Biol Psychiatry. 2008 Dec 1; 64 (11): 941-50. Epub 2008 Jul 26.
Teegarden SL, Nestler EJ, Bale TL.
Источник
Отдел биологии животных Университета Пенсильвании, Филадельфия, PA 19104-6046, США.
Абстрактные
ЗАДНИЙ ПЛАН:
Чувствительность к вознаграждению была замечена как предрасполагающий фактор поведения, связанного со злоупотреблением наркотиками, а также с перееданием. Однако основные механизмы, способствующие повышению чувствительности вознаграждения, неизвестны. Мы предположили, что дисрегуляция в сигнале допамина может быть основной причиной повышенной чувствительности к награде, благодаря чему поощряющие стимулы могут действовать, чтобы нормализовать систему.
МЕТОДЫ:
Мы использовали модель генетической мыши с повышенной чувствительностью к награде, сверхэкспрессирующей мышью Delta FosB, чтобы исследовать изменения путей распространения в ответ на приемлемую диету с высоким содержанием жиров. Маркеры сигналов награды у этих мышей были исследованы как в основном, так и после 6 недель благоприятного рациона питания. Мышей исследовали в поведенческом тесте после отмены обезжиренной диеты, чтобы оценить уязвимость этой модели для удаления полезных стимулов.
РЕЗУЛЬТАТЫ:
Наши результаты демонстрируют измененную активацию поощрительной активации вдоль ячеек прилегающих областей гипоталамо-вентральной тегментальной области, возникающих в результате избыточной экспрессии Delta FosB в прилежащих ядрах и полосатых областях, Уровни фосфорилированного циклического аденозинмонофосфата (цАМФ), связывающего белок (PCREB), мозговой нейротрофический фактор (BDNF), и дофаминовый и циклический аденозинмонофосфатный регулируемый фосфопротеин с молекулярной массой 32 кДа (DARPP-32) в ядре accumbens были уменьшены у мышей Delta FosB, что наводит на мысль о снижении передачи сигналов дофамина. Шесть недель потребления жирной диеты полностью смягчили эти различия, выявив мощную полезную способность приемлемой диеты. Мыши Delta FosB также показали значительное увеличение двигательной активности и связанных с беспокойством ответов 24 часов после отмены с высоким содержанием жиров.
ВЫВОДЫ:
Эти результаты определяют основную чувствительность к изменениям в вознаграждении, связанным с дисрегуляцией сигналов Delta FosB и допамина, которые могут быть нормализованы с приемлемыми рационами и могут быть предрасполагающим фенотипом при некоторых формах ожирения.
Введение
Несмотря на наши растущие знания о нейронных системах, которые контролируют аппетит и сытость, в Соединенных Штатах продолжают расти ожирение. Современные лекарственные препараты имеют ограниченную эффективность, а изменения в поведении страдают от минимального долгосрочного соответствия (1). Потребление калорийно-плотных, вкусных продуктов связано с изменениями в стрессовых и компенсационных путях в мозге, предполагая, что полезные свойства таких продуктов могут переопределять сигналы баланса энергии (2-4). Продукты с высоким содержанием жира действуют как естественные награды, активируя центры вознаграждения мозга так же, как наркотики злоупотребления, и как таковые использовались в парадигмах самообслуживания (5-8). Таким образом, вполне вероятно, что поведение и мотивация для переедания и злоупотребления наркотиками имеют общие основные механизмы, потенциально открывающие новые пути лечения для обоих состояний.
Изучая связь между вкусными продуктами и путями, регулирующими вознаграждение и стресс в мозге, мы ранее идентифицировали молекулярные и биохимические маркеры с уменьшенной премией и повышенным стрессом после ухода из приемлемой диеты с высоким содержанием жиров (HF). Подобно препаратам злоупотребления, подверженность вкусной диете в наших исследованиях приводила к увеличению уровней транскрипционного фактора ΔFosB в ядре accumbens (NAc), центральной структуре вознаграждения мозга (9, 10), Мыши, которые индуцивно сверхэкспрессируют ΔFosB, демонстрируют повышенный инструментальный ответ на награду за питание (11), что делает их ценным инструментом для изучения роли чувствительности вознаграждения и долговременной дисрегуляции системы вознаграждения в молекулярных и биохимических ответах на приемлемую диету.
В настоящем исследовании мы использовали мышей с избыточной экспрессией ΔFosB для изучения долгосрочных изменений маркеров вознаграждения в нейроциркуляции NAc-гипоталамус-вентральной тегментальной области (VTA) в ответ на приемлемую диету HF. Основываясь на предыдущих исследованиях у этих чувствительных к препаратам мышей, мы предположили, что индуцированные ΔFosB изменения чувствительности к награде включают в себя дисрегуляцию в сигнале допамина, вызванную обратной связью NAc с VTA. Кроме того, мы предположили, что воздействие естественной награды энергетически плотной диеты HF затем нормализует дофаминергическую систему у этих мышей, что приводит к преувеличенному ответу на стресс от выхода из этой диеты HF, Уникальный аспект использования приемлемой диеты в качестве полезного вещества позволяет нам включать гипоталамические входы, чтобы вознаградить схемы в фенотипе, который может быть предсказан для населения, предрасположенного к устойчивому к лечению ожирению. Чтобы исследовать эту гипотезу, мы изучили маркеры нейротрансмиссии допамина, включая pCREB, BDNF и DARPP-32 в NAc и тирозингидроксилазе и транспортере допамина в VTA после воздействия HF. Мы также изучили специфические маркеры энергетического баланса, которые, как известно, влияют на выход дофамина, включая рецепторы лептина и ордецина в экспрессии VTA и экспрессию в латеральной гипоталамусе.
Материалы и методы
Животные
Самцы битрансгенных мышей, которые индуцивно сверхэкспрессируют ΔFosB в диморфин-положительных нейронах в NAc и дорсальном полосатом (Kelz et al., 1999), генерируют на смешанном фоне (ICR: C57Bl6 / SJL) в Юго-западном медицинском центре Университета Техаса и поддерживали и испытаны в Университете Пенсильвании. Все мыши содержали доксициклин (100 мкг / мл в питьевой воде) до прибытия в Пенсильванский университет. Чтобы вызвать избыточную экспрессию, удаксициклин удаляли (n = 23) (12). Контрольные мыши (n = 26) продолжали получать препарат. Мышей назначали на группы диеты через 8 недель после удаления доксицилина, в течение которого было показано, что выражение достигает максимального уровня (13). Мышей поддерживали на 12: 12 светло-темном цикле (огни на 0700) с пищей и водой, доступной в свободном доступе. Все исследования проводились в соответствии с экспериментальными протоколами, одобренными Комитетом по институциональному уходу и использованию животных Университета Пенсильвании, и все процедуры проводились в соответствии с институциональными руководящими принципами.
Диетическое воздействие
Мышей выдерживали на домашней чаше (n = 16) или помещали на HF (n = 16-17) в течение шести недель. Домашний чау-чау (Diet Purina Lab, Сент-Луис, Миссури) содержал 4.00 ккал / г, состоящий из белка 28%, 12% жира и 60% углеводов. Диета HF (Research Diets, New Brunswick, NJ) содержала 4.73 ккал / г, состоящую из белка 20%, 45% жира и 35% углеводов.
Биохимия и экспрессия генов
Мышей анализировали после шести недель воздействия диеты. Мозги удаляли из черепа и либо замороженные целые на сухом льду, либо NAc рассекали (приблизительно 0.5 - 1.75 мм от брегмы, на глубине 3.5 - 5.5 мм) и замораживали в жидком азоте. Ткань хранилась при -80 ° C до анализа.
Биохимический анализ
Методы Вестерн-блоттинга описаны в дополнительных материалах. Использовали антитела: Cdk5, CREB и BDNF (1: 500, Santa Cruz Biotechnology, Santa Cruz, CA) и фосфо-CREB (pCREB) (Ser 133) (1: 500, Cell Signaling Technology, Danvers, MA).
Авторадиография рецептора
Подробные методы авторадиографии описаны в дополнительных материалах. Использовали лиганды 2 nM H3 - SCH 23390 и 5 nM H3 - spiperone (PerkinElmer, Boston, MA).
Гибридизация in situ
Обработку и гибридизацию тканей выполняли, как описано выше (14). Зонд DARPP-32 любезно предоставил П. Грингард (Университет Рокфеллера) и зонд орксина Дж. Элмквиста (Юго-западный медицинский центр Университета Техаса). Слайды, анализируемые для DARPP-32, были прикреплены к пленке в течение дней 3, а слайды, анализируемые для orexin, были прикреплены к пленке для дней 4. Количественное определение изображений пленки проводили, как описано ранее (10).
QRT-ПЦР
РНК выделяли из VTA и экспрессию отдельных генов оценивали с использованием анализов экспрессии гена TaqMan (Applied Biosystems, Foster City, CA). Подробные методы и статистический анализ можно найти в дополнительных материалах.
Поведенческие анализы
Чтобы исследовать влияние чувствительности вознаграждения на изменения поведения, вызванные диетой, подмножество мышей было отозвано из HF после четырех недель воздействия и возвращено на домашнюю чау (n = контроль 9, n = 8 ΔFosB). Через двадцать четыре часа после отмены мышей подвергали тестированию на открытом поле в соответствии с нашей ранее опубликованной парадигмой отмены питания (10). Вкратце, мышь была помещена в центр устройства с открытым полем и контролировалась в течение пяти минут. Измерялись общие кресты линий, фекальные боли, время в центре и кресты в центр.
Показатели
Все данные, кроме вестерн-блоттинга, анализировали с использованием двухфакторного дисперсионного анализа (ANOVA) с последующим PLSD-тестом Фишера с обработкой доксициклином (экспрессия ΔFosB) и условиями диеты в качестве независимых переменных. Для анализов RT-PCR использовалось пониженное значение P для корректировки множественных сравнений внутри групп родственных генов (см. Дополнительные материалы). Вестерн-блоттинг анализировали с использованием t-критерия Стьюдента с обработкой доксициклином в качестве независимой переменной, сравнивая оптические плотности в пределах одного блоттинга. Все данные представлены как среднее ± стандартная ошибка среднего.
Итоги
Базальные биохимические различия
Чтобы выяснить молекулярные пути, лежащие в основе повышенной чувствительности к вознаграждению у мышей со сверхэкспрессией ΔFosB, в NAc были исследованы уровни нескольких ключевых сигнальных молекул. Наблюдалась тенденция к увеличению уровней Cdk5 в NAc мышей ΔFosB по сравнению с контрольными животными из одного помета, получавшими доксициклин (F = 5.1, P = 0.08; фиг. 1A). Мыши ΔFosB экспрессировали значительно сниженные уровни pCREB (F = 7.4, P <0.05; фиг. 1B), а также общие уровни CREB (F = 5.4, P = 0.05; фиг. 1C). Значительное снижение BDNF также наблюдалось в NAc мышей ΔFosB (F = 10.6, P <0.05; фиг. 1D).
Рисунок 1
Мыши, сверхэкспрессирующие ΔFosB, выставили биохимические маркеры с пониженной дофаминовой сигнализацией в NAc
Потребление пищи и масса тела на диете с высоким содержанием жиров
Затем мы исследовали влияние естественной диеты на HF на изменения сигнальных молекул у мышей со сверхэкспрессией ΔFosB. Не было различий между мышами ΔFosB и контрольной группой в потреблении пищи ни в доме, ни в HF. Однако при воздействии HF наблюдалось общее снижение потребления калорий, нормализованное к массе тела, что было характерно для мышей ΔFosB (F = 11.2, P <0.01; рис. 2A). По истечении шести недель воздействия диеты мыши, получавшие HF, весили значительно больше, чем мыши, получавшие пищу (F = 17.2, P <0.001), а мыши ΔFosB в целом весили меньше, чем контрольные (F = 5.6, P <0.05; рис. 2Б). Этот эффект был характерен для различий между группами, соблюдающими диету (P <0.05).
Рисунок 2
Мышцы с избыточной экспрессией ΔFosB не выявили различий в потреблении пищи на диете с чаем или с высоким содержанием жира (HF)
Биохимические различия в диете с высоким содержанием жиров
Чтобы определить, как базальные различия в сигнале NAc могут быть изменены с помощью диеты HF, те же сигнальные белки, изученные на исходном уровне, были исследованы у животных, получивших шесть недель HF. Существенных различий в уровнях Cdk5 (рис. 3A) не было. Уровни pCREB и общего CREB больше не различались после шести недель HF (рис. 3B, C). Уровни BDNF значительно повышались у мышей ΔFosB после шести недель воздействия HF (F = 6.5, P = 0.05, рис. 3D).
Рисунок 3
Диета с высоким содержанием жира (HF) улучшала сигналы, наблюдаемые в NAc сверхэкспрессирующих мышей ΔFosB
Авторадиография рецепторов допамина
Мы использовали авторадиографию рецепторов, чтобы оценить, связаны ли вызванные ΔFosB изменения в передаче сигналов дофамина в NAc с изменениями в экспрессии рецепторов дофамина (рис. 4A). Диета с высоким содержанием жиров, по-видимому, немного увеличивала плотность связывания с рецептором допамина D1 (P = 0.14), и эта разница была больше у мышей ΔFosB (фиг. 4B). Также наблюдалась тенденция к увеличению площади связывания D1 после HF (P = 0.06), и апостериорные испытания показали, что это было значимым у мышей ΔFosB (P <0.05; фиг. 4C). В отличие от рецепторов D1, нет изменений в плотности связывания рецептора D2 (контрольный корм = 97.6 ± 6.9, контроль HF = 101.1 ± 8.2, ΔFosB chow = 91.6 ± 1.0, ΔFosB HF = 94.8 ± 9.5) или площади связывания (контрольный корм = 47.3 ± 3.4, контроль HF = 53.8 ± 6.0, ΔFosB chow = 51.9 ± 3.7, ΔFosB HF = 49.0 ± 3.3) в NAc.
Рисунок 4
Диета с высоким содержанием жиров (HF) приводила к изменениям в связывании с рецептором дофаминового D1 и экспрессии DARPP-32 в ядре accumbens (NAc) сверхэкспрессирующих мышей ΔFosB
Выражение DARPP-32 в NAc
Гибридизацию in situ использовали для определения уровней экспрессии DARPP-32 в NAc (фиг. 4D). Диета с высоким содержанием жиров значительно увеличивала экспрессию DARPP-32 в этой области мозга (F = 5.1, P <0.05), и наблюдалась значительная взаимосвязь между диетой и экспрессией ΔFosB (F = 8.9, P <0.05), при этом мыши ΔFosB демонстрировали большую изменение диеты (рис. 4E). Базальное различие в экспрессии DARPP-32 между контрольными мышами и мышами ΔFosB было выявлено ретроспективным тестированием (P <0.01), а также значительное увеличение экспрессии DARPP-32 у мышей ΔFosB на HF (P <0.01).
Выражение гена в VTA
QRT-PCR использовалась для оценки изменений экспрессии генов в VTA, нацеленных на несколько ключевых генов, ранее участвовавших в регуляции вознаграждения. Все образцы были нормализованы по β-актину. Чтобы гарантировать, что экспрессия β-актина не изменилась в результате обработки, был проведен отдельный анализ для сравнения β-актина со вторым внутренним контролем, GAPDH. Не было достоверных различий в экспрессии β-актина (значения ΔCT, β-актин - GAPDH: контрольный корм = 2.29 ± 0.21, контроль HF = 2.01 ± 0.04, ΔFosB chow = 2.32 ± 0.49, ΔFosB HF = 2.37 ± 0.10).
Для экспрессии тирозингидроксилазы наблюдалась тенденция взаимодействия между экспрессией ΔFosB и диетическим лечением (F = 3.6, P <0.06; фиг. 5A). Шесть недель воздействия HF, по-видимому, снижали экспрессию тирозингидроксилазы у контрольных мышей и увеличивали экспрессию у мышей ΔFosB. Значительное взаимодействие между экспрессией ΔFosB и воздействием диеты наблюдалось для экспрессии переносчика дофамина (F = 6.7, P <0.03; фиг. 5B). Подобно тирозингидроксилазе, воздействие HF снижает экспрессию переносчика дофамина у контрольных мышей и значительно увеличивает экспрессию у мышей ΔFosB (P <0.05). Базовая разница в экспрессии переносчика дофамина между контрольными мышами и мышами ΔFosB не достигла значимости (P = 0.16), но после 6 недель HF мыши ΔFosB экспрессировали значительно повышенные уровни переносчика дофамина по сравнению с контролем (P <0.05).
Рисунок 5
Высокое содержание жировой диеты (HF) и экспрессия ΔFosB привели к изменениям экспрессии ряда ключевых молекул в VTA
Наблюдалась тенденция, указывающая на эффект увеличения экспрессии ΔFosB на снижение уровней TrkB в VTA (F = 5.7, P <0.04; фиг. 5C). Хотя основных эффектов на экспрессию κ-опиоидных рецепторов не наблюдалось, наблюдалась тенденция к снижению экспрессии у мышей ΔFosB (P = 0.08; фиг. 5D). Экспрессия рецептора лептина также определялась в VTA. Был обнаружен значительный эффект воздействия диеты (F = 6.1, P <0.03), при этом HF значительно снижал уровни рецептора лептина в VTA как у ΔFosB, так и у контрольных мышей (фиг. 5E). Экспрессия рецептора орексина 1 в VTA также была исследована. Наблюдалось значительное влияние диеты на экспрессию рецептора орексина (F = 9.0, P <0.02), при этом мыши, подвергшиеся воздействию HF, экспрессировали более высокие уровни в VTA (фиг. 5F). Также наблюдалась тенденция для мышей ΔFosB экспрессировать в целом более высокие уровни рецептора орексина 1 в этой области мозга (P <0.05).
Экспрессия орексина в латеральной гипоталамусе
Мы измерили уровни орексина в латеральном гипоталамусе, источник орексинергической иннервации VTA, с помощью гибридизации in situ (рис. 6А). Наблюдалась значительная взаимосвязь между экспрессией ΔFosB и воздействием диеты на экспрессию орексина (F = 9.1, P <0.01), при этом HF значительно увеличивал уровни орексина у контрольных мышей (P <0.05) и снижал экспрессию у мышей ΔFosB (фиг. 6B). Хотя не было значительных различий в экспрессии орексина в базальном состоянии, после 6 недель приема HF мыши ΔFosB экспрессировали значительно сниженные уровни орексина по сравнению с контролем (P <0.05).
Рисунок 6
Диета с высоким содержанием жира (HF) имела дифференциальные эффекты на экспрессию orexin в контроле (Ctrl) и ΔFosB сверхэкспрессирующих мышах
BeПоведенческие анализы
Чтобы оценить изменения возбуждения и эмоциональности из-за изменения диеты, мышей подвергали тесту в открытом поле через 24 часа после отмены диеты HF (10). На общее количество пересечений линий, которые оценивали как меру возбуждения, значительно влияли экспрессия ΔFosB (F = 6.6, P <0.05) и диета (F = 4.6, P <0.05; фиг. 7A). Мыши ΔFosB были более активны в новой среде, чем контрольные, и апостериорные испытания показали, что мыши, исключенные из HF, были значительно более активными, чем те, которые принимали пищу (P <0.05). Фекальные комочки учитывались как показатель тревожного поведения (10). Был основной эффект экспрессии ΔFosB (F = 10.2, P <0.01), когда мыши с избыточной экспрессией ΔFosB производили больше фекальных комочков в новой среде, особенно в группах домашнего корма и отмены HF (фиг. 7B). Мыши ΔFosB, которых содержали на диете HF, производили меньше фекальных болюсов, чем у мышей, которым давали пищу, и у мышей, отозванных за 24 часа до теста. На контрольных мышей диета не влияла. Не было значительного влияния ни экспрессии ΔFosB, ни диеты на время, проведенное в центре открытого поля (контрольная еда = 14.5 ± 3.1 сек, контрольная HF = 18.0 ± 3.2 сек, контрольная W / D = 15.4 ± 1.9 сек, еда ΔFosB = 16.9 ± 2.4 с, ΔFosB HF = 13.1 ± 3.9 с, ΔFosB W / D = 19.8 ± 2.6 с).
Рисунок 7
Мыши, чрезмерно выражающие ΔFosB, были более чувствительны к последствиям отмены с высоким содержанием жиров (HF)
Обсуждение
При лечении ожирения существует критическая потребность в идентификации факторов, которые влияют на восприимчивость к перееданию и увеличению веса. Пути поощрения мозга играют важную роль в мотивации и реакции на вкусные продукты и диетические изменения (6, 10, 15, 16). Поскольку орксигенные и анорексигенные сигналы могут напрямую влиять на сигнализацию награды через схему гипоталамуса-VTA-NAc, выяснение генов, реагирующих на богатые энергией приемные диеты в центрах вознаграждения, может обеспечить новые терапевтические цели при лечении ожирения (17, 18). Таким образом, мы рассмотрели биохимические и молекулярные маркеры передачи сигналов вознаграждения и энергетического баланса вдоль схемы гипоталамуса-VTA-NAc в ответ на диету HF у мышей с избыточной экспрессией ΔFosB в качестве модели повышенной чувствительности к изменениям вознаграждения (13, 19, 20) , и поведенческая чувствительность после отмены питания. Мы предположили, что базальная дисрегуляция сигналов допамина у мышей ΔFosB будет нормализована полезными эффектами диеты HF, охватывающей пересечение сигналов баланса энергии и дофаминовой системы.
Чтобы исследовать маркеры, указывающие на дисрегуляцию в сигнале допамина в NAc, мы исследовали уровни рецептора D1 и нисходящие эффекторы. Несмотря на отсутствие существенных различий в связывании с рецептором D1, была тенденция к HF-воздействию увеличить площадь связывания у мышей ΔFosB. Это интересно, поскольку индукция ΔFosB лекарством и естественные награды, по-видимому, преобладают в динорфин-положительном подтипе средних колючих нейронов, которые в основном экспрессируют D1-рецепторы (9, 21). Уровни мишеней pCREB для передачи дофаминового сигнала вниз по течению были значительно уменьшены у мышей ΔFosB, поддерживающих снижение активации рецептора D1 в этой области головного мозга (22, 23). Интересно отметить, что мы также обнаружили значительное снижение общих уровней CREB у мышей ΔFosB, что указывает на дополнительную сниженную способность к трансдукции сигнала допамина, которая может быть вторичной по отношению к обратной связи в результате длительного снижения pCREB (24). Выражение BDNF регулируется pCREB, повышен с активацией D1 и является важным медиатором нейропластичности, связанной с вознаграждением, в NAc (25, 26). Соответственно, мы обнаружили значительное снижение белка BDNF в NAc мышей ΔFosB.
Все средние колючие нейроны в NAc выражают DARPP-32 (27). Его многочисленные нисходящие эффекты делают его жизненно важным игроком в пути вознаграждения (28), и он был вовлечен в наркоманию и другие расстройства, связанные с системой допамина, включая аффективные расстройства и шизофрению (27, 29). Мы обнаружили глубокие базальные сокращения в экспрессии DARPP-32 в NAc мышей ΔFosB. Выражение DARPP-32 регулируется BDNF, и поэтому приведенное выражение может быть непосредственно связано с сокращениями уровней BDNF, обнаруженных у мышей ΔFosB (27, 29, 30). Даже умеренные изменения состояния фосфорилирования DARPP-32 могут привести к существенным изменениям внутриклеточной сигнализации в NAc (27). Предыдущие исследования не сообщили об изменении белка DARPP-32 у мышей ΔFosB после удаления 12-wk из доксициклина, когда была проведена более широкая полосатая оценка (31), что эффекты ΔFosB на DARPP-32 могут быть специфическими по времени и региону.
Мы предположили, что резкое снижение индексов дофаминовой сигнализации в NAc мышей ΔFosB, вероятно, связано с изменениями проекционных нейронов дофамина VTA, хотя ΔFosB не сверхэкспрессируется внутри этих нейронов, Поэтому мы исследовали экспрессию генов, связанных с допамином, в VTA, включая тирозингидроксилазу и переносчик допамина. Уровни тирозингидроксилазы и транспортера допамина положительно коррелируют с выходом допамина. Наблюдалась тенденция для мышей ΔFosB проявлять сниженную тирозингидроксилазу и значительное сокращение транспортера допамина в соответствии с дисрегуляцией сигналов допамина в NAc. Поскольку эти базальные сокращения в дофамин-родственных генах в VTA мышей ΔFosB, по-видимому, отражают измененную обратную связь от NAc во время долгосрочной экспрессии AFosB, мы рассмотрели экспрессию BDNF-рецептора TrkB как возможного механизма обратной связи NAc с VTA (32). Подобно тирозингидроксилазе и дофаминовому транспортеру, экспрессия TrkB также демонстрировала тенденцию к базальному снижению у мышей ΔFosB, которые не достигали значимости при корректировке для множественных сравнений. Комплекс BDNF-TrkB можно ретроградно транспортировать и действовать в VTA, чтобы влиять на локальную экспрессию гена и стимулировать рост и поддержание роста клеток (33). Кроме того, активация BDNF пресинаптического TrkB внутри NAc может непосредственно стимулировать нейротрансмиссию допамина (32), поддерживая базовое уменьшение сигналов допамина у этих мышей.
Диорфиновая активация κ-опиоидных рецепторов регулирует сигнализацию допамина и является еще одним механизмом, благодаря которому NAc обеспечивает обратную связь с VTA (34). Мы обнаружили, что экспрессия κ-опиоидного рецептора в VTA показала тенденцию к снижению у мышей ΔFosB. Как было показано, что избыточная экспрессия ΔFosB уменьшает экспрессию диморфина в NAc (20), мыши FOSB, вероятно, имеют глубокие сокращения в чистом VTA κ-опиоидная активация. Хотя передача сигналов динорфина обычно оказывает ингибирующее действие на дофаминовые нейроны (35), крысы, которые демонстрируют повышенное самостоятельное введение наркотиков, вызывающих злоупотребление, демонстрируют пониженные уровни динорфина в NAc, что указывает на роль базально сниженной передачи сигналов динорфина в повышении чувствительности к вознаграждению (36 , 37). Нарушение регуляции динорфин-κ-опиоидной системы было связано с приобретением и продолжением злоупотребления наркотиками, поддерживая критический баланс передачи опиоидных сигналов в нормализации дофаминовых путей. (38).
Основываясь на полезной способности энергоемкой HF-диеты, мы предположили, что дисрегуляция в дофаминовой и опиоидной сигнальной стимуляции у мышей ΔFosB предрасполагает этих мышей к усилению ответных реакций на такую диету, таким образом, нормализуя систему вознаграждения посредством активации гипоталамуса -VTA-NAc, Во время шестинедельного рациона питания не наблюдалось различий в потреблении пищи между ΔFosB и контрольными мышами, что указывало на то, что изменения, обнаруженные в биохимических и молекулярных маркерах сигнала награды у мышей ΔFosB, не были обусловлены различиями в потребляемых калориях. Как и ожидалось, базальные различия, обнаруженные в pCREB, уровни общего CREB, BDNF, DARPP-32 и κ-опиоидных рецепторов между ΔFosB и контрольными мышами были ослаблены, вероятно, из-за увеличения выхода дофамина в мышах FOSB на HF (29, 39-41) ,
Исследование как тирозингидроксилазы, так и транспортера допамина в VTA выявило неожиданные противоположные ответы ΔFosB и контрольных мышей после HF. Контрольные мыши показали снижение экспрессии тирозингидроксилазы и допамина, в то время как мыши с ΔFosB проявляли повышенную экспрессию обоих этих дофамин-родственных генов. Интересно, что экспрессия тирозингидроксилазы изменяется в VTA при помощи хронического введения кокаина или метамфетамина (42-44), что указывает на то, что мышей ΔFosB может найти естественную награду HF более характерной, чем контрольные мыши.
Чтобы исследовать, как потенциальный вход гипоталамуса в VTA может передавать сигналы, которые отражают энергетический баланс, также изучалась экспрессия рецептора лептина и рецептора орксина-1. Уровни циркулирующего лептина повышаются с помощью HF, и лептин может в свою очередь воздействовать на VTA для изменения сигналов допамина (18, 45). Экспрессия рецептора лептина VTA аналогичным образом снижалась с помощью HF как у ΔFosB, так и у контрольных мышей, в соответствии с аналогичным увеличением веса и потреблением диеты при HF. Высокий жир также увеличивал экспрессию рецептора orexin-1 в VTA как ΔFosB, так и контрольных мышей. Орексин активирует допамин-нейроны в VTA, способствует пластичности VTA и увеличивает уровни допамина в NAc (46-48). Было показано, что диета с высоким содержанием жиров увеличивает экспрессию экспрессии в мышах в соответствии с нашими наблюдениями (49, 50). Таким образом, повышенная экспрессия рецептора орексина, а также изменения сигналов лептина в VTA могут способствовать рацион питания как у ΔFosB, так и у контрольных мышей, поддерживая диссоциацию между путями, передающими сигналы энергетического баланса, и те, которые связаны напрямую с наградой.
Чтобы исследовать стресс-провоцирующие эффекты отмены вознаграждения, мышей исследовали в открытом поле 24 hrs после удаления HF. Мыши ΔFosB были более чувствительны к острым эффектам предпочтительного снятия питания, демонстрируя повышенную активность возбуждения и производство фекалий боли в новой открытой арене по сравнению со всеми другими группами контроля и диеты. Мыши ΔFosB также показали интересную поведенческую картину в этом тесте, наводящую на размышления о чувствительности к вознаграждению и стрессу, при этом диета HF первоначально уменьшала производство фекалий боли по сравнению с чау-чау и снова увеличивала этот тревожный ответ. Это наблюдаемое увеличение активности открытого поля не коррелировало с изменениями экспрессии orexin, что указывало на связь с вызванным стрессом возбуждением, которое не является просто следствием изменений в опосредованной опосредованными сигналами. В целом, эти данные подтверждают нашу гипотезу о том, что мыши ΔFosB будут более чувствительны к острым последствиям предпочтительного снятия питания из-за их повышенной чувствительности к награде.
Как долгосрочная избыточная экспрессия ΔFosB в NAc приводит к таким изменениям в поведении и передаче сигналов? Мы предложили модель определения совпадения VTA, в которой измененная обратная связь от сигналов NAc и hypothalamus передает состояние вознаграждения для определения регуляции системы допамина, которая может поддерживать связь между дисрегуляцией обратного пути и предрасположенностью к ожирению (рис. 8). Во время экспозиции ВЧ несколько Входов, отражающих как энергетический баланс, так и состояние вознаграждения, сходятся на VTA. Увеличение сигналов лептина и орексина, а также измененная обратная связь от NAc к латеральному гипоталамусу может повлиять на то, как эти orexigenic сигналы реагируют на HF у мышей ΔFosB (17, 18, 45, 47, 51-53). Высокие жировые диетологические возвышения в BDNF могут обеспечить обратную связь с обратной связью с VTA, что также способствует изменению экспрессии генов, связанных с дофамином.
Рисунок 8
Диета с высоким содержанием жиров (HF) нормализует дисгармонированную сигнализацию награды у мышей ΔFosB
Эти результаты определяют молекулярные маркеры повышенной чувствительности и указывают на то, что долгосрочная дисрегуляция системы допамина может предрасполагать человека к зависимости и ожирению. Кроме того, эти данные являются важным шагом на пути выявления потенциальных новых терапевтических целей при лечении и профилактике ожирения и других расстройств, которые могут сосредоточиться на системе вознаграждения. В будущем будет важно исследовать, как эта система реагирует на удаление диеты HF, а также для исследования любых половых различий в чувствительности к вознаграждению и высокоурожайному рациону.
Дополнительный материал
Supp. методы
Нажмите здесь, чтобы посмотреть. (61K, doc)
Благодарности
Авторы выражают благодарность Кэти Штеффен за помощь в разведении и передаче животных. Эта работа была поддержана грантом Центра диабета Университета Пенсильвании (DK019525) и грантами Национального института психического здоровья (R01 MH51399 и P50 MH66172) и Национального института по борьбе со злоупотреблением наркотиками (R01 DA07359).
Сноски
Раскрытие финансовой информации: все авторы заявляют, что у них нет биомедицинских финансовых интересов или потенциальных конфликтов интересов.
Рекомендации
1. Wadden TA, Berkowitz RI, Womble LG, Sarwer DB, Phelan S, Cato RK, Hesson LA, Osei SY, Kaplan R, Stunkard AJ. Рандомизированное исследование модификации образа жизни и фармакотерапии ожирения. N Engl J Med. 2005; 353 (20): 2111-20 [PubMed].
2. Blendy JA, Strasser A, Walters CL, Perkins KA, Patterson F, Berkowitz R, Lerman C. Снижение вознаграждения никотина при ожирении: кросс-сравнение в человеческих и мышах. Психофармакология (Berl) 2005
3. Franken IH, Muris P. Индивидуальные различия в чувствительности к вознаграждению связаны с тягой к пище и относительной массой тела у здоровых женщин. Аппетит. 2005; 45 (2): 198-201 [PubMed].
4. Kelley AE, Berridge KC. Нейронаука естественных наград: актуальность для наркотических веществ. J Neurosci. 2002; 22 (9): 3306-11 [PubMed].
5. Cagniard B, Balsam PD, Brunner D, Zhuang X. Мыши с хронически повышенным дофамином проявляют повышенную мотивацию, но не учатся, для получения пищи. Neuropsychopharmacology. 2006; 31 (7): 1362-70 [PubMed].
6. Liang NC, Hajnal A, Norgren R. Sham, кормящее кукурузное масло, увеличивает припады допамина у крысы. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2006; 291 (5): R1236-9 [PubMed].
7. Mendoza J, Angeles-Castellanos M, Escobar C. Увлечение вкусной едой вызывает пищевую упреждающую активность и экспрессию c-Fos в областях, связанных с мозгом. Neuroscience. 2005; 133 (1): 293-303 [PubMed].
8. Schroeder BE, Binzak JM, Kelley AE. Общий профиль префронтальной кортикальной активации после контакта с контекстуальными сигналами, связанными с никотином или шоколадом. Neuroscience. 2001; 105 (3): 535-45 [PubMed].
9. Nestler EJ, Barrot M, Self DW. DeltaFosB: устойчивый молекулярный переключатель для наркомании. Proc Natl Acad Sci US A. 2001; 98 (20): 11042-6. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
10. Teegarden SL, Bale TL. Снижение диетического предпочтения приводит к увеличению эмоциональности и риску рецидива диеты. Biol Psychiatry. 2007; 61 (9): 1021-9 [PubMed].
11. Olausson P, Jentsch JD, Tronson N, Nestler EJ, Taylor JR. dFosB в Nucleus Accumbens регулирует пищевое усиление инструментального поведения и мотивации. Журнал неврологии. 2006; 26 (36): 9196-9204 [PubMed].
12. Chen J, Kelz MB, Zeng G, Sakai N, Steffen C, Shookt PE, Picciotto MR, Duman RS, Nestler EJ. Трансгенные животные с индуцируемой, целевой экспрессией генов в мозге. Mol Pharmacol. 1998; 54 (3): 495-503 [PubMed].
13. Kelz MB, Chen J, Carlezon WA, Jr, Whisler K, Gilden L, Beckmann AM, Steffen C, Zhang YJ, Marotti L, Self DW, Tkatch T, Baranauskas G, Surmeier DJ, Neve RL, Duman RS, Picciotto MR, Nestler EJ. Выражение фактора транскрипции deltaFosB в мозге контролирует чувствительность к кокаину. Природа. 1999; 401 (6750): 272-6 [PubMed].
14. Bale TL, Dorsa DM. Сексуальные различия и эффекты эстрогена на экспрессию рибонуклеиновой кислоты рецептора окситоциновых рецепторов в вентромедиальном гипоталамусе. Эндокринологии. 1995; 136 (1): 27-32 [PubMed].
15. Avena NM, Long KA, Hoebel BG. Зависимые от сахара крысы демонстрируют повышенный ответ на сахар после воздержания: свидетельства эффекта лишения сахара. Physiol Behav. 2005; 84 (3): 359-62 [PubMed].
16. Будет MJ, Franzblau EB, Kelley AE. Мукопиоиды Nucleus accumbens регулируют потребление диеты с высоким содержанием жиров путем активации распределенной сети мозга. J Neurosci. 2003; 23 (7): 2882-8 [PubMed].
17. Zheng H, Patterson LM, Berthoud HR. Орексиновая сигнализация в брюшной тегментальной области необходима для аппетита с высоким содержанием жиров, вызванного опиоидной стимуляцией ядра accumbens. J Neurosci. 2007; 27 (41): 11075-82 [PubMed].
18. Hommel JD, Trinko R, Sears RM, Georgescu D, Liu ZW, Gao XB, Thurmon JJ, Marinelli M, DiLeone RJ. Передача рецептора Лептина в нейронах дофамина среднего мозга регулирует питание. Neuron. 2006; 51 (6): 801-10 [PubMed].
19. Colby CR, Whisler K, Steffen C, Nestler EJ, Self DW. Струйная клеточная специфическая избыточная экспрессия DeltaFosB усиливает стимул для кокаина. J Neurosci. 2003; 23 (6): 2488-93 [PubMed].
20. Zachariou V, Bolanos CA, Selley DE, Theobald D, Cassidy MP, Kelz MB, Shaw-Lutchman T, Berton O, Sim-Selley LJ, Dileone RJ, Kumar A, Nestler EJ. Существенная роль DeltaFosB в прилежании ядра при действии морфина. Nat Neurosci. 2006; 9 (2): 205-11 [PubMed].
21. Lee KW, Kim Y, Kim AM, Helmin K, Nairn AC, Greengard P. Формирование коллайновского дендритного позвоночника в D1 и D2, содержащих дофаминовые рецепторы, спинные нейроны в ядре accumbens. Proc Natl Acad Sci US A. 2006; 103 (9): 3399-404. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
22. Blendy JA, Maldonado R. Генетический анализ зависимости от наркомании: роль связующего белка, реагирующего на цАМФ. J Mol Med. 1998; 76 (2): 104-10 [PubMed].
23. Nestler EJ. Молекулярные механизмы наркомании. Нейрофармакология. 2004; 47 1: 24-32. [PubMed]
24. Tanis KQ, Duman RS, Newton SS. Связывание CREB и активность в мозге: региональная специфика и индукция электросудорожным захватом. Biol Psychiatry. 2007
25. Кумар А., Чой Х.Х., Рентхал В., Цанкова Н.М., Теобальд Д.Э., Труонг Х.Т., Руссо С.Я., Лаплант В., Сасаки Т.С., Уистлер К.Н., Неве Р.Л., Self DW, Nestler EJ. Ремоделирование хроматина является ключевым механизмом, лежащим в основе кокаин-индуцированной пластичности в полосатом теле. Neuron. 2005; 48 (2): 303-14 [PubMed].
26. Graham DL, Edwards S, Bachtell RK, Dileone RJ, Rios M, Self DW. Динамическая активность BDNF в прилежащих ядрах с использованием кокаина увеличивает самообслуживание и рецидив. Nat Neurosci. 2007; 10 (8): 1029-37 [PubMed].
27. Svenningsson P, Nairn AC, Greengard P. DARPP-32 опосредует действия нескольких наркотических средств. Aaps J. 2005; 7 (2): E353-60. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]
28. Палмер А.А., Вербицкий М., Суреш Р., Каменс Х.М., Рид К.Л., Ли Н, Буркхарт-Каш С., Маккиннон К.С., Белкнап Дж. К., Гиллиам Т. К., Филлипс Т.Ю. Различия в экспрессии генов у мышей, дивергентно отобранных для чувствительности к метамфетамину. Mamm Геном. 2005; 16 (5): 291-305 [PubMed].
29. Богуш А, Педрини С, Пельта-Хеллер Дж, Чан Т, Ян Q, Мао Ц, Слузас Е, Гирингер Т, Эрлих М.Э. AKT и CDK5 / p35 опосредуют индуцированный мозгом нейротрофический фактор индукции DARPP-32 в колючих нейронах среднего размера in vitro. J Biol Chem. 2007; 282 (10): 7352-9 [PubMed].
30. Benavides DR, Bibb JA. Роль Cdk5 в злоупотреблении наркотиками и пластичности. Ann NY Acad Sci. 2004; 1025:. 335-44 [PubMed]
31. Bibb JA, Chen J, Taylor JR, Svenningsson P, Nishi A, Snyder GL, Yan Z, Sagawa ZK, Ouimet CC, Nairn AC, Nestler EJ, Greengard P. Последствия хронического воздействия кокаина регулируются белком нейронов Cdk5. Природа. 2001; 410 (6826): 376-80 [PubMed].
32. Blochl A, Sirrenberg C. Нейротрофины стимулируют высвобождение дофамина из крысиных мезенцефальных нейронов через рецепторы Trk и p75Lntr. J Biol Chem. 1996; 271 (35): 21100-7 [PubMed].
33. Berton O, McClung CA, Dileone RJ, Krishnan V, Renthal W, Russo SJ, Graham D, Tsankova NM, Bolanos CA, Rios M, Monteggia LM, Self DW, Nestler EJ. Существенная роль BDNF в мезолимбическом пути допамина в стрессе социального поражения. Наука. 2006; 311 (5762): 864-8 [PubMed].
34. Nestler EJ, Carlezon WA., Jr Мезолимбическая схема приема допамина в депрессии. Biol Psychiatry. 2006; 59 (12): 1151-9 [PubMed].
35. Ford CP, Beckstead MJ, Williams JT. Каппа-опиоидное торможение торможения сонатодендритных дофаминовых постсинаптических токов. J Neurophysiol. 2007; 97 (1): 883-91 [PubMed].
36. Nylander I, Vlaskovska M, Terenius L. Молекулы динорфина и энкефалина у крыс Fischer и Lewis: эффекты переносимости морфина и отмены. Brain Res. 1995; 683 (1): 25-35 [PubMed].
37. Nylander I, Hyytia P, Forsander O, Terenius L. Различия между алкоголь-предпочитающими (AA) и крысами, избегающими употребление алкоголя (ANA) в системах продиморфина и проэнкефалина. Alcohol Clin Exp Res. 1994; 18 (5): 1272-9 [PubMed].
38. Kreek MJ. Кокаин, допамин и эндогенная опиоидная система. J Addict Dis. 1996; 15 (4): 73-96 [PubMed].
39. Carlezon WA, Jr, Duman RS, Nestler EJ. Многие лица CREB. Тенденции Neurosci. 2005; 28 (8): 436-45 [PubMed].
40. Dudman JT, Eaton ME, Rajadhyaksha A, Macias W, Taher M, Barczak A, Kameyama K, Huganir R, Konradi C. Допамин D1-рецепторы опосредуют фосфорилирование CREB посредством фосфорилирования NMDA-рецептора в Ser897-NR1. J Neurochem. 2003; 87 (4): 922-34 [PubMed].
41. Self DW. Регулирование поведения при приеме наркотиков и прогнозирования с помощью нейроадаптации в мезолимбической допаминовой системе. Нейрофармакология. 2004; 47 1: 242-55. [PubMed]
42. Beitner-Johnson D, Nestler EJ. Морфин и кокаин оказывают общее хроническое действие на тирозингидроксилазу в дофаминергических областях награды мозга. J Neurochem. 1991; 57 (1): 344-7 [PubMed].
43. Lu L, Grimm JW, Shaham Y, Hope BT. Молекулярные нейроадаптации в прилежащих и вентральных тегментальных областях в течение первых 90 дней принудительного воздержания от самоконтроля кокаина у крыс. J Neurochem. 2003; 85 (6): 1604-13 [PubMed].
44. Shepard JD, Chuang DT, Shaham Y, Morales M. Влияние применения метамфетамина на уровни тирозингидроксилазы и дофаминового транспортера в мезолимбических и нигростриальных дофаминовых путях крысы. Психофармакология (Berl) 2006; 185 (4): 505-13. [PubMed]
45. Fulton S, Pissios P, Manchon RP, Stiles L, Frank L, Pothos EN, Maratos-Flier E, Flier JS. Лептинская регуляция пути допамина мезоакбенов. Neuron. 2006; 51 (6): 811-22 [PubMed].
46. Narita M, Nagumo Y, Miyatake M, Ikegami D, Kurahashi K, Suzuki T. Импликация протеинкиназы C в индуцированном orexin повышении внеклеточного уровня дофамина и его полезном эффекте. Eur J Neurosci. 2007; 25 (5): 1537-45 [PubMed].
47. Нарита М., Нагумо Ю., Хашимото С., Хотиб Дж, Миятаке М, Сакурай Т, Янагисава М., Накамачи Т., Сиода С., Судзуки Т. Прямое участие орксинергических систем в активации мезолимбического пути допамина и связанных с ним поведения, вызванных морфином. J Neurosci. 2006; 26 (2): 398-405 [PubMed].
48. Borgland SL, Taha SA, Sarti F, Fields HL, Bonci A. Orexin A в VTA имеет решающее значение для индукции синаптической пластичности и поведенческой сенсибилизации к кокаину. Neuron. 2006; 49 (4): 589-601 [PubMed].
49. Park ES, Yi SJ, Kim JS, Lee HS, Lee IS, Seong JK, Jin HK, Yoon YS. Изменения экспрессии orexin-A и нейропептида Y в гипоталамусе голодной и высокожирной диеты кормили крысами. J Vet Sci. 2004; 5 (4): 295-302 [PubMed].
50. Wortley KE, Chang GQ, Davydova Z, Leibowitz SF. Пептиды, которые регулируют потребление пищи: экспрессия гена экспрессией увеличивается во время состояний гипертриглицеридемии. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2003; 284 (6): R1454-65 [PubMed].
51. Чжэн Х, Коркерн М., Стоянова И., Паттерсон Л.М., Тянь Р., Бертуд Р.Р. Пептиды, которые регулируют потребление пищи: индуцирующие аппетит манипуляции с акцептами активируют нейроны гипоталамических орксинов и ингибируют нейроны POMC. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2003; 284 (6): R1436-44 [PubMed].
52. Baldo BA, Gual-Bonilla L, Sijapati K, Daniel RA, Landry CF, Kelley AE. Активация субпопуляции гипоталамических нейронов, содержащих orexin / hypocretin, с помощью GABAA-опосредованного ингибирования оболочки ядра accumbens, но не воздействия новой среды. Eur J Neurosci. 2004; 19 (2): 376-86 [PubMed].
53. Harris GC, Wimmer M, Aston-Jones G. Роль для боковых гипоталамических нейронов orexin в поиске вознаграждений. Природа. 2005; 437 (7058): 556-9 [PubMed].
;
