em MSNs de NAc que são altamente dependentes do tempo e fluidos durante o processo de dependência (Figura 1). Nos primeiros momentos após a última exposição à cocaína, há um aumento de espinhas finas (mais altamente plásticas) e depressão sináptica [33, 34], o que pode representar um aumento no número de sinapses silenciosas [35, 36]. As sinapses silenciosas contêm receptores de glutamato N-metil-D-aspartato (NMDA), mas poucos ou nenhum receptor AMPA, expressam correntes pós-sinápticas excitatórias mediadas pelo receptor NMDA relativamente estáveis, e são substratos ideais para LTP [36, 37]. Logo após o tratamento com cocaína, essas sinapses silenciosas no NAc parecem expressar uma proporção aumentada de receptores NMDA contendo NR2B [35], uma descoberta consistente com essas sinapses sendo relativamente novas e imaturas [38, 39]. Durante o curso da retirada da cocaína, estes espinhos recentemente formados parecem ser altamente transitórios e podem se retrair ou se consolidar em espinhos em forma de cogumelo [33], um evento que é acompanhado por um aumento na expressão de superfície de receptores de AMPA sem GluR2 e uma potenciação destas sinapses glutamatérgicas [40-42]. (Os receptores AMPA sem gluR2 exibem maior Ca²⁺ e condutância geral em comparação com os receptores de AMPA contendo GluR2.) Comportamentalmente, a incubação do craving da cocaína é observada durante a retirada da auto-administração de cocaína; isto é caracterizado por um aumento gradual e progressivo na procura de cocaína e suscetibilidade à recaída, o que pode exigir essas mudanças na estequiometria dos receptores de AMPA sinápticos [42, 43]. No entanto, estudos comportamentais utilizando transferência gênica mediada por vírus mostram que a superexpressão da subunidade AMPA GluR1 diminui paradoxalmente a sensibilização comportamental à cocaína, destacando a necessidade de novas pesquisas nessa área [44]. Evidências adicionais mostram que a re-exposição à cocaína após um intervalo de retirada de 14 ou 30 dias resulta em redução do diâmetro da cabeça da coluna [33], diminuição da expressão superficial dos receptores AMPA [40], e depressão de força nessas sinapses [45]. Durante essas mudanças transitórias na estrutura e composição das sinapses, há também mudanças significativas na atividade das proteínas de sinalização RhoGTPase necessárias para a polimerização da actina, um efeito que pode ser responsável pela reestruturação da coluna [46]. Esses dados apontam para uma complexa interação entre a estrutura da coluna vertebral, as propriedades eletrofisiológicas dos MSNs da NAc e o comportamento relacionado à dependência. Dado que muitas proteínas sinápticas podem regular estes eventos, será importante identificar as redes moleculares precisas envolvidas na sua regulação.

Modelo de plasticidade sináptica e estrutural relacionada ao vício

Mecanismos de plasticidade estrutural induzida por opiáceos e estimulantes

A relevância funcional da plasticidade estrutural nos modelos de dependência é complicada, como observado anteriormente, pelo fato de que a morfina e a cocaína têm efeitos opostos na densidade da coluna do MSN. Além disso, há pouco exame direto das ações de drogas a jusante para explicar essa dicotomia na plasticidade estrutural. Embora existam vários estudos em microarrays em larga escala examinando as mudanças na expressão gênica após a administração do psicoestimulante, há uma relativa escassez de informações disponíveis para os opiáceos. Além disso, estudos de mudanças de expressão gênica em resposta a morfina ou cocaína usaram tempos, regimes e doses amplamente divergentes, impossibilitando comparações diretas. Apesar dessas ressalvas, é claro que as drogas de abuso de opiáceos e estimulantes regulam numerosos genes que codificam proteínas reguladoras do citoesqueleto. Por exemplo, no NAc, a morfina diminui Homer 1 e PSD95 [47], proteínas de andaimes associadas ao citoesqueleto pós-sináptico. Curiosamente, a cocaína reduz essas proteínas de forma semelhante em NAc [48-51]. Além disso, a morfina diminui RhoA, Rac1 e Cdc42, pequenas GTPases que regulam o citoesqueleto de actina (ver abaixo) [47]. A atividade destas GTPases e seus alvos a jusante são também reduzidas pela cocaína [52]. Esses estudos não foram projetados para comparar diretamente a regulação da morfina e cocaína de genes relacionados à estrutura, mas ambos os fármacos foram encontrados para induzir muitas mudanças semelhantes, apesar de sua regulação oposta de espinhas dendríticas de MSNs NAc. Isso sugere que a regulação desse caminho pode servir como um iniciador da plasticidade; no entanto, isso não explica a dicotomia entre a plasticidade estrutural induzida por opiáceos e estimulantes.

O fato de opiáceos e estimulantes induzirem, de forma semelhante, muitos genes reguladores do citoesqueleto pode ser atribuído à sua ativação de reguladores transcricionais similares, incluindo os fatores de transcrição, ΔFosB e proteína de ligação ao elemento de resposta AMP cíclica (CREB), em NAc [53-56] (Figura 2). ΔFosB é induzido em NAc por virtualmente todas as classes de drogas de abuso [57] e aumenta os efeitos recompensadores da morfina e da cocaína [58, 59]. ΔFosB parece ser responsável por cerca de 25% de todos os genes regulados em NAc pela cocaína crônica, incluindo vários genes associados à plasticidade sináptica como cofilina, proteína 4 relacionada à actina (ARP4) e proteína citoesquelética regulada pela atividade (Arc) [58, 60]. Além disso, ΔFosB é necessário e suficiente para alterações induzidas pela cocaína na densidade da coluna dendrítica [7]. Entretanto, se tanto a morfina como a cocaína induzem ΔFosB, e ΔFosB é um mediador chave da espinogênese aumentada, por que a morfina crônica diminui a densidade da espinha? Uma possibilidade é que ΔFosB regula subconjuntos de genes parcialmente distintos no contexto da administração de morfina versus cocaína, dependendo de outras alterações transcricionais envolvidas, ou que a morfina induz outras adaptações em neurônios NAc que anulam o sinal ΔFosB, que sozinho estimula a spinogênese. Mais estudos são necessários para abordar essas e outras explicações.

Vias de sinalização envolvidas na reorganização do citoesqueleto relacionada à dependência

Em contraste com ΔFosB, o papel de CREB na plasticidade estrutural induzida por drogas é muito mais hipotético. Apesar das evidências de que a indução de CREB em NAc media a tolerância e dependência da recompensa de morfina e cocaína (revisado em [61]), há poucos dados que examinam se o CREB medeia mudanças estruturais após exposição a drogas de abuso. Em várias outras áreas do cérebro, o CREB induz a spinogênese [37, 62, 63], efeitos possivelmente mediados por alvos transcricionais, como o fator de aumento de miócitos 2C (MEF2C) e fator neurotrófico derivado do cérebro (BDNF), ambos os quais também estão envolvidos na plasticidade relacionada à dependência [5, 64, 65]. A CREB também pode mediar a plasticidade através da indução de microRNA, mir132, que recentemente demonstrou induzir o crescimento de neuritos dos neurônios do hipocampo em cultura, em parte, pela redução dos níveis da GTPase p250GAP [66]. Dada a grande quantidade de evidências que implicam o papel do CREB na plasticidade estrutural em outros circuitos neurais, uma investigação direta do papel do CREB na mediação da plasticidade estrutural induzida por drogas no NAc é uma prioridade para futuras investigações. Aqui, também, no entanto, existe o paradoxo de que os opiatos e os estimulantes induzem a atividade de CREB no NAc enquanto induzem efeitos opostos na estrutura dendrítica.

Mecanismos moleculares mediando a plasticidade estrutural induzida pela cocaína

1. As vias de sinalização RhoGTPase regulam a plasticidade estrutural

As alterações estruturais no citoesqueleto de actina são em grande parte governadas por uma família de pequenas GTPases, a saber, Rho, ciclo de divisão celular 42 (Cdc42), Ras e Rac (ver Figura 2). Estas pequenas GTPases são ativadas por fatores de troca de nucleotídeos de guanina (GEFs), como fator de liberação de nucleotídeos Ras-guanina (RasGRF1 / 2), VAV, Kalirin 7 e Tiam1, todos catalisando a troca do PIB por GTP [67-71]. Os GEFs são eles próprios ativados por numerosos sinais extracelulares, incluindo o fator neurotrófico derivado do cérebro (BDNF) através de um mecanismo de receptor de tirosina quinase (TRKB), fator de crescimento tumoral B (TGF-B), proteínas de adesão celular (integrinas) e receptores NMDA de glutamato. um aumento de Ca²⁺ e ativação de Ca²⁺proteína quinase II dependente de cálcio / calmodulina (CAMKII) [71-74]. A ligação do GTP ativa essas GTPases, o que leva à ativação de reguladores a jusante do citoesqueleto de actina, incluindo homólogos de verprolina da família WASP (WAK), proteínas de quinase do domínio do lim (LIM) e proteínas de síndrome de Wiskott-Aldrich (WASPs) [75-77]. Contudo, os passos moleculares detalhados através dos quais estas várias proteínas são reguladas por sinais extracelulares, e por sua vez os mecanismos pelos quais eles regulam a geração, retracção ou remodelação de espinhas dendríticas individuais, permanecem pouco compreendidos.

Recentemente, essas pequenas GTPases e seus ativadores GEF foram investigados por seus papéis na plasticidade estrutural induzida por drogas. Camundongos sem o GEF Ras-GRF1 exibem sensibilidade atenuada à cocaína, enquanto a superexpressão constitutiva em todo o cérebro aumenta a sensibilização e a recompensa das drogas [78]. Além disso, Ras-GRF1 parece mediar a expressão de ΔFosB [78], que como mencionado anteriormente promove a espinogênese em MSNs NAc [6, 7] Curiosamente, foi demonstrado recentemente que a cocaína crónica reduz os níveis de RhoA ligada ao GTP, levando provavelmente a diminuições nas moléculas a jusante da actina, tais como a LIMK e a cofilina [52].

A forma ativa de pequenas GTPases é terminada por proteínas ativadoras da GTPase (GAPs), que aumentam a hidrólise do GTP e atuam como reguladores negativos das RhoGTPases. Embora muito menos se saiba sobre o papel dos GAPs na adicção, um estudo demonstrou que mutações em RhoGAP18B transmitem uma sensibilidade alterada para etanol, nicotina e cocaína em Drosophila [79]. Estes resultados destacam a necessidade de muitas pesquisas futuras para definir a regulação de RhoGTPases e suas proteínas reguladoras após a exposição à cocaína ou outras drogas viciantes.

2. Reguladores transcricionais de plasticidade estrutural

Embora os passos moleculares precisos pelos quais ΔFosB mede as mudanças de densidade da coluna induzidas por cocaína nos MSNs de NAc permaneçam desconhecidos, vários estudos recentes caracterizaram genes candidatos a jusante de ΔFosB que provavelmente estão envolvidos na remodelação sináptica (ver Figura 2). Usando análises de todo o genoma, ΔFosB demonstrou regular vários genes conhecidos por mediarem a spinogênese [58]. Um desses alvos é a quinase dependente de ciclina 5 (Cdk5), que é induzida pela cocaína no NAc via ΔFosB [80] e conhecido em outros sistemas para regular RhoGTPases. A inibição local de Cdk5 impede a proliferação de espinha induzida por cocaína em NAc [8]. Um alvo para o Cdk5 é o MEF2: a indução do Cdk5 fosforila e inibe o MEF2, que por sua vez aumenta as espinhas dendríticas nos MSNs do NAc [5]. A repressão da atividade de MEF2 em resposta à cocaína pode permitir a transcrição de genes associados ao citoesqueleto, N-WASP e WAVEs, que possuem sítios putativos de ligação a MEF em suas regiões promotoras proximais. Há também evidências que sugerem que uma determinada proteína WAVE, WAVE1, regula a morfogênese da coluna de maneira dependente de Cdk5 [81, 82]. Assim, a indução de Cdk5 pela cocaína crônica via ΔFosB, poderia resultar na regulação da atividade WAVE, enquanto MEF2 pode regular seu nível de expressão para mediar mudanças de longo prazo envolvidas na dependência. Do ponto de vista funcional, a inibição da Cdk5, ou ativação de MEF2, ambos os quais se opõem aos efeitos da cocaína nas espinhas dendríticas de NAc, paradoxalmente aumenta respostas comportamentais à cocaína [5, 83, 84]. Essas descobertas inesperadas sugerem que mudanças grosseiras na densidade geral da coluna podem não necessariamente levar a respostas de drogas sensibilizadas per se, mas podem ser resultado de “adaptações homeostáticas” para compensar outras alterações causadas pela exposição crônica à cocaína, como a redução da estimulação glutamatérgica. de MSNs por aferências corticais pré-frontais [34, 85].

Em um estudo subsequente, examinamos outro fator de transcrição, o fator nuclear κB (NFκB). Descobrimos que a cocaína induz a atividade do NFκB no NAc e que a ativação resultante do NFκB é necessária para a formação de espinha dendrítica induzida pela cocaína nos MSNs [6]. Assim como na via Cdk5-MEF2, ΔFosB é necessário para a indução de subunidades NFκB, indicando que ΔFosB regula um programa maior de expressão gênica alterada que leva, em última instância, à espaguogênese dos MSNs de NAc. Curiosamente, também descobrimos que a inibição da via NFkB inibia as respostas comportamentais à cocaína, em consonância com a hipótese prevalecente no campo de que aumentos induzidos pela cocaína na densidade da coluna medeiam a sensibilização comportamental [6].

As diferenças paradoxais entre os efeitos comportamentais do Cdk5-MEF2 vs Os efeitos do NFκB, apesar do fato de que a indução de ambas as vias é mediada via ΔFosB e aumenta a densidade dendrítica da coluna, destacam a complexidade dessas vias intracelulares e a importância de pesquisas futuras. Nossa hipótese é que o efeito líquido da cocaína é induzir, via ΔFosB, a densidade da coluna NAc através de múltiplos alvos a jusante (por exemplo, NFκB, Cdk5-MEF2, muitos outros) e a consequência líquida é respostas comportamentais sensibilizadas à cocaína. Ao mesmo tempo, no entanto, uma via de alvo individual como Cdk5-MEF2 pode, isoladamente, provocar efeitos comportamentais distintos através de suas próprias conseqüências moleculares a jusante. Assim, é crucial que estudos futuros mapeiem as vias moleculares a jusante para os muitos alvos da cocaína e do ΔFosB para obter insights sobre contribuições específicas de cada via para a espaguogênese induzida pela cocaína e respostas comportamentais alteradas à cocaína. Esses resultados discrepantes também podem ser explicados por confusões associadas a camundongos transgênicos e knockout ou sistemas de superexpressão viral. Esses modelos, que são críticos no estudo das vias moleculares envolvidas na plasticidade estrutural, podem produzir efeitos genéticos fora do alvo e induzir produtos gênicos em níveis bem além daqueles vistos após exposição ao medicamento. Finalmente, devemos reconhecer que, medindo apenas o número total de espinhas dendríticas, estamos perdendo informações vitais sobre se esses espinhos estão formando sinapses ativas e, portanto, alterando o fluxo de informações através do circuito. Com essas ressalvas em mente, estudos futuros são necessários para examinar mudanças mais detalhadas na estrutura e composição da coluna e seus insumos pré-sinápticos (Box 1), bem como as conseqüências eletrofisiológicas dessas manipulações moleculares no contexto da espinha dorsal induzida por drogas e da plasticidade sináptica (Box 2).

Box 1 Métodos para quantificar plasticidade estrutural em MSNs NAc

(A) A morfologia e densidade das espinhas dendríticas foram estudadas por várias técnicas, cada uma com pontos fortes e fracos. As manchas de Golgi são baratas e relativamente fáceis de realizar. A expressão mediada por vírus de proteínas fluorescentes, como a GFP, permite a capacidade de sondar vias moleculares intrínsecas que governam a plasticidade estrutural. No entanto, nem o Golgi nem a transfecção viral permitem uma análise detalhada da dimensão 3 (3D) do formato ou número da coluna. As metodologias mais novas de diolística (entrega de pistola de genes - mais comumente - o corante de carbocianeto DiI) e microinjeção de moléculas fluorescentes como os corantes Alexa Fluor e Lucifer Yellow, em combinação com imagens confocais 3D de alta resolução, oferecem um vislumbre sem precedentes da morfologia de espinhas dendríticas. (B) Um exemplo de microinjeção (ou carregamento de células) de neurônios NAc com Lucifer Yellow na 10X (painel inferior), 40X (painel superior) e 100X (painel da direita). (C) Utilizando camundongos transgênicos que expressam GFP seletivamente em neurônios que expressam Drd2 ou Drd1 (painel esquerdo), podemos direcionar diolisticos ou microinjeções de corantes para estudar mudanças específicas de tipo celular em morfologia. (D) Uma vantagem da microinjeção é que ela foi validada para uso com o NeuronStudio, um programa para conduzir análises automatizadas 3D de densidade e morfologia da coluna, bem como classificação imparcial de espinhas em subtipos fino, cogumelo, grosso e outros (http://www.mssm.edu/cnic/tools-ns.html). Existem sistemas similares para uso com corantes ligados a membranas, como DiI [33]. (E) Todos os métodos baseados em microscópio de luz têm fraquezas significativas em comparação com a microscopia eletrônica (EM). EM, o padrão ouro para a visualização de sinapses, explora uma característica única da sinapse: densidades pós-sinápticas (PSDs) são elétron-densas e podem ser facilmente visualizadas. Além disso, certas características sinápticas, como múltiplas redes sinápticas (arco amarelo) e sinapses perfuradas (caixa laranja), só podem ser visualizadas pelo EM. O tamanho dos PSDs fornece uma medida da força das sinapses, já que o tamanho do PSD está correlacionado com a função sináptica e a plasticidade [91]. Este nível de informação pode ser importante nos modelos de dependência. Por exemplo, é possível que uma droga de abuso altere a densidade da coluna sem alterar a saída funcional da célula, seja consolidando as sinapses existentes em menos, mas mais fortes, ou criando sinapses novas, mas silenciosas. Por outro lado, uma mudança induzida pelo medicamento no tamanho ou na forma da coluna - e, portanto, na função - pode ocorrer na ausência de uma mudança no número total de espinhas. Para abordar essas questões em estudos futuros, precisaremos comparar diretamente a plasticidade estrutural induzida por opiáceos e estimulantes de NAc e outros neurônios usando microscopia de luz e eletrônica, e a análise morfométrica 3D do tipo coluna, juntamente com a medição dos correlatos eletrofisiológicos do estado sináptico. . Além disso, experimentos utilizando microscopia multi-fóton combinada com uncaging localizado de glutamato enjaulado, ou estimulação de terminais nervosos pré-sinápticos identificados com rodopsinas de canal, são necessários para testar diretamente a função e eficácia de novas espinhas individuais. Vejo Box 2 para uma descrição detalhada desses estudos funcionais. Barra de escala: 5 μm em (A), 1 μm em (E). Em (D) azul, vermelho, verde indicam espinhos finos, cogumelo, grossos, respectivamente. Em (E) sombreamento azul indica axônio, sombreamento rosa indica espinha, setas apontam para PSDs.

Box 2 Quantificando a força sináptica em sinapses individuais do MSN: por que isso é necessário?

Uma prioridade importante na pesquisa do abuso de drogas é medir diretamente a força sináptica nas sinapses individuais da coluna, de modo que possam ser feitas conexões causais entre as mudanças estruturais da coluna e as mudanças funcionais na transmissão sináptica. Atualmente, isso pode ser melhor combinado com a combinação de microscopia de varredura a laser multi-fóton para espinhos individuais de imagem com o enfardamento a laser multifotônico de glutamato em gaiola para ativar os mesmos espinhos individuais [92, 93]. Um avanço técnico importante adicional será a capacidade de identificar inputs aferentes específicos fazendo sinapses em espinhas individuais, uma vez que modificações induzidas por drogas na estrutura e função sináptica podem diferir dependendo da entrada (por exemplo, hipocampo versus amígdala versus entradas corticais em MSNs NAc). Um método excitante, mas desafiador, para conseguir isso é expressar canais ativados por luz, como rodopsinas de canal, nos terminais sinápticos de inputs aferentes específicos, o que poderia permitir a ativação de sinapses individuais visualmente identificáveis em preparações de fatia, enquanto imagina simultaneamente os espinhos sobre os quais As sinapses são feitas para registrar suas respostas individuais ao glutamato liberado sinapticamente.Finalmente, como enfatizado no texto, o tipo específico de célula NAc precisa ser identificado, já que modificações sinápticas estruturais e funcionais induzidas por drogas provavelmente diferem entre MSNs expressando Drd1 e Drd2 bem como para vários tipos de interneurônios no NAc.

3. Especificidade do tipo celular da plasticidade estrutural

Os MSNs do NAc existem em dois subtipos principais, contendo predominantemente receptores de dopamina Drd1 ou Drd2. As vias intracelulares a jusante dos receptores diferem grandemente e, assim, as vias moleculares que governam a estrutura neuronal podem diferir em conformidade. Embora a indução de espinhas dendríticas após o tratamento repetido com psicoestimulantes ocorra nos MSNs expressando Drd1 e Drd2, a estabilidade a longo prazo de novos espinhos parece ser maior nos neurônios Drd1. Estas observações suportam a ideia de que as vias de sinalização intracelular a jusante do Drd1 podem mediar a estabilização de longo prazo das espinhas do que nos neurónios Drd2 [17, 86]. De fato, a persistência de espinhas dendríticas aumentadas em MSNs contendo Drd1 está altamente correlacionada com a indução persistente de ΔFosB em MSNs de Drd1 e resposta comportamental sensibilizada à exposição crônica a drogas [87, 88]. Assim, é possível que a morfina e a cocaína regulem cascatas intracelulares distintas nos MSNs Drd1 e Drd2. Uma questão chave, portanto, é se diferentes drogas de abuso regulam diferencialmente a estrutura neuronal através da regulação seletiva da expressão gênica nesses distintos MSNs de NAc. Esta é uma consideração crucial, uma vez que estas duas populações estão implicadas em aspectos distintos da função NAc, ainda incompletamente definidos, incluindo diferentes contribuições para os efeitos comportamentais da cocaína. Por exemplo, o knockout seletivo de dopamina e fosfoproteína regulada por cAMP de 32 kDa (DARPP-32) de células Drd1 versus Drd2 exerce efeitos opostos na locomoção induzida por cocaína [89]. Além disso, um knockout seletivo do receptor de glicocorticóide dos neurônios Drd1 reduziu a motivação para a cocaína e suprimiu a ingestão ao longo de uma ampla gama de doses [90]. A capacidade de usar agora metodologias mais sensíveis para investigar mudanças moleculares em MSNs Drd1 e Drd2 (Box 1) nos ajudará a entender como as mudanças moleculares que ocorrem nesses tipos de células neuronais podem levar a mudanças distintas na estrutura neuronal em resposta a diferentes classes de drogas de abuso, e como essas mudanças influenciam os comportamentos aditivos.

Conclusões

A plasticidade estrutural induzida por drogas é uma das mudanças mais replicáveis e duradouras associadas aos modelos de dependência. Numerosos estudos correlativos e alguns estudos funcionais fornecem evidências convincentes de que essas neuroadaptações são críticas na mediação da sensibilização comportamental à cocaína. No entanto, há também vários relatos funcionais que argumentam que a plasticidade da coluna induzida por drogas é um fenômeno não relacionado à sensibilização. Está claro que mais trabalho é necessário para entender completamente o envolvimento da plasticidade sináptica e estrutural nos comportamentos aditivos. Nesse estágio, é prematuro argumentar definitivamente para qualquer um dos lados, já que a maioria dos estudos publicados se baseia em medições da densidade dendrítica total da coluna, ignorando inúmeras características da plasticidade da coluna vertebral. Box 1). Ao longo desta revisão, delineamos áreas-chave para futuras investigações, resumidas em tabela 2, que são necessários para esclarecer os dados experimentais paradoxais e ajudar a explicar o papel da plasticidade da coluna dendrítica no vício. Futuros estudos utilizando microscopia eletrônica e multi-fótons serão necessários para comparar os efeitos de drogas opiáceas e estimulantes de abuso em propriedades estruturais detalhadas de sinapses excitatórias, tais como número de vesículas pré-sinápticas ancoradas versus reservatórios de reserva, PSD e comprimento da zona ativa, e coluna densidade e volume da cabeça. Isso ajudará a responder à questão de saber se as diferenças paradoxais observadas na densidade total da coluna dendrítica após a morfina e a cocaína de fato refletem diferenças no número e na força das sinapses. Além disso, devido à natureza transitória de muitas alterações eletrofisiológicas, precisamos de informações mais detalhadas sobre o tempo da plasticidade dendrítica, de LTD / LTP, e de inserção ou internalização de receptores de glutamato induzidos por opiáceos e estimulantes que possam refletir características comportamentais específicas de vício. Para estabelecer a causalidade, precisaremos determinar como cada uma dessas mudanças funcionais e estruturais afeta o comportamento viciante. Este último ponto é particularmente importante e exigirá uma integração de várias técnicas. Primeiro, uma via molecular é identificada como sendo regulada por drogas de abuso e genes alvo a jusante perfilados para quaisquer genes relacionados à plasticidade estrutural relevantes. Então, usando transferência gênica mediada por vírus, expressão de shRNAs, ou camundongos mutantes genéticos indutíveis para manipular essas vias moleculares, será possível determinar seus papéis específicos em mudanças eletrofisiológicas, estruturais e comportamentais após a administração crônica de drogas. Finalmente, todos esses estudos devem ser considerados em uma base específica do tipo celular e região do cérebro para uma compreensão significativa dos mecanismos precisos da patologia cerebral no vício.

Perguntas pendentes

Agradecimentos

A preparação desta revisão foi apoiada por doações do National Institute on Drug Abuse

Glossário Lista de Termos

Comportamento relacionado com dependência: Isso é mais frequentemente estudado pelo uso de paradigmas de autoadministração de medicamentos, incluindo aquisição e manutenção de autoadministração, abstinência e extinção, bem como reintegração (recaída).
Regimes de tratamento estimulante: Isto inclui a anfetamina cocaína auto-administrada ou auto-administrada, ou nicotina a uma dada dose e frequência durante um determinado período de tempo. Os animais são então analisados em vários momentos após a última dose da droga
Paradigmas de tratamento de opiáceos: Isso inclui morfina, heroína ou outras drogas opiáceas experimentais ou auto-administradas de abuso em uma determinada dose e frequência por um determinado período de tempo. Os animais são então analisados em vários momentos após a última dose da droga
Regiões de recompensa do cérebro: Estes incluem neurônios dopaminérgicos mesencéfalos na área tegmentar ventral e as regiões límbicas para as quais esses neurônios se projetam, incluindo o núcleo acumbente (estriado ventral), amígdala, hipocampo e várias regiões do córtex pré-frontal (por exemplo, medial, orbitofrontal etc.).
Receptores de glutamato: Os principais receptores de glutamato ionotrópico no cérebro são nomeados para agonistas específicos, α-amino-3-hidroxil-5-metil-4-isoxazol-propionato (AMPA) e N-metil-D-aspartato (NMDA)
Receptor de dopamina: Dois tipos principais de receptores de dopamina são expressos no nucleus accumbens, contendo os receptores Drd1 ou Drd2, que diferem em seus mecanismos de sinalização pós-receptor. Os receptores Drd1 são acoplados a Gs e estimulam a adenilil ciclase, enquanto os receptores Drd2 são acoplados a Gi / o e inibem a adenilil ciclase, ativam K de retificação interna⁺ canais e inibem o Ca²⁺ canais. Ambos os receptores também podem regular cascatas de quinase reguladas por sinal extracelular (ERK)
RhoGTPases: Estas pequenas proteínas G desempenham um papel central na regulação do citoesqueleto de actina, considerado como sendo integral no crescimento e retração das espinhas dendríticas. São ativados por fatores de troca de nucleotídeos de guanina (GEFs) e inibidos por proteínas ativadoras de GTPase (GAPs)
Fatores de transcrição: Estas são proteínas que se ligam a seqüências de DNA específicas (chamadas de elementos de resposta) dentro de genes responsivos e, assim, aumentam ou diminuem a taxa na qual esses genes são transcritos. Exemplos de fatores de transcrição que regulam espinhas dendríticas são: ΔFosB (uma proteína da família Fos), proteína de ligação ao elemento de resposta AMP cíclica (CREB), fator nuclear κB (NFκB) e fator de aumento de miócitos-2 (MEF2)
Quinases de Proteína: Várias proteínas quinases, enzimas que fosforilam outras proteínas para regular sua função, têm sido implicadas no controle da formação da espinha dendrítica, incluindo Ca²⁺/ proteína quinase (CaMKII) dependente de calmodulina, quinase 5 (Cdk5) dependente de ciclina, quinase ativada por p21 (PAK1) e quinase de domínio de limão (LIMK), entre muitas outras
Proteínas relacionadas à actina: O citoesqueleto de actina é regulado por um grande número de proteínas, no entanto, o papel detalhado de cada um deles no final do crescimento ou retração de uma coluna, ou alterar o tamanho e a forma de uma coluna, permanece incompletamente compreendido. Exemplos incluem proteï¿½as relacionadas com a actina (ARPs), proteï¿½as do sï¿½droma de Wiskott-Aldrich (WASP), homï¿½ogos da verprolina da famï¿½ia WASP (WAVEs) e cofilina, entre muitas outras.

Notas de rodapé

Isenção de responsabilidade do editor: Este é um arquivo PDF de um manuscrito não editado que foi aceito para publicação. Como um serviço aos nossos clientes, estamos fornecendo esta versão inicial do manuscrito. O manuscrito será submetido a edição de texto, formatação e revisão da prova resultante antes de ser publicado em sua forma final citável. Observe que, durante o processo de produção, podem ser descobertos erros que podem afetar o conteúdo, e todas as isenções legais que se aplicam ao periódico pertencem a ele.

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