Factori neurotrofici și plasticitate structurală în dependență (2009)

• Neuropharmacology. 2009; 56 (Suppl 1): 73-82.
• Publicat online 2008 Jul 4. doi:  10.1016 / j.neuropharm.2008.06.059

Scott J. Russo, Michelle S. Mazei-Robison, Jessica L. Ables, și Eric J. Nestler^*

Informații de autor ► Informații despre licență și licență

Du-te la:

Abstract

1. Introducere

O caracteristică esențială a dependenței de droguri este aceea că o persoană continuă să utilizeze droguri în ciuda amenințării de consecințe fizice sau psihosociale severe adverse. Deși nu se cunoaște cu certitudine ce conduce aceste tipare comportamentale, s-a estimat că schimbările pe termen lung care apar în circuitele de recompensare ale creierului sunt importante (Figura 1). În special, se consideră că adaptările în neuronii dopaminergici ai zonei tegmentale ventrale (VTA) și în neuronii lor țintă din nucleul accumbens (NAc) modifică răspunsurile unei persoane la recompensele medicamentoase și naturale, ceea ce duce la toleranța la medicamente, disfuncția recompenselor, escaladarea consumul de droguri și, eventual, utilizarea compulsivă (Everitt și colab., 2001; Kalivas și O'Brien, 2008; Koob și Le Moal, 2005; Nestler, 2001; Robinson și Kolb, 2004).

 

Figura 1

Tipuri majore de celule în circuitul neuronal care stă la baza dependenței

În ultimii ani a fost un efort major pentru a determina modificările celulare și moleculare care apar în timpul tranziției de la consumul inițial de medicamente la aportul compulsiv. Printre multe tipuri de adaptări induse de medicamente, s-a propus ca modificările factorului neurotrofic derivat din creier (BDNF) sau neurotrofinelor conexe, iar căile de semnalizare să modifice funcția neuronilor din circuitul VTA-NAc și alte regiuni de recompensare pentru a modula motivația de a lua medicamente (Bolanos și Nestler, 2004; Pierce și Bari, 2001). Un corolar al acestei ipoteze este acela că astfel de adaptări celulare și moleculare induse de factorii de creștere sunt reflectate în modificările morfologice ale neuronilor asociați recompenselor. De exemplu, administrarea cronică de stimulant crește ramificarea dendritelor și numărul de spine dendritice și crește dinamic nivelurile de BDNF în mai multe regiuni de recompensare a creierului, în timp ce administrarea cronică de opiacee scade ramificarea dendritică și coloanele vertebrale, precum și nivelul BDNF în unele din aceleași regiuni (pentru recenzie vezi (Robinson și Kolb, 2004; Thomas și colab., 2008). Mai mult decât atât, morfina cronică scade dimensiunea neuronilor cu dopamină VTA, efect inversat de BDNF (Russo și colab., 2007; Sklair-Tavron și colab., 1996). Cu toate acestea, nu există dovezi directe, cauzale, că aceste schimbări structurale determină dependența.

Propunerea conform căreia BDNF poate fi legată de plasticitatea structurală a circuitului VTA-NAc în modelele de dependență este în concordanță cu o mare literatură care a implicat acest factor de creștere în reglarea coloanei vertebrale dendritice. De exemplu, studiile care utilizează ștergerile condiționate ale BDNF sau ale receptorului TrkB arată că acestea sunt necesare pentru proliferarea și maturizarea coloanelor dendritice la nivelul neuronilor în dezvoltare, precum și pentru menținerea și proliferarea coloanei vertebrale pe neuroni în întregul creier adult (Chakravarthy și colab., 2006; Danzer și colab., 2008; Horch și colab., 1999; Tanaka și colab., 2008a; von Bohlen Und Halbach și colab., 2007).

Deși mecanismele moleculare exacte prin care BDNF mediază plasticitatea structurală a circuitelor de recompense ale creierului rămân necunoscute, studii recente sugerează că căile specifice din aval de BDNF sunt modulate de droguri de abuz și că aceste schimbări de semnalizare neurotrofice dependente de factorii sunt corelate cu finalul morfologic și comportamental -punctele din modelele animale de dependență de droguri. În această revizuire, discutăm noi progrese în înțelegerea noastră despre modul în care opiaceii și stimulanții reglează semnalizarea factorilor neurotrofici și consecințele celulare și comportamentale ale acestor efecte. De asemenea, propunem zone pentru investigații viitoare pentru a aborda efectele paradoxal opuse ale stimulanților și opiace asupra morfologiei neuronale și a anumitor fenotipuri comportamentale, în concordanță cu dependența.

2. Căi de semnalizare a neurotrofinei

Descoperirea căilor de semnalizare care mediază dezvoltarea neuronală și supraviețuirea a fost un obiectiv de lungă durată al cercetării neuroștiinței. Cu toate acestea, semnalizarea factorului neurotrofic în sistemul nervos central al adulților (SNC) a devenit în ultimul deceniu un domeniu important de interes, deoarece semnalarea neurotrofică s-a dovedit că modulează plasticitatea și comportamentul neuronal pe toată durata vieții unui organism (pentru revizuire a se vedea (Chao, 2003)). Primul factor neurotrofic identificat, factorul de creștere a nervilor (NGF), a fost izolat în 1954 (Cohen și colab., 1954); clonarea genei în sine nu a avut loc până la 1983 (Scott și colab., 1983). Această descoperire a fost urmată îndeaproape de purificarea și identificarea unor factori suplimentari de creștere, precum NGF, care au definit o familie de neurotrofine: BDNF (Barde și colab., 1982; Leibrock și colab., 1989), neurotrofină-3 (NT3) (Hohn și colab., 1990; Maisonpierre și colab., 1990) și neurotrofină-4 / 5 (NT4 / 5) (Berkemeier și colab., 1991). Membrii familiei neurotropinei sunt paralogici și au o omologie semnificativă (Hallbook și colab., 2006); toate sunt polipeptide care homodimerizează și se găsesc atât în ​​forme imature, cât și mature în SNC. Deși s-a crezut mult timp că forma matură clivată ~ 13 kDa a fost molecula de semnalizare activă, studii recente indică faptul că formele pro (imature) ale neurotrofinelor, care își păstrează N-terminalul, sunt detectabile în creier (Fahnestock și colab., 2001) și mediază cascade de semnalizare distincte de peptidele mature. Acțiunile NGF la nivelul SNC adult sunt localizate în mare parte în celulele colinergice din antebrațul bazal, în timp ce distribuția celorlalte neurotrofine este mult mai răspândită.

O specificitate suplimentară a semnalului de neurotrofină este produsă prin expresia diferențială a receptorilor de neurotrofină, care pot fi separate în două categorii, receptorii asociați cu tropominozina kinază (Trk) și p75 neurotrofină (p75NTR). P75NTR a fost identificat pentru prima dată ca receptor pentru NGF (Johnson și colab., 1986), dar leagă de fapt atât formele imature cât și cele mature ale celor patru neurotrofine (Lee și colab., 2001; Rodriguez-Tebar și colab., 1990; Rodriguez-Tebar și colab., 1992). Spre deosebire de p75NTR, familia Trk de receptori prezintă specificitate pentru liganzii săi. Receptorul TrkA leagă în mod preferențial NGF (Kaplan și colab., 1991; Klein și colab., 1991), receptorul TrkB se leagă de BDNF (Klein și colab., 1991) și NT4 / 5 (Berkemeier și colab., 1991), iar receptorul TrkC se leagă NT3 (Lamballe și colab., 1991). În timp ce neurotrofinele mature au o afinitate crescută pentru receptorii Trk în comparație cu propeptidele, atât formele imature cât și cele mature pot lega p75NTR cu afinitate ridicată. În plus, s-a dovedit că p75NTR formează complexe cu receptorii Trk, iar acești complexe receptori prezintă o afinitate crescută pentru liganzii Trk respectivi în comparație cu Trk homodimeric.

Receptorii Trk sunt proteine ​​care acoperă transmembrana unică compuse dintr-un domeniu de legare a ligandului extracelular și o regiune intracelulară care conține un domeniu tirozin kinazei. Similar celorlalți receptori ai tirozin kinazelor, receptorii Trk se omodimerizează ca răspuns la legarea ligandului, ceea ce permite trans-fosforilarea în bucla de activare pentru a crește activitatea catalitică a receptorului kinazei. Transfosforilarea la reziduurile de tirozină din domeniul juxtamembrane și în C-terminus generează situsuri de atașare pentru proteinele „linker” de tip SH2 (Src homology 2), cum ar fi proteina conținând domeniu omrologie Src (Shc) și fosfolipasa Cγ (PLCγ) ), respectiv. Legarea Shc inițiază cascade de semnalizare în aval care duc în final la activarea proteinelor kinazei mitogenate (MAPK) și fosfatidilinositol 3′-kinazei (PI3K). Stimularea căii MAPK include activarea kinazei reglate prin semnal extracelular (ERK), în timp ce legarea substratului receptor de insulină (IRS) duce la recrutarea și activarea PI3K și la activarea kinazelor din aval cum ar fi timomoma viral proto-oncogene (Akt) , cunoscută și sub denumirea de proteină kinază B (PKB). Fosforilarea și activarea PLCy duce la formarea inozitolului (1,4,5) trifosfat (IP₃) și diacilglicerol (DAG) și la stimularea proteinei kinazei C (PKC) și a celulei Ca²⁺ cai. Aceste trei căi principale de semnalizare - PI3K, PLCγ și MAPK / ERK - induse de activarea receptorului Trk sunt ilustrate în Figura 2. Este interesant faptul că există dovezi ale activării diferențiale a acestor trei cascade, în funcție de neurotrofină, tipul de receptor și puterea semnalului și durata implicată (vezi (Segal, 2003). Activarea diferențială a acestor căi în aval pare deosebit de relevantă pentru modificările induse de medicamente în morfologia și comportamentul neuronale, așa cum va fi detaliat în secțiunile ulterioare ale acestei analize.

 

Figura 2

Căi de semnalizare intracelulară în aval de neurotrofine

În comparație cu cunoștințele ample ale consecințelor activării receptorului Trk, se știe mult mai puțin despre rolul semnalizării p75NTR în funcția neurotrofinei. Activarea efectoarelor Trk conduce în general la semnale pro-supraviețuire și diferențiere, în timp ce activarea p75NTR inițiază atât cascade de semnalizare pro-supraviețuire, cât și pro-moarte. Semnalizarea supraviețuirii prin p75NTR necesită Factorul Nuclear în aval kappa B (NFκB) despre care se crede că este activat indirect prin TNF (factorul de necroză tumorală) factorul 4 / 6 (TRAF4 / 6) sau receptor care interacționează receptorul 2 (RIP2) recenzie vezi (Chao, 2003)). Deși semnalizarea neurotrofinei permite o varietate complexă de semnale care depind de modelul de expresie al neurotrofinelor și receptorilor și de prelucrarea peptidelor neurotrofinei, această revizuire se concentrează pe modificările induse de medicamente în căile de semnalizare a neurotrofinei în aval de BDNF.

3. Modificări induse de droguri în BDNF în regiunile de recompensare ale creierului

Schimbările nivelurilor de proteine ​​BDNF și ARNm au fost examinate în mai multe regiuni ale creierului, după administrarea multor clase de substanțe dependente. Stimulanții produc o inducție răspândită, dar trecătoare, a proteinei BDNF în NAc, cortexul prefrontal (PFC), VTA și nucleele centrale (CeA) și bazolaterale (BLA) ale amigdalei (Graham și colab., 2007; Grimm și colab., 2003; Le Foll și colab., 2005). Atât contingentul, cât și necontingentul (adică, animalele agitate la animale care se administrează în sine) administrarea de cocaină determină niveluri ridicate de proteine ​​BDNF în NAc (Graham și colab., 2007; Liu și colab., 2006; Zhang și colab., 2002). De asemenea, retragerea pe termen lung de până la 90 zile după autoadministrarea cocainei este corelată cu proteina BDNF crescută în NAc, VTA și amigdala (Grimm și colab., 2003; Pu și colab., 2006), și există dovezi timpurii că reglarea epigenetică la BDNF gena poate fi implicată în medierea acestei inducții persistente (Kumar și colab., 2005).

Deși s-au efectuat mai puține studii pentru a examina mRNA BDNF și nivelurile de proteine ​​după expunerea la opiacee, se pare că nivelurile BDNF sunt reglate de opiacee în anumite regiuni ale creierului legate de recompensă. Administrarea acută de morfină crește nivelul ARNm BDNF în NAc, PFC medial (mPFC), VTA și cortexul orbitofrontal. În VTA, morfina cronică, administrată prin intermediul implanturilor subcutanate (sc), este raportată ca fiind ineficientă în modificarea expresiei ARNm BDNF (Numan și colab., 1998). Totuși, acest lucru este în contrast cu modificările proteinei BDNF observate după tratamentul cu morfină cronică. Folosind doze crescânde de morfină intraperitoneală (ip), s-a demonstrat că numărul de celule imunoreactive BDNF din VTA este scăzut (Chu și colab., 2007), sugerând reglarea funcției BDNF. Deși niciun raport nu a examinat expresia BDNF în hipocamp sau caudat-putamen (CPu) după administrarea de stimulanți sau opiacee, astfel de studii sunt justificate, deoarece s-au observat modificări morfologice solide la neuronii piramidali ai regiunii CA3 hipocampului și neuronilor cu spine medii (MSN) CPU în aceste condiții (((Robinson și Kolb, 2004); vedea Tabelul 1).

 

Tabelul 1

Morfologia provocată de medicamente se schimbă

4. Modificări induse de droguri în căile de semnalizare a BDNF în regiunile de recompensare ale creierului

Mai multe proteine ​​din cascadele semnalului de neurotrofină s-au dovedit a fi reglate în sistemul dopaminei mesolimbice de către opiaceți și stimulanți; acestea includ efectele medicamentoase asupra semnalizării IRS – PI3K – Akt, PLCγ, Ras – ERK și NFκB (Figura 3). Stimulanții cresc dramatic fosforilarea ERK în numeroase regiuni ale creierului, inclusiv NAc, VTA și PFC, după administrarea de droguri acute sau cronice (Jenab și colab., 2005; Shi și McGinty, 2006, 2007; Sun și colab., 2007; Valjent și colab., 2004; Valjent și colab., 2005). Aceste constatări sunt în concordanță cu creșterile induse de stimulent în ramificarea neuronală și numărul coloanei vertebrale, având în vedere rolul stabilit de Ras-ERK în creșterea neuritei. Efectele opiaceelor ​​asupra semnalizării ERK sunt mai puțin clare. Recent, sa raportat că fosforilarea ERK a scăzut în NAc (Muller și Unterwald, 2004), PFC (Ferrer-Alcon și colab., 2004), și VTA (observații nepublicate) după morfină cronică, efect care este în concordanță cu scăderea ramificării neuritelor observată în aceste regiuni la animalele dependente de morfină. Cu toate acestea, lucrările anterioare din grupul nostru și alții au raportat o activitate crescută a ERK, inclusiv fosforilarea ERK crescută și activitatea catalitică, în VTA după morfină cronică (Berhow și colab., 1996b; Liu și colab., 2007; Ortiz și colab., 1995). Sunt necesare studii suplimentare pentru a determina explicația acestor descoperiri discrepante. Mai mult, este important să se utilizeze mai multe abordări pentru a măsura activitatea proteinelor, astfel încât evenimentele biochimice să poată fi corelate cu obiectivele morfologice și comportamentale. De exemplu, inhibarea ERK în neuronii cu dopamină VTA nu afectează mărimea celulelor (Russo și colab., 2007), astfel încât studiile viitoare sunt necesare pentru a aborda relevanța funcțională a modificărilor induse de droguri în activitatea ERK în acest și în alte zone ale creierului, deoarece acestea se referă la fenotipurile dependenței.

 

Figura 3

Adaptări în cascade de semnalizare BDNF asociate cu plasticitatea structurală indusă de opiacee și stimulante în circuitul VTA-NAc

Câteva rapoarte recente au arătat că semnalizarea IRS-PI3K – Akt este influențată de drogurile de abuz (Brami-Cherrier și colab., 2002; McGinty și colab., 2008; Muller și Unterwald, 2004; Russo și colab., 2007; Shi și McGinty, 2007; Wei și colab., 2007; Williams și colab., 2007). Administrarea cronică de opiacee scade fosforilarea Akt atât în ​​NAc cât și în VTA (Muller și Unterwald, 2004; Russo și colab., 2007). Aceste modificări biochimice corespund scăderii ramificării neuronale și densității coloanei dendritice sau, în cazul neuronilor VTA dopamina, scăderii dimensiunii corpului celular (Diana și colab., 2006; Robinson și colab., 2002; Robinson și Kolb, 1999b; Russo și colab., 2007; Spiga și colab., 2005; Spiga și colab., 2003)

Efectele stimulenților asupra semnalizării IRS-PI3K – Akt în aceste regiuni sunt mai puțin clare. De exemplu, cocaina cronică crește activitatea PI3K în coaja NAc și își reduce activitatea în miezul NAc (Zhang și colab., 2006). Aceste date sunt în conformitate cu un raport anterior care arată că cocaina cronică a crescut selectiv nivelul de ARNm al BDNF în coaja NAc și a scăzut ARNm-ul receptorului TrKB în nucleul NAc (Filip și colab., 2006). Astfel, diferențele de coajă și de bază în activitatea PI3K ar putea fi explicate prin reglarea diferențială în amonte a BDNF și TrKB de cocaină. Interesant este că atunci când se utilizează o disecție mai generală a striatumului (inclusiv NAc și CPu), s-a demonstrat că amfetamina scade activitatea Akt în preparatele sinaptozomice (Wei și colab., 2007; Williams și colab., 2007) și am observat efecte similare ale cocainei cronice în NAc fără a face distincția între miez și coajă (Pulipparacharuvil și colab., 2008). În plus, aceste studii sunt complicate de cursul de timp folosit pentru a studia modificările de semnalizare a Akt, deoarece lucrările recente ale McGinty și colegii sugerează că amfetamina cronică determină o schimbare tranzitorie și specifică nucleară a fosforilării Akt în striatum (McGinty și colab., 2008). La temporizările precoce după administrarea amfetaminei există o creștere specifică a nucleului a fosforilării Akt, cu toate acestea, după două ore fosforilarea Akt este scăzută, ceea ce sugerează un mecanism compensator pentru a opri această activitate. Înțelegerea relației dinamice dintre stimulanți și semnalizarea Akt va fi importantă pentru a determina dacă această cale de semnalizare conduce la plasticitatea structurală indusă de stimulanți în NAc, cum este cazul opiaceelor ​​din VTA (vezi Secțiunea 6).

Modificările căilor de semnalizare a PLCy și NFκB în abuzul de droguri nu au fost atât de bine studiate ca ERK și Akt; cu toate acestea, lucrările recente arată că ambele căi sunt reglementate de droguri de abuz. Administrarea cronică de morfină crește nivelul total de proteine ​​PLCy, precum și nivelurile formei activate de tirosină fosforilată (Wolf și colab., 2007; Wolf și colab., 1999). Mai mult, s-a constatat că supraexpresia PLCy mediată în virus în VTA crește activitatea ERK în această regiune a creierului (Wolf și colab., 2007), imitând astfel o creștere similară a activității ERK observată după morfină cronică în studiile anterioare (Berhow și colab., 1996b). Supraexprimarea PLCy în VTA reglează, de asemenea, recompensele de opiacee și comportamentele emoționale asociate, cu efecte distincte observate în VTA rostrală și caudală (Bolanos și colab., 2003). La fel, Graham și colegii (Graham și colab., 2007) a observat o fosforilare crescută a PLCy în NAc, după cocaină acută, cronică și cronică auto-administrată cocaină, efect care a fost dependent de BDNF.

Un studiu anterior al grupului nostru a arătat că subunitățile NFκB p105, p65 și IκB sunt crescute în NAc ca răspuns la administrarea cronică de cocaină (Ang și colab., 2001). Acest lucru este în concordanță cu concluziile Cadetului și ale colegilor (Asanuma și Cadet, 1998), care a demonstrat că metamfetamina induce activitatea de legare a NFκB în regiunile striatale. Având în vedere că unele dintre proteinele NFκB reglementate de medicament activează semnalizarea NFκB, în timp ce altele o inhibă, din aceste studii originale nu a fost clar dacă modificările de proteine ​​observate reflectă o creștere generală sau o scădere a semnalizării NFκB. Am soluționat mai recent această întrebare arătând că administrarea cronică de cocaină reglează activitatea transcripțională a NFκB în NAc, pe baza descoperirilor la șoarecii reporteri transgenici NFκB-LacZ (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007). Mai multe dovezi recente au implicat direct inducerea semnalizării NF NB în NAc în efectele structurale și comportamentale ale cocainei (vezi Secțiunea 6). Aceste descoperiri timpurii sunt intrigante și justifică o explorare suplimentară, inclusiv o examinare a efectului opiaceelor ​​asupra semnalizării NFκB în regiunile de recompensare a creierului.

5. Plasticitatea structurală indusă de droguri în regiunile de recompensare a creierului

Circuitul de recompense a creierului a evoluat spre direcționarea resurselor cuiva pentru a obține recompensa naturală, dar acest sistem poate fi corupt sau deturnat de droguri de abuz. În acest circuit, plasticitatea structurală este caracterizată, în general, prin ramificarea sau arborizarea dendritelor modificate și prin modificări ale densității sau morfometriei spinilor dendritici. Deși relevanța comportamentală directă a modificărilor morfologice dependente de experiență este încă în curs de investigare, se crede că funcția sinaptică este determinată nu numai de numărul, ci și de mărimea și forma fiecărui cap de coloană vertebrală. Pe măsură ce se formează coloanele vertebrale, ele trimit structuri subțiri imature care iau forme subțire, multisinaptice, filopodiale sau ramificate (pentru revizuire a se vedea (Bourne și Harris, 2007; Tada și Sheng, 2006). În creierul adult, în condiții bazale, se estimează că cel puțin 10% din spini au aceste forme imature care sugerează că plasticitatea este un proces continuu de-a lungul vieții (Fiala și colab., 2002; Harris, 1999; Harris și colab., 1992; Peters și Kaiserman-Abramof, 1970). Aceste structuri sunt tranzitorii și se pot forma în câteva ore de la stimulare și persistă atât timp cât câteva zile in vivo (Holtmaat și colab., 2005; Majewska și colab., 2006; Zuo și colab., 2005).

Se crede că stabilizarea unei coloane vertebrale tranzitorii imature într-o coloană vertebrală mai permanentă și funcțională are loc printr-un mecanism dependent de activitate (pentru revizuire a se vedea (Tada și Sheng, 2006). Protocoalele de stimulare care induc depresie pe termen lung (LTD) sunt asociate cu contracția sau retragerea coloanei vertebrale pe neuronii piramidali hipocampali și corticali (Nagerl și colab., 2004; Okamoto și colab., 2004; Zhou și colab., 2004), întrucât inducerea potențării pe termen lung (LTP) este asociată cu formarea de noi coloană vertebrală și extinderea coloanelor vertebrale existente (Matsuzaki și colab., 2004; Nagerl și colab., 2004; Okamoto și colab., 2004). La nivel molecular, se crede că LTP și LTD inițiază modificări în căile de semnalizare, precum și în sinteza și localizarea proteinelor, care în cele din urmă modifică polimerizarea actinei pentru a afecta maturizarea și stabilitatea coloanei vertebrale și în cele din urmă pentru a produce o coloană vertebrală funcțională (LTP) sau retragerea unei coloanei vertebrale existente (LTD) (pentru revizuire a se vedea (Bourne și Harris, 2007; Tada și Sheng, 2006). La stabilizare, spinii devin în formă de ciupercă, au densități mai mari postsinaptice (Harris și colab., 1992) și s-a arătat că persistă luni întregi (Holtmaat și colab., 2005; Zuo și colab., 2005). Aceste modificări reflectă un eveniment celular extrem de stabil, care poate fi o explicație plauzibilă pentru cel puțin unele dintre modificările comportamentale pe termen lung asociate dependenței de droguri.

Majoritatea claselor de substanțe dependente, atunci când sunt administrate cronic, modifică plasticitatea structurală în circuitele de recompensă ale creierului. Majoritatea acestor studii sunt corelative și asociază modificări structurale în anumite regiuni ale creierului cu un fenotip comportamental indicativ al dependenței. În ultimul deceniu, Robinson și colegii au condus calea în înțelegerea modului în care drogurile de abuz reglementează plasticitatea structurală (pentru revizuire a se vedea (Robinson și Kolb, 2004). De la aceste observații originale, alți cercetători de abuz de droguri s-au adăugat la această literatură în creștere pentru a descoperi efectele specifice clasei de medicamente asupra morfologiei neuronale. Așa cum este descris în Tabelul 1 și Figura 3, opiaceele și stimulanții afectează diferit plasticitatea structurală. S-a dovedit că opiaceele scad numărul și complexitatea coloanelor vertebrale dendritice pe SNN-uri NAc și mPFC și hipocampus neuronii piramidale și scade dimensiunea totală a soma a neuronilor dopaminergici VTA, fără a se observa niciun efect asupra neuronilor non-dopaminergici din această regiune a creierului (Nestler, 1992; Robinson și Kolb, 2004; Russo și colab., 2007; Sklair-Tavron și colab., 1996). Până în prezent, există o singură excepție de la aceste constatări, unde s-a raportat că morfina crește numărul coloanei vertebrale pe neuronii corticali orbitofrontali (Robinson și colab., 2002). Spre deosebire de opiacee, s-a dovedit că stimulanți precum amfetamina și cocaina cresc în mod constant coloanele vertebrice dendritice și complexitatea în MSN-urile NAc, neuronii dopaminergici VTA și neuronii piramidali PFC, fără semne de scădere a plasticității structurale (Lee și colab., 2006; Norrholm și colab., 2003; Robinson și colab., 2001; Robinson și Kolb, 1997, 1999a; Sarti și colab., 2007).

Deși mecanismele moleculare aflate în aval de semnalizarea factorului neurotrofic care stau la baza acestor modificări sunt slab înțelese, multe dintre aceste modificări structurale sunt însoțite de modificări ale nivelului sau activității proteinelor bine cunoscute pentru a regla citoscheletul neuronal. Acestea includ, dar nu se limitează la, modificări induse de medicamente în proteina 2 asociată microtubulului (MAP2), proteine ​​neurofilamentare, proteină asociată citoscheletului (Arc), LIM-kinază (LIMK), factorul de îmbunătățire a miocitului 2 (MEF2) , kinasa dependentă de ciclină s5 (Cdk5), densitatea postsinaptică 95 (PSD95) și cofilina, precum și modificări ale ciclinei actinei, în NAc sau în alte regiuni de recompensare a creierului (Beitner-Johnson și colab., 1992; Bibb și colab., 2001; Chase și colab., 2007; Marie-Claire și colab., 2004; Pulipparacharuvil și colab., 2008; Toda și colab., 2006; Yao și colab., 2004; Ziolkowska și colab., 2005). Deoarece multe dintre modificările biochimice induse de stimulanți și morfină sunt similare, va fi important să se identifice ținte genice distincte cu regimuri de opiacee și stimulante legate de funcția dendritică, deoarece acestea pot oferi o perspectivă asupra efectelor general opuse ale opiaceilor și stimulenților asupra neurotrofelor plasticitatea structurală dependentă de factor.

Schimbările morfologice opuse induse în regiunile de recompensare ale creierului de către opiaceți și stimulanți sunt paradoxale, deoarece cele două medicamente provoacă fenotipuri comportamentale foarte similare. De exemplu, regimuri specifice de tratament ale opiaceelor ​​și stimulenților, ambele rezultate în sensibilizarea locomotorie și modele similare de escaladare a autoadministrării medicamentelor, determină modificări opuse în densitatea coloanei vertebrale dendriticeRobinson și Kolb, 2004). Astfel, dacă aceste modificări morfologice sunt mediatori importanți ai dependenței, fie ei trebuie să aibă proprietăți bidirecționale, prin care o schimbare de la linia de bază în ambele direcții produce același fenotip comportamental, fie mediază fenotipuri comportamentale sau alte fenotipuri care nu sunt capturate cu instrumentele experimentale utilizate . În plus, aceste descoperiri trebuie luate în considerare în contextul paradigmei de administrare a medicamentelor în cauză. În studiile noastre, de exemplu, animalele primesc doze mari de morfină subcutanată, eliberate în mod continuu din implanturile cu peleți, o paradigmă mai consistentă cu toleranța la opiacee și dependența. În schimb, majoritatea paradigmelor stimulante folosesc o dată la mai multe ori injecțiile zilnice de medicament, permițând creșterea nivelului de sânge și revenirea la nivelul inițial înainte de următoarea administrare, paradigme mai consistente cu sensibilizarea medicamentului. Modelele de utilizare de opiacee și stimulent de către oameni pot varia foarte mult de la o persoană la alta. Prin urmare, studiile viitoare vor trebui să abordeze relevanța comportamentală a modificărilor morfologice induse de medicamente în regiunile de recompensare a creierului în contextul paradigmelor de administrare a dozei și a medicamentelor care reflectă expunerile observate la om.

6. Rolul BDNF și cascadele sale de semnalizare în plasticitatea structurală și comportamentală indusă de medicamente

Modificările semnalării factorilor de creștere sunt ipotezate ca fiind un factor major care influențează plasticitatea structurală și comportamentală asociată dependenței de droguri. Studiile la om sunt limitate. Modificările induse de droguri în BDNF seric au fost observate la oameni dependenți de cocaină, amfetamină, alcool sau opiacee (Angelucci și colab., 2007; Janak și colab., 2006; Kim și colab., 2005), cu toate acestea, sursa acestui BDNF și relevanța acestor modificări pentru debutul și menținerea dependenței au rămas neclare. Ar fi interesant în studiile viitoare să examineze BDNF și căile sale de semnalizare în țesutul cerebral uman postmortem.

În ultimul deceniu, activitatea la rozătoare a stabilit influența BDNF asupra diferitelor faze ale procesului de dependență. Studii timpurii au arătat că perfuzia locală de BDNF în VTA sau NAc mărește răspunsurile locomotorii și plină de satisfacții la cocaină, în timp ce pierderea globală de BDNF exercită efecte opuse (Hall și colab., 2003; Horger și colab., 1999; Lu și colab., 2004). Lucrări mai recente au arătat că auto-administrarea de cocaină crește semnalizarea BDNF în NAc (Graham și colab., 2007). În plus, o perfuzie intra-NAc de BDNF potențează auto-administrarea de cocaină și căutarea și recidiva de cocaină, în timp ce infuzia de anticorpi împotriva BDNF sau eliminarea locală a BDNF gena din NAc (obținută prin expresia virală a Crecominazei Cre la șoarecii BDNF floxed), blochează aceste comportamente. Pe baza acestor studii, Graham și colegii săi (2007) a concluzionat că eliberarea de BDNF în NAc în timpul inițierii autoadministrării cocainei este o componentă necesară a procesului de dependență.

Aceste date susțin opinia că BDNF este o moleculă candidată pentru a media schimbările structurale ale neuronilor NAc produși prin expunerea cronică la cocaină sau alți stimulanți. Conform acestei ipoteze, creșterile induse de stimulanți în semnalizarea BDNF în NAc ar induce o creștere a arborizării dendritice a neuronilor NAc, care ar sta la baza răspunsurilor comportamentale sensibilizate la stimulanți, precum și la amintiri puternice legate de droguri cruciale pentru recidivă și dependență. În concordanță cu această ipoteză sunt descoperiri ale neuronilor hipocampali culturi, unde s-a demonstrat că secreția BDNF induce mărirea dependentă de sinteză de proteine ​​a coloanelor dendritice individuale (Tanaka și colab., 2008b). Punctul slab al acestei ipoteze este faptul că nu a existat dovezi experimentale directe conform cărora îmbunătățirea coloanelor dendritice ale neuronilor NAc este în sine necesară sau suficientă pentru răspunsurile la medicamente sensibilizate. De fapt, există date care sugerează o relație mai complexă între cele două fenomene: inhibarea Cdk5 în NAc blochează capacitatea cocainei de a crește coloanele dendritice pe neuronii NAc, în ciuda faptului că o astfel de inhibiție potențează răspunsurile locomotorii și răsplătitoare la cocaină (Norrholm și colab., 2003; Taylor și colab., 2007). În mod clar, este nevoie de lucrări suplimentare pentru a studia relația dintre această plasticitate structurală și comportamentală.

O altă atenție importantă la această ipoteză este că schimbările în semnalizarea BDNF pot produce efecte profund diferite asupra morfologiei neuronale și a comportamentului în funcție de regiunea creierului examinată. Rapoartele recente au făcut distincții clare între funcția BDNF în hipocamp față de VTA (Berton și colab., 2006; Eisch și colab., 2003; Krishnan și colab., 2007; Shirayama și colab., 2002): Infuziile de BDNF în hipocamp sunt asemănătoare cu antidepresive, în timp ce perfuziile de BDNF în VTA sau NAc produc efecte prodepresante. Tipare similare apar în câmpul dependenței. În special, creșterea BDNF în NAc îmbunătățește comportamentele induse de cocaină (Graham și colab., 2007; Horger și colab., 1999), în timp ce în PFC BDNF suprimă aceleași comportamente (Berglind și colab., 2007). Nu este surprinzător că inducerea BDNF de cocaină este, de asemenea, reglementată în mod diferențiat în aceste două regiuni ale creierului, un model care justifică în continuare diferențele de comportament (Fumagalli și colab., 2007).

Dovada preliminară a implicat semnalizarea NFκB în reglarea plasticității structurale și comportamentale induse de cocaină. Deși mecanismul direct prin care se produc aceste modificări este necunoscut, lucrările anterioare au arătat că p75NTR, care este în amonte de NFκB, este localizat la sinapsă și că activarea p75NTR de către BDNF este necesară pentru LTD. Deși interacțiunile BDNF-TrkB au fost studiate pe scară largă în consumul de droguri, aceste date sugerează o cale alternativă prin NFκB care garantează investigarea ulterioară. În conformitate cu această ipoteză, am observat recent că supraexpresia mediată de viral a unui antagonist negativ dominant al căii NFκB în NAc împiedică capacitatea cocainei cronice de a crește densitatea coloanelor dendritice pe MSN-urile NAc. O astfel de inhibiție a semnalizării NFκB, de asemenea, contură sensibilizarea la efectele răsplătitoare ale cocainei (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007). Aceste date, spre deosebire de situația pentru Cdk5 citată mai sus, susțin o legătură între arborizarea dendritică crescută și sensibilizarea comportamentală la cocaină, accentuând în continuare complexitatea acestor fenomene și nevoia de studiu suplimentar.

Deși lucrările limitate au abordat relevanța semnalizării factorilor neurotrofici în comportamentele induse de opiacee, lucrările din laboratorul nostru au descoperit un rol pentru BDNF și calea în aval IRS2-PI3K-Akt în reglarea dimensiunii celulelor dopaminergice VTA și toleranța ulterioară a recompensei (Russo și colab., 2007; Sklair-Tavron și colab., 1996). Concret, administrarea cronică de opiacee la rozătoare produce o stare de toleranță la recompensă și dependență fizică în perioadele relativ timpurii de retragere, care se crede că ar contribui la o escaladare a comportamentului de droguri. Experimentele timpurii au descoperit că perfuzia intra-VTA de BDNF împiedică scăderea indusă de morfină a mărimii neuronilor VTA (Sklair-Tavron și colab., 1996). Mai recent, am arătat că cronologia toleranței la recompensă, măsurată prin preferința condiționată a locului, este paralelă cu cronologia dimensiunii celulare dopaminergice reduse și că aceste fenomene sunt mediate prin cascade de semnalizare BDNF (Russo și colab., 2007). Așa cum am menționat anterior, căile de semnalizare biochimice din VTA care sunt în aval de BDNF și receptorul TrKB sunt reglate în mod diferențiat prin morfină cronică: morfina activează PLCγ (Wolf și colab., 2007; Wolf și colab., 1999), scade activitatea căii IRS – PI3K – Akt (Russo și colab., 2007; Wolf și colab., 1999) și produce efecte variabile asupra ERK (a se vedea mai sus). Având în vedere dovezile recente că Akt reglează dimensiunea multor tipuri de celule din sistemul nervos central (Backman și colab., 2001; Kwon și colab., 2006; Kwon și colab., 2001; Scheidenhelm și colab., 2005), am utilizat tehnici de transfer de gene virale pentru a arăta direct că morfina produce toleranța la recompensă prin inhibarea căii IRS2 – PI3K – Akt și dimensiunea redusă a neuronilor VTA dopaminici. Aceste efecte nu au fost observate prin modificarea semnalizării ERK sau PLCγ, indicând din nou importanța semnalizării IRS – PI3K – Akt pentru acest fenomen. Studiile viitoare vor aborda relevanța căilor BDNF și IRS-PI3K – Akt în escaladarea autoadministrării de opiacee, o paradigmă mai relevantă din punct de vedere clinic pentru măsurarea dependenței. O mai bună înțelegere a modificărilor în amonte ale factorilor neurotrofici sau ale receptorilor acestora și ale țintelor din aval de Akt va aborda mecanismele specifice de toleranță la recompense la opiacee în modelele de dependență. Mai mult decât atât, va fi important să înțelegem rolul semnalizării BDNF în reglarea funcției VTA în contextul circuitului neural. În acest sens, este interesant de remarcat faptul că Pu et al. (2006) a arătat că, în urma retragerii din expunerea repetată la cocaină, sinapsele excitatorii asupra neuronilor dopaminici din VTA sunt mai sensibile la potențare prin stimuli presinaptici slabi, efect care necesită semnalizare endogenă BDNF-TrkB.

7. Rolul altor factori neurotrofici în plasticitatea structurală și comportamentală indusă de medicamente

În timp ce discuția de mai sus se concentrează pe BDNF și pe cascadele sale de semnalizare, există dovezi că mai mulți alți factori neurotrofici și căile lor de semnalizare în aval influențează, de asemenea, răspunsurile comportamentale sau biochimice la drogurile de abuz. NT3, la fel ca BDNF, sa dovedit a promova răspunsuri sensibilizate la cocaină la nivelul VTA (Pierce și Bari, 2001; Pierce și colab., 1999). Administrarea cronică a morfinei sau a cocainei reglează semnalizarea factorului neurotrofic derivat de linia celulelor gliale (GDNF) în circuitul VTA-NAc, care la rândul său se alimentează și suprimă efectele comportamentale ale acestor medicamente de abuz (Messer și colab., 2000). Amfetamina induce factorul de bază de creștere a fibroblastului (bFGF) în circuitul VTA-NAc și șoarecii knock-out bFGF au un răspuns contondent la sensibilizarea locomotorie indusă de injecții repetate de amfetamină (Flores și colab., 2000; Flores și Stewart, 2000). Citokina, factorul neurotrofic ciliar (CNTF), administrat direct în VTA, îmbunătățește capacitatea cocainei de a induce adaptări biochimice în această regiune a creierului; cocaina crește cascadele de semnalizare intracelulară prin Janus kinase (JAK) și traductoarele de semnal și activatorii de transcripție (STAT), efect care a fost potențat de o infuzie acută de CNTF (Berhow și colab., 1996a). Există, de asemenea, dovezi că morfina cronică modifică nivelurile de factor de creștere asemănător insulinei 1 (IGF1) în VTA și în alte regiuni ale creierului (Beitner-Johnson și colab., 1992). Aceste descoperiri izolate indică faptul că o serie diversă de mecanisme neurotrofice controlează funcția VTA-NAc pentru a regla plasticitatea medicamentelor de abuz în moduri complexe și evidențiază necesitatea multor cercetări viitoare în acest domeniu.

8. concluzii

În ultimul deceniu, ne-am extins înțelegerea modului în care drogurile de abuz reglementează căile de semnalizare neurotrofice și morfologia diferitelor populații neuronale în circuitele de recompense ale creierului. Progresele recente în transferul de gene virale permit manipularea unor proteine ​​de semnalizare neurotrofice specifice în aval în cadrul unei anumite regiuni cerebrale de interes a animalelor adulte complet dezvoltate pentru a studia relațiile dintre consumul de droguri, morfologia neuronală și plasticitatea comportamentală. Cu vectori virali bicistronici noi, este posibil să se exprime o proteină care manipulează căile de semnalizare neurotrofice, precum și o proteină fluorescentă pentru a vizualiza morfologia neuronală (Clark și colab., 2002). Astfel, cu tehnici imunohistochimice îmbunătățite pentru etichetarea populațiilor neuronale specifice, este posibil să se evalueze modificările morfologice induse de medicamente și adaptările biochimice asociate în semnalizarea neurotrofică într-o manieră specifică tipului de celule și, prin urmare, oferă informații cruciale pentru reglarea indusă de medicamente a creierului eterogen regiuni de recompensare. Folosind abordări multidisciplinare cu obiective comportamentale, fiziologice, biochimice și morfologice, va fi din ce în ce mai posibil să definiți mecanismele dependenței cu o precizie mult mai mare, inclusiv rolul precis al semnalizării factorilor neurotrofici în plasticitatea dependentă de experiență și procesul de dependență. Aceste cunoștințe pot duce la dezvoltarea de noi intervenții medicale pentru a normaliza plasticitatea inadaptativă indusă de drogurile de abuz în regiunile de recompensare a creierului și pentru a inversa procesul de dependență la om.

Note de subsol

Referinte