Biol Psihiatrie. 2008 Dec 1; 64 (11): 941-50. Epub 2008 Jul 26.
Teegarden SL, Nestler EJ, Bale TL.
Sursă
Departamentul de Biologie Animală, Universitatea din Pennsylvania, Philadelphia, PA 19104-6046, SUA.
Abstract
FUNDAL:
Sensibilitatea față de recompensă a fost implicată ca un factor predispozant pentru comportamentele legate de abuzul de droguri, precum și de supraalimentarea. Cu toate acestea, mecanismele care stau la baza contribuției la recompensarea sensibilității sunt necunoscute. Am presupus că o dysregulare în semnalizarea dopaminei ar putea fi o cauză fundamentală a sensibilității sporite a recompensei, prin care stimulentele recompensatoare ar putea acționa pentru a normaliza sistemul.
METODE:
Am folosit un model genetic de șoarece cu o sensibilitate crescută la recompensă, mouse-ul excesiv de Delta FosB, pentru a examina schimbările pe calea recompenselor ca răspuns la o dietă bogată în grăsimi. Markerii de semnalizare a recompensei la acești șoareci au fost examinați atât în mod fundamental, cât și după săptămânile 6 de expunere la hrană plăcută. Șoarecii au fost examinați într-un test comportamental, urmând o retragere a dietei bogate în grăsimi, pentru a evalua vulnerabilitatea acestui model la eliminarea stimulilor satisfacători.
REZULTATE:
Rezultatele noastre demonstrează o modificare a activării căii de recompensă de-a lungul circuitelor nucleare accumbens-hipotalamice-ventrale tegmentale care rezultă din supraexpresia Delta FosB în nucleul accumbens și regiunile striatale. Nivelurile proteinei de legare a elementului de răspuns al ciclului adenozin monofosfat ciclic (cAMP) (PCREB), factorul neurotrofic derivat din creier (BDNF), și dopozina și fosfoproteina adenozin monofosfat reglată ciclic cu o masă moleculară de 32 kDa (DARPP-32) în nucleul accumbens au fost reduse la șoareci Delta FosB, sugerând semnalarea redusă a dopaminei. Șase săptămâni de expunere la alimente bogate în grăsimi au ameliorat complet aceste diferențe, dezvăluind capacitatea de recompensare puternică a unei diete gustoase. Șoarecii Delta FosB au prezentat, de asemenea, o creștere semnificativă a activității locomotorii și a răspunsurilor legate de anxietate, după ore 24 după retragerea de grăsime.
CONCLUZII:
Aceste rezultate stabilesc o sensibilitate subiacentă la schimbările în recompensă legate de dysregulările de tip Delta FosB și de semnalarea dopaminei care pot fi normalizate cu diete gustoase și pot fi un fenotip predispozant în unele forme de obezitate.
Introducere
În ciuda cunoștințelor noastre crescânde despre sistemele neuronale care controlează apetitul și sațietatea, ratele de obezitate continuă să crească în Statele Unite. Tratamentele actuale de droguri au eficacitate limitată, iar modificările comportamentale suferă de o respectare minimă pe termen lung (1). Consumul de alimente caloric-dense, gustoase, a fost legat de schimbările în traseele de stres și de recompensare din creier, sugerând că proprietățile de recompensare ale unor astfel de alimente pot depăși semnalele de echilibru energetic (2-4). Alimentele bogate în grăsimi acționează ca recompense naturale, activând centrele de recompensare a creierului într-un mod similar cu medicamentele de abuz și, ca atare, au fost folosite în paradigmele de autoadministrare (5-8). Astfel, este probabil ca comportamentele și motivația pentru supraalimentare și abuzul de droguri să împărtășească mecanismele de bază comune, potențial deschizând noi căi de tratament pentru ambele condiții.
În studierea relației dintre alimentele gustoase și căile care reglează răsplata și stresul în creier, am identificat anterior markeri moleculari și biochimici ai recompenselor reduse și a stresului crescut după retragerea dintr-o hrănire bogată în grăsimi (HF). Similar cu medicamentele de abuz, expunerea la o dieta gustoasa in studiile noastre a dus la cresterea nivelului de factor de transcriptie ΔFosB in nucleul accumbens (NAc), o structura centrala a creierului (9, 10). Șoarecii care au supraexprimat inofensiv ΔFosB prezintă un răspuns instrumental crescut pentru o recompensă alimentară (11), făcându-le un instrument valoros pentru examinarea rolului sensibilității la recompensă și a dysregulării pe termen lung a sistemului de recompensă în răspunsurile moleculare și biochimice la o dietă gustoasă.
În studiul de față, am folosit șoarecii suprapresivi ai ΔFosB pentru a examina modificările pe termen lung în markerii recompenselor în neurocircuitul NAV-hipotalamus-ventral ventral (VTA) ca răspuns la o dietă HF gustabilă. Pe baza studiilor anterioare efectuate la acești șoareci sensibili la recompensă, am emis ipoteza că modificările induse de DFosB în sensibilitatea la recompensă implică o dysreglare în semnalizarea dopaminei care rezultă din feedback-ul NAc către VTA. Mai mult, am emis ipoteza că expunerea la o recompensă naturală a unei diete HF cu densitate energetică ar normaliza atunci sistemul dopaminergic la acești șoareci, rezultând un răspuns exagerat la stresul de a se retrage din această dietă HF. Aspectul unic al utilizării unei diete gustoase ca o substanță plină de satisfacții ne permite să includem intrările hipotalamice pentru a recompensa circuitele într-un fenotip care poate fi predictiv pentru o populație predispusă la obezitatea rezistentă la tratament. Pentru a examina această ipoteză, am studiat markerii neurotransmisiei dopaminei, inclusiv pCREB, BDNF și DARPP-32 în NAc și tirozină hidroxilază și transportorul de dopamină în VTA, după expunerea la HF. Am examinat, de asemenea, markeri specifici ai echilibrului energetic, cunoscuți pentru a influența producția de dopamină, incluzând receptorii leptină și orexină în exprimarea VTA și orexin în hipotalamusul lateral.
Materiale și metode
animale
Șoarecii bitransgenici masculi care au supraexprimat inofensiv ΔFosB în neuronii dynorfin pozitivi în NAc și în striatul dorsal (Kelz și colab., 1999) au fost generați pe un fond mixt (ICR: C57Bl6 / SJL) la Centrul Medical Southwestern Medical University testat la Universitatea din Pennsylvania. Toți șoarecii au fost menținute pe doxiciclină (100 μg / ml în apa de băut) până la sosirea la Universitatea din Pennsylvania. Pentru a induce supraexprimarea, doxiciclina a fost eliminată (n = 23) (12). Șoarecii de control (n = 26) au continuat să primească medicamentul. Șoarecii au fost repartizați la grupuri de dietă opt săptămâni după îndepărtarea doxicilinei, timp în care expresia sa dovedit a atinge niveluri maxime (13). Șoarecii au fost menținute pe un ciclu 12: 12 lumină-întuneric (lumini pe 0700) cu alimente și apă disponibile ad libitum. Toate studiile au fost efectuate în conformitate cu protocoalele experimentale aprobate de Comitetul pentru îngrijirea și utilizarea animalelor instituționale din cadrul Universității din Pennsylvania și toate procedurile au fost efectuate în conformitate cu orientările instituționale.
Expunerea la dietă
Șoarecii au fost menținute pe chava de casă (n = 16) sau plasate pe HF (n = 16-17) timp de șase săptămâni. Casa de pui (Purina Lab Diet, St. Louis, MO) conține 4.00 kcal / g, constând din proteine 28%, 12% grăsime și 60% carbohidrați. HF dieta (Research Diets, New Brunswick, NJ) conține 4.73 kcal / g, constând din proteine 20%, 45% grăsime și 35% carbohidrați.
Biochimie și expresia genelor
Șoarecii au fost analizați după șase săptămâni de expunere la regim alimentar. Creierii au fost îndepărtați din craniu și fie înghețați întregi pe gheață uscată, fie cu NAc disecată (aproximativ 0.5 - 1.75 mm de la bregma, la o adâncime de 3.5 - 5.5 mm) și înghețată în azot lichid. Țesutul a fost păstrat la -80 ° C până la analiză.
Analize biochimice
Metodele pentru bloturile Western sunt descrise în materialele suplimentare. Anticorpii utilizați au fost: Cdk5, CREB și BDNF (1: 500, Santa Cruz Biotechnology, Santa Cruz, CA) și fosfo-CREB (pCREB) (Ser 133) (1: 500, Cell Signaling Technology, Danvers, MA).
Receptor autoradiografie
Metodele detaliate pentru autoradiografie sunt descrise în materialele suplimentare. Liganzii utilizați au fost 2 nM H3 - SCH 23390 și 5 nM H3 - spiperonă (PerkinElmer, Boston, MA).
Hibridizarea in situ
Prelucrarea tisulară și hibridizarea au fost efectuate așa cum s-a descris anterior (14). Sonda DARPP-32 a fost oferită de P. Greengard (Universitatea Rockefeller) și sonda de orexină de către J. Elmquist (Centrul Medical Southwestern din Texas). Diapozitivele testate pentru DARPP-32 au fost folosite pentru film pentru zilele 3, iar alunecările testate pentru orexin au fost aplicate în film pentru zilele 4. Cuantificarea imaginilor filmului a fost realizată așa cum a fost descris anterior (10).
QRT-PCR
ARN-ul a fost izolat din VTA și expresia genelor individuale evaluate folosind teste de exprimare a genelor TaqMan (Applied Biosystems, Foster City, CA). Metodele detaliate și analizele statistice pot fi găsite în materialele suplimentare.
Analize comportamentale
Pentru a examina efectele sensibilității la recompensă asupra modificărilor comportamentale induse de dietă, un subset de șoareci a fost retras din HF după patru săptămâni de expunere și a fost returnat la chow house (n = 9 control, n = 8 ΔFosB). Douăzeci și patru de ore după retragere, șoarecii au fost expuși la testul de câmp deschis, în conformitate cu paradigma noastră de retragere (10), publicată anterior. Pe scurt, șoarecele a fost plasat în centrul aparatului de câmp deschis și monitorizat timp de cinci minute. Întreruperea totală a liniilor, bolile fecale, timpul în centru și măsurarea încrucișărilor în centru.
Statistici
Toate datele, cu excepția Western blots, au fost analizate folosind un ANOVA bidirecțional, urmat de testul PLSD Fisher cu tratament cu doxiciclină (expresia ΔFosB) și starea dietei ca variabile independente. Pentru analizele RT-PCR, a fost utilizată o valoare P redusă pentru a corecta comparații multiple în cadrul grupurilor de gene înrudite (vezi materialele suplimentare). Western blot au fost analizate folosind testul t al unui student cu tratament cu doxiciclină ca variabilă independentă, comparând densitățile optice în cadrul aceleiași blot. Toate datele sunt prezentate ca medie ± SEM.
REZULTATE
Diferențe biochimice bazale
Pentru a elucida căile moleculare care stau la baza sensibilității sporite a recompensei la șoarecii ΔFosB care supraexprimă, nivelurile mai multor molecule de semnalizare cheie au fost examinate în NAc. A existat o tendință de creștere a nivelurilor de Cdk5 în NAc la șoareci ΔFosB comparativ cu animalele martor care au fost menținute pe doxiciclină (F = 5.1, P = 0.08; Fig. 1A). Șoarecii osFosB au exprimat niveluri semnificativ reduse de pCREB (F = 7.4, P <0.05; Fig. 1B), precum și niveluri totale de CREB (F = 5.4, P = 0.05; Fig. 1C). O reducere semnificativă a BDNF a fost observată și la NAc la șoareci ΔFosB (F = 10.6, P <0.05; Fig. 1D).
Figura 1
Șoarecii care supraexprimă ΔFosB au prezentat markeri biochimici de semnalizare redusă a dopaminei în NAc
Aportul alimentar și greutatea corporală în dieta bogată în grăsimi
Am examinat în continuare efectele unei diete HF recompensate în mod natural asupra modificărilor moleculelor de semnalizare la șoarecii ΔFosB care supraexprimă. Nu au existat diferențe între șoarecii ΔFosB și controalele în aportul de alimente, fie în casă, fie în IC. Cu toate acestea, a existat o scădere globală a aportului caloric normalizat la greutatea corporală atunci când a fost expus la HF, care a fost specific șoarecilor ΔFosB (F = 11.2, P <0.01; Fig. 2A). La sfârșitul celor șase săptămâni de expunere la dietă, șoarecii cărora li s-a administrat HF au cântărit semnificativ mai mult decât cei de pe dieta chow (F = 17.2, P <0.001), iar șoarecii ΔFosB au cântărit mai puțin decât martorii (F = 5.6, P <0.05; Fig. 2B). Acest efect a fost specific diferențelor dintre grupurile din dieta chow (P <0.05).
Figura 2
Șoarecii suprapresivi ai ΔFosB nu au prezentat diferențe în ceea ce privește aportul de alimente la regimul de hrănire sau în hipotermie (HF)
Diferențe biochimice privind dieta bogată în grăsimi
Pentru a determina cum diferențele bazale ale semnalizării NAc ar putea fi modificate prin dieta HF, aceleași proteine de semnalizare studiate la momentul inițial au fost examinate la animalele care au primit șase săptămâni de HF. Nu au existat diferențe semnificative în nivelurile Cdk5 (figura 3A). Nivelurile de pCREB și CREB total nu mai erau diferite după șase săptămâni de HF (Figura 3B, C). Nivelurile de BDNF au fost semnificativ crescute la șoarecii ΔFosB după șase săptămâni de expunere la HF (F = 6.5, P = 0.05, Figura 3D).
Figura 3
Dieta bogată în grăsimi (HF) a ameliorat diferențele de semnalizare observate în NAc al ΔFosB care supraexprimă șoareci
Autoradiografia receptorului dopaminic
Am folosit autoradiografia receptorilor pentru a evalua dacă modificările induse de ΔFosB în semnalizarea dopaminei în NAc sunt legate de modificările expresiei receptorului dopaminei (Fig. 4A). Dieta bogată în grăsimi pare să crească ușor densitatea legării receptorilor de dopamină D1 (P = 0.14), iar această diferență a fost mai mare la șoarecii ΔFosB (Fig. 4B). A existat, de asemenea, o tendință către o creștere a zonei de legare a D1 după HF (P = 0.06), iar testarea post hoc a arătat că aceasta este semnificativă la șoarecii ΔFosB (P <0.05; Fig. 4C). Spre deosebire de receptorii D1, nu există modificări ale densității de legare a receptorului D2 (control chow = 97.6 ± 6.9, control HF = 101.1 ± 8.2, ΔFosB chow = 91.6 ± 1.0, ΔFosB HF = 94.8 ± 9.5) sau a zonei de legare (control chow = 47.3 ± 3.4, control HF = 53.8 ± 6.0, ΔFosB chow = 51.9 ± 3.7, ΔFosB HF = 49.0 ± 3.3) au fost observate în NAc.
Figura 4
Dieta bogată în grăsimi (HF) a condus la modificări ale legării receptorului de dopamină D1 și expresiei DARPP-32 în nucleul accumbens (NAc) al șoarecilor care suferă de supraexprimare ΔFosB
Expresia DARPP-32 în NAc
Hibridizarea in situ a fost utilizată pentru a determina nivelurile de expresie ale DARPP-32 în NAc (Fig. 4D). Dieta bogată în grăsimi a crescut semnificativ expresia DARPP-32 în această regiune a creierului (F = 5.1, P <0.05) și a existat o interacțiune semnificativă între dietă și expresia ΔFosB (F = 8.9, P <0.05), șoarecii ΔFosB prezentând o modificarea indusă de dietă (Fig. 4E). O diferență bazală în expresia DARPP-32 între șoareci martor și osFosB a fost dezvăluită prin testarea post hoc (P <0.01), precum și o creștere semnificativă a expresiei DARPP-32 la șoarecii osFosB pe HF (P <0.01).
Expresia genetică în VTA
QRT-PCR a fost utilizat pentru a evalua modificările exprimării genelor în VTA, vizând mai multe gene cheie implicate anterior în reglarea recompensei. Toate probele au fost normalizate la β-actină. Pentru a se asigura că expresia β-actinei nu a fost modificată prin tratament, a fost efectuată o analiză separată pentru a compara β-actina cu un al doilea control intern, GAPDH. Nu au existat diferențe semnificative în expresia β-actinei (valori ΔCT, β-actină - GAPDH: control chow = 2.29 ± 0.21, control HF = 2.01 ± 0.04, ΔFosB chow = 2.32 ± 0.49, ΔFosB HF = 2.37 ± 0.10).
O tendință pentru o interacțiune între expresia ΔFosB și tratamentul dietei a fost observată pentru expresia tirozinei hidroxilazei (F = 3.6, P <0.06; Fig. 5A). Șase săptămâni de expunere la IC par să scadă expresia tirozinei hidroxilazei la șoarecii martori și să crească expresia la șoarecii osFosB. O interacțiune semnificativă între expresia ΔFosB și expunerea la dietă a fost observată pentru expresia transportorului de dopamină (F = 6.7, P <0.03; Fig. 5B). Similar cu tirozin hidroxilaza, expunerea la HF a redus expresia transportorului de dopamină la șoarecii martori și a crescut semnificativ expresia la șoarecii ΔFosB (P <0.05). Diferența bazală în expresia transportorului de dopamină între șoareci martor și ΔFosB nu a atins semnificație (P = 0.16), dar după 6 săptămâni de HF, șoarecii ΔFosB au exprimat niveluri semnificativ crescute de transportor de dopamină comparativ cu martorii (P <0.05).
Figura 5
Expunerea la dieta bogată în grăsimi (HF) și expresia ΔFosB au condus la modificări ale exprimării unui număr de molecule-cheie în VTA
A existat o tendință care indică un efect al expresiei crescute a osFosB pentru a reduce nivelurile de TrkB în VTA (F = 5.7, P <0.04; Fig. 5C). Deși nu au existat efecte principale asupra expresiei receptorului κ-opioid, a existat o tendință spre expresie redusă la șoarecii ΔFosB (P = 0.08; Fig. 5D). Expresia receptorului de leptină a fost, de asemenea, determinată în VTA. S-a găsit un efect semnificativ al expunerii la dietă (F = 6.1, P <0.03), cu HF reducând semnificativ nivelurile receptorului de leptină din VTA atât la șoarecii ΔFosB, cât și la șoarecii martor (Fig. 5E). De asemenea, a fost examinată expresia receptorului orexinei 1 în VTA. A existat un efect semnificativ al dietei asupra expresiei receptorului orexinei (F = 9.0, P <0.02), șoarecii expuși la HF exprimând niveluri mai ridicate în VTA (Fig. 5F). A existat, de asemenea, o tendință pentru șoarecii ΔFosB de a exprima niveluri globale mai ridicate de receptor al orexinei 1 în această regiune a creierului (P <0.05).
Expresia orexinului în hipotalamus lateral
Am măsurat nivelurile de orexină în hipotalamusul lateral, originea inervației orexinergice a VTA, prin hibridizare in situ (Fig. 6A). A existat o interacțiune semnificativă între expresia ΔFosB și expunerea dietei la expresia orexinei (F = 9.1, P <0.01), cu HF creșterea semnificativă a nivelurilor de orexină la șoarecii martor (P <0.05) și scăderea expresiei la șoarecii osFosB (Fig. 6B). Deși nu au existat diferențe semnificative în expresia orexinei în starea bazală, după 6 săptămâni de HF, șoarecii ΔFosB au exprimat niveluri semnificativ reduse de orexină în comparație cu martorii (P <0.05).
Figura 6
Dieta bogată în grăsimi (HF) a avut efecte diferențiate asupra expresiei orexinului la șoarecii de control (Ctrl) și ΔFosB supraexprimând
BeAnalizele comportamentale
Pentru a evalua modificările excitării și emoționalității datorate schimbărilor alimentare, șoarecii au fost expuși la testul în câmp deschis 24 de ore după retragerea dietei HF (10). Încrucișările totale de linie, care au fost marcate ca măsură de excitare, au fost semnificativ afectate de expresia ΔFosB (F = 6.6, P <0.05) și dietă (F = 4.6, P <0.05; Fig. 7A). Șoarecii osFosB au fost mai activi în mediul nou decât contrilii, iar testarea post hoc a arătat că șoarecii retrași din HF au fost semnificativ mai activi decât cei expuși la chow (P <0.05). Boli fecale au fost numărate ca o măsură a comportamentului asemănător anxietății (10). A existat un efect principal al expresiei ΔFosB (F = 10.2, P <0.01), cu șoareci cu supra-exprimare a osFosB producând mai mulți boli fecali în mediul nou, în special în grupele de chow și retragere HF (Fig. 7B). Șoarecii osFosB menținuți pe dieta HF au produs mai puțini boli fecali decât cei menținuți pe chow și cei retrași cu 24 de ore înainte de test. Șoarecii martori nu par să fie afectați de dietă. Nu au existat efecte semnificative ale expresiei ΔFosB sau ale dietei asupra timpului petrecut în centrul câmpului deschis (control chow = 14.5 ± 3.1 sec, control HF = 18.0 ± 3.2 sec, control W / D = 15.4 ± 1.9 sec, ΔFosB chow = 16.9 ± 2.4 sec, ΔFosB HF = 13.1 ± 3.9 sec, ΔFosB W / D = 19.8 ± 2.6 sec).
Figura 7
Șoarecii suprapresivi ai ΔFosB au fost mai sensibili la efectele de eliminare a dietei cu conținut ridicat de grăsimi (HF)
Discuție
În tratamentul obezității, există o nevoie critică de identificare a factorilor care influențează susceptibilitatea la supraalimentare și creșterea în greutate. Căile de recompensare a creierului joacă un rol important în motivarea și răspunsul la alimentele gustoase și la schimbările alimentare (6, 10, 15, 16). Deoarece semnalele orexigene și anorexigene pot influența direct semnalizarea recompensării prin intermediul unui circuit hipotalamus-VTA-NAc, elucidarea genelor care răspund dietei gustoase din punct de vedere energetic în centrele de recompensare poate oferi noi obiective terapeutice în tratamentul obezității (17, 18). În consecință, am examinat markerii biochimici și moleculari ai semnalizării echilibrului energetic și al echilibrului energetic de-a lungul circuitului hipotalamus-VTA-NAc ca răspuns la o dietă HF la șoarecii care supraexprimă ΔFosB ca model de sensibilitate sporită la schimbările în recompensă (13, 19, 20) , și sensibilitatea comportamentală după retragerea dietei. Am emis ipoteza că distrugerea bazală a semnalizării dopaminei la șoareci ΔFosB ar fi normalizată de efectele de recompensare ale unei diete HF, care să cuprindă intersecția semnalelor de echilibru energetic și a sistemului dopaminic.
Pentru a examina markerii indicativi ai unei dysregulari in semnalizarea dopaminei in NAc, am examinat nivelele receptorilor D1 si efectoarele din aval. Deși nu au existat diferențe semnificative în legarea receptorului D1, a existat o tendință pentru expunerea la HF de a crește suprafața de legare la șoarecii ΔFosB. Acest lucru este interesant deoarece inducerea ΔFosB prin medicament și recompensele naturale par să predomine în subtipul de tip dynorfin-pozitiv al neuronilor medii spinați care exprimă în principal receptorii D1 (9, 21). Nivelurile de tinta pCREB de semnalizare a dopaminei din aval au fost semnificativ reduse la soareci ΔFosB, favorizand activarea redusa a receptorilor D1 in aceasta regiune a creierului (22, 23). Interesant, am detectat, de asemenea, o scădere semnificativă a nivelurilor totale de CREB la șoareci ΔFosB, sugerând o capacitate redusă suplimentară pentru transducția semnalului dopaminic care poate fi secundară feedback-ului care rezultă dintr-o scădere prelungită a pCREB (24). Expresia BDNF este reglementată de pCREB, este crescută cu activarea D1 și este un mediator important al neuroplasticității legate de recompensă în NAc (25, 26). În consecință, am detectat o scădere semnificativă a proteinei BDNF în NAc a șoarecilor ΔFosB.
Toți neuronii medii spinați din NAc exprimă DARPP-32 (27). Numeroasele sale efectoare din aval îl fac un jucător vital în căile de recompensă (28), și a fost implicat în dependența de droguri și în alte tulburări care implică sistemul dopaminei incluzând tulburările afective și schizofrenia (27, 29). Am detectat reduceri bazale profunde în exprimarea DARPP-32 în NAc a șoarecilor ΔFosB. Expresia DARPP-32 este reglementată de BDNF și, prin urmare, expresia redusă poate fi direct legată de reducerile nivelurilor BDNF detectate la șoareci ΔFosB (27, 29, 30). Chiar modificările moderate în starea de fosforilare a DARPP-32 pot duce la modificări substanțiale în semnalizarea intracelulară în cadrul NAc (27). Studiile anterioare nu au raportat nicio modificare a proteinei DARPP-32 la șoareci ΔFosB după o eliminare 12-wk din doxiciclină atunci când s-a efectuat o evaluare striatală mai largă (31), sugerând că efectele ΔFosB asupra DARPP-32 pot fi specifice timpului și regiunii.
Am emis ipoteza că reducerile dramatice ale indicilor de semnalizare a dopaminei în NAc ai șoarecilor ΔFosB presupunea probabil schimbări în neuronii proiecției VTA dopaminei, chiar dacă ΔFosB nu este supraexprimat în acești neuroni. Prin urmare, am examinat expresia genelor asociate dopaminei în VTA, incluzând hidroxilaza tirozinei și transportorul de dopamină. Nivelurile de hidroxilază tirozină și transportorul de dopamină sunt corelate pozitiv cu producția de dopamină. A existat o tendință pentru șoarecii ΔFosB de a prezenta hidroxilază tirozină redusă și o reducere semnificativă a transportorului de dopamină, în conformitate cu dysregularea semnalizării dopaminei în NAc. Deoarece aceste reduceri bazale ale genelor asociate dopaminei în VTA ale șoarecilor ΔFosB reflectă probabil feedback-ul modificat de la NAc în timpul supraexprimării pe termen lung a ΔFosB, am examinat expresia receptorului BDNF, TrkB, ca posibil mecanism de feedback NAc la VTA (32). Similar cu hidroxilaza tirozinei și transportorul de dopamină, expresia TrkB a arătat, de asemenea, o tendință de a fi redusă în principal la șoareci ΔFosB care nu au ajuns la semnificație atunci când au fost corectați pentru comparații multiple. Complexul BDNF-TrkB poate fi transportat retrograd și acționează în VTA pentru a afecta exprimarea genei locale și pentru a promova creșterea și întreținerea celulară (33). Mai mult, activarea BDNF a TrkB presinaptic în NAc poate stimula direct neurotransmisia dopaminei (32), susținând o diminuare a semnalizării dopaminei la acești șoareci.
Activarea dynorfinelor de receptori k-opioizi reglează semnalizarea dopaminei și este un alt mecanism în care NAc furnizează feedback pentru VTA (34). Am constatat că expresia receptorului k-opioid în VTA a arătat o tendință de a fi redusă la șoareci ΔFosB. Deoarece s-a demonstrat că supraexpresia ΔFosB scade expresia dynorfinică în NAc (20), șoarecii ΔFosB au probabil reduceri profunde în VTA κ-activarea opioidelor. Deși semnalizarea dinorfinei exercită în mod normal un efect inhibitor asupra neuronilor dopaminari [35], șobolanii care arată o auto-administrare îmbunătățită a medicamentelor abuzive prezintă niveluri reduse de dinorfină în NAc, indicând un rol pentru semnalizarea dinorfinei redusă în mod sporit în sensibilitatea recompensei [36]. , 37). Dereglarea sistemului dinorfină - κ-opioid a fost legată de achiziția și persistența abuzului de droguri, susținând un echilibru critic al semnalizării opioidelor în normalizarea căilor dopaminei (38).
Bazandu-ne pe capacitatea de a recompensa o dieta HF densa energetica, am emis ipoteza ca o dysregulation in dopamina si semnalizarea opioid recompensa la soareci ΔFosB ar predispune aceste soareci la raspunsuri recompensa imbunatatite la o astfel de dieta, normalizand astfel sistemul de recompensa prin activarea hipotalamus -VTA-NAc circuit. În timpul expunerii dieta timp de șase săptămâni, nu s-au observat diferențe în aportul de alimente între ΔFosB și șoarecii de control, sugerând că modificările găsite în markerii biochimici și moleculari ai semnalizării recompensării la șoareci ΔFosB nu s-au datorat diferențelor de calorii consumate. Așa cum sa anticipat, diferențele bazale detectate în nivelele pCREB, total CREB, BDNF, DARPP-32 și k-opioid între ΔFosB și șoarecii de control au fost atenuate, probabil datorită creșterii producției de dopamină la șoareci ΔFosB pe HF (29, 39-41) .
Examinarea atât a hidroxilazei tirozinei cât și a transportorului de dopamină în VTA a evidențiat răspunsuri surprinzătoare opuse ale ΔFosB și șoarecilor de control după HF. Șoarecii de control au prezentat o scădere a expresiei de hidroxilază a tirozinei și a transportorului de dopamină, în timp ce șoarecii ΔFosB au prezentat o creștere a expresiei ambelor astfel de gene legate de dopamină. Interesant, expresia hidroxilazei tirozinei este modificată în VTA prin administrarea cocainei cronice sau metamfetaminei (42-44), sugerând că șoarecii ΔFosB pot găsi recompensa naturală a HF mai importantă decât șoarecii de control.
Pentru a examina modul în care potențiala intrare hipotalamică la VTA poate fi semnalarea releelor care reflectă echilibrul energetic, s-au examinat de asemenea expresia receptorului de leptină și a receptorului de orexină-1. Nivelurile leptinei circulante sunt crescute prin HF, iar leptina poate acționa, la rândul său, la VTA pentru a modifica semnalizarea dopaminei (18, 45). Expresia receptorului de leptină VTA a fost, în mod similar, scăzută prin HF atât la șoareci de tip ΔFosB, cât și la șoareci de control, în concordanță cu creșterea în greutate și consumul de alimentație similar în timp ce au fost tratați cu HF. De asemenea, grăsimea mare a mărit expresia receptorului de orexină-1 în VTA atât la șoarecii de control ΔFosB, cât și la cei de control. Orexin activează neuronii dopaminei în VTA, promovează plasticitatea VTA și crește nivelele de dopamină în NAc (46-48). Sa dovedit că dieta bogată în grăsimi crește expresia orexinului la șoareci, conform observațiilor noastre (49, 50). Astfel, expresia crescută a receptorului de orexină, precum și schimbările în semnalizarea leptinei în VTA ar putea promova recompensarea dieta atât la șoarecii de control al ΔFosB cât și la cei de control, susținând o disociere între căile de transmitere a semnalelor de echilibru energetic și cele legate direct pentru a recompensa.
Pentru a examina efectele provocatoare de stres ale retragerii recompenselor, șoarecii au fost examinați într-un test de câmp deschis 24 după eliminarea HF. Șoarecii ΔFosB au fost mai sensibili la efectele acute ale retragerii dietei preferate, prezentând o activitate de creștere a excitării și o producție de fecale boli în noua arenă deschisă, comparativ cu toate celelalte grupuri de control și dietă. Șoarecii ΔFosB au prezentat, de asemenea, un model de comportament interesant în acest test, sugerând sensibilitate la răsplată și stres, dieta HF reducând inițial producția de boală fecală în comparație cu boala și retragerea din nou crescând acest răspuns legat de anxietate. Această creștere observată a activității în câmp deschis nu sa corelat cu modificările expresiei orexinului, sugerând o relație cu excitarea indusă de stres, care nu este doar un efect al schimbărilor în semnalizarea mediată de orexină. În ansamblu, aceste date susțin ipoteza noastră că șoarecii ΔFosB ar fi mai sensibili la efectele acute ale retragerii dietei preferate datorită sensibilității sporite a recompenselor.
Cum suprapresiunea pe termen lung a ΔFosB în NAc conduce la astfel de schimbări în comportamentul și semnalizarea recompensei? Am propus un model de detectare a coincidenței VTA în care feedback-ul modificat de la semnalele NAc și hipotalamus relevează starea de recompensă pentru a determina reglarea sistemului dopaminic care poate susține o legătură între disreglementarea căii de recompensă și o predispoziție la obezitate (Figura 8). În timpul expunerii la HF, intrări multiple care reflectă atât echilibrul energetic, cât și statutul de recompensă, converg către VTA. Cresterea semnalizarii leptinei si a orexinei, precum si feedback-ul modificat de la NAc la hipotalamusul lateral pot afecta modul in care aceste semnale orexigene raspund la HF la soarecii ΔFosB (17, 18, 45, 47, 51-53). Creșterea indusă de dieta bogată în grăsimi în BDNF poate oferi feedback către VTA, promovând în continuare schimbări în expresia genelor legate de dopamină.
Figura 8
Dieta bogată în grăsimi (HF) normalizează semnalarea dysregulată a recompenselor la șoareci ΔFosB
Aceste rezultate conturează markerii moleculari ai sensibilității la recompensă și indică faptul că dysregularea pe termen lung a sistemului dopaminei poate predispune un individ la dependență și obezitate. Mai mult, aceste date oferă un pas important spre identificarea potențialelor noi obiective terapeutice în tratamentul și prevenirea obezității și a altor tulburări care se pot concentra pe sistemul de recompense. În viitor, va fi important să se investigheze modul în care acest sistem răspunde la eliminarea dietei cu HF, precum și să investigheze orice diferențe de sex în sensibilitatea la recompensă și expunerea la alimente bogate în grăsimi.
Material suplimentar
Supp. metode
Faceți clic aici pentru a vizualiza. (61K, doc)
recunoasteri
Autorii doresc să îi mulțumesc lui Cathy Steffen pentru asistență în domeniul creșterii și transferului de animale. Aceasta lucrare a fost sustinuta de un grant de la Universitatea din Pennsylvania Diabetes Center (DK019525) si de subventii de la Institutul National de Sanatate Mintala (R01 MH51399 si P50 MH66172) si Institutul National pentru Abuzul de droguri (R01 DA07359).
Note de subsol
Dezvăluiri financiare: Toți autori declară că nu au interese financiare biomedicale sau potențiale conflicte de interese.
Referinte
1. Wadden TA, Berkowitz RI, Womble LG, Sarwer DB, Phelan S, Cato RK, Hesson LA, Osei SY, Kaplan R, Stunkard AJ. Studiu randomizat privind modificarea stilului de viață și farmacoterapia pentru obezitate. N Engl J Med. 2005; 353 (20): 2111-20 [PubMed].
2. Blendy JA, Strasser A, Walters CL, Perkins KA, Patterson F, Berkowitz R, Lerman C. Ritmul redus al nicotinei în obezitate: comparație încrucișată la om și la șoarece. Psihofarmacologie (Berl) 2005
3. Franken IH, Muris P. Diferențele individuale în sensibilitatea recompensării sunt legate de dorința de alimentație și de greutatea relativă a corpului la femei sănătoase. Apetit. 2005; 45 (2): 198-201 [PubMed].
4. Kelley AE, Berridge KC. Neuroștiința recompenselor naturale: relevanța pentru drogurile dependente. J Neurosci. 2002; 22 (9): 3306-11 [PubMed].
5. Cagniard B, Balsam PD, Brunner D, Zhuang X. Șoarecii cu dopamină cronic crescută prezintă o motivație sporită, dar nu și învățare, pentru o recompensă alimentară. Neuropsychopharmacology. 2006; 31 (7): 1362-70 [PubMed].
6. Liang NC, Hajnal A, Norgren R. Sham de hrănire a uleiului de porumb crește accumbens dopamina la șobolan. Am J Physiol Regul Integral Comp Physiol. 2006; 291 (5): R1236-9 [PubMed].
7. Mendoza J, Angeles-Castellanos M, Escobar C. Atragerea de către o masă gustoasă induce activitatea de anticipare a alimentelor și expresia c-Fos în zonele legate de recompensă ale creierului. Neuroscience. 2005; 133 (1): 293-303 [PubMed].
8. Schroeder BE, Binzak JM, Kelley AE. Un profil comun al activării corticale prefrontale după expunerea la indicii contextuale asociate nicotinei sau ciocolatei. Neuroscience. 2001; 105 (3): 535-45 [PubMed].
9. Nestler EJ, Barrot M, Self DW. DeltaFosB: un comutator molecular susținut pentru dependență. Proc Natl Acad Sci SUA A. 2001; 98 (20): 11042-6. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
10. Teegarden SL, Bale TL. Scăderea preferințelor dietetice determină o creștere a emoționalității și a riscului de recidivă alimentară. Biol Psihiatrie. 2007; 61 (9): 1021-9 [PubMed].
11. Olausson P, Jentsch JD, Tronson N, Nestler EJ, Taylor JR. dFosB din Nucleus Accumbens reglează comportamentul instrumental și motivația armate cu alimente. Jurnalul de Neuroștiințe. 2006; 26 (36): 9196-9204 [PubMed].
12. Chen J, Kelz MB, Zeng G, Sakai N, Steffen C, Shockett PE, Picciotto MR, Duman RS, Nestler EJ. Animale transgenice cu expresie genică inductibilă, țintită în creier. Mol Pharmacol. 1998; 54 (3): 495-503 [PubMed].
13. Kelz MB, Chen J, Carlezon WA, Jr, Whisler K, Gilden L, Beckmann AM, Steffen C, Zhang YJ, Marotti L, Self DW, Tkatch T, Baranauskas G, Surmeier DJ, Nestler EJ. Exprimarea factorului de transcripție deltaFosB în creier controlează sensibilitatea la cocaină. Natură. 1999; 401 (6750): 272-6 [PubMed].
14. Bale TL, Dorsa DM. Diferențele sexuale și efectele estrogenului asupra expresiei acidului ribonucleic al mesagerului receptorului de oxitocină în hipotalamul ventromedial. Endocrinologie. 1995; 136 (1): 27-32 [PubMed].
15. Avena NM, Long KA, Hoebel BG. Sugarii dependenți de zahăr prezintă o reacție sporită la zahăr după abstinență: dovada efectului de deprivare a zahărului. Physiol Behav. 2005; 84 (3): 359-62 [PubMed].
16. Will MJ, Franzblau EB, Kelley AE. Nucleus accumbens mu-opioidele reglează aportul unei diete bogate în grăsimi prin activarea unei rețele creierului distribuite. J Neurosci. 2003; 23 (7): 2882-8 [PubMed].
17. Zheng H, Patterson LM, Berthoud HR. Orexinul de semnalizare în zona tegmentală ventrală este necesar pentru apetitul înalt de grăsime indus de stimularea opioidă a nucleului accumbens. J Neurosci. 2007; 27 (41): 11075-82 [PubMed].
18. Hommel JD, Trinko R, Sears RM, Georgescu D, Liu ZW, Gao XB, Thurmon JJ, Marinelli M, DiLeone RJ. Semnalarea receptorilor de leptină în neuronii dopaminei midbraine reglează hrănirea. Neuron. 2006; 51 (6): 801-10 [PubMed].
19. Colby CR, Whisler K, Steffen C, Nestler EJ, Self DW. Supraexpresia specifică de tip celular de tip Striatal a DeltaFosB sporește stimularea cocainei. J Neurosci. 2003; 23 (6): 2488-93 [PubMed].
20. Zachariou V, Bolanos CA, Selley DE, Theobald D, Cassidy MP, Kelz MB, Shaw-Lutchman T, Berton O, Sim-Selley LJ, Dileone RJ, Kumar A, Nestler EJ. Un rol esențial pentru DeltaFosB în nucleul accumbens în acțiunea morfinei. Nat Neurosci. 2006; 9 (2): 205-11 [PubMed].
21. Lee KW, Kim Y, Kim AM, Helmin K, Nairn AC, Greengard P. Formarea coloanei dendritice induse de cocaina în neuronii spinoși conținând receptorul dopaminei D1 și D2 în nucleul accumbens. Proc Natl Acad Sci SUA A. 2006; 103 (9): 3399-404. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
22. Blendy JA, Maldonado R. Analiza genetică a dependenței de droguri: rolul proteinei de legare a elementului de răspuns cAMP. J Mol Med. 1998; 76 (2): 104-10 [PubMed].
23. Nestler EJ. Mecanisme moleculare ale dependenței de droguri. Neuropharmacology. 2004; 47 1: 24-32. [PubMed]
24. Tanis KQ, Duman RS, Newton SS. Legarea și activitatea CREB în creier: specificitatea regională și inducția prin convulsii electroconvulsive. Biol Psihiatrie. 2007
25. Kumar A, Choi KH, Renthal W, Tsankova NM, Theobald DE, Truong HT, Russo SJ, Laplant Q, Sasaki TS, Whistler KN, Neve RL, Self DW, Nestler EJ. Remodelarea cromatinei este un mecanism cheie care stă la baza plasticității induse de cocaină în striatum. Neuron. 2005; 48 (2): 303-14 [PubMed].
26. Graham DL, Edwards S, Bachtell RK, Dileone RJ, Rios M, Self DW. Activitatea dinamică a BDNF în nucleul accumbens cu consum de cocaină crește autoadministrarea și recaderea. Nat Neurosci. 2007; 10 (8): 1029-37 [PubMed].
27. Svenningsson P, Nairn AC, Greengard P. DARPP-32 mediază acțiunile mai multor droguri de abuz. Aaps J. 2005; 7 (2): E353-60. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
28. Palmer AA, Verbitsky M, Suresh R, Kamens HM, Reed CL, Li N, Burkhart-Kasch S, McKinnon CS, Belknap JK, Gilliam TC, Phillips TJ. Diferențe de expresie genetică la șoarecii selectați în mod divergent pentru sensibilitatea la metamfetamină. Mamm Genome. 2005; 16 (5): 291-305 [PubMed].
29. Bogush A, Pedrini S, Pelta-Heller J, Chan T, Yang Q, Mao Z, Sluzas E, Gieringer T, Ehrlich ME. AKT și CDK5 / p35 mediază inducerea factorului neurotrofic derivat din creier a DARPP-32 în neuroni spinali de mărime medie in vitro. J Biol Chem. 2007; 282 (10): 7352-9 [PubMed].
30. Benavides DR, Bibb JA. Rolul Cdk5 în abuzul de droguri și plasticitate. Ann NY Acad Sci. 2004; 1025:. 335-44 [PubMed]
31. Bibb JA, Chen J, Taylor JR, Svenningsson P, Nishi A, Snyder GL, Yan Z, Sagawa ZK, Ouimet CC, Nairn AC, Nestler EJ, Greengard P. Efectele expunerii cronice la cocaină sunt reglementate de proteina neuronală Cdk5. Natură. 2001; 410 (6826): 376-80 [PubMed].
32. Blochl A, Sirrenberg C. Neurotrofinele stimulează eliberarea dopaminei din neuronii mezenfalici de șobolan prin receptorii Trk și p75Lntr. J Biol Chem. 1996; 271 (35): 21100-7 [PubMed].
33. Berton O, McClung CA, Dileone RJ, Krishnan V, Renthal W, Russo SJ, Graham D, Tsankova NM, Bolanos CA, Rios M, Monteggia LM, Self DW, Nestler EJ. Rolul esențial al BDNF în calea mezolimbică a dopaminei în stresul social înfrânt. Ştiinţă. 2006; 311 (5762): 864-8 [PubMed].
34. Nestler EJ, Carlezon WA., Jr Circuitul mesolimbic de recompensă a dopaminei în depresie. Biol Psihiatrie. 2006; 59 (12): 1151-9 [PubMed].
35. Ford CP, Beckstead MJ, Williams JT. Inhibarea opioidului Kappa a curenților postsynaptici inhibitori ai dopaminei somatodendritice. J Neurophysiol. 2007; 97 (1): 883-91 [PubMed].
36. Nylander I, Vlaskovska M, Terenius L. Sisteme de creier dynorfină și encefalină la șobolani Fischer și Lewis: efectele toleranței la morfină și retragere. Brain Res. 1995; 683 (1): 25-35 [PubMed].
37. Nylander I, Hyytia P, Forsander O, Terenius L. Diferențe între șobolanii care preferă alcoolul (AA) și cei care evită consumul de alcool (ANA) în sistemele de prodynorfină și proenchefalină. Alcool Clin Exp Res. 1994; 18 (5): 1272-9 [PubMed].
38. Kreek MJ. Cocaina, dopamina și sistemul opioid endogen. J Addict Dis. 1996; 15 (4): 73-96 [PubMed].
39. Carlezon WA, Jr, Duman RS, Nestler EJ. Multe fețe ale CREB. Tendințe Neurosci. 2005; 28 (8): 436-45 [PubMed].
40. Dudman JT, Eaton ME, Rajadhyaksha A, Macias W, Taher M, Barczak A, Kameyama K, Huganir R, Konradi C. Receptorii dopaminici D1 mediază fosforilarea CREB prin fosforilarea receptorului NMDA la Ser897-NR1. J Neurochem. 2003; 87 (4): 922-34 [PubMed].
41. Auto DW. Reglarea consumului de droguri și a comportamentelor de căutare prin neuroadaptări în sistemul mezolimbic de dopamină. Neuropharmacology. 2004; 47 1: 242-55. [PubMed]
42. Beitner-Johnson D, Nestler EJ. Morfina și cocaina exercită acțiuni cronice comune asupra hidroxilazei tirozinei în regiunile dopaminergice de recompensare a creierului. J Neurochem. 1991; 57 (1): 344-7 [PubMed].
43. Lu L, Grimm JW, Shaham Y, Hope BT. Neuroadaptările moleculare în zona accumbens și zona tegmentală ventrală în timpul primelor zile 90 de abstinență forțată de la autoadministrarea cocainei la șobolani. J Neurochem. 2003; 85 (6): 1604-13 [PubMed].
44. Shepard JD, Chuang DT, Shaham Y, Morales M. Efectul autoadministrării metamfetaminei asupra nivelurilor de translație a tirozin hidroxilazei și a dopaminei în căile dopamină mezolimbice și nigrostriatale ale șobolanului. Psihofarmacologie (Berl) 2006; 185 (4): 505-13. [PubMed]
45. Fulton S, Pissios P, Manchon RP, Stiles L, Frank L, Pothos EN, Maratos-Flier E, Flier JS. Reglementarea cu leptină a căii dopaminei mezoaccumbens. Neuron. 2006; 51 (6): 811-22 [PubMed].
46. Narita M, Nagumo Y, Miyatake M, Ikegami D, Kurahashi K, Suzuki T. Implicarea proteinkinazei C în creșterea nivelului de dopamină extracelular indusă de orexină și efectul său de recompensare. Eur J Neurosci. 2007; 25 (5): 1537-45 [PubMed].
47. Narita M, Nagumo Y, Hashimoto S, Khotib J, Miyatake M, Sakurai T, Yanagisawa M, Nakamachi T, Shioda S, Suzuki T. Implicarea directă a sistemelor orexinergice în activarea căii dopaminergice mezolimbice și comportamentele asociate induse de morfină. J Neurosci. 2006; 26 (2): 398-405 [PubMed].
48. Borgland SL, Taha SA, Sarti F, Fields HL, Bonci A. Orexina A din VTA este critică pentru inducerea plasticității sinaptice și a sensibilizării comportamentale la cocaină. Neuron. 2006; 49 (4): 589-601 [PubMed].
49. Park ES, Yi SJ, Kim JS, Lee HS, Lee IS, Seong JK, Jin HK, Yoon YS. Modificări ale exprimării orexin-A și neuropeptidei Y în hipotalamusul șobolanilor hrăniți cu hrană alimentată la hrană și cu conținut ridicat în grăsimi. J Vet Sci. 2004; 5 (4): 295-302 [PubMed].
50. Wortley KE, Chang GQ, Davydova Z, Leibowitz SF. Peptidele care reglează aportul alimentar: expresia genei orexin este crescută în timpul stărilor de hipertrigliceridemie. Am J Physiol Regul Integral Comp Physiol. 2003; 284 (6): R1454-65 [PubMed].
51. Zheng H, Corkern M, Stoyanova I, Patterson LM, Tian R, Berthoud HR. Peptidele care reglează aportul alimentar: manipularea acumbimelor care provoacă pofta de mâncare activează neuronii hipotalamici de orexină și inhibă neuronii POMC. Am J Physiol Regul Integral Comp Physiol. 2003; 284 (6): R1436-44 [PubMed].
52. Baldo BA, Gual-Bonilla L, Sijapati K, Daniel RA, Landry CF, Kelley AE. Activarea unei subpopulații a neuronilor hipotalamici conținând orexină / ipocretin prin inhibarea mediată de receptorul GABAA a cochiliei nucleului accumbens, dar nu prin expunerea la un mediu nou. Eur J Neurosci. 2004; 19 (2): 376-86 [PubMed].
53. Harris GC, Wimmer M, Aston-Jones G. Un rol pentru neuronii hipotalamici laterali de orexin în căutare de recompense. Natură. 2005; 437 (7058): 556-9 [PubMed].
;
