Лекарственное возбуждение при возбуждающих синапсах в ВТА

Новаторское исследование Ungless и его коллег в 2001 продемонстрировал, что однократное воздействие кокаина вызывало усиление синаптической силы при возбуждающих синапсах на нейронах VTA DA при измерении 24 h позже в срезах мозга (Ungless et al., 2001). Это было измерено как увеличение отношения AMPA-опосредованных возбуждающих постсинаптических токов (EPSC) через NMDA-опосредованные EPSC (называемые отношением AMPA / NMDA). Было показано, что последующее электрически вызванное LTP было закупорено при возбуждающих синапсах VTA у кокаиновых обработанных мышей, тогда как LTD была усилена. Эти наблюдения, а также ряд других электрофизиологических мер показали, что изменение пластичности, наблюдаемое потенциально совместно с аналогичными механизмами с синаптически вызванным LTP (Ungless et al., 2001). С тех пор было показано, что введение других наркотических средств, включая амфетамин, морфин, этанол, никотин и бензодиазепины, также может вызывать увеличение синаптической силы в VTA, что не наблюдается с психоактивными препаратами, которые не обладают потенциалом злоупотребления (Saal et al., 2003; Gao et al., 2010; Tan et al., 2010). Это наблюдение демонстрирует конвергенцию клеточных ответов внутри VTA всеми злоупотребляемыми препаратами и обеспечивает возможный нейронный механизм, посредством которого могут быть инициированы первичные нейроадаптации, лежащие в основе зависимости.

Эффект неконтингентного введения лекарственного средства на синаптическую пластичность VTA временно экспрессируется, продолжая по меньшей мере 5, но меньше, чем 10 дней, и, как было показано, положительно коррелирует с начальным развитием поведенческой сенсибилизации, но не с его выражением (Ungless et al., 2001; Saal et al., 2003; Borgland et al., 2004). Если кокаин сам вводится, результат отличается от другого, поскольку пластичность в VTA становится постоянной и может быть обнаружена даже в течение 90 дней в результате отмены (Chen et al., 2008).

Потенцирование глутаматергических синапсов на клетках VTA DA, по-видимому, связано с способностью наркотических средств для повышения внеклеточного DA в NAc (Ди Чиара и Императо, 1988) вnd потенциально представляет собой инициирование «патологического» обучения вознаграждения, посредством которого происходит «штамповка» ассоциаций лекарственных средств. Действительно, зависимое от NMDA рецепторное увеличение силы глутаматергической синаптики было зарегистрировано в нейронах VTA DA во время приобретения ассоциации с бихером (Stuber et al., 2008), и недавно было подтверждено, что кокаин избирательно увеличивает отношение AMPA / NMDA нейронов VTA, которые проецируются на NAc, в отличие от PFC (Lammel et al., 2011); хорошо известно, что передача дофамина в пределах NAc имеет решающее значение для приобретения павловской ассоциации (Келли, 2004). Таким образом, может быть, что потенцирование VTA DA нейронов может представлять собой нейронное кодирование, подобное LTP, возможно, ассоциативный процесс обучения, который может быть необходим для ранних вызванных кокаином поведенческих реакций и способен инициировать долгосрочные адаптации, лежащие в основе зависимости, хотя и не представляет собой зависимое государство. Как было предложено другими, может быть, что аддитивные препараты кооптируют схему вознаграждения мозга, чтобы «переусердствовать» ценность лекарственного средства для организма (Кауэр и Маленка, 2007).

Происхождение соответствующих глутаматергических прогнозов для VTA, участвующих в пластической пластичности, остается полностью выясненным. В одном из исследований было обнаружено, что синтапы VTA-глутаматергические, нацеленные на проекции как из самого VTA, так и из ядра педанкулопонта (PPN), демонстрируют усиленное потенцирование от кокаина, но только синапсы, принимающие входные сигналы от аффинтов PPN, потенцируются с Δ⁹-тетрагидроканнабинол (ТГК) (Good and Lupica, 2010). Таким образом, оказывается, что конкретные глутаматергические афференты, вовлеченные в индуцируемое лекарством потенцирование, могут варьироваться в зависимости от рассматриваемого лекарственного средства, и также может быть, что конкретная проекция является общей для всех вызванных лекарственными средствами возбудительной пластичности в VTA; последнее еще предстоит определить. Tон VTA получает обширные прогнозы из нескольких областей мозга, включая PFC, амигдала и субталамическое ядро ​​(Geisler and Wise, 2008), многие из которых, как было показано, влияют на взрывную вспышку VTA DA нейронов (Grillner и Mercuri, 2002). Будущие эксперименты, использующие оптико-электронные методы, могут помочь в определении конкретных прогнозов, ответственных за потенцирование, вызванную лекарством, в синапсах VTA, наблюдаемых в ответ на различные наркотические средства, таким образом проливая свет на точный характер этой нейроадаптации.

Механизмы, лежащие в основе синаптической пластичности, вызванной лекарственными средствами, при возбуждающем синапсе в ВТА

Как и в случае электроиндуцированного LTP в средних мозговых DA нейронах, было показано, что увеличение синаптической силы в VTA, вызванное как кокаином, так и никотином в зависимости от активации рецептора NMDA (Бончи и Маленка, 1999; Ungless и др., 2001; Mao et al., 2011). Напротив, поддержание коацину-вызванной потенцирования недавно было показано, что требуется активность протеинкиназы Mζ (Ho et al., 2012), автономно активной протеинкиназы C (PKC) изоформы, тогда как синхронизирующая синхронизация LTP в VTA DA нейронах мышей, не получающих лекарство, зависит от обычных PKC-изоформ (Luu и Malenka, 2008). В случае никотина синаптическое потенцирование VTA требует возбуждения DA нейронов, опосредуемых соматодендритными рецепторами никотиновых ацетилхолинов αNNXXβ4 (nAChRs) (Mao et al., 2011). Никотин-индуцированные увеличения пресинаптического высвобождения глутамата также способствуют индукции этой специфической синаптической пластичности, вероятно, благодаря усиленной активации NMDA-рецепторов (Mao et al., 2011).

Относительно больше известно о механизмах, лежащих в основе синаптической пластичности, вызванной кокаином, чем та, которая лежит в основе пластичности, вызванной другими наркотиками злоупотребления. Применение кокаина к средам срединного мозга приводит к потенцированию передачи NMDA-рецептора в течение нескольких минут и предлагается через введение ND2B-содержащих NMDARs в синапсы через механизм, который требует активации D₅ рецепторы и новый синтез белка (Schilstrom et al., 2006; Argilli et al., 2008). Было также показано, что Orexin A необходим как для быстрой активации кокаина рецепторов NR2B, так и для увеличения AMPA / NMDA; соответственно, orexin₁ антагониста рецептора SB334867, как было показано, препятствует развитию сенсибилизации кокаину (Borgland et al., 2006). В дополнение к изменениям в экспрессии субъединицы NMDA-рецептора, повышенные уровни рецепторов AMPA, не содержащих GluR1 (GluR2) в синапсах, наблюдались, как только 3 h после экспрессии кокаинаe (Argilli et al., 2008). Это наблюдение в сочетании с другими недавними доказательствами привело к гипотезе о том, что синаптическая инсерция высокопроводящих рецепторов, не обладающих GluR2, способствуют экспрессии синаптического потенцирования, индуцированного кокаином, в VTA (Dong et al., 2004; Bellone и Luscher, 2006; Mameli et al., 2007; Brown et al., 2010; Mameli et al., 2011), для обзоров см. (Кауэр и Маленка, 2007; Вольф и Ценг, 2012). Эта вставка невосприимчивых к GluR2 рецепторов AMPA зависит от передачи NMDA-рецепторов в нейронах VTA DA, поскольку она отсутствует у мышей, у которых отсутствуют функциональные NMDA-рецепторы в DA нейронах (Engblom et al., 2008; Mameli et al., 2009). ЯОтсутствие рецепторов AMPA, не обладающих GluR2, является значительным, поскольку они обладают уникальными свойствами; они являются проницаемыми для кальция, имеют большую одноканальную проводимость, чем GluR2-содержащие рецепторы, и поэтому имеют огромную способность изменять синаптическую передачу (Isaac et al., 2007). Следовательно, введение GluR2-отсутствующих рецепторов AMPA в VTA представляет собой возможный механизм, при котором лекарственные средства злоупотребления могут воплощать пластические адаптации, лежащие в основе начальных этапов употребления наркотиков.

Было показано, что введение GluR2-отсутствующих рецепторов AMPA в возбуждающие синапсы VTA происходит в ответ на введение лекарств из нескольких классов, таких как никотин и морфин, а также при оптогенной активации нейронов DA VTA (Brown et al., 2010). Tон привел к предложению о том, что введение проницаемых для кальция рецепторов рецепторов, не обладающих GluR2, представляет собой универсальный механизм, который может лежать в основе индуцированного лекарством потенциирования синапсов VTA (Brown et al., 2010), хотя данные по амфетамину не обязательно согласуются с этой гипотезой (Faleiro et al., 2004). Более того, поскольку GluR2-недостающие рецепторы AMPA внутренне выпрямляются и, таким образом, очень мало текут при + 40 мВ, их вставка сама по себе не может объяснить вызванные лекарством увеличения коэффициентов AMPA / NMDA. Недавнее исследование, в котором измерялись унитарные синаптические реакции, вызванные высоко локализованным источником глутамата (двухфотонный фотолиз в клетке глутамата), показало, что помимо воздействия на рецепторы, опосредуемые АМРА-рецепторами, воздействие кокаина также уменьшало единичные NMDA-рецепторы, опосредованные EPSC (Mameli et и др., 2011), тем самым обеспечивая возможный механизм, с помощью которого коэффициенты AMPA / NMDA могут быть увеличены в этом сценарии (путем снижения знаменателя отношения). Это еще предстоит изучить с другими наркотиками злоупотребления.

Индуцированный лекарственным средством обмен GluR2 -содержащим с рецепторами, не содержащим GluR2, может быть отменен путем активации рецепторов mGluR1 в VTA (Bellone и Luscher, 2006; Mameli et al., 2007). Таким образом, опосредованный mGluR1 обмен рецепторами AMPA обеспечивает механизм, который может объяснить, почему вызванное лекарством потенцирование синапсов VTA носит кратковременный характер, длится 5, но не 10-дни (Ungless et al., 2001; Mameli et al., 2007). Действительно, если функция mGluR1 в VTA снижается до 24 h до введения кокаина, то индуцированное кокаином внутреннее выпрямление сохраняется после 7-дней (Mameli et al., 2007, 2009). Следовательно, одно возможное объяснение того, почему кокаин-вызванное синаптическое усиление сохраняется в VTA после самоуправляемости кокаина (в отличие от следующего неконкурентного введения), может заключаться в том, что самообслуживание кокаина приводит к депрессии сигнализации mGluR1 в VTA.

Синаптическая пластичность, вызванная лекарством, в ингибирующих синапсах в VTA

Eсинапсы не являются единственным типом синапса в нейронах VTA DA, на которые влияет неконтингентное применение наркотических средств. Ингибирующие синапсы в VTA также играют важную роль в контроле скорости обжига DA-нейронов, поэтому пластичность в синапсах GABAergic имеет способность резко влиять на передачу DA. Действительно, кокаин, морфин и этанол могут влиять на ингибирующую синаптическую пластичность в VTA (Melis et al., 2002; Liu et al., 2005; Nugent et al., 2007). Повторное воздействие кокаина в естественных условиях для дней 5-7 вызывает уменьшение амплитуд ГАМК-опосредованных синаптических токов, тем самым облегчая индукцию LTP в клетках VTA путем снижения прочности ГАМКергического ингибирования (Liu et al., 2005). Последующие исследования показывают, что механизм этого торможения endocannabinoid-dependent LTD в ГАМКергических синапсах с активацией ERK1 / 2 (Pan et al., 2008, 2011). GABA_A рецепторных синапсов на VTA-дофаминовых нейронах также демонстрируют устойчивый NMDA-зависимый LTP (называемый LTP_GABA) в ответ на высокочастотную стимуляцию (Nugent et al., 2007). Этот LTP_GABA отсутствует в срезах VTA 2 и / или 24 h после в естественных условиях введение морфина, никотина, кокаина или этанола (Nugent et al., 2007; Гуань и Е., 2010; Niehaus et al., 2010). В случае этанола предотвращение ЛТП_GABA опосредуется μ-опиоидным рецептором (Guan и Ye, 2010) Вместе с синаптическим потенцированием при возбуждающих синапсах эта потеря ЛТП_GABA следует увеличить обжиг нейронов VTA DA после воздействия препарата.

Недавно также было показано, что медленная передача GABA подвергается воздействию наркотиков, Таким образом, одной дозы метамфетамина или кокаина достаточно, чтобы значительно ослабить способность ГАМК_B рецепторы для контроля обжига нейронов VTA GABA при измерении бывших естественных условиях 24 h later (Padgett et al., 2012). Вызванная метамфетамином потеря медленного тормозного постсинаптического потенциала (IPSC) возникает из-за сокращения ГАМК_B рецептор-G, связанный с белками, направленный внутрь, из-за изменений в торговле белками, и сопровождается значительным снижением чувствительности пресинаптической ГАМК_B рецепторов в ГАМК-нейронах ВТА. В отличие от воздействия наркотиков на ГАМК_A синапсирует эту депрессию ГАМК_BПередача сигналов R-GIRK сохраняется в течение нескольких дней после инъекции (Padgett et al., 2012).

Поведенческие корреляты вызванного лекарством потенцирования в клетках VTA DA

Как упоминалось ранее, влияние неконкурентного введения лекарственного средства на синаптическую пластичность в нейронах VTA DA временно экспрессируется, продолжая по меньшей мере 5, но меньше, чем 10 дней, и было показано, что оно положительно коррелирует с начальным развитием поведенческой сенсибилизации, но не с его выражением (Ungless et al., 2001; Saal et al., 2003; Borgland et al., 2004). В подтверждение гипотезы о том, что индуцированное лекарством потенцирование синапсов VTA представляет собой индукцию поведенческой сенсибилизации, снижается внутриутробное введение антагонистов глутамата, а повышающая регуляция GluR1 повышает уровень локомоторных сенсибилизирующих свойств лекарств (Carlezon et al., 1997; Карлезон и Нестлер, 2002). Сильное доказательство участия NR2A- и B-содержащих NMDA-рецепторов обеспечивается наблюдением, что фармакологическое ингибирование либо предотвращает как развитие сенсибилизации, так и связанное с кокаином увеличение AMPA / NMDA-отношений (Schumann et al., 2009). Однако мыши с целенаправленным удалением NR1 или GluR1 (селективные к нейронам DA среднего мозга) или глобальная делеция GluR1 демонстрируют неповрежденную поведенческую сенсибилизацию и все же демонстрируют ослабленные токи рецептора AMPA после лечения кокаином (Dong et al., 2004; Engblom и др., 2008). Дополнительный поворот обеспечивается наблюдением, что CPP и условное локомоторное поведение отсутствуют у мышей с нокаутом GluR1 (Dong et al., 2004) и исчезновение CPAP кокаина отсутствует у мышей с делецией GluR1, нацеленной на нейроны DA среднего мозга (Engblom et al., 2008), тогда как у нокаутных мышей NR1 восстановление кокаина CPP и экспрессия поведенческой сенсибилизации ослабляется (Engblom et al., 2008; Zweifel et al., 2008). Таким образом, даже с учетом возможной компенсации развития у мутантных мышей и / или возможной неполной делеции возможно, что нейронные процессы, регулирующие вызванное лекарством потенцирование DA-нейронов и поведенческую сенсибилизацию, диссоциируют. Скорее это может быть то, что потенцирование синапсов VTA может способствовать присвоению стимулов к рецептам, связанным с наркотиками.

Измерение синаптических изменений после неконкурентного введения лекарств ограничено в отношении информирования о фактическом заболевающем состоянии наркомании. Более уместными для состояния человека являются исследования, в которых изменения синаптической пластичности измеряются после контингентного введения лекарственного средства, например, при самостоятельном введении. В связи с этим синаптическое усиление VTA-клеток DA, индуцированное самоорганизацией кокаина, является однозначно стойким, длительностью 3 месяцев в абстиненции и показало, что оно устойчиво к обучению вымиранию (Chen et al., 2008). Таким образом, хотя первоначально предлагалось быть переходным событием, представляется, что пластическая пластичность, вызванная лекарством, в VTA имеет способность быть долговременной, демонстрируя, что метод введения (условный и неконкурентный) является критическим фактором его долговечности , Это подтверждается замечанием о том, что в этом исследовании не было обнаружено аналогичного повышения коэффициента AMPA / NMDA; предполагая, что это изучение связи с билетами или действиями и результатами, которое ведет к пластичности. Напротив, самоуправление пищи или сахарозы по аналогичным параметрам приводит к увеличению коэффициентов AMPA / NMDA, которые сохраняются для 7, но не 21-дней, в абстиненции, что явно кратковременно по сравнению с тем, которое индуцируется кокаином (Chen et al., 2008). Отсутствие стойкости пластической пластичности, вызванной пищевыми продуктами, свидетельствует о том, что изменение синаптической силы, вызванное кокаином, представляет собой не просто нейронное представление о процессах обучения инструментальных или кий-вознаграждений, связанных с парадигмой самоуправляемости операндов сам по себе, скорее специфический для лекарств эффект, который потенциально представляет собой патологическое усиление ассоциаций лекарственных средств. Как упоминалось ранее, подсказки, предсказывающие награду, также были признаны причиной увеличения коэффициентов AMPA / NMDA в VTA, хотя и не столь устойчивыми, поддерживая роль этой модификации возбуждающей синаптической функции в награждении за обучение (Stuber et al., 2008).

Интересно, что величина увеличения отношения AMPA / NMDA одинакова независимо от количества инъекций (однократное или множественное), протокол администрирования (условный или неконкурентный) и длина доступа (ограниченный доступ и расширенный доступ) (Borgland et al., 2004; Chen et al., 2008; Mameli et al., 2009). Это указывает на то, что увеличение отношения AMPA / NMDA, наблюдаемое в клетках VTA DA, потенциально является разрешительным событием, возможно, сигнализирующим о «значимости», в отличие от представления инициации лежащей в основе нейропатологии, которая, по-видимому, увеличивалась бы с постоянным воздействием.

Медикаментозная пластичность при возбуждающих синапсах в NAc

В отличие от VTA, одна инъекция кокаина не вызывает увеличения синаптической силы в NAc при измерении 24 h позже (Thomas et al., 2001; Kourrich et al., 2007). Это наблюдение и двунаправленная временная шкала, которая следует за повторным введением и изъятием dдемонстрирует, что пластическая пластичность, вызванная лекарством, в NAc заметно отличается от таковой, наблюдаемой в VTA, В самом деле, когда вводят повторные инъекции кокаина (чтобы индуцировать поведенческую сенсибилизацию), снижение отношения AMPA / NMDA наблюдается при синапсах оболочки NAc при измерении 24 h после последнего введенияn (Kourrich et al., 2007). Эта синаптическая депрессия от повторного кокаина, по-видимому, связана с пластичностью в ВТА; при селективном нарушении функции mGluR1 в VTA только тогда требуется одна инъекция кокаина, чтобы вызвать эту же депрессию синапсов NAc (Mameli et al., 2009). Tавторы этого исследования утверждают, что усиленное возбуждение VTA-прогнозов может способствовать совпадению высвобождения DA и глутамата в NAc посредством расширенного высвобождения DA, Это может затем сдвинуть порог индукции локальной пластичности в NAc, воздействуя на возбуждение схемы или интегрируя внутриклеточные сигнальные процессы (Mameli et al., 2009).

Функциональная значимость депрессии синапсов NAc во время острого снятия на данном этапе неясна. Одно из возможных объяснений может заключаться в том, что депрессия средних колючих нейронов NAc (MSN) снижает их реакцию на естественные полезные стимулы, тем самым способствуя возникновению анхедонии во время острого снятия. Также может быть, что снижение, наблюдаемое в отношении AMPA / NMDA, может быть результатом мембранной вставки NDA2B-содержащих NMDA-рецепторов (таким образом, увеличивая знаменатель отношения), поскольку обнаружены новые тихие синапсы в оболочке NAc при воздействии кокаина (Huang et al., 2009). Считается, что тихие глутаматергические синапсы, которые экспрессируют функциональные токи, опосредованные NMDA-рецептором, в отсутствие токов, опосредованных AMPA-рецепторами, обладают повышенной способностью к усилению синаптической передачи (Isaac et al., 1995). После создания эти тихие синапсы могут облегчать вербовку рецепторов AMPA, тем самым усиливая возбуждающую синаптическую передачу. Это дает возможный механизм для объяснения увеличения уровня поверхности рецепторов AMPA и последующего соотношения AMPAR / NMDAR, наблюдаемого в NAc во время затяжного вывода (Будро и Вольф, 2005; Boudreau et al., 2007; Kourrich et al., 2007; Conrad et al., 2008). NR2B-содержащие NMDA-рецепторы в NAc также могут участвовать в формировании ассоциаций лекарственно-контекстных соединений, поскольку нокдаун siRNA этой субъединицы предотвращает морфин CPP у мышей, но не поведенческую сенсибилизацию (Kao et al., 2011).

В отличие от кокаина, повторный режим прерывистого воздействия этанола приводит к потенцированию синапсов в ответ на ранее вызванный ЛТД-стимуляционный протокол при измерении 24 h после последнего воздействия (Jeanes et al., 2011). Это NMDA-зависимое потенцирование является кратковременным, так как после дальнейшего удаления 48 h он рассеивается, и ни LTP, ни LTD не могут быть индуцированы (Jeanes et al., 2011). Авторы интерпретируют такие надежные изменения пластичности NAc как показатель потенциальной важности этого процесса при вызванных этанолом нейроадаптациях. Более того, в отличие от психостимуляторов, этанол может действовать на NMDA-рецепторы, поэтому он имеет способность напрямую влиять на глутаматергическую сигнализацию.

Синаптическое потенцирование, наблюдаемое в NAc после периода отмены

В отличие от депрессии, наблюдаемой во время острого снятия, потенцирование синапсов оболочки NAc наблюдается после 10-14 дней изъятия из повторного введения кокаина или морфина (Kourrich et al., 2007; Wu et al., 2012). Более того, после отмены 7-дней из одного введения кокаина увеличение амплитуды mEPSCs, а также потеря LTP, вызванного высокочастотной стимуляцией (HFS), обнаружены как в ядрах, так и в оболочках NAc, экспрессирующих допамин D₁ рецептор (Pascoli et al., 2012). Tего изменение в способности индуцировать синаптическую пластичность называется метапластичностью. Метапластичность, индуцированная кокаином, также наблюдается после ухода из самообслуживания кокаина. Таким образом, у крыс, у которых есть кокаин с самообслуживанием, за которым следуют недели 3 либо исчезновения, либо абстиненции, в естественных условиях дефицит в способности развивать LTP в ядре NAc после стимуляции PFC. Это наблюдение сопровождалось сдвигом влево на кривой ввода-вывода, предполагающим потенцирование амплитуды fEPSP (Moussawi et al., 2009). Потенцирование NAc-синапсов наблюдается также в виде повышенных токов, опосредованных АМРА, после продолжительного периода абстиненции после самоуправляемости (Conrad et al., 2008). В совокупности эти данные свидетельствуют о том, что синаптическое потенцирование в NAc развивается либо как функция продолжительности вывода, либо как функция времени с момента первого введения кокаина. Недавнее исследование подтвердило эту интерпретацию, поскольку подобное увеличение частоты mEPSC наблюдалось в D₁ рецептор-экспрессирующих MSN у мышей, несмотря на отсутствие или наличие продолжительного периода отмены после повторного введения кокаина (Dobi et al., 2011). Поэтому кажется, что события, ведущие к изменениям в глутаматергической передаче в NAc, занимают некоторое время для развития.

Вклад конкретных субъединиц рецептора AMPA в это изменение варьируется в зависимости от стадии отмены и способа введения; 10-21-дни после выхода из пассивного и самоуправляемого рецепторов, содержащих AMPA, GluR2, по-видимому, ответственны за изменения в передаче AMPA (Будро и Вольф, 2005; Boudreau et al., 2007; Kourrich et al., 2007; Феррарио и др., 2010), тогда как за 21-дни GluR2-отсутствующие рецепторы AMPA добавляются к синапсам. Последнее обнаружение, по-видимому, имеет место только тогда, когда кокаин самостоятельно вводится (Conrad et al., 2008; McCutcheon et al., 2011), хотя см. (Mameli et al., 2009). Учитывая повышенную проводимость GluR2-отсутствующих рецепторов AMPA, может случиться так, что их введение происходит в ответ на депрессию синапсов NAc, вызванных самообслуживанием кокаина, что приводит к усилению реакции MSN на возбуждающие входы, вызывающие поиск кокаина в будущем. Действительно, блокирование GluR2-отсутствующих рецепторов AMPA в NAc предотвращает экспрессию инкубации, вызванной кией кокаина (Conrad et al., 2008), а поиск кокаина, вызванный либо AMPA, либо кокаином, также блокируется инъекциями антисмысловых олигонуклеотидов мРНК GluR1 в NAc (Ping et al., 2008).

Лекарственная проблема после отмены восстанавливает синаптическое потенцирование до депрессии

Увеличение синаптической силы и поверхностной экспрессии субъединиц рецептора AMPA, индуцированное кокаином в NAc после выхода из неконкурентного введения, впоследствии отменяется после введения дополнительных инъекций кокаина (повторное заражение) (Thomas et al., 2001; Boudreau et al., 2007; Kourrich et al., 2007; Феррарио и др., 2010). Таким образом, синаптическая депрессия снова наблюдается в оболочке NAc при измерении 24 h после этой инъекции кокаина (Thomas et al., 2001), хотя см. (Pascoli et al., 2012). Поведенчески это, по-видимому, коррелирует с выражением сенсибилизации, а в случае, по крайней мере, с амфетамином, было показано, что Clathrin-опосредованно и зависит от GluR2-зависимого эндоцитоза постсинаптических рецепторов AMPA (Brebner et al., 2005). Снижение поверхностной экспрессии рецепторов AMPA после вызова кокаина является кратковременным, так как в течение дней 7 поверхностная экспрессия восстанавливается до уровней, сравнимых с неоспоримыми крысами, обработанными кокаином (Ferrario et al., 2010). Таким образом, как представляется, история воздействия и изъятия кокаина может легко изменить направление синаптической пластичности в NAc.

Недавно была установлена ​​прямая связь между потенцированием кортико-accumbal синапсов на D₁ рецептор-положительные клетки после отмены дней 7 и экспрессии сенсибилизации. Как упоминалось ранее, после отмены 7-дней из одного введения кокаина эти синапсы оказываются потенцированными как в сердцевине, так и в оболочке (как измерено увеличением амплитуды mEPSC), и LTP, индуцированный HFS, снижается. То же самое не было найдено для синапсов на D₂ рецептор-положительные клетки (Pascoli et al., 2012). При обратном оптогенетическом в естественных условиях через протокол, известный для индукции LTD, кортико-accumbal синапсов на D₁-рецепторные положительные клетки отображали уменьшенные mEPSC и предотвращали экспрессию локомоторной сенсибилизации. Важно отметить, что способность HFS индуцировать LTP была восстановлена ​​для этих нейронов (Pascoli et al., 2012), таким образом демонстрируя прямую связь между этой конкретной синаптической адаптацией в кортико-аксумбальных синапсах и выражением сенсибилизации кокаину.

Факторы транскрипции

Факторами транскрипции являются белки, которые связываются с определенными последовательностями ДНК для регулирования транскрипции гена путем взаимодействия с комплексом РНК-полимеразы II (Mitchell and Tjian, 1989). Факторы транскрипции могут быть индуцированы или подавлены в ответ на экологические стимулы, что приводит к изменениям в экспрессии генов и, в конечном счете, к нейронной функции. Был определен ряд факторов транскрипции для их потенциальной роли в зависимости, потому что их экспрессия и активация регулируются в мезокортиколимическом пути при воздействии наркотических средств. ΔFosB является одним из таких факторов транскрипции, который получил особое внимание из-за его необычной стабильности. ΔFosB представляет собой усеченный вариант сращивания гена FosB, и он разделяет гомологию с другими членами семейства Fos, включая c-Fos, FosB, Fra1 и Fra2, которые все гетеродимеризуются с белками семейства Jun (c-Jun, JunB или JunD), чтобы сформировать активатор-белок-1 (AP-1) транскрипционные факторы (Morgan and Curran, 1995). Эти другие члены семейства Fos быстро индуцируются в полосатом теле в ответ на острое введение психостимуляторов, однако из-за их нестабильности это выражение является кратковременным и возвращается к базальным уровням в течение нескольких часов (Graybiel et al., 1990; Young et al., 1991; Хоуп и др., 1992). И наоборот, ΔFosB накапливается в полосатом теле после хронического введения лекарственного средства, и его экспрессия сохраняется в течение нескольких недель после последнего воздействия препарата (Hope et al., 1994; Nye et al., 1995; Най и Нестлер, 1996; Pich et al., 1997; Мюллер и Унтервальд, 2005; McDaid и др., 2006). Данные поведенческих экспериментов поддерживают роль ΔFosB в некоторых из длительных эффектов, приносимых наркотиками злоупотребления. Повышенная экспрессия ΔFosB в полосатом теле приводит к увеличению локомоторных ответов как на острый, так и на хронический кокаин и увеличивает усиливающие свойства как кокаина, так и морфина (Kelz et al., 1999; Colby et al., 2003; Zachariou et al., 2006), тогда как ингибирование ΔFosB вызывает противоположные поведенческие эффекты (Peakman et al., 2003). Из-за его способности повышать мотивационные мотивационные свойства лекарств от злоупотребления, этот транскрипционный фактор был предложен для представления «молекулярного переключателя», который облегчает переход к наркомании (Nestler, 2008).

CAMP-связывающий белок (CREB) - еще один фактор транскрипции, который был в центре внимания значительного объема исследований из-за его предполагаемой роли в пластической пластичности (McPherson and Lawrence, 2007). CREB экспрессируется повсеместно в головном мозге и может быть активирован множеством внутриклеточных сигнальных путей, которые достигают высшей точки в его фосфорилировании в серине 133 (Mayr and Montminy, 2001). Фосфорилированный CREB (pCREB) стимулирует рекрутирование CREB-связывающего белка (CBP), который облегчает транскрипцию различных нисходящих генов (Arias et al., 1994). pCREB быстро индуцируется в полосатом теле при воздействии психостимуляторов (Konradi et al., 1994; Kano et al., 1995; Уолтерс и Бленди, 2001; Choe et al., 2002), и это, как предполагается, представляет собой гомеостатический механизм, который противодействует поведенческим реакциям на наркотики злоупотребления (McClung и Nestler, 2003; Dong et al., 2006). В соответствии с этим сверхэкспрессия CREB в оболочке NAc снижает полезные свойства кокаина в парадигме предпочтения условного места (CPP), тогда как противоположное наблюдается при ингибировании CREB в этой области (Carlezon et al., 1998; Pliakas et al., 2001). Аналогичным образом, генетический нокдаун или ингибирование CREB в дорзальной полосатой кости повышает чувствительность к локомоторным активационным свойствам психостимуляторов, добавляя дополнительную поддержку этой гипотезе (Fasano et al., 2009; Madsen et al., 2012).

Хотя данные экспериментов с CPP поддерживают идею CREB, выступающей в качестве негативного модулятора вознаграждения за лекарства, по крайней мере, в отношении кокаина, это может быть упрощением. Ряд исследований с использованием различных методов для изменения функции CREB в оболочке NAc показал, что ингибирование CREB снижает артерию кокаина в парадигме самоуправляемости (Choi et al., 2006; Green et al., 2010; Larson et al., 2011), тогда как усиление кокаина усиливается сверхэкспрессией CREB в этом регионе (Larson et al., 2011). Эти расходящиеся находки, вероятно, связаны с фундаментальными различиями между инструментальными и павловскими процедурами кондиционирования, а также добровольными vs, принудительное введение лекарств. CPP включает в себя ассоциативные процессы обучения и считается косвенной мерой гедонистических свойств препарата, а не подкрепления наркотиков сам по себе (Бардо и Бевинс, 2000). На добровольное лекарственное самолечение может влиять ряд эмоциональных факторов, а способность CREB-активности в NAc уменьшать реакцию на анксиогенные стимулы (Barrot et al., 2002) и ослабляют депрессивное поведение (Pliakas et al., 2001) может повлиять на склонность к самоуправлению лекарства. Интересно, что удаление CREB из PFC приводит к уменьшению мотивации к самообслуживанию кокаина (McPherson et al., 2010), демонстрируя, что влияние манипуляции CREB на поведение также варьируется для разных областей мозга. Это, возможно, не удивительно, учитывая, что транскриптом CREB заметно отличается по типу клеток (Cha-Molstad et al., 2004), и поэтому было бы важно идентифицировать изменения в экспрессии генов, происходящие в нисходящем потоке CREB, которые способствуют этим фенотипам. Еще более усложняющим является наблюдение, что CREB в оболочке NAc имеет важное значение для никотина CPP (Brunzell et al., 2009), предполагая, что механизмы, лежащие в основе условного вознаграждения никотина, отличаются от механизмов, лежащих в основе кокаина и морфина, которые также усиливаются ингибированием CREB в оболочке NAc (Carlezon et al., 1998; Pliakas et al., 2001; Barrot et al., 2002).

Эпигенетические механизмы

Эпигенетика имеет ряд определений, но в нейробиологии она обычно определяется как изменения в экспрессии генов, которые происходят за счет модуляции хроматина, которые не вызваны изменениями в базовой последовательности ДНК (McQuown and Wood, 2010). Хроматин описывает состояние ДНК, когда она упакована в клетку. Основной повторяющейся единицей хроматина является нуклеосома, которая состоит из базовых пар 147 ДНК, обернутых вокруг октамера, состоящего из пар четырех основных гистонов (H2A, H2B, H3 и H4) (Luger et al., 1997). Аминотерминальные хвосты этих основных гистонов могут подвергаться ряду посттрансляционных модификаций, включая ацетилирование, метилирование, фосфорилирование, убиквитинирование и сумоилирование (Berger, 2007). Добавление и удаление этих функциональных групп из хвостов гистонов осуществляют с помощью большого количества модифицирующих гистон ферментов, включая ацетилтрансферазы, деацетилазы, метилтрансферазы, деметилазы и киназы (Kouzarides, 2007). Эти модификации гистонов служат для сигнатуры набора факторов транскрипции и других белков, участвующих в регуляции транскрипции, и изменения конформации хроматина, чтобы сделать ДНК более или менее доступной для транскрипционного механизма (Strahl and Allis, 2000; Kouzarides, 2007; Taverna et al., 2007). Таким образом, эпигенетические механизмы представляют собой важный способ, с помощью которого экологические стимулы могут регулировать экспрессию генов и, в конечном счете, поведение.

Недавно модификация хроматина была признана в качестве важного механизма, лежащего в основе изменений пластичности и поведения, вызванных лекарственными средствами (Рентхал и Нестлер, 2008; Bredy et al., 2010; McQuown и Wood, 2010; Лабиринт и Нестлер, 2011; Робинсон и Нестлер, 2011). Первым доказательством этого послужили эксперименты Кумара и коллег, которые использовали анализы иммунопреципитации хроматина (ChIP), чтобы продемонстрировать, что кокаин индуцирует модификации гистонов у конкретных промоторов генов в полосатом теле (Kumar et al., 2005). В частности, острое введение кокаина приводило к гиперацетилированию H4 финансовые директора промотор, тогда как хроническое введение приводило к гиперацетилированию H3 BDNF и Cdk5 промоутеры. Ацетилирование гистона включает ферментативный перенос ацетильной группы на основной N-концевой хвост гистона, который нейтрализует электростатическое взаимодействие между гистоном и отрицательно заряженной ДНК, делая его более доступным для транскрипционного аппарата (Loidl, 1994). Это согласуется с способностью кокаина резко выражать экспрессию факторов транскрипции семейства Fos (Graybiel et al., 1990; Young et al., 1991), тогда как BDNF и Cdk5 индуцируются только при хроническом воздействии (Bibb et al., 2001; Grimm et al., 2003).

Гистоацетилированное состояние гистона также может быть достигнуто экспериментально путем введения ингибиторов гистондезацетилазы (HDAC), и эти препараты были использованы для изучения влияния глобального увеличения ацетилирования гистонов на поведенческие реакции на наркотики злоупотребления. Системное применение ингибиторов HDAC синергически увеличивает гиперацетилирование, наблюдаемое в ответ на кокаин внутри стриатума (Kumar et al., 2005), и это потенцирует кокаин-индуцированную локомоцию и вознаграждение кокаина (Kumar et al., 2005; Sun et al., 2008; Sanchis-Segura et al., 2009). Ингибирование HDAC также может увеличить локомоторную сенсибилизацию до этанола и морфина и облегчить морфин CPP (Sanchis-Segura et al., 2009). Тем не менее, было обнаружено, что ингибиторы HDAC предотвращают развитие сенсибилизации до одного воздействия морфина (Jing et al., 2011), и уменьшить мотивацию к самообслуживанию кокаина (Romieu et al., 2008). Эти контрастные результаты могут отражать различия в протоколах администрации, и, что важно, они демонстрируют, что ингибиторы HDAC не могут без разбора потенцировать поведенческие реакции на лекарства во всех условиях.

Благодаря их разрешающему влиянию на транскрипцию гена, ингибиторы HDAC могут также действовать для облегчения определенных видов обучения (Bredy et al., 2007; Lattal et al., 2007). Недавно было продемонстрировано, что введение ингибитора HDAC после повторного воздействия на ранее спаренную среду кокаина может способствовать исчезновению CPP, индуцированного кокаином, и это, вероятно, связано с увеличением ацетилирования гистонов H3 в NAc (Malvaez et al., 2010). Инфузия ингибитора HDAC субероиланилид-гидроксамовой кислоты (SAHA) непосредственно в NAc на стадии кондиционирования CPP повышает условное вознаграждение кокаина (Renthal et al., 2007), что указывает на то, что ингибирование HDAC в этом регионе может способствовать как обучению, так и обучению вымиранию, основанному на наградах, в зависимости от контекста, в котором вводится препарат. Дальнейшие эксперименты показали роль HDAC5, а эндогенный HDAC высоко выражен в NAc в модуляции вознаграждения кокаина. Введение кокаина увеличивает эффективность HDAC5, регулируя его дефосфорилирование и последующий ядерный импорт, а дефосфорилирование HDAC5 в NAc ухудшает развитие кокаина CPP (Taniguchi et al., 2012). Точно так же чрезмерная экспрессия HDAC5 в NAc во время фазы кондиционирования CPP ослабляет компенсацию кокаина, и этот эффект отменяется после экспрессии мутантной формы HDAC5 в NAc (Renthal et al., 2007). Возможно, что HDAC5 оказывает эти эффекты, ингибируя транскрипцию гена, индуцированную лекарственным средством, которая обычно увеличивает полезные свойства кокаина.

Геномный анализ модификаций хроматина, которые происходят в NAc в результате воздействия кокаина, выявил множество модификаций хроматина в зонах промотора генов вниз по потоку как CREB, так и ΔFosB (Renthal et al., 2009). Этот анализ также выявил повышение регуляции двух сиртуинов SIRT1 и SIRT2, которые представляют собой белки, обладающие активностью HDAC, а также могут деацетилировать другие клеточные белки (Denu, 2005). Индукция SIRT1 и SIRT2 связана с повышенным ацетилированием H3 и повышенным связыванием ΔFosB у их промоторов генов, что указывает на то, что они являются мишенями нижнего потока ΔFosB (Renthal et al., 2009). Считается, что повышающая регуляция SIRT1 и SIRT2 имеет поведенческую значимость; sirtuins уменьшают возбудимость NAc MSNs в пробирке, и фармакологическое торможение сиртуинов снижает вознаграждение кокаина, тогда как их активация увеличивает полезные ответы на кокаин (Renthal et al., 2009).

В дополнение к функциональной роли HDACs, генетические исследования также показали роль гистон-ацетилтрансферазы (HATs) в опосредовании некоторых поведенческих реакций на наркотики злоупотребления. Вероятно, самым важным механизмом, с помощью которого CBP способен усилить транскрипцию гена, является его внутренняя активность HAT (Bannister and Kouzarides, 1996), а недавние данные свидетельствуют о HAT-активности CBP в некоторых эпигенетических изменениях, которые возникают в результате воздействия препарата. В ответ на острый кокаин CBP завербовывается FosB промотор, где он ацетилирует гистон H4 и увеличивает экспрессию FosB (Levine et al., 2005). У мышей, не достаточных для CBP, меньше CBP завербовывается в промотор, что приводит к снижению ацетилирования гистонов и экспрессии FosB. Это также соответствует меньшему накоплению ΔFosB в полосатом теле, и неудивительно, что эти мыши проявляют пониженную чувствительность в ответ на вызов кокаина (Levine et al., 2005). Недавно, используя систему рекомбинации crelox, Malvaez и его коллеги исследовали роль CBP-активности, которая специфически находилась в NAc на кокаин-индуцированной транскрипции и поведении гена (Malvaez et al., 2011). Сообщалось, что целенаправленная делеция CBP в NAc приводила к уменьшению ацетилирования гистонов и экспрессии c-Fos и нарушала локомоторную активацию в ответ на как острый, так и хронический кокаин (Malvaez et al., 2011). У этих мышей также было подавлено условное вознаграждение кокаина, что свидетельствует о том, что активность CBP в NAc важна для формирования связанных с наркотиками воспоминаний (Malvaez et al., 2011).

Недавно эксперименты в лаборатории Кандела показали, что эпигенетические механизмы могут лежать в основе гипотетической способности никотина действовать как «наркотик-вход». Мыши, хронически предварительно обработанные никотином до воздействия кокаина, демонстрировали повышенную локомоторную сенсибилизацию и кокаиновое вознаграждение по сравнению с мышами, не получавшими никотин (Levine et al., 2011). Кроме того, предварительная обработка никотином приводила к усиленной кокаиновой депрессии ЛТП в возбуждающих синапсах в ядре NAc, что не наблюдалось ни с одним никотином. Анализ модификаций гистонов, индуцированных воздействием никотина на 7-день, показал увеличение ацетилирования H3 и H4 на FosB промотор в полосатом теле, эффект, который не был так выражен в ответ на 7-дневное введение кокаина. Активность HDAC была снижена в полосатом теле мышей, получавших никотин, но не изменилась у мышей, получавших кокаин. Примечательно, что введение ингибитора HDAC непосредственно в NAc имитирует эффекты предварительной обработки никотином, усиливая эффекты кокаина. Ни одно из этих изменений не наблюдалось, когда мышей лечили кокаином до никотина, что подтверждает временную специфичность этих эффектов. Этот элегантный набор экспериментов предоставил возможное эпигенетическое объяснение того, почему курение сигарет почти всегда предшествует употреблению кокаина среди людей (Кандел, 1975; Kandel et al., 1992).

В дополнение к ацетилированию гистонов, метилирование гистонов также недавно было признано как поведенчески значимая модификация хроматина, вызванная препаратами злоупотребления (Laplant et al., 2010; Maze et al., 2010, 2011). Гистиновое метилирование включает ферментативное присоединение одной, двух или трех метильных групп к остаткам лизина или аргинина в N-конце хвостов гистонов и связано с активацией или репрессией транскрипции в зависимости от характера модификации (Rice and Allis , 2001). Первые исследования по изучению метилирования гистонов, вызванные кокаином, привели к идентификации двух гистон-метилтрансфераз, G9a и G9a-подобных белков (GLP), которые были постоянно снижены в NAc 24 h после как неконкурентного воздействия кокаина, так и самого кокаина -управление (Renthal et al., 2009; Maze et al., 2010). Это понижающее регулирование было связано с аналогичным уменьшением метилирования гистонов H3 lNine 9 (H3K9) и 27 (H3K27). Было продемонстрировано, что сверхэкспрессия G9a в NAc снижает кокаин-индуцированную экспрессию выбранных генов, снижает вознаграждение кокаина, измеряемую CPP, и ингибирует увеличение плотности дендритного позвоночника, обычно наблюдаемое в ответ на повторный кокаин (Maze et al., 2010). Противоположное происходило, когда экспрессия G9a в NAc ингибировалась, что приводило к увеличению плотности дендритного позвоночника и повышению вознаграждения кокаина. Имеются данные о том, что эти изменения, вызванные кокаином в экспрессии G9a и последующие сокращения в H3K9 и H3K27, регулируются ΔFosB (Maze et al., 2010). В совокупности эти эксперименты выявили важную роль метилирования гистонов G9a в некоторых долгосрочных поведенческих и биохимических последствиях повторного воздействия кокаина.

Недавно было показано, что триметилирование гистона H3-лизина 9 (H3K9me3), которое ранее считалось относительно стабильной гетерохроматической меткой, динамически регулировалось в NAc острым и хроническим воздействием кокаина (Maze et al., 2011). Повторный кокаин приводил к постоянному снижению репрессивного связывания H3K9me3, который был особенно обогащен некодирующими геномными областями (Maze et al., 2011). Эти первоначальные данные свидетельствуют о том, что повторное воздействие кокаина может привести к необрастанию некоторых ретротранспонируемых элементов в нейронах NAc, и было бы очень интересно выяснить поведенческие последствия этих новых эпигенетических адаптаций.

Учитывая длительный характер зависимости, недавние исследования также изучили роль метилирования ДНК, которая является более стабильной эпигенетической адаптацией по сравнению с модификацией гистонов. Метилирование ДНК включает добавление метильных групп к основаниям цистеина в ДНК и, как правило, связано с транскрипционной репрессией (Stolzenberg et al., 2011). Анализ мозгов крыс, которые получали пассивные инъекции кокаина в течение 7 дней, или что сам кокаин в течение 13 дней обнаружил понижающую регуляцию ДНК метилтрансферазы DNMT3a в NAc 24 h после последнего воздействия кокаина (Laplant et al., 2010). И наоборот, после более хронического воздействия кокаина (как пассивного, так и самостоятельного введения в течение 3 недель или более) и периода отмены дня 28, dnmt3a Было обнаружено, что мРНК значительно повышается в NAc (Laplant et al., 2010). Впоследствии ингибирование метилирования ДНК / DNMT3a, в частности, в NAc, усиливало как CPP, так и локомоторную сенсибилизацию к кокаину, тогда как противоположное наблюдалось после сверхэкспрессии DNMT3a в этой области. Кроме того, ингибирование DNMT3a в NAc также предотвращало увеличение кодовой зависимости в плотности дендритного позвоночника (Laplant et al., 2010). Поведенческая значимость вызванных кокаином изменений в плотности позвоночника NAc до сих пор не совсем понятна. Показано, что манипуляции, которые ингибируют индуцированную лекарством индукцию позвоночника, снижают полезные свойства кокаина (Russo et al., 2009; Maze et al., 2010); однако в других исследованиях было обнаружено, что ингибирование спиногенеза потенцирует вознаграждение кокаина (Pulipparacharuvil et al., 2008; Laplant et al., 2010). Поскольку кокаин, по-видимому, вызывает очень сложную регуляцию различных дендритных шипов в течение воздействия и отмены (Shen et al., 2009), было высказано предположение, что эти различия могут зависеть от типа дендритных шипов, которые были изменены (Laplant et al., 2010).

Из описанных здесь экспериментов ясно, что индуцированная лекарством регуляция транскрипционного потенциала клеток представляет собой ключевой механизм, влияющий на поведенческие реакции на лекарства и обучение, основанное на наградах. Важным следующим шагом было бы определить, какие из этих эпигенетических изменений наиболее важны для состояния наркозависимости человека. Учитывая, что простого воздействия наркотиков недостаточно для производства «наркомании» как у людей, так и у животных, внедрение моделей, которые более точно оценивают поведенческие признаки пристрастия, такие как компульсивное употребление наркотиков и рецидив, будет иметь важное значение.