Ingestia de zaharoză provoacă traficul rapid de receptori AMPA (2013)

J Neurosci. Manuscris de autor; disponibil în PMC Oct 3, 2013.
Publicat în formularul final modificat ca:
Ultima versiune editată a editorului a acestui articol este disponibilă gratuit la adresa J Neurosci
Vezi alte articole din PMC că citează articolul publicat.

Abstract

Mecanismele prin care recompensele naturale, cum ar fi zahărul, afectează transmiterea și comportamentul sinaptic sunt în mare parte neexplorate. Aici, investigăm reglarea sinapselor nucleului accumbens prin aportul de zaharoză. Studiile anterioare au arătat că traficul de receptori AMPA este un mecanism major pentru reglarea puterii sinaptice, și asta in vitro, traficul de receptori AMPA conținând subunitatea GluA1 are loc printr-un mecanism în două etape care implică transportul extrasinaptic și apoi receptorul sinaptic. Raportăm că, la șobolani, ingestia zilnică repetată a unei soluții de zaharoză 25% a provocat tranzitoriu o locomoție spontană și a potențat sinapsele de bază accumbens prin încorporarea de Ca2+-receptori AMPA permeabili (CPAR), care conțin receptori AMPA care conțin GluA1, lipsiți de GluA2. Studiile de microscopie electronică electrofiziologică, biochimică și cantitativă au arătat că antrenamentul la zaharoză (7 zile) a indus o populație GluA24 stabilă (> 1 ore) intraspinoasă și că la acești șobolani un singur stimul al zaharozei a crescut rapid (5 minute) dar tranzitoriu (<24 ore) a crescut GluA1 la site-uri extrasinaptice. Au fost necesare CPAR și receptorii D1 pentru dopamină in vivo pentru locomoție ridicată după ingestia de sucroză. În mod semnificativ, un protocol 7-zi de ingestie zilnică a unei soluții 3% de zaharină, un îndulcitor non-caloric, a indus GluA1 sinaptic similar cu ingestia 25% sucroză. Tconstatările identifică traficul multiplu GluA1, descris anterior in vitro, ca mecanism pentru reglarea acută a transmisiei sinaptice in vivo printr-o recompensă naturală orosenzorie. Traficul este stimulat de o cale chemosenzorială care nu depinde de valoarea calorică a zaharzei.

Introducere

Zahărul supra-consum este o problemă importantă de sănătate publică (Hu și Malik, 2010), dar mecanismele prin care recompensele naturale, orosensorii, cum ar fi sucroza, reglează transmiterea sinaptică la comportamentul de influență nu sunt cunoscute. Plasticitatea sinaptică în nucleul accumbens, o componentă integrată a circuitelor de recompensare a creierului (Sesack și Grace, 2010) contribuie la multe forme de comportament motivat, incluzând învățarea recompensă (Zi și Carelli, 2007), răspunsurile la stresul social (LaPlant și colab., 2010) și patologii de dependență (Luscher și Malenka, 2011). Expunerea repetată a cocainei determină plasticitatea sinaptică în neuronii accumbens și zona tegmentală ventrală (VTA) (Brebner și colab., 2005; Grueter și colab., 2010; Mameli și colab., 2009; Pascoli și colab., 2012; Thomas și colab., 2001; Ungless și colab., 2001). După administrarea de cocaină cu acces extins, urmată de retragerea prelungită, sinapsele sunt potențate prin încorporarea Ca2+-promoți, GluA2-lipsite de receptori de tip glutamat de tip AMPA (CPAR), a căror semnalizare mediază incubarea poftei de cocaină (Conrad și colab., 2008; McCutcheon și colab., 2011a). Similar cu cocaina, recompensele orosenzorice, cum ar fi sucroza, cresc puternic dopamina accumbens (Smith, 2004), dar nu a fost investigată inducerea orosensorială a plasticității accumbens.

Receptorii AMPA (AMPAR) sunt mediatori primari ai transmiterii excitatorii ale sistemului nervos central, iar traficul lor contribuie la diverse procese neuronale, inclusiv învățarea și memoria (Nedelescu și colab., 2010; Rumpel și colab., 2005; Whitlock și colab., 2006). AMPAR-urile sunt compuse din patru subunități diferite, GluA1-4. AMPAR-urile cu conținut de GluA2 sunt Ca2+-impermeabil și trafic constitutiv la sinapse, în timp ce receptorii lipsiți de GluA2 (CPAR), care sunt predominant homomeri GluA1, conduc Ca2+ și prezintă rectificarea interioară. GluA1 este supus traficului sinaptic dependent de activitate printr-o cale în două etape în care fosforilarea Ser 845 de către proteina kinaza dependentă de cAMP (PKA) și protein kinaza II (cGKII) dependentă de cGMP promovează acumularea de receptori la situsurile extrasynaptice din membrana plasmaticăEsteban și colab., 2003; Serulle și colab., 2007; Sun și colab., 2008; Sun și colab., 2005). După difuzia laterală la sinapsă, fosforilarea Ser 818 de către PKC stabilizează AMPAR-urile în cadrul sinapsei (Boehm și colab., 2006), ancorată la densitatea postsynaptică (Ehlers și colab., 2007; Oh și colab., 2006; Serulle și colab., 2007). Ca2+/ fosforilarea protein kinazei II (CaMKII) dependentă de calmodulin Ser 567 și Ser 831 contribuie, de asemenea, la încorporarea sinaptică și direcționarea extrasinaptică (Lu și colab., 2010; Roche și colab., 1996), respectiv. Cu toate acestea, nu se știe dacă in vivo încorporarea CPAR-urilor utilizează aceste mecanisme rapide, în mai multe etape descrise in vitro.

Pentru a investiga mecanismele prin care recompensele orosenzoriale, cum ar fi sucroza, reglează sinapsele sinapsele excitaționale, am folosit o paradigmă de ingestie sucroză scurtă și măsurarea schimbărilor în transmisia sinaptică în neuronii accumbens. Observăm că ingestia repetată de sucroză potențează sinapsele accumbens prin încorporarea CPAR-urilor și că într-un animal antrenat de zaharoză, un singur stimul de sucroză este suficient pentru a induce traficul rapid de GluA1 către siturile extrasynaptice. Deoarece zaharina, un îndulcitor non-caloric, a indus traficul sinaptic similar cu zaharoza, traficul este un răspuns la căile orosensorii, mai degrabă decât calorice. Mai mult, blocarea CPAR a împiedicat creșterea indusă de zaharoză a activității locomotorii spontane in vivo, identificând în continuare CPAR-urile accumbens ca regulatori importanți ai răspunsurilor la recompensele naturale.

Materiale și metode

Subiecți și proceduri chirurgicale

Subiecții au fost șobolani masculi Sprague-Dawley (Taconic, experimente comportamentale) cântărind grame 150-300 la sosire și șobolani Sprague-Dawley însărcinați E18 (experimente de cultură celulară Taconic). Șobolanii au fost adăpați 2 per colivie pentru experimente comportamentale pe un ciclu 12h / 12h lumină-întuneric (se aprinde la 18: 00) și au avut acces la hrană și apă ad libitum tot timpul. Toate procedurile experimentale au fost aprobate de Comitetul pentru îngrijirea și utilizarea animalelor instituționale din cadrul Școlii de Medicină din New York și au fost efectuate în conformitate cu "Principiile de îngrijire a animalelor de laborator" (numărul publicației NIH 85-23).

Pregătirea zahărului și măsurătorile locomotorii

Șobolanii au fost transportați în sala de probă 3 zile consecutive pentru 2 h / zi în cuștile lor de origine. În flacoanele de a patra zi conținând apă sau 25% sucroză au fost introduse prin capacul cuștii pentru 5 min. Sticlele au fost apoi cântărite. Pentru toate experimentele, șobolanilor li sa cerut să bea cel puțin 1 g de zaharoză în timpul accesului la 5 min în termen de 3 zile de la începerea instruirii pentru a fi inclus în studiu; de fapt, toți șobolanii au îndeplinit acest criteriu. După îndepărtarea flaconului, șobolanii au rămas în sala de testare timp de 30 min înainte de a se întoarce înapoi la instalația de animale. În ziua sacrificiului, șobolanii au devenit inconștienți de CO2, decapitat prin ghilotină, iar probele de țesut au fost colectate pe gheață. Pentru experimentele locomotorii, șobolanii au fost plasați în camere de măsurare locomotorii (Accuscan, Columbus, OH) pentru un total de 35-min. După 15-min în cameră, s-a introdus o sticlă cu opritor de bile prin partea superioară a camerei și s-a stabilizat. Sticla a fost îndepărtată din partea superioară a camerei după 5-min, iar șobolanii au rămas în cameră timp de încă 15-min după îndepărtarea flaconului. Această procedură a fost repetată identic pentru zilele consecutive 7. Distanța parcursă a fost măsurată utilizând Sistemul VersaMax (Accuscan, Columbus, OH), care monitorizează activitatea animalului printr-o rețea de fascicule de lumină infraroșie 16 × 16 care traversează colivia de animale (42 × 42 × 30 cm) față în spate și de la stânga la dreapta . Informațiile despre starea fasciculului, scanate la o rată de 100 de ori pe secundă, au fost stocate pe disc. Activitatea a fost exprimată ca distanța ambulatorie măsurată în cm în timpul unor 12 diferite coșuri 3-min într-o sesiune 35 min (coșul final a fost 2-min).

Preparatul de zaharină

Pentru a compara traficul indus de zaharoză al GluA1 cu efectele ingerării zaharinei, șobolani masculi 12 masculi (250 g) au fost adăpostiți în instalația de animale pe un ciclu de lumină / întuneric de ore 12. Toți șobolanii au fost apoi obișnuiți în camera de testare, fiind transportați în camera de testare, lăsați timp de 2 ore și transportați înapoi la unitatea de animale. Într-o zi 4 (după 3 zile de obicei), șobolanilor li s-au dat sticle de acces care conțineau apă, zaharoză sau zaharină. Șobolanii 4 au avut acces la o sticlă care conținea apă odihnită pe partea superioară a cuștii, cu țeava care iese în cușcă prin capac. Timpul de acces a fost de minute 5, apoi sticla a fost îndepărtată, iar după 15 min minute suplimentare, șobolanii au fost transportați înapoi la unitatea de animale. Șobolanii 4 au avut acces la soluția de zaharoză 25%, iar șobolanii 4 au avut acces la soluția de zaharină 3% (Sweet'n Low). Volumul de lichid consumat a fost măsurat. Această procedură a fost repetată pentru 7 zile. În ziua 7 de băut, imediat după îndepărtarea flaconului, șobolanii au fost sacrificați și miezul accumbens a fost recoltat, iar nivelele GluA1 au fost analizate prin metoda Western blot.

Electrofiziologie

Șobolanii au fost instruiți așa cum s-a descris mai sus în cuști din plastic limpede și, după îndepărtarea sticlei în ziua 7, au fost anesteziați cu ketamină (100 mg / kg ip) și xilazină (10 mg / kg ip) și perfuzată transcardială cu soluție salină rece (experimente mEPSC) sau decapitat imediat (experimente de rectificare). Creierele au fost îndepărtate rapid în lichidul cefalorahidian (ACSF) constând din următoarele (în mM): pentru experimentele mEPSC: NaCI (118), KCI (2.5), CaCl2 (3), MgCI2 (1), NaHCO3 (26), NaH2PO4 (1), D-glucoză (10), osmolaritate ajustată la 325 mOsm și aerată cu 95% O2/ 5% CO2 (pH 7.4); pentru experimente de rectificare: 75 zaharoză, 87 NaCl, 2.5 KCI, 1.25 NaH2PO4, 0.5 CaCl2, 7 MgCl2 6 H2O, 25 NaHCO3, 10 dextroză, barbotată cu 95% O2 / 5% CO2 (pH 7.4). Șarjele coronare (grosime 300μm) conținând nucleul accumbens au fost tăiate în ACSF cu gheață folosind un vibrotom (Leica, VT1200S) și păstrate submersate în ACSF (ACSF, în mM: 124 NaCl, 2.5 KCI, 1.25 NaH2PO4, 2.5 CaCl2, 1.5 MgSO4 7H2O, 26 NaHCO3, și 10 dextroză) timp de <30 min; apoi păstrat într-o felie de pre-incubator la temperatura camerei timp de cel puțin 1 oră pentru a permite recuperarea. Pentru experimentele mEPSC: o singură felie a fost apoi transferată într-o cameră de înregistrare în care a fost ținută scufundată de o plasă de nailon la 32 ° C cu un încălzitor de soluție în linie TC324B și controler (Warner Instruments, CT). Camera a fost perfuzată continuu de ACSF la o rată constantă de 2 ml / min. Neuronii medii spini din regiunea nucleului nucleului accumbens au fost identificați sub îndrumare vizuală folosind microscopie video cu contrast de interferență diferențială în infraroșu (Hamamatsu C5405) cu un microscop vertical Olympus BX50WI echipat cu obiectiv de imersie în apă de 40x distanță lungă Patch electrozi (4-6 MΩ) umpluți cu o soluție de pipetă intracelulară formată din (în mM): CsCl (145), HEPES (10), EGTA (0.5) și MgATP (5). Osmolaritatea a fost ajustată la 290 mOsm cu zaharoză, iar pH-ul a fost ajustat la 7.4 cu CsOH. Curenții post-sinaptici excitatori miniaturali (mEPSC) au fost înregistrați în prezența bicucullinei (10μM) și a tetrodotoxinei (1μM) utilizând amplificatorul Axopatch 200B (Molecular Devices, CA) și digitalizați de Digidata 1322A (Molecular Devices, CA). Pentru experimentele de rectificare: feliile au fost transferate în camera de înregistrare și perfuzate (2.0-2.5 ml min-1) cu ACSF oxigenat la 33-35 ° C conținând picrotoxină 50 μm pentru a izola EPSC-urile. Înregistrările celulare cu celule întregi s-au realizat din neuroni de tip spiral neregulat de bază în clemă de tensiune cu un amplificator Multiclamp 700B (Molecular Devices) utilizând microscopia video IR-DIC. (4-6 MΩ) au fost umplute cu soluție intracelulară (în mM: 125 Cs-gluconat, 2 CsCl, 5 TEA-CI, 4 Mg-ATP, 0.3 GTP, 10 fosfocreatină, 10 HEPES, 0.5 EGTA și 3.5 QX -314). Datele au fost filtrate la 2 kHz, digitizate la 10 kHz și analizate cu Clampfit 10 (Molecular Devices). Stimularea extracelulară (0.01-1 ms, 5-150 μA, 0.2 Hz) a fost aplicată cu un mic electrod bipolar din sticlă 0.05-0.5 mm de la electrodul de înregistrare. După o valoare de ~ 10 min de înregistrare de bază, o soluție care conține Naspm (200 μM) a fost perfuzată în baie pentru 10 min. Schimbările în amplitudinea EPSC au fost măsurate înainte și după aplicarea medicamentului la potențialul de menținere a valorilor -70, -50, -30, 0, + 20, + 40 și + 60 mV. Indicele de rectificare (ir) a fost calculată prin corectarea oricărei posibile schimbări în potențialul de inversare și calculată din următoarea ecuație: ir = (I-70 / 70) / (I+40 / 40), unde I-70 și I+40 sunt amplitudinile EPSC înregistrate la -70 mV și respectiv + 40 mV.

Fragmentarea subcelulară și Western blotting

Acumulatorii au fost colectați pe gheață așa cum s-a descris mai sus. Atunci când miezul și coaja au fost disecate separat, separarea a fost confirmată prin analizarea fracțiilor de sinaptozomi pentru β-hidroxilaza dopaminei, o enzimă găsită în terminalele axonilor la coajă, dar nu la miez (Sesack și Grace, 2010). Celula celulară, sinaptozomul și fracțiunile PSD au fost preparate așa cum s-a descris anterior (Jordan și colab., 2004). Peletele sinaptozomale au fost resuspendate în 200 p1 25 mM Tris cu 1% Triton X-100, se agită la 4 ° C pentru 30-min și se centrifughează la 13,800 x g pentru 15-min într-o microcentrifugă pentru a granula PSD-urile. Peletul conținând PSD-uri brute a fost resuspendat în 25 mM Tris cu 2% SDS. Fracțiile au fost analizate prin Western blot pe geluri SDS-PAGE așa cum s-a descris anterior (Jordan și colab., 2004). Au fost utilizați următorii anticorpi: beta-hidroxilaza dopaminei (1: 1,000, Abcam), GluA1 (1: 1,000, Millipore), fosfor-Ser 845 GluA1 (1: 1,000, Millipore) (2: 1, Sigma).

Electron microscopie

În ziua recoltării țesuturilor (ziua 7 de antrenament cu zaharoză), șobolanii din grupurile de testare 3 (apă, zahăr / apă, zaharoză, șobolani 3 / grup de test) au fost plasați în camere de măsurare locomotorii pentru 15-min; la 15-min s-a introdus o sticlă prin partea superioară a camerei. Șobolanii din grupul de apă au primit apă, șobolani din grupul de ucroză au primit 25% zaharoză, șobolani din grupul de zaharoză / apă, care au consumat 25% zaharoză pentru zilele 6, au primit apă. Șobolanii au fost profund anesteziați cu Nembutal (50 mg / kg ip) și transcardiali perfuzați cu tampon fosfat 0.1 M (pH 7.4) conținând 4% paraformaldehidă și 0.1% glutaraldehidă la o viteză de 50 ml / min în timpul primului 3-min o rată de 20 ml / min pentru următorul 7-min. Țesutul a fost preparat pentru etichetarea imunoglobulată (PEG) postembed și imaginile au fost captate așa cum s-a descris anterior (Nedelescu și colab., 2010). Imunolabele au fost clasificate în funcție de poziția lor față de PSD la joncțiunile sinaptice asimetrice ca "cleft", "near PSD" (în lățimea PSD 1 PSD), "PSD", "intraspinous" sau "membrană extrasynaptică". fiecare animal, sinapsele 93 au fost eșantioane din nucleul accumbens. Eșantionarea aleatorie a fost asigurată prin analizarea tuturor primelor sinapse 93 întâlnite la întâmplare, pe măsură ce ne-am îndreptat sistematic peste rețea, apoi am reunit același număr de sinapse din fiecare dintre cele trei animale care au primit tratamente ante mortem identice. Au fost efectuate două tipuri de cuantificare. Unul a fost acela de a evalua nivelul de imunoreactivitate GluR1, prin măsurarea numărului de particule PEG care au apărut la domenii funcționale discrete ale coloanei vertebrale. Celălalt ar fi să evalueze proporția sinapselor etichetate la PSD cu orice număr de particule PEG. Chiar și sinapsele etichetate doar cu particule 1 PEG au fost considerate etichetate, pe baza lucrărilor anterioare care demonstrează specificitatea procedurii GluR1-PEG (Nedelescu și colab., 2010). Efectele tratamentului asupra proporției și nivelului de imunograma GluR1 au fost analizate prin ANOVA cu sens unic, cu comparații post-hoc planificate (LSD Fisher). Pentru a elimina părtinirea experimentală, datele au fost triple-orbite: un experimentator a efectuat antrenamentul cu zaharoză și a ținut înregistrările animalelor în cele trei grupuri de testare, un al doilea experimentator a creat micrografele electronice și a atribuit un nou cod alfanumeric fiecărui micrograf și a păstrat codul sigilat , iar trei experți suplimentari au scanat micrografele și particulele PEG cuantificate. După ce s-a finalizat cuantificarea PEG, experimenții s-au convocat pentru a dezvălui identitatea fiecărui micrograf.

Implantarea canulei și injecțiile intracraniene

A fost utilizată o injecție intracraniană pentru a furniza Naspm și APV la nucleul accumbens. Pentru implantarea canulei, așa cum a fost descris anterior (Carr și colab., 2010), șobolanii au fost profund anesteziați cu ketamină (100 mg / kg ip) și xilazină (10 mg / kg ip) și au fost injectați postoperator cu benamina analgezică (1 mg / kg subcutanată). Șobolanii au fost implantate stereotaxic cu două canule de ghidare 26 (PlasticsOne, Roanoke, VA) bilateral în nucleul accumbens cu coordonate: 1.6 mm anterior la bregma; 2.9 mm lateral la sutura sagita, vârfurile se înclină 8 ° spre linia mediană, 5.6 mm ventral până la suprafața craniului. Canulele au fost ținute în loc de acrilul dentar, iar patența a fost menținută cu un stilet de ocluzie. Pentru injecțiile intracraniene, soluțiile Naspm și APV au fost încărcate în două lungimi 30 cm de tubul PE-50 atașate la un capăt la seringile 25-μl Hamilton umplut cu apă distilată, iar la celălalt capăt al canulelor injectorului cu gabarit 31 care au extins 2.0 mm dincolo de ghidajele implantate. Seringile au fost montate pe suporturile twin ale unei pompe de microliter Harvard 2272, care livrează volumele de injecție 0.5 μl pe o perioadă de 100 sec. La un minut după finalizarea injecțiilor, cannulajele injectorului au fost îndepărtate din ghidaje, stilurile au fost înlocuite și animalele au fost plasate în camerele de testare locomotorie pentru instruirea în sucroză. După sacrificarea animalelor, secțiunile criogenice ale creierului au fost analizate pentru localizarea canulei; 2 din animale 15 au fost excluse din studiu din cauza plasării incorecte a canulei.

analize statistice

One-way ANOVA urmată de teste Fisher post hoc a fost utilizată pentru experimentele cu microscopie electronică, imunocitochimie și biotinilare. Testele t ale studenților cu două teste au fost folosite pentru electrofiziologie. Pentru experimentele de hiperactivitate cu sucroză, s-a folosit ANOVA cu două căi, urmată de teste Fisher post hoc.

REZULTATE

Caracterizarea unei paradigme de ingestie a sucrozei

Am folosit o paradigmă de ingestie a sucrozei pentru a investiga efectele unei recompense naturale, orosenzorice asupra transmiterii sinaptice (Figura 1A). Sobolanii masculi adulți au fost transportați într-o cameră de testare în trei zile consecutive. În a patra zi (prima zi de antrenament), șobolanii au fost plasați într-o cameră de măsurare locomotorie. După 15 minute de măsurare a activității locomotorii în cameră, sticlele conținând fie apă (pentru animale de apă), fie soluție 25% zaharoză (pentru animalele de zaharoză) au fost introduse în camerele de măsurare prin orificiile din capacul camerei. Sticlele au fost îndepărtate după minute 5 și a fost măsurată activitatea locomotorie timp de încă câteva minute 15 înainte ca animalele să fie returnate în cuști. Am repetat această procedură pentru zile consecutive 7. În unele experimente, instruirea în zaharoză a fost extinsă la un 8th zi. Acest acces scurt, necontinent la o soluție extrem de plăcută ne-a permis să investigăm atât efectele acute și cumulative ale consumului de zaharoză, deoarece animalele au absorbit energic sucroza viguros în timpul ferestrei de acces în trei zile de la formare (Figura 1B). Aceste condiții experimentale au permis compararea grupurilor de testare imediat după încetarea ingerării. Criteriul nostru pentru includerea în studiu a fost acela că șobolanii încep să consume cel puțin un gram de zaharoză în timpul perioadei de acces în decurs de trei zile de la începerea instruirii; niciun animal nu a fost exclus din studiu pe baza acestui criteriu.

Figura 1  

Repetarea ingestiei de sucroză determină creșterea tranzitorie a locomoției spontane.

Am constatat că, în termen de trei zile de la antrenament, animalele de zahăr consumau mult mai multă soluție de zaharoză decât animalele consumate de apă (Figura 1B). În plus, în timp ce în zilele de antrenament 1-6 nu s-au observat diferențe semnificative în ceea ce privește locomoția spontană (datele nu sunt prezentate), am observat o creștere semnificativă a distanței totale parcursă la animalele de zaharoză comparativ cu animalele de apă în cele trei minute după îndepărtarea flaconului în ziua 7Figura 1D), iar această diferență a fost prezentă și în ziua 8 (Figura 1E). Nu s-au observat diferențe în distanța totală parcursă între animalele cu apă și zahăr în cele trei minute înainte de introducerea sticlei în oricare dintre zilele de testare (Figura 1C), sugerând locomoție ridicată a fost un răspuns acut la ingestia de sucroză specific șobolanului instruit cu zaharoză, mai degrabă decât un răspuns condiționat la camera locomotorie. În conformitate cu această posibilitate, a existat o corelație pozitivă semnificativă între cantitatea de zahăr consumată și distanța totală parcursă (Figura 1F). Nu a existat nici o diferență în greutățile animalelor între grupurile de zaharoză și apă înainte sau după zilele de antrenament 7 (datele nu sunt prezentate).

Ingestia de zaharoză induce încorporarea CPAR

Pregătirea pentru zahăr a condus la o creștere tranzitorie a locomoției în ziua antrenamentului final. Pentru a determina dacă această consecință a ingestiei de sucroză a fost însoțită de modificări electrofiziologice în nucleul accumbens, o regiune care reglementează comportamentul recompensării, am pregătit felii de nucleu accumbens imediat după îndepărtarea flaconului în ziua 7 și s-au înregistrat din neuroni ai nucleului accumbensFigura 2A). Subregiunea de bază a fost implicată în răspunsurile locomotorii la stimularea recompensă (Sesack și Grace, 2010). Am constatat că atât amplitudinea, cât și frecvența curenților postsynaptici excitativi minuțios (mEPSC) au fost semnificativ mai mari în nucleul accumbens al animalelor de zaharoză comparativ cu animalele de apă (Figura 2B). Acest lucru a demonstrat că consumul repetat de sucroză ar putea regla în mod pozitiv transmisia sinaptică în nucleul nucleului accumbens. Pentru a determina dacă încorporarea CPAR a jucat un rol în potențarea după zaharoză, am determinat indicii de rectificare pentru neuronii nucleului accumbens prin măsurarea EPSC-urilor la diferite potențiale ale membranei (Figurile 2C, 2D și 2E). CPAR-urile sunt rectificate în interior la potențialele depolarizate datorită blocării endogene a poliaminei. Am observat o rectificare semnificativă în înregistrările neuronilor din animalele de zaharoză, așa cum este indicat prin neliniaritatea relației I / V, comparativ cu animalele de apă (Figura 2E), pe lângă o creștere semnificativă a indicelui de rectificare (Figura 2F).

Figura 2  

Sinapsele de bază ale sinusurilor sunt potențate după ingerarea repetată a sucrozei.

Pentru a confirma creșterea nivelurilor CPAR printr-o altă metodă, am înregistrat din neuronii nucleului accumbens după includerea blocului specific CPAR, 1-Naftylacetyl spermine (Naspm) în baie. Am constatat că Naspm a redus semnificativ amplitudinea EPSC în înregistrările de la neuroni din zaharoză, dar nu animale de apă (Figurile 3A-C). În plus, după tratamentul Naspm, relația I / V în neuronii de la animalele de zaharoză a devenit liniară, reflectând inhibarea CPAR în sinapsele animalelor de sucroză, în timp ce nu s-a observat niciun efect semnificativ asupra relației I / V după tratamentul cu NasM în neuroni din animalele de apăCifrele 3D). Aceste rezultate demonstrează că ingestia repetată de sucroză determină încorporarea CPAR în sinapsele nucleului accumbens.

Figura 3  

Ingestia de zahăr determină încorporarea receptorilor AMPA permeabili la Ca2 +.

Ingestia de zaharoză induce traficul GluA1

CPAR-urile sunt receptori AMPA care nu au subunitatea receptorului GluA2 AMPA. Astfel, încorporarea sinaptică a CPAR-urilor implică cel mai adesea traficul dependent de activitate sinaptică a subunității GluA1 (He și colab., 2009; Isaac și colab., 2007; Liu și Zukin, 2007; Plant și colab., 2006). Pentru a confirma încorporarea sinaptică a CPAR în urma antrenamentului cu zaharoză, am investigat dacă ingestia de sucroză a mărit expresia sinaptică a GluA1. Șobolanilor li sa dat acces la zaharoză așa cum s-a descris mai sus pentru zile consecutive 7. În zilele 1, 3, 5 și 7, am izolat fracțiile din celulă, sinaptozom și densitate postsynaptică (PSD) din trei regiuni ale creierului: nucleul accumbens (core), coaja accumbens (coajă) și cortexul somatosensory (cortex). Am analizat întreaga celulă și fracțiunile PSD prin Western blot pentru exprimarea GluA1 și GluA2.

Nu am găsit modificări în GluA1 sau GluA2 în fracțiile celulare ale lizatelor accumbens în zilele de testare examinate, sugerând că consumul repetat de sucroză nu reglementează nivelurile globale ale acestor proteine ​​(Figurile 4A-C). Cu toate acestea, în fracțiile PSD ale accumbens, GluA1 a crescut semnificativ în ziua 7 în miez, dar nu în coajă, în timp ce GluA2 nu sa modificat semnificativ în nici o fracție (Figurile 4D-4F și datele nu sunt prezentate). Nu am observat o creștere semnificativă a GluA1 în fracțiunile PSD de bază accumbens în zilele de testare precedente (Figurile 4D-F) și GluA1 sau GluA2 nu s-au schimbat în fracțiunile PSD cortex în niciuna dintre zilele de testare (datele nu au fost prezentate). Creșterea GluA1, în special în raport cu GluA2, în PSD-urile de bază accumbens după ingestia repetată de sucroză este în concordanță cu rectificarea crescută observată în neuronii nucleului accumbens, așa cum s-a descris mai sus.

Figura 4  

Densitatea postsynaptică GluA1, dar nu și GluA2, este crescută în nucleul nucleus accumbens după ingestia de sucroză.

S-a arătat că traficul GluA1 dependent de activitate contribuie la plasticitatea sinaptică in vitro și, de asemenea, in vivo (Lu și Roche, 2011). A fost demonstrat un mecanism rapid, în mai multe etape pentru traficul cu GluA1 in vitro (Serulle și colab., 2007; Sun și colab., 2008; Sun și colab., 2005). Totuși, până acum, contribuția acestui mecanism multi-pas la acumularea sinaptică GluA1 in vivo nu a fost testat. Pentru a determina dacă antrenamentul de zaharoză induce traficul GluA1 acut prin mecanismul cu mai multe etape, am localizat GluA1 la sinusurile nucleu accumbens ale animalelor antrenate prin sucroză și apă, prin microscopie electronică cantitativă. Acumulatorii țesutului de bază au fost recoltați în a șaptea zi de antrenament de zaharoză din grupurile de testare 3 de șobolani. Acestea au fost șobolani care: 1) au consumat apă pentru zile 7 (apă), 2) zahăr consumat pentru zile 7 (zahăr) și 3) consumat sucroză pentru zilele 6 și apă în ziua 7 (zahăr / apă). Șobolanii au fost sacrificați pe 7th zi, 5 minute după consumul de zaharoză sau apă. Astfel, compararea a două dintre grupurile de testare, animale de zaharoză / apă și zaharoză, între ele și animale de apă a scos la iveală intervalul de timp al modificărilor postsynaptice induse de consumul de zaharoză la șobolanii instruiți cu zaharoză. Am măsurat GluA1 marcat cu imunoglobulină posterioară (PEG) în diferite compartimente postsynaptice 5: citozol dendritic (intraspinos), membrană plasmatică extrasanaptică (membrană), PSD, lângă PSD și cleft sinaptic, ultimele trei compartimente fiind grupate împreună ca "PSD "(Fig. 5A). Pentru a elimina părtinirea experimenterului, identitățile grupului de testare pentru micrografele electronice au fost triple-orbite.

Figura 5  

Microscopia electronică relevă inducerea traficului GluA1 în mai multe trepte prin ingestia de sucroză.

Atât animalele de zaharoză, cât și de zaharoză / apă au prezentat GluA1 intraspinos semnificativ crescut față de animalele de apă (Figurile 5B și 5C). Acest lucru sugerează că consumul de sucroză cronică crește o cantitate intracelulară de receptori AMPA care conțin GluA1 adiacent situsurilor sinaptice, receptorilor care pot fi ușor disponibili pentru traficul sinaptic și, important, că acest pool intracelular poate persista timp de 24 după consumul final de zaharoză . Apoi am explorat întrebarea semnificativă dacă un stimul acut de sucroză poate induce traficul rapid de GluA1. Am observat că membrana plasmatică extrasinaptică GluA1 a crescut semnificativ în cazul animalelor de zaharoză comparativ cu animalele de zaharoză / apă și apă (Figurile 5B și 5D). Această observație indică faptul că o recompensă naturală, orosenzorială oferită de un singur stimul de zaharoză poate ridica rapid (<5 min), dar în mod tranzitoriu (timpul de decădere <24 h) poate ridica populația extrasinaptică a receptorilor AMPA care conțin GluA1, creând un bazin labil din care receptorii poate circula către sinapsă.

Semnificativ, in vitro studiile au sugerat că încorporarea sinaptică a receptorilor AMPA are loc în etapele 2. În prima, fosforilarea Ser 845 dependentă de glutamat sau dopamină ridică nivelele de receptori la situsurile extrasinaptice din membrana plasmatică (Esteban și colab., 2003; Serulle și colab., 2007; Sun și colab., 2008; Sun și colab., 2005), în timp ce în al doilea rând, fosforilarea Ser 818 promovează încorporarea sinaptică (Boehm și colab., 2006). Comparația noastră electronică prin microscopie electronică a animalelor de zaharoză cu animale de zaharoză / apă și apă demonstrează că prima etapă a traficului de GluA1 observat in vitro (Makino și Malinow, 2009), de asemenea, are loc traficul rapid către membrana extrasinaptică in vivo după acordarea unei recompense orosenzoriale.

În conformitate cu electrofiziologia și rezultatele biochimice descrise mai sus, PEG EM a demonstrat că aportul de zaharoză a indus de asemenea a doua etapă a intrării receptorului GluA1 la intrarea receptorului GluA1 la sinapse, deoarece nivelul imunoreactivității GluA1 la PSD a fost semnificativ mai mare pentru zaharoză comparativ cu șobolanii de apă, și a existat o tendință spre creșterea GluA1 în zahăr / apă în comparație cu șobolanii cu apă (Figurile 5B și 5E). Creșterea animalelor de zaharoză / apă este în concordanță fie cu încorporarea rapidă a GluA1 care se descompune cu un timp de înjumătățire sinaptic de ~ 24 hr, fie cu încorporarea rapidă a GluA1 și înlocuirea cu GluA1 / 2 sinaptic pe o perioadă de timp similară. Procentajul sinapselor care exprimă GluA1 în PSD a fost, de asemenea, semnificativ mai mare la șobolanii de zaharoză comparativ cu șobolanii cu apă (Figura 5F), sugerând că GluA1 a traficat către sinapse care nu aveau anterior GluA1. Acest lucru sugerează, de asemenea, că creșterea amplitudinii mEPSC observată la șobolanii zaharoză rezultă dintr-o creștere a GluA1 sinaptic și că creșterea frecvenței mEPSC poate rezulta din recrutarea GluA1 până la sinapsele accumbens tăcute anterior, deși potențarea eliberării glutamatului nu poate fi respinsă. De asemenea, am măsurat numărul de sinapse în fiecare dintre cele trei grupuri de testare pentru a determina dacă ingestia de zaharoză a indus sinaptogeneza; nu au existat diferențe între cele trei grupuri de testare (datele nu sunt prezentate). Concluzionăm că ingestia repetată de zaharoză ridică un bazin intraspinos stabil (> 24 de ore) de GluA1 și un singur stimul zaharoză la un șobolan antrenat la zaharoză (6 zile) este suficient pentru a ridica rapid (5 minute) GluA1 în membrana plasmatică extrasinaptică, potențial extragerea receptorilor din bazinul intraspinos. Sugerăm că o parte din acești receptori extrasinaptici este încorporată stabil în PSD, ducând la indicele de rectificare observat și la modificările PSD GluA1, înainte ca fondul extrasinaptic să revină la valoarea inițială la 24 ore după stimulare. Aceste rezultate arată că o recompensă naturală poate induce în mod acut trafic rapid de GluA1 la un animal antrenat.

Activitatea CPAR este necesară pentru locomoție ridicată după ingestia de sucroză

Neuronii spinoși medii primesc atât intrări dopaminergice cât și glutamatergice (Calabresi și colab., 1992). Pentru a evalua implicarea semnalizării glutamatului în locomoția spontană ridicată pe care am observat-o după ingestia de sucroză la șobolanii instruiți cu zaharoză, am implantat canule în miezul accumbens al șobolanilor și animalele antrenate în camerele de măsurare locomotorii, așa cum s-a descris mai sus. În ziua 8 de antrenament cu sucroză, am microinjectat Naspm în miez înainte de plasarea în camera de testare locomotorie. Injecția a redus distanța totală parcursă de animalele de zaharoză și a eliminat diferența dintre animalele de zaharoză și apă observate imediat după îndepărtarea flaconului (Figura 6A). Pentru a verifica dacă stresul cauzat de manipularea animalelor nu a afectat răspunsul la zaharoză, am injectat soluție salină în miezul zilei următoare (ziua 9 de instruire pentru zaharoză); hiperactivitate semnificativă a fost observată la animalele de zaharoză imediat după îndepărtarea sticlei (Figura 6B). Acest lucru demonstrează că Naspm a inhibat în mod specific creșterea zahărului indusă de locomoție. Injectarea antagonistului NMDAR, APV, în miezul zilelor următoare, a eliminat, de asemenea, diferența dintre animalele de zaharoză și apă (Figura 6C), demonstrând că NMDAR-urile sunt, de asemenea, necesare pentru creșterea locomoției spontane după ingestia de sucroză. Pentru a determina dacă un răspuns condiționat la camera de testare a jucat un rol în inducerea hiperactivității, animalele au fost plasate în cameră pentru 35 min fără introducerea sticlei; nu s-au observat diferențe în ceea ce privește distanța parcursă între animalele de zaharoză și apă (Figura 6D). Naspm și APV nu au afectat consumul de sucroză (Figura 6E), demonstrând că CPAR-urile de bază și NMDAR-urile nu sunt necesare pentru aportul viguros de zaharoză. Animalele în care canulele nu au fost plasate în miezul accumbens (2 din animalele 15), după cum au fost evaluate după sacrificiu (Figura 6F), nu au fost incluse în studiu. În concluzie, aceste date împreună demonstrează că consumul de zaharoză de către un șobolan instruit cu zaharoză induce traficul sinaptic al GluA1 în minute 5 și că blocada mecanismelor de semnalizare care controlează acest trafic împiedică creșterea activității locomotorii spontane după zaharoză.

Figura 6  

Locomoția crescută spontană după ingestia de sucroză necesită CPAR și NMDAR.

Pot fi avute în vedere două căi pentru semnalizarea sucrozei. Una, o cale strict chimosensorială sau orosensorială, este inițiată prin legarea sucrozei la receptorul de gust dulce, care corespunde complexului de receptori legat de proteina G heteromerică, T1R2 / T2R3 (Kitagawa și colab., 2001; Max și colab., 2001; Nelson și colab., 2001; Sainz și colab., 2001). Nutrienții bogați în calorii pot regla funcția creierului prin căi metabolice independente de gust, deși mecanismele nu sunt bine înțelese (de Araujo și colab., 2008). Pentru a face distincția între aceste două alternative pentru calea traficului GluA1 indus de zaharoză, am repetat protocolul de antrenament cu trei grupe de șobolani (4 șobolani / grup) cărora le-a fost acordat accesul pentru minute 5 la sticle conținând apă, soluție 25% sucroză , sau 3% zaharină (dulce și scăzută). Sticlele au fost scoase și șobolanii au rămas timp de 15 mai mult timp în cușca de antrenament. Instruirea a fost repetată pentru zilele 7. Volumul de lichid consumat de grupele de zaharoză și de zaharină nu a fost semnificativ diferit unul de celălalt și ambele au fost mai mari decât consumul de către grupul de apă, în concordanță cu recompensa cu ambele substanțe dulci (Figura 7A). În ziua 7 de băut, imediat după îndepărtarea flaconului, șobolanii au fost sacrificați, țesutul de bază accumbens a fost recoltat și grupat pentru fiecare grup de testare, fracțiunea PSD izolată și nivelurile GluA1 probate prin Western blotFigura 7B). Ca și înainte, animalele care consumau zaharoză au prezentat o creștere a GluA1 în fracțiunea PSD în raport cu grupul de apă (Figura 7C). În mod semnificativ, GluA1 a fost, de asemenea, crescut în fracțiunea PSD a animalelor care consumau zaharină. Nu a existat o diferență semnificativă în nivelurile de GluA1 din fracțiunile întregi de celule din nucleul accumbens al apei, zaharoză și zaharină, sugerând că creșterea GluA1 a fost specifică fracțiunii sinaptice (Figura 7D). Deoarece zaharina stimulează același complex de receptori de gust legat de proteina G heteromerică sub formă de zaharoză (Masuda și colab., 2012; Nelson și colab., 2001), dar nu are valoare calorică, concluzionăm că stimularea receptorului gustului dulce este suficientă pentru inițierea semnalizării care ridică nivelurile GluA1 la sinapsele nucleului nucleului accumbens.

Figura 7  

Zaharina de formare induce o crestere a Synaptic GluA1 similare cu Sucrose de formare.

Discuție

Am arătat că o recompensă orosenzorie, consumul repetat de sucroză, poate induce în mod acut încorporarea sinaptică a GluA1 printr-un mecanism de trafic în mai multe etape descris anterior in vitro. Consumul repetat de sucroză de-a lungul zilelor 6-7 a potențat sincronele nucleului accumbens electrofiziologic prin inserarea de CPAR-uri. Acest efect a fost însoțit de acumularea de GluA1 dar nu de GluA2 în PSD al miezului și a fost specific regional și temporal, deoarece nu s-au observat modificări înainte de ziua 7 în stadiul de antrenament și nici o schimbare nu a fost observată în cochilia accumbens sau cortex somato-senzorial. Analiza microscopică electronică a arătat că ingestia repetată de sucroză a crescut relativ stabilă (t1/2 > 24 ore) populație de receptori care conțin GluA1 intraspinos. Zaharoza, de asemenea, rapid (5 min) și temporar (t1/2 <24 ore) niveluri ridicate de receptori care conțin GluA1 la situsuri extrasinaptice la animale antrenate la zaharoză, crescând populația de AMPAR capabile să difuzeze lateral în sinapsă. GluA1 sinaptic, atât reprezentat de fracția PSD, cât și detectat de PEG-EM, a crescut semnificativ în zaharoză comparativ cu animalele de apă. Din aceste rezultate propunem că mecanismul în doi pași al exocitozei extrasinaptice urmat de traficul sinaptic pentru inserția sinaptică AMPAR descris anterior in vitro (Boehm și colab., 2006; Makino și Malinow, 2009; Oh și colab., 2006; Serulle și colab., 2007; Sun și colab., 2005) poate fi inițiată rapid in vivo printr-o recompensă naturală, orosenzorială.

Modificările nivelurilor sinaptice de GluA1 au fost observate numai după sesiunile de antrenament 7, ceea ce sugerează că este necesar un proces mai lung de o zi pentru potențare. În experimentele biochimice in vivo, nu am observat creșteri semnificative ale nivelelor PSD GluA1 de bază în timpul zilelor 1, 3 și 5 ale instruirii privind sucroza; numai după ce 7 zile de antrenament cu zahăr a fost GluA1 în PSD semnificativ ridicat. În experimentele cu microscopie electronică, am observat că animalele de zaharoză / apă, care au fost preparate cu zaharoză pentru zile 6 dar nu au primit un stimul zaharoză în ore 24, au prezentat o tendință spre creșterea PSD GluA1. Aceste animale au prezentat, de asemenea, un nivel ridicat de GluA1 intraspinos comparativ cu animalele de apă, dar nu a fost observată nicio modificare a membranei extrasinaptice GluA1. Din aceste rezultate tragem trei concluzii. În primul rând, receptorii AMPA care conțin GluA1 se acumulează intraspinos cu stimulente sucrose succesive. Având în vedere că studiile anterioare au demonstrat că ingestia de zaharoză induce eliberarea de dopamină în accumbens (Cacciapaglia și colab., 2012; McCutcheon și colab., 2012; Rada și colab., 2005) și că D1Rs poate conduce traducerea locală GluA1 în dendrite (Smith și colab., 2005), eliberarea dopaminei după ingestia de sucroză poate declanșa sinteza locală de GluA1 care duce la acumularea intraspiniană GluA1. Alternativ, creșterea intraspinoză poate reflecta traficul de GluA1 din locurile distal. Este posibil ca traficul exocitotic din această piscină intraspinică crescută să contribuie la piscina extrasinaptică din membrana plasmatică. În al doilea rând, observarea unei creșteri a membranei extrasinaptice GluA1 în zaharoză, dar nu și în animalele de zaharoză / apă sau apă sugerează că receptorii extrasynaptici se deplasează printr-o a doua etapă în sinapse sau se endocitozează în 24 hr după consumul de zaharoză, piscina extrasynaptică tranzitorie. În al treilea rând, creșterea animalelor PSD GluA1 din zahăr, în comparație cu animalele de apă, dar nu și animalele de zaharoză / apă, sugerează că, după fiecare stimul de zaharoză, receptorii se deplasează lateral în sinapse din grupul de receptori traficați rapid către membrana plasmatică extrasinaptică. Nu putem exclude faptul că GluA1 traversează direct din bazinul intraspinamic la sinapse. O astfel de cale, totuși, pare improbabilă având în vedere studiile care arată că GluA1 este inserat extrasinaptic (Boehm și colab., 2006; Makino și Malinow, 2009; Oh și colab., 2006; Serulle și colab., 2007; Sun și colab., 2005). Aceste descoperiri reprezintă prima demonstrație pe care a observat-o cursul de timp pentru traficul de GluA1 (<5 minute) și calea in vitro sunt de asemenea observate in vivo. In plus, rezultatele noastre sugereaza ca stimulentele recompensatoare repetate modifica capacitatea de potentiere a sinapselor prin ridicarea grupului de receptori intraspinosi capabili sa fie traficati.

Deoarece zaharina a indus traficul GluA1 similar cu zaharoza, conținutul caloric de zaharoză nu este necesar. Zaharina stimulează același receptor de gust dulce, T1R2 / T2R3, sub formă de zaharoză (Masuda și colab., 2012; Nelson și colab., 2001), sactivarea ugerantă a acestui receptor probabil inițiază încorporarea lui GluA1 în sinapse MSN. Zaharoza ridică eliberarea de dopamină în accumbens de la neuronii VTA (Cacciapaglia și colab., 2012; McCutcheon și colab., 2012; Rada și colab., 2005) lde la traficul de suprafață GluA1. Astfel, calea care leagă receptorul gustului dulce de VTA este probabil să fie centrală pentru plasticitatea studiată aici.

Este posibil ca traficul rapid GluA1 după ingestia de sucroză să joace un rol în reglarea locomoției spontane. Într-adevăr, în cazul animalelor antrenate cu zaharoză, inhibarea CPAR a împiedicat creșterea activității locomotorii spontane imediat după ingestia de sucroză. Distanța totală parcursă de șobolani după consumul de zaharoză măsurată în zile consecutive a fost semnificativ crescută doar pentru perioada 3 min imediat după consumul de zaharoză în a șaptea zi de formare. Creșterea activității imediat după zaharoză a fost observată începând cu ziua 3 de antrenament, dar nu a devenit semnificativ diferită până în ziua 7. Acest timp de activitate se corelează cu durata de acumulare a GluA1 în dendritele de bază accumbens. Locomoția crescută a fost o consecință funcțională a traficului CPAR la sinapsele MSN din nucleul accumbens, deoarece injecția Naspm în nucleu a inhibat creșterea activității. Prevenirea locomoției ridicate de către un inhibitor al receptorului NMDA a demonstrat că semnalizarea glutamatului prin intermediul receptorilor NMDA, precum și a CPAR a fost necesară pentru a ridica activitatea locomotorie. Totuși, ingestia de zaharoză nu a fost afectată de blocarea semnalizării glutamatului, în conformitate cu studiile anterioare care demonstrează că miezul accumbens este implicat în orchestrarea răspunsurilor motorii legate de recompensa orosenzorizantă, dar nu consumul propriu-zis (Smith, 2004). Un timp similar pentru dezvoltarea hiperlocomoției a fost raportat pentru dezvoltarea hiperactivității condiționate la animalele hrănite cu mâncare zilnică într-un mediu distinct (Matthews și colab., 1996). Dacă reacția prezentă a fost o hiperactivitate condiționată care rezultă din asocierea contextului și sucroză, aceasta ar fi precedat administrarea sucrozei, care nu a fost observată. Este posibil ca subiecții să prezinte o excitare exploratorie. Experimente suplimentare ar fi necesare pentru a distinge dacă locomoția ridicată după ingestia de sucroză a fost excitată de explorare spre deosebire de o formă de sensibilizare motorie sau alt comportament. În orice caz, creșterea nivelului de locomoție spontană a necesitat semnalizarea glutamatului și a rezultat, cel puțin parțial, de încorporarea CPAR în nucleul accumbens.

Activitatea locomotorie crescută după ingestia de sucroză poate rezulta direct din potențarea observată a sinapselor de bază accumbens, deoarece creșterea producției din calea directă a ganglionilor bazali promovează locomoția prin dezinhibarea talamusului motor (Sesack și Grace, 2010). Tel a potențat sinapselor, cel mai probabil, se află pe neuronii nucleului accumbens, care exprimă D1Rs. Potențarea sinapselor neuronilor din căile directe ar rezulta în cazul în care activitatea D1R a indus traficul cu AMPAR-uri care conțin GluA1 la sinapse în acești neuroni după eliberarea robustă a dopaminei. Potențarea rezultată ar crește activitatea în proiecțiile inhibitoare ale neuronilor direcți direcți spre nucleele de ieșire ale ganglionilor bazali, dezinhibând astfel talamusul motor și promovând activitatea cortexului motor (Gerfen și Surmeier, 2011; Kravitz și colab., 2010; Sesack și Grace, 2010). Potențarea sinaptică observată după ingestia repetată de zaharoză are loc probabil în mod specific în neuronii direcționali, deoarece dopamina care acționează prin receptorul D1 poate induce fosforilarea GluA1 S845, conducând la traficul de suprafață.

Un număr de studii au examinat efectele stimulării repetate cu cocaină urmate de retragere, un tratament care exercită efecte profunde asupra funcției sistemului de recompensare și, eventual, duce la sensibilizarea cocainei, caracterizată prin reacții motorii crescute la cocaină, poftă de droguri și recădere (Kalivas și colab., 1998). Injectarea repetată de IP cu cocaină pentru zilele 5-10, urmată de retragere, a dus la o creștere treptată în timpul zilelor 14 la nivelul receptorilor AMPA de suprafață care conțin GluA2 (Boudreau și colab., 2007; Kourrich și colab., 2007). Cu toate acestea, la 45 zile de retragere după 10 d de autoadministrare, sa observat o creștere mare a indicelui de rectificare la MSN de șobolani (McCutcheon și colab., 2011b) indicând o creștere a CPAR. Astfel, traficul CPAR a fost observat atât în ​​urma ingestiei de sucroză, cât și în activitatea curentă, și de autoadministrare a cocainei, deși în condiții de tratament foarte diferite. Deoarece consecințele imediate ale autoadministrării sau injectării de cocaină (de exemplu, la 5 minute post) nu sunt cunoscute, acțiunea de cocaină nu poate fi comparată direct cu activitatea curentă de zaharoză. De asemenea, nu se știe dacă CPAR-urile persistă în sinapsele MSN ale animalelor antrenate în zaharoză după întreruperea instruirii cu zaharoză sau dacă aceste animale prezintă sensibilizare la zaharoză după retragerea îndelungată.

Înțelegerea modului în care stimulatorii recompensa reglează plasticitatea și comportamentul accumbens sunt critice pentru abordarea dependenței, a hiperfagiei, a jocurilor de noroc patologice și a altor tulburări comportamentale (Basar și colab., 2010; Berridge, 2009; Luscher și Malenka, 2011). Supraconsumul de zahăr contribuie la epidemia de obezitate (Hu și Malik, 2010) și, deși potențial similar cu abuzul de droguri (Avena și colab., 2008), mecanismul său nu a fost explorat pe larg. Constatările actuale stabilesc elementele de bază ale plasticității induse de recompensă, din care studiile viitoare se pot adresa reglementării comportamentului complex, oferind potențiale noi căi de a se confrunta cu patologii legate de recompense.

recunoasteri

Mulțumim membrilor Laboratorului Ziff, din trecut și din prezent, pentru asistență tehnică și discuții utile, inclusiv H. Girma, L. Lee și Dr. B. Fernholz, B. Jordan, W. Lu, G. Rameau, S. Restituito & Y. Serulle. Această lucrare a fost susținută de Institutul Național de Sănătate Mentală Predoctoral Fellowship F31MH76617-01 și NIH Training Grant 5T32DC000063 pentru New York University Programul de Formare în Neuroștiințe (DST), R01NS061920 de la Institutul Național de Tulburări Neurologice și Accident vascular cerebral (EBZ), 1R21MH091445- 01 de la Institutul Național de Sănătate Mentală și Biroul de Cercetări pentru Sănătatea Femeilor, Programul de Granturi pentru Fundația Familiei Klarman în Cercetarea Tulburărilor Alimentare, Fondul de Cercetare al NYU și P30EY13079 (CA), Institutul Național pentru Grantul pentru Abuzul de Droguri DA003956 și un Premiu Investigator Independent de la NARSAD (KDC), Institutul Național pentru surditate și alte tulburări ale comunicațiilor acordă DC009635 către RCF și printr-o subvenție de semințe în Centrul de excelență pentru dependență de la Universitatea din New York Langone Medical Center.

Note de subsol

Conflictul de interese: Autorii nu declară interese financiare concurente.

Referinte

  1. Avena NM, Rada P, Hoebel BG. Dovezi privind dependența de zahăr: efectele comportamentale și neurochimice ale aportului intermitent, excesiv de zahăr. Neurosci Biobehav Rev. 2008; 32: 20-39. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  2. Basar K, Sesia T, Groenewegen H, Steinbusch HW, Visser-Vandewalle V, Temel Y. Nucleus accumbens și impulsivitate. Prog Neurobiol. 2010; 92: 533-557. [PubMed]
  3. Berridge KC. „Îmi place” și „dorim” recompense alimentare: substraturi ale creierului și roluri în tulburările alimentare. Fiziologie și comportament. 2009; 97: 537-550. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  4. Boehm J, Kang MG, Johnson RC, Esteban J, Huganir RL, Malinow R. Incorporarea sinaptică a receptorilor AMPA în timpul LTP este controlată de un situs de fosforilare PKC pe GluR1. Neuron. 2006; 51: 213-225. [PubMed]
  5. Boudreau AC, Reimers JM, Milovanovic M, Wolf ME. Receptorii receptorului AMPA la nivelul nucleului accumbens de șobolan cresc în timpul retragerii cocainei, dar se internalizează după provocarea cu cocaină în asociere cu activarea modificată a protein kinazelor activate de mitogen. J Neurosci. 2007; 27: 10621-10635. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  6. Brebner K, Wong TP, Liu L, Liu Y, Campsall P, Grey S, Phelps L, Phillips AG, Wang YT. Nucleus accumbens depresie pe termen lung și expresia sensibilizării comportamentale. Ştiinţă. 2005; 310: 1340-1343. [PubMed]
  7. Cacciapaglia F, MP Saddoris, Wightman RM, Carelli RM. Diferențialitatea dinamicii eliberării dopaminei în nucleul nucleului accumbens și coajă tratează aspecte distincte ale comportamentului orientat spre țintă pentru zaharoză. Neurofarmacologie 2012 [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  8. Calabresi P, Maj R, Pisani A, Mercuri NB, Bernardi G. Depresia sinaptică pe termen lung în striatum: caracterizarea fiziologică și farmacologică. J Neurosci. 1992; 12: 4224-4233. [PubMed]
  9. Carr KD, Chau LS, Cabeza de Vaca S, Gustafson K, Stouffer M, Tukey DS, Restituito S, Ziff EB. Subunitatea receptorului AMPA GluR1 în aval de stimularea receptorului dopaminei D-1 în carcasa nucleului accumbens mediază mărimea recompensă a medicamentului la șobolanii cu restricție la alimente. Neuroscience. 2010; 165: 1074-1086. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  10. Conrad KL, Tseng KY, Uejima JL, Reimers JM, Heng LJ, Shaham Y, Marinelli M, Wolf ME. Formarea adulților GluR2 lipsiți de receptori AMPA mediază incubarea poftei de cocaină. Natură. 2008; 454: 118-121. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  11. Ziua JJ, Carelli RM. Nucleul accumbens și învățarea recompensării Pavlovian. Neurolog. 2007; 13: 148-159. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  12. de Araujo IE, Oliveira-Maia AJ, Sotnikova TD, Gainetdinov RR, Caron MG, Nicolelis MA, Simon SA. Recompensă alimentară în absența semnalizării receptorilor de gust. Neuron. 2008; 57: 930-941. [PubMed]
  13. Ehlers MD, Heine M, Groc L, Lee MC, Choquet D. Capturarea difuzională a receptorilor GluR1 AMPA prin activitate sinaptică specifică intrării. Neuron. 2007; 54: 447-460. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  14. Esteban JA, Shi SH, Wilson C, Nuriya M, Huganir RL, Malinow R. PKA fosforilarea subunităților receptorului AMPA controlează traficul sinaptic sub forma plasticității. Nat Neurosci. 2003; 6: 136-143. [PubMed]
  15. Gerfen CR, Surmeier DJ. Modularea sistemelor de proiectie striatala de dopamina. Revizuirea anuală a neuroștiințelor. 2011; 34: 441-466. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  16. Grueter BA, Brasnjo G, Malenka RC. Postsynapticul TRPV1 declanșează depresia pe termen lung specifică tipului celular în nucleul accumbens. Neuroștiința naturii. 2010; 13: 1519-1525. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  17. He K, Song L, Cummings LW, Goldman J, Huganir RL, Lee HK. Stabilizarea receptorilor AMPA permeabili cu Ca2 + la situsurile perisinaptice prin fosforilare GluR1-S845. Proc Natl Acad Sci SUA A. 2009; 106: 20033-20038. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  18. Hu FB, Malik VS. Băuturi îndulcite cu zahăr și risc de obezitate și diabet de tip 2: dovezi epidemiologice. Fiziologie și comportament. 2010; 100: 47-54. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  19. Isaac JT, Ashby MC, McBain CJ. Rolul subunității GluR2 în funcția receptorului AMPA și plasticitatea sinaptică. Neuron. 2007; 54: 859-871. [PubMed]
  20. Jordan BA, Fernholz BD, Boussac M, Xu C, Grigorean G, Ziff EB, Neubert TA. Identificarea și verificarea proteinelor noi de densitate postsynaptică a rozătoarelor. Mol Cell Proteomics. 2004; 3: 857-871. [PubMed]
  21. Kalivas PW, Pierce RC, Cornish J, Sorg BA. Un rol de sensibilizare în dorința și recaderea în dependența de cocaină. J. Pharmacol. 1998; 12: 49-53. [PubMed]
  22. Kitagawa M, Kusakabe Y, Miura H, Ninomiya Y, Hino A. Identificarea genetică moleculară a unei gene candidate a receptorului pentru gust dulce. Cercetare biochimică și biofizică. 2001; 283: 236-242. [PubMed]
  23. Kourrich S, Rothwell PE, Klug JR, Thomas MJ. Experiența cocainei controlează plasticitatea sinaptică bidirecțională în nucleul accumbens. J Neurosci. 2007; 27: 7921-7928. [PubMed]
  24. Kravitz AV, Freeze BS, Parker PR, Kay K, Thwin MT, Deisseroth K, Kreitzer AC. Reglarea comportamentelor motorii parkinsoniene prin controlul optogenetic al circuitelor ganglionare bazale. Natură. 2010; 466: 622-626. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  25. LaPlant Q, Vialou V, Covington HE, 3rd, Dumitriu D, Feng J, Warren BL, Maze I, Dietz DM, Watts EL, Iniguez SD, și colab. Dnmt3a reglează comportamentul emoțional și plasticitatea coloanei vertebrale în nucleul accumbens. Nat Neurosci. 2010; 13: 1137-1143. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  26. Liu SJ, Zukin RS. Receptorii AMPA permeabili cu Ca2 + în plasticitatea sinaptică și moartea neuronală. Tendințe în neuroștiințe. 2007; 30: 126-134. [PubMed]
  27. Lu W, Isozaki K, Roche KW, Nicoll RA. Direcționarea sinaptică a receptorilor AMPA este reglată de un situs CaMKII în prima bucle intracelulare a GluA1. Proc Natl Acad Sci SUA A. 2010; 107: 22266-22271. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  28. Lu W, Roche KW. Reglementarea posttranslațională a traficului și funcției receptorilor AMPA. Opinia curentă în neurobiologie 2011 [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  29. Luscher C, Malenka RC. De la medicamente, plasticitatea sinaptică în dependență: de la modificările moleculare la remodelarea circuitelor. Neuron. 2011; 69: 650-663. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  30. Makino H, Malinow R. Integrarea receptorului AMPA în sinapse în timpul LTP: rolul mișcării laterale și exocitoză. Neuron. 2009; 64: 381-390. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  31. Mameli M, Halbout B, Creton C, Engblom D, Parkitna JR, Spanagel R, Luscher C. Plasticitatea sinaptică evocată de cocaină: persistența în VTA declanșează adaptările în NAc. Nat Neurosci. 2009; 12: 1036-1041. [PubMed]
  32. Masura K, Koizumi A, Nakajima K, Tanaka T, Abe K, Misaka T, Ishiguro M. Caracterizarea modurilor de legare între receptorul gust dulce uman și compușii dulci cu greutate moleculară mică. Plus unu. 2012; 7: e35380. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  33. Matthews K, Wilkinson LS, Robbins TW. Repetarea separării materne a șobolanilor prematurați atenuează răspunsurile comportamentale la stimulentele primare și condiționate la vârsta adultă. Physiol Behav. 1996; 59: 99-107. [PubMed]
  34. Max M, Shanker YG, Huang L, Rong M, Liu Z, Campagne F, Weinstein H, Damak S, Margolskee RF. Tas1r3, codificând un nou receptor de gust candidat, este alelică față de locusul de reacție dulce Sac. Genetica naturii. 2001; 28: 58-63. [PubMed]
  35. McCutcheon JE, Beeler JA, Roitman MF. Zaharoza-indicii predictivi evoca o eliberare mai mare de dopamina fazica decat indicii predictive de zaharina. Synapse. 2012; 66: 346-351. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  36. McCutcheon JE, Wang X, Tseng KY, Wolf ME, Marinelli M. Receptorii AMPA permeabili la calciu sunt prezenți în sinapsele nucleului accumbens după retragerea prelungită de la autoadministrarea cocainei, dar nu și cocaină administrată de experimentator. Jurnalul de neuroștiințe: jurnalul oficial al Societății pentru Neuroștiințe. 2011a; 31: 5737-5743. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  37. McCutcheon JE, Loweth JA, Ford KA, Marinelli M, Wolf ME, Tseng KY. Activarea mGluR din grupul I inversă acumularea indusă de cocaină a receptorilor AMPA permeabili la calciu în nucleul accumbenssynapses printr-un mecanism dependent de proteina kinază C. J Neurosci. 2011b; 31: 14536-14541. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  38. Nedelescu H, Kelso CM, Lazaro-Munoz G, Purpura M, Cain CK, Ledoux JE, Aoki C. Receptorii endogeni ai receptorului AMPA conținând GluR1 translocă la sinapsele asimetrice în amigdala laterală în faza timpurie a formării memoriei fricii: imunocytochimice microscopice electronice studiu. Jurnalul de neurologie comparativă. 2010; 518: 4723-4739. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  39. Nelson G, Hoon MA, Chandrashekar J, Zhang Y, Ryba NJ, Zuker CS. Receptori de gust dulci de mamifere. Cell. 2001; 106: 381-390. [PubMed]
  40. Oh MC, Derkach VA, Guire ES, Soderling TR. Traficul de membrană extrasynaptic, reglementat de fosforilarea GluR1 serine 845, primește receptorii AMPA pentru potențierea pe termen lung. J Biol Chem. 2006; 281: 752-758. [PubMed]
  41. Pascoli V, Turiault M, Luscher C. Inversarea potențării sinaptice evocate de cocaină reia comportamentul adaptiv indus de droguri. Natură. 2012; 481: 71-75. [PubMed]
  42. Planta K, Pelkey ​​KA, Bortolotto ZA, Morita D, Terashima A, McBain CJ, Collingridge GL, Isaac JT. Încorpurarea tranzitorie a receptorilor AMPA nativi lipsiți de GluR2 în timpul potențierii hipocampale pe termen lung. Nat Neurosci. 2006; 9: 602-604. [PubMed]
  43. Rada P, Avena NM, Hoebel BG. Zgomotul zilnic pe zahăr eliberează în mod repetat dopamină în cochilia accumbens. Neuroscience. 2005; 134: 737-744. [PubMed]
  44. Roche KW, O'Brien RJ, Mammen AL, Bernhardt J, Huganir RL. Caracterizarea siturilor multiple de fosforilare pe subunitatea receptorului AMPA GluR1. Neuron. 1996; 16: 1179-1188. [PubMed]
  45. Rumpel S, LeDoux J, Zador A, Malinow R. Traficul receptorilor postsynaptici subiacente unei forme de învățare asociativă. Ştiinţă. 2005; 308: 83-88. [PubMed]
  46. Sainz E, Korley JN, Battey JF, Sullivan SL. Identificarea unui membru nou al familiei T1R de receptori de gust presupus. Oficial al neurochimiei. 2001; 77: 896-903. [PubMed]
  47. Serulle Y, Zhang S, Ninan I, Puzzo D, McCarthy M, Khatri L, Arancio O, Ziff EB. O interacțiune GluR1-cGKII reglementează traficul de receptori AMPA. Neuron. 2007; 56: 670-688. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  48. Sesack SR, Grace AA. Rețeaua de recompensă Cortico-Basal Ganglia: microcircuit. Neuropsihopharmacology: publicație oficială a Colegiului American de Neuropsihopharmacology. 2010; 35: 27-47. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  49. Smith GP. Accumbens dopamina mediază efectul de recompensă al stimulării orosensorii de către zaharoză. Apetit. 2004; 43: 11-13. [PubMed]
  50. Smith WB, Starck SR, Roberts RW, Schuman EM. Stimularea dopaminergică a sintezei proteinelor locale sporește exprimarea de suprafață a GluR1 și transmiterea sinaptică în neuronii hipocampali. Neuron. 2005; 45: 765-779. [PubMed]
  51. Sun X, Milovanovic M, Zhao Y, Wolf ME. Stimularea receptorilor dopați acută și cronică modulează traficul receptorilor AMPA în neuronii nucleului accumbens culturat cu neuroni cortex prefrontal. Jurnalul de neuroștiințe: jurnalul oficial al Societății pentru Neuroștiințe. 2008; 28: 4216-4230. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  52. Sun X, Zhao Y, Wolf ME. Stimularea receptorului dopaminic modulează inserția sinaptică a receptorului AMPA în neuronii cortexului prefrontal. J Neurosci. 2005; 25: 7342-7351. [PubMed]
  53. Thomas MJ, Beurrier C, Bonci A, Malenka RC. Depresia pe termen lung în nucleul accumbens: corelarea neuronală a sensibilizării comportamentale la cocaină. Nat Neurosci. 2001; 4: 1217-1223. [PubMed]
  54. Ungless MA, Whistler JL, Malenka RC, Bonci A. Expunerea individuală a cocainei in vivo determină potențarea pe termen lung a neuronilor dopaminergici. Natură. 2001; 411: 583-587. [PubMed]
  55. Whitlock JR, Heynen AJ, Shuler MG, Ursul MF. Învățarea determină potențarea pe termen lung în hipocamp. Ştiinţă. 2006; 313: 1093-1097. [PubMed]