Нейротрофические факторы и структурная пластичность при наркомании (2009)

• Нейрофармакология. 2009; 56 (Добавить 1): 73-82.
• Опубликован онлайн 2008 Июль 4. DOI:  10.1016 / j.neuropharm.2008.06.059

Скотт Дж. Руссо, Мишель С. Мазей-Робинсон, Джессика Л. Эйблскачества Эрик Дж. Нестлер^*

Информация об авторе ► Информация об авторских правах и лицензии ►

Перейти к:

Абстрактные

1. Введение

Важной особенностью наркомании является то, что человек продолжает употреблять наркотики, несмотря на угрозу серьезных неблагоприятных физических или психосоциальных последствий. Хотя неизвестно с уверенностью, что движет этими поведенческими паттернами, была выдвинута гипотеза, что долгосрочные изменения, которые происходят в схеме вознаграждения мозга, важны (Рисунок 1). В частности, считается, что адаптации дофаминергических нейронов вентральной области (VTA) и их нейронов-мишеней в прилежащем ядре (NAc) изменяют реакции индивидуума на лекарства и естественные вознаграждения, что приводит к толерантности к лекарствам, дисфункции вознаграждения, эскалации употребление наркотиков и, в конечном итоге, принудительное использование (Everitt et al., 2001; Каливас и О'Брайен, 2008; Koob и Le Moal, 2005; Nestler, 2001; Робинсон и Колб, 2004).

 

Рисунок 1

Основные типы клеток в нервной цепи, лежащие в основе зависимости

В последние годы были предприняты значительные усилия для определения клеточных и молекулярных изменений, которые происходят при переходе от первоначального употребления наркотиков к компульсивному потреблению. Среди многих типов адаптаций, вызванных лекарственными средствами, было предположено, что изменения нейротрофического фактора, происходящего из мозга (BDNF) или родственных нейротрофинов, и их сигнальные пути изменяют функцию нейронов в цепи VTA-NAc и других областей вознаграждения для модуляции. мотивация принимать наркотики (Боланос и Нестлер, 2004; Пирс и Бари, 2001). Следствием этой гипотезы является то, что такие клеточные и молекулярные адаптации, вызванные фактором роста, отражаются в морфологических изменениях нейронов, связанных с вознаграждением. Например, хроническое введение стимуляторов увеличивает разветвление дендритов и количество дендритных шипов и динамически увеличивает уровни BDNF в нескольких областях вознаграждения головного мозга, тогда как хроническое введение опиатов уменьшает дендритные ветвления и позвоночники, а также уровни BDNF в некоторых из тех же областей (для обзор см (Робинсон и Колб, 2004; Томас и др., 2008). Кроме того, хронический морфин уменьшает размер VTA дофаминовых нейронов, эффект, обратный BDNF (Russo и др., 2007; Sklair-Tavron и др., 1996). Тем не менее, прямых причинных доказательств того, что эти структурные изменения способствуют развитию зависимости, по-прежнему не хватает.

Предположение, что BDNF может быть связан со структурной пластичностью контура VTA-NAc в моделях зависимости, согласуется с большой литературой, в которой этот фактор роста задействован в регуляции дендритных шипов. Например, исследования с использованием условных делеций BDNF или рецептора TrkB показывают, что они необходимы для пролиферации и созревания дендритных шипов в развивающихся нейронах, а также для поддержания и пролиферации шипов на нейронах по всему мозгу взрослого человека (Чакраварти и др., 2006; Данзер и др., 2008; Horch et al., 1999; Танака и др., 2008a; фон Болен Унд Хальбах и др., 2007).

Хотя точные молекулярные механизмы, с помощью которых BDNF опосредует структурную пластичность схемы вознаграждения мозга, остаются неизвестными, недавние исследования показывают, что специфические пути вниз по течению от BDNF модулируются лекарственными препаратами, и что эти нейротрофические зависимые от передачи сигналов изменения коррелируют с морфологическим и поведенческим концом точки на животных моделях наркомании. В этом обзоре мы обсуждаем новые достижения в нашем понимании того, как опиаты и стимуляторы регулируют передачу сигналов нейротрофических факторов и клеточные и поведенческие последствия этих эффектов. Мы также предлагаем области для будущих исследований, чтобы рассмотреть парадоксально противоположные эффекты стимуляторов и опиатов на нейрональную морфологию и некоторые поведенческие фенотипы, согласующиеся с зависимостью.

2. Нейротрофиновые сигнальные пути

Выявление сигнальных путей, которые опосредуют развитие и выживание нейронов, является давней целью исследований в области нейробиологии. Однако передача сигналов нейротрофического фактора в центральной нервной системе взрослого (ЦНС) за последнее десятилетие стала важной областью интереса, так как было показано, что нейротрофическая передача сигналов модулирует нейронную пластичность и поведение в течение всей жизни организма (обзор см. В (Чао, 2003)). Первый выявленный нейротрофический фактор, фактор роста нервов (NGF), был выделен в 1954 (Коэн и др., 1954); клонирование самого гена не происходило до 1983 (Scott et al., 1983). За этим открытием внимательно следили очистка и идентификация дополнительных NGF-подобных факторов роста, которые определяли семейство нейротрофинов: BDNF (Барде и др., 1982; Лейброк и др., 1989), нейротрофин-3 (NT3) (Хон и др., 1990; Maisonpierre и др., 1990) и нейротрофин-4 / 5 (NT4 / 5) (Беркемейер и др., 1991). Члены семейства нейротрофинов являются паралогами и имеют значительную гомологию (Hallbook и др., 2006); все это полипептиды, которые гомодимеризуются и обнаруживаются как в незрелых, так и в зрелых формах в ЦНС. Хотя давно считалось, что расщепленная зрелая форма ~ 13 кДа была активной сигнальной молекулой, недавние исследования показывают, что про (незрелые) формы нейротрофинов, которые сохраняют свой N-конец, обнаруживаются в головном мозге (Фанесток и др., 2001) и опосредуют сигнальные каскады, отличные от зрелых пептидов. Действия NGF в ЦНС взрослого организма в основном локализуются в холинергических клетках базального переднего мозга, тогда как распределение других нейротрофинов распространено гораздо шире.

Дальнейшая специфичность сигнала нейротрофина достигается за счет дифференциальной экспрессии рецепторов нейротрофина, которые можно разделить на две категории: рецепторы тропомиозин-связанной киназы (Trk) и нейротрофина p75 (p75NTR). P75NTR был впервые идентифицирован как рецептор для NGF (Johnson et al., 1986), но на самом деле связывает как незрелые, так и зрелые формы всех четырех нейротрофинов (Lee et al., 2001; Родригес-Тебар и др., 1990; Родригес-Тебар и др., 1992). В отличие от p75NTR, семейство рецепторов Trk проявляет специфичность к своим лигандам. Рецептор TrkA преимущественно связывает NGF (Kaplan et al., 1991; Klein et al., 1991), рецептор TrkB связывает BDNF (Klein et al., 1991) и NT4 / 5 (Беркемейер и др., 1991), и рецептор TrkC связывает NT3 (Ламбаль и др., 1991). Хотя зрелые нейротрофины обладают повышенной аффинностью к рецепторам Trk по сравнению с пропептидами, как незрелые, так и зрелые формы могут связывать p75NTR с высокой аффинностью. Кроме того, было показано, что p75NTR образует комплексы с рецепторами Trk, и эти рецепторные комплексы проявляют повышенное сродство к соответствующим лигандам Trk по сравнению с гомодимерным Trk.

Trk-рецепторы представляют собой одиночные трансмембранные охватывающие белки, состоящие из внеклеточного лиганд-связывающего домена и внутриклеточного региона, содержащего тирозинкиназный домен. Подобно другим рецепторным тирозинкиназам, Trk-рецепторы гомодимеризуются в ответ на связывание лиганда, что обеспечивает трансфосфорилирование в петле активации для увеличения каталитической активности рецепторной киназы. Трансфосфорилирование по тирозиновым остаткам в юкстамембранном домене и на С-конце генерирует сайты присоединения для «линкерных» белков типа SH2 (Src homology 2), таких как белок, содержащий домен гомологии Src (Shc), и фосфолипазы Cγ (PLCγ ) соответственно. Связывание Shc инициирует нижестоящие сигнальные каскады, ведущие в конечном итоге к активации путей, активируемых митоген-активируемой протеинкиназой (MAPK) и фосфатидилинозитол 3'-киназой (PI3K). Стимуляция пути MAPK включает активацию внеклеточной регулируемой сигналом киназы (ERK), в то время как связывание субстрата рецептора инсулина (IRS) приводит к рекрутированию и активации PI3K и к активации нижестоящих киназ, таких как вирусный протоонкоген тимомы (Akt) , также известный как протеинкиназа B (PKB). Фосфорилирование и активация PLCγ приводит к образованию трифосфата инозита (1,4,5) (IP).₃) и диацилглицерол (DAG) и для стимуляции протеинкиназы C (PKC) и клеточного Ca²⁺ пути. Эти три основных сигнальных пути - PI3K, PLCγ и MAPK / ERK - индуцированные активацией рецептора Trk, проиллюстрированы на Рисунок 2, Интересно, что имеются данные о дифференциальной активации этих трех каскадов в зависимости от нейротрофина, типа рецептора, а также уровня и продолжительности сигнала (см. (Сигал, 2003). Дифференциальная активация этих нижестоящих путей, по-видимому, особенно актуальна для вызванных лекарствами изменений в морфологии и поведении нейронов, как будет подробно описано в последующих разделах этого обзора.

 

Рисунок 2

Внутриклеточные сигнальные пути ниже нейротрофинов

По сравнению с обширными знаниями о последствиях активации рецептора Trk, гораздо меньше известно о роли передачи сигналов p75NTR в функции нейротрофина. Активация эффекторов Trk, как правило, приводит к про-выживанию и дифференцировке сигналов, тогда как активация p75NTR инициирует как каскад выживания, так и про-смерти. Для передачи сигналов выживания через p75NTR необходим нисходящий ядерный фактор каппа B (NFκB), который, как считается, активируется косвенно через фактор, связанный с рецептором TNF (фактор некроза опухоли), 4 / 6 (TRAF4 / 6) или белок, взаимодействующий с рецептором 2 (RIP2) обзор см (Чао, 2003)). Хотя передача сигналов нейротрофина допускает сложное разнообразие сигналов, которые зависят от паттерна экспрессии нейротрофинов и рецепторов и процессинга пептидов нейротрофина, этот обзор фокусируется на вызванных лекарственными средствами изменениях в сигнальных путях нейротрофинов ниже BDNF.

3. Изменения BDNF, вызванные лекарственными препаратами, в областях, стимулирующих мозг

Изменения в уровнях белка и мРНК BDNF были исследованы в нескольких областях мозга после введения многих классов веществ, вызывающих привыкание. Стимуляторы производят широко распространенную, но временную индукцию белка BDNF в NAc, префронтальной коре (PFC), VTA и центральном (CeA) и базолатеральном (BLA) ядрах миндалины (Graham et al., 2007; Grimm и др., 2003; Le Foll и др., 2005). Как условное, так и не зависящее (то есть, от животных, привязанных к животным, которым вводят самостоятельно) введение кокаина вызывает повышенные уровни белка BDNF в NAc (Graham et al., 2007; Liu et al., 2006; Чжан и др.., 2002). Аналогичным образом, долгосрочная абстиненция вплоть до 90 дней после самостоятельного введения кокаина коррелирует с повышенным содержанием белка BDNF в NAc, VTA и миндалине (Grimm и др., 2003; Пу и др., 2006), и есть ранние доказательства того, что эпигенетическая регуляция на BDNF ген может участвовать в обеспечении этой персистирующей индукции (Kumar et al., 2005).

Хотя для изучения уровней мРНК и белка BDNF после воздействия опиатов было проведено меньше исследований, представляется, что уровни BDNF регулируются опиатами в определенных областях мозга, связанных с вознаграждением. Острое введение морфина повышает уровни мРНК BDNF в NAc, медиальной PFC (mPFC), VTA и орбитофронтальной коре. В VTA сообщается, что хронический морфин, вводимый подкожными (sc) имплантатами, неэффективен в изменении экспрессии мРНК BDNF (Numan et al., 1998). Это, однако, контрастирует с изменениями белка BDNF, наблюдаемыми после лечения хроническим морфином. Используя возрастающие дозы внутрибрюшинного (ip) морфина, было показано, что количество иммунореактивных клеток BDNF в VTA уменьшается (Chu et al., 2007), предполагая подавление функции BDNF. Несмотря на то, что ни в одном из докладов не изучалась экспрессия BDNF в гиппокампе или хвостат-путамене (CPu) после введения стимуляторов или опиатов, такие исследования оправданы, поскольку в пирамидных нейронах области CA3 гиппокампа и срединно-колючих нейронах (MSNs) наблюдаются серьезные морфологические изменения. КПУ в этих условиях ((Робинсон и Колб, 2004); увидеть Таблица 1).

 

Таблица 1

Индуцированные наркотиками морфологические изменения

4. Медикаментозные изменения в сигнальных путях BDNF в областях вознаграждения мозга

Было показано, что некоторые белки в сигнальных каскадах нейротрофинов регулируются в мезолимбической дофаминовой системе опиатами и стимуляторами; они включают эффекты лекарств на передачу сигналов IRS-PI3K-Akt, PLCγ, Ras-ERK и NFκB (Рисунок 3). Стимуляторы резко увеличивают фосфорилирование ERK во многих областях мозга, включая NAc, VTA и PFC, после острого или хронического введения лекарств (Jenab et al., 2005; Ши и МакГинти, 2006, 2007; Sun и др., 2007; Valjent и др., 2004; Valjent и др., 2005). Эти данные согласуются с вызванным стимуляторами увеличением ветвления нейронов и числа позвоночника, учитывая установленную роль Ras-ERK в разрастании нейритов. Влияние опиатов на передачу сигналов ERK менее ясно. Недавно было сообщено, что фосфорилирование ERK уменьшается в NAc (Мюллер и Унтервальд, 2004), PFC (Феррер-Алкон и др., 2004) и VTA (неопубликованные наблюдения) после хронического морфина, эффект, который согласуется с уменьшенным разветвлением нейритов, наблюдаемым в этих регионах у морфинзависимых животных. Тем не менее, в более ранней работе нашей группы и других авторов сообщалось об увеличении активности ERK, включая повышенное фосфорилирование ERK и каталитическую активность, в VTA после хронического морфина (Берхоу и др., 1996b; Liu et al., 2007; Ортиз и др., 1995). Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить объяснение этих противоречивых результатов. Кроме того, важно использовать множественные подходы для измерения активности белка, чтобы биохимические события можно было соотнести с морфологическими и поведенческими конечными точками. Например, ингибирование ERK в дофаминовых нейронах VTA не влияет на размер клеток (Russo и др., 2007), так что в будущих исследованиях необходимо рассмотреть функциональную значимость вызванных лекарствами изменений активности ERK в этой и других областях мозга, поскольку они связаны с вызывающими привыкание фенотипами.

 

Рисунок 3

Адаптации в сигнальных каскадах BDNF, связанные с опиатной и стимулирующей структурной пластичностью в цепи VTA-NAc

Несколько недавних сообщений показали, что на передачу сигналов IRS-PI3K-Akt влияют наркотики злоупотребления (Brami-Cherrier et al., 2002; McGinty и др., 2008; Мюллер и Унтервальд, 2004; Russo и др., 2007; Ши и МакГинти, 2007; Wei et al., 2007; Уильямс и др., 2007). Хроническое введение опиатов снижает фосфорилирование Akt как в NAc, так и в VTA (Мюллер и Унтервальд, 2004; Russo и др., 2007). Эти биохимические изменения соответствуют уменьшению ветвления нейронов и плотности дендритного отдела позвоночника или, в случае VTA-дофаминовых нейронов, уменьшению размера тела клетки (Диана и др., 2006; Робинсон и др., 2002; Робинсон и Колб, 1999b; Russo и др., 2007; Spiga и др., 2005; Spiga и др., 2003)

Влияние стимуляторов на передачу сигналов IRS – PI3K – Akt в этих регионах менее ясно. Например, хронический кокаин увеличивает активность PI3K в оболочке NAc и снижает его активность в ядре NAc (Чжан и др.., 2006). Эти данные соответствуют предыдущему сообщению, показывающему, что хронический кокаин избирательно увеличивал уровни мРНК BDNF в оболочке NAc и уменьшал мРНК рецептора TrKB в ядре NAc (Филип и др., 2006). Таким образом, различия между оболочкой и ядром в активности PI3K могут быть объяснены дифференциальной восходящей регуляцией BDNF и TrKB кокаином. Интересно, что при использовании более общего расслоения стриатума (включая NAc и CPu) было показано, что амфетамин снижает активность Akt в препаратах синаптосом (Wei et al., 2007; Уильямс и др., 2007), и мы наблюдали аналогичные эффекты хронического кокаина в NAc без различия между ядром и оболочкой (Pulipparacharuvil и др., 2008). Кроме того, эти исследования усложняются тем, что для изучения изменений передачи сигналов Akt использовался временной курс, поскольку недавняя работа McGinty и коллег предполагает, что хронический амфетамин вызывает временные и специфические для ядра изменения в фосфорилировании Akt в стриатуме (McGinty и др., 2008). В ранние моменты времени после введения амфетамина наблюдается специфическое для ядра увеличение фосфорилирования Akt, однако через два часа фосфорилирование Akt снижается, что предполагает компенсаторный механизм для отключения этой активности. Понимание динамической взаимосвязи между стимуляторами и передачей сигналов Akt будет важно для определения того, управляет ли этот путь передачи сигналов структурной пластичностью, вызванной стимуляторами, в NAc, как в случае опиатов в VTA (см. Раздел 6).

Изменения в сигнальных путях PLCγ и NFκB при злоупотреблении наркотиками изучены не так хорошо, как ERK и Akt; Однако недавняя работа показывает, что оба пути регулируются наркотиками злоупотребления. Хроническое введение морфина увеличивает общие уровни белка PLCγ, а также уровни его активированной тирозин-фосфорилированной формы (Wolf et al., 2007; Wolf et al., 1999). Кроме того, было обнаружено, что вирус-опосредованная сверхэкспрессия PLCγ в VTA увеличивает активность ERK в этой области мозга (Wolf et al., 2007), таким образом имитируя аналогичное увеличение активности ERK, наблюдаемое после хронического морфина в более ранних исследованиях (Берхоу и др., 1996b). Сверхэкспрессия PLCγ в VTA также регулирует вознаграждение опиатами и связанное с ними эмоциональное поведение, с отчетливыми эффектами, наблюдаемыми в ростральной и каудальной VTA (Bolanos и др., 2003). Аналогично, Грэм и его коллеги (Graham et al., 2007) наблюдали повышенное фосфорилирование PLCγ в NAc после острого, хронического кокса и хронического самостоятельного введения кокаина, эффект, который зависел от BDNF.

Ранее проведенное в нашей группе исследование показало, что субъединицы NFκB p105, p65 и IκB увеличиваются в NAc в ответ на хроническое введение кокаина (Ang и др., 2001). Это согласуется с выводами кадета и коллег (Асанума и Кадет, 1998), который продемонстрировал, что метамфетамин индуцирует активность связывания NFκB в полосатых областях. Учитывая, что некоторые из регулируемых лекарством белков NFκB активируют передачу сигналов NFκB, тогда как другие ингибируют ее, из этих оригинальных исследований было неясно, отражают ли наблюдаемые изменения белка общее увеличение или уменьшение передачи сигналов NFκB. Совсем недавно мы решили этот вопрос, показав, что хроническое введение кокаина усиливает транскрипционную активность NFκB в NAc, основываясь на данных, полученных у трансгенных репортерных мышей NFκB-LacZ (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007). Более поздние данные прямо указали на индукцию передачи сигналов NFκB в NAc на структурные и поведенческие эффекты кокаина (см. Раздел 6). Эти ранние находки интригуют и требуют дальнейшего изучения, включая изучение влияния опиатов на передачу сигналов NFκB в областях вознаграждения мозга.

5. Медикаментозная структурная пластичность в областях, стимулирующих мозг

Схема вознаграждения мозга развивалась, чтобы направлять ресурсы на получение естественного вознаграждения, но эта система может быть повреждена или взломана наркотиками злоупотребления. Внутри этой цепи структурная пластичность обычно характеризуется измененным дендритным разветвлением или наслоением и изменениями плотности или морфометрии дендритных шипов. Хотя прямая поведенческая значимость зависящих от опыта морфологических изменений все еще находится в стадии изучения, считается, что синаптическая функция определяется не только количеством, но также размером и формой каждой отдельной головки позвоночника. По мере формирования колючек они отсылают тонкие незрелые структуры, которые принимают либо короткую, мультисинаптическую, филоподальную или разветвленную форму (обзор см. В (Борн и Харрис, 2007; Тада и Шэн, 2006). По оценкам, во взрослом мозге в базальных условиях, по крайней мере, 10% шипов имеют эти незрелые формы, что говорит о том, что пластичность - это непрерывный процесс на протяжении всей жизни (Фиала и др., 2002; Харрис, 1999; Harris et al., 1992; Петерс и Кайсерман-Абрамоф, 1970). Эти структуры являются временными и могут образовываться в течение нескольких часов после стимуляции и сохраняться в течение нескольких дней in vivo (Holtmaat et al., 2005; Маевска и др., 2006; Zuo и др., 2005).

Считается, что стабилизация переходного незрелого позвоночника в более постоянный и функциональный позвоночник происходит через механизм, зависящий от активности (обзор см.Тада и Шэн, 2006). Протоколы стимуляции, которые вызывают длительную депрессию (LTD), связаны с сокращением или втягиванием шипов на гиппокампальных и корковых пирамидных нейронах (Нагерл и др., 2004; Окамото и др., 2004; Zhou et al., 2004), тогда как индукция долгосрочного потенцирования (LTP) связана с образованием новых шипов и расширением существующих шипов (Мацузаки и др., 2004; Нагерл и др., 2004; Окамото и др., 2004). На молекулярном уровне считается, что LTP и LTD инициируют изменения в сигнальных путях, а также в синтезе и локализации белков, которые в конечном итоге изменяют полимеризацию актина, влияя на созревание и стабильность позвоночника и, в конечном счете, производя функциональный позвоночник (LTP). или отведение существующего позвоночника (LTD) (см. обзор (Борн и Харрис, 2007; Тада и Шэн, 2006). После стабилизации колючки становятся грибовидными, имеют более высокую постсинаптическую плотность (Harris et al., 1992) и было показано, что сохраняются в течение нескольких месяцев (Holtmaat et al., 2005; Zuo и др., 2005). Эти изменения отражают высокостабильное клеточное событие, которое может быть правдоподобным объяснением, по крайней мере, некоторых долгосрочных поведенческих изменений, связанных с наркоманией.

Большинство классов веществ, вызывающих привыкание, при хроническом введении изменяют структурную пластичность всей схемы вознаграждения мозга. Большинство из этих исследований являются коррелятивными и связывают структурные изменения в определенных областях мозга с поведенческим фенотипом, указывающим на зависимость. За прошедшее десятилетие Робинсон и его коллеги проложили путь к пониманию того, как наркотики злоупотребления регулируют структурную пластичность (см. Обзор (Робинсон и Колб, 2004). После этих оригинальных наблюдений другие исследователи злоупотребления наркотиками добавили к этой растущей литературе, чтобы раскрыть специфические эффекты класса наркотиков на морфологию нейронов. Как изображено в Таблица 1 и Рисунок 3Опиаты и стимуляторы по-разному влияют на структурную пластичность. Было показано, что опиаты уменьшают количество и сложность дендритных шипов на NAc MSNs и mPFC и пирамидальных нейронах гиппокампа и уменьшают общий размер сомы VTA дофаминергических нейронов, без влияния на недофаминергические нейроны в этой области мозга (Nestler, 1992; Робинсон и Колб, 2004; Russo и др., 2007; Sklair-Tavron и др., 1996). На сегодняшний день существует единственное исключение из этих результатов, когда сообщалось, что морфин увеличивает количество позвоночника на орбитофронтальных корковых нейронах (Робинсон и др., 2002). В отличие от опиатов было показано, что стимуляторы, такие как амфетамин и кокаин, последовательно увеличивают дендритные колючки и усложняют их в NAc MSN, дофаминергических нейронах VTA и пирамидальных нейронах PFC без сообщений о снижении структурной пластичности (Lee et al., 2006; Норрхольм и др., 2003; Робинсон и др., 2001; Робинсон и Колб, 1997, 1999a; Сарти и др., 2007).

Хотя молекулярные механизмы ниже передачи сигналов нейротрофического фактора, которые лежат в основе этих изменений, плохо изучены, многие из этих структурных изменений сопровождаются изменениями в уровнях или активности белков, хорошо известных для регуляции нейронального цитоскелета. Они включают, но не ограничиваются ими, вызванные лекарством изменения в микротрубочковом ассоциированном белке 2 (MAP2), нейрофиламентных белках, регулируемом по активности цитоскелет-ассоциированном белке (Arc), LIM-киназе (LIMK), факторе усиления миоцитов 2 (MEF2) циклин-зависимая киназа s5 (Cdk5), постсинаптическая плотность 95 (PSD95) и cofilin, а также изменения в актиновом цикле в NAc или других областях вознаграждения мозга (Бейтнер-Джонсон и др., 1992; Bibb et al., 2001; Chase et al., 2007; Мари-Клер и др., 2004; Pulipparacharuvil и др., 2008; Тода и др., 2006; Яо и др., 2004; Ziolkowska et al., 2005). Поскольку многие биохимические изменения, вызванные стимуляторами и морфином, сходны, важно определить различные генные мишени, регулируемые опиатами и стимуляторами, связанные с дендритной функцией, поскольку они могут дать представление об общих противоположных эффектах опиатов и стимуляторов на нейротрофические свойства. структурно-зависимая структурная пластичность.

Противоположные морфологические изменения, индуцируемые опиатами и стимуляторами в областях вознаграждения головного мозга, парадоксальны, поскольку эти два препарата вызывают очень похожие поведенческие фенотипы. Например, конкретные схемы лечения опиатов и стимуляторов, оба из которых приводят к опорно-двигательному аппарату сенсибилизации и подобных формам эскалации наркотиков самостоятельного введения, вызывают противоположные изменения в дендритной плотности позвоночника в NAC (Робинсон и Колб, 2004). Таким образом, если эти морфологические изменения являются важными медиаторами зависимости, либо они должны обладать двунаправленными свойствами, в результате чего изменение от базовой линии в обоих направлениях приводит к одному и тому же поведенческому фенотипу, либо они опосредуют различные поведенческие или другие фенотипы, которые не фиксируются с помощью используемых экспериментальных инструментов , Кроме того, эти выводы должны быть рассмотрены в контексте рассматриваемой парадигмы приема лекарств. В наших исследованиях, например, животные получают высокие дозы подкожного морфина, непрерывно высвобождаемого из имплантатов гранул, парадигма, более совместимая с толерантностью к опиатам и зависимостью. Напротив, большинство парадигм стимуляторов используют инъекции препарата от одного до нескольких раз в день, что позволяет пиковым уровням в крови и вернуться к исходному уровню до следующего введения, парадигмы более соответствуют сенсибилизации препарата. Характер употребления человеком опиатов и стимуляторов может широко варьироваться от человека к человеку. Следовательно, в будущих исследованиях необходимо рассмотреть поведенческую значимость вызванных лекарством морфологических изменений в областях, стимулирующих мозг, в контексте парадигм дозирования и приема лекарств, которые отражают воздействие, наблюдаемое у людей.

6. Роль BDNF и его сигнальных каскадов в лекарственной структурной и поведенческой пластичности

Предполагается, что изменения в передаче сигналов факторов роста являются основным фактором, влияющим на структурную и поведенческую пластичность, связанную с наркоманией. Человеческие исследования ограничены. Индуцированные наркотиками изменения в BDNF сыворотки наблюдались у людей, зависимых от кокаина, амфетамина, алкоголя или опиатов (Angelucci и др., 2007; Janak и др., 2006; Ким и др., 2005), однако источник этого BDNF и актуальность этих изменений для возникновения и поддержания зависимости остаются неясными. В будущих исследованиях было бы интересно изучить BDNF и его сигнальные пути в посмертной мозговой ткани человека.

За последнее десятилетие работа с грызунами установила влияние BDNF на различные фазы процесса зависимости. Ранние исследования показали, что локальная инфузия BDNF в VTA или NAc усиливает двигательную и полезную реакцию на кокаин, в то время как глобальная потеря BDNF оказывает противоположные эффекты (Hall и др., 2003; Horger и др., 1999; Lu et al., 2004). Более поздняя работа показала, что самостоятельное введение кокаина увеличивает передачу сигналов BDNF в NAc (Graham et al., 2007). Кроме того, внутрибрюшинная инфузия BDNF потенцирует самостоятельное введение кокаина и поиск и повторное обнаружение кокаина, в то время как инфузия антител против BDNF или местный нокаут BDNF ген в NAc (достигаемый посредством вирусной экспрессии Cre-рекоминазы у мышей BDNF с флоксом) блокирует такое поведение. Основываясь на этих исследованиях, Грэм и его коллеги (2007) пришел к выводу, что высвобождение BDNF в NAc во время начала самостоятельного введения кокаина является необходимым компонентом процесса зависимости.

Эти данные подтверждают мнение, что BDNF является молекулой-кандидатом для опосредования структурных изменений в нейронах NAc, вызванных хроническим воздействием кокаина или других стимуляторов. Согласно этой гипотезе, индуцированное стимуляторами увеличение передачи сигналов BDNF в NAc будет индуцировать увеличение дендритной арборизации нейронов NAc, что будет лежать в основе сенсибилизированных поведенческих реакций на стимуляторы, а также сильных связанных с лекарством воспоминаний, имеющих решающее значение для рецидива и зависимости. В соответствии с этой гипотезой получены данные из культивируемых нейронов гиппокампа, где было показано, что секреция BDNF вызывает зависимое от синтеза белка увеличение отдельных дендритных шипов (Танака и др., 2008b). Слабость этой гипотезы заключается в том, что не было прямых экспериментальных доказательств того, что усиление дендритных шипов нейронов NAc само по себе необходимо или достаточно для сенсибилизированных реакций лекарств. Фактически, есть данные, которые предполагают более сложную связь между этими двумя явлениями: ингибирование Cdk5 в NAc блокирует способность кокаина увеличивать дендритные шипы на нейронах NAc, несмотря на тот факт, что такое ингибирование усиливает двигательные и полезные ответы на кокаин (Норрхольм и др., 2003; Taylor et al., 2007). Очевидно, что необходима дальнейшая работа для изучения взаимосвязи между этой структурной и поведенческой пластичностью.

Другим важным предостережением к этой гипотезе является то, что изменения в передаче сигналов BDNF могут оказывать совершенно разные эффекты на морфологию и поведение нейронов в зависимости от исследуемой области мозга. Недавние доклады сделали четкие различия между функцией BDNF в гиппокампе и VTA (Berton и др., 2006; Eisch et al., 2003; Кришнан и др., 2007; Шираяма и др., 2002): Инфузии BDNF в гиппокампе похожи на антидепрессанты, в то время как инфузии BDNF в VTA или NAc вызывают эффекты, похожие на продепрессанты. Подобные модели появляются в области зависимости. Примечательно, что увеличение BDNF в NAc усиливает поведение, вызванное кокаином (Graham et al., 2007; Horger и др., 1999), тогда как в PFC BDNF подавляет эти же поведения (Berglind et al., 2007). Неудивительно, что индукция BDNF кокаином также дифференциально регулируется в этих двух областях мозга, что дополнительно подтверждает поведенческие различия (Фумагалли и др., 2007).

Предварительные данные указывают на передачу сигналов NFκB в регуляции кокаин-индуцированной структурной и поведенческой пластичности. Хотя прямой механизм, с помощью которого происходят эти изменения, неизвестен, предыдущая работа показала, что p75NTR, который находится выше по потоку от NFκB, локализован в синапсе и что активация p75NTR с помощью BDNF необходима для LTD. Хотя взаимодействия BDNF-TrkB широко изучались при злоупотреблении наркотиками, эти данные предполагают альтернативный путь через NFκB, который требует дальнейшего изучения. В соответствии с этой гипотезой, мы недавно наблюдали, что опосредованная вирусами избыточная экспрессия доминантного отрицательного антагониста пути NFκB в NAc препятствует способности хронического кокаина увеличивать плотность дендритных шипов на NAc MSN. Такое ингибирование передачи сигналов NFκB также притупляет сенсибилизацию к полезным эффектам кокаина (Russo, Soc. Neurosci. Abstr. 611.5, 2007). Эти данные, в отличие от ситуации с Cdk5, приведенной выше, подтверждают связь между повышенным уровнем дендритных нарушений и поведенческой сенсибилизацией к кокаину, дополнительно подчеркивая сложность этих явлений и необходимость дальнейшего изучения.

Несмотря на то, что ограниченная работа касалась значимости передачи сигналов нейротрофического фактора в поведении, вызванном опиатами, работа нашей лаборатории раскрыла роль BDNF и нижестоящего пути IRS2-PI3K-Akt в регуляции размера VTA дофаминергических клеток и последующей толерантности к вознаграждению (Russo и др., 2007; Sklair-Tavron и др., 1996). В частности, хроническое введение опиатов у грызунов вызывает состояние поощрения толерантности и физической зависимости в течение относительно ранних периодов отмены, что, как считается, способствует эскалации поведения, связанного с приемом наркотиков. В ранних экспериментах было установлено, что внутривенная инфузия BDNF предотвращает вызванное морфием уменьшение размера нейронов VTA (Sklair-Tavron и др., 1996). Совсем недавно мы показали, что временная шкала толерантности к вознаграждению, измеряемая по условному предпочтению места, параллельна временной шкале уменьшения размера дофаминергических клеток и что эти явления опосредуются через сигнальные каскады BDNF (Russo и др., 2007). Как упоминалось ранее, биохимические сигнальные пути в VTA, которые находятся ниже BDNF и рецептора TrKB, дифференцированно регулируются хроническим морфином: морфин активирует PLCγ (Wolf et al., 2007; Wolf et al., 1999), снижает активность пути IRS – PI3K – Akt (Russo и др., 2007; Wolf et al., 1999), и производит переменные эффекты на ERK (см. выше). В свете недавних данных, что Akt регулирует размер многих типов клеток в центральной нервной системе (Бэкман и др., 2001; Kwon et al., 2006; Kwon et al., 2001; Шайденхельм и др., 2005), мы использовали методы переноса вирусных генов, чтобы непосредственно показать, что морфин вызывает поощрение толерантности за счет ингибирования пути IRS2-PI3K-Akt и уменьшения размера нейронов VTA дофамина. Эти эффекты не наблюдались при изменении передачи сигналов ERK или PLCγ, что снова указывает на важность передачи сигналов IRS-PI3K-Akt для этого явления. В будущих исследованиях будет рассмотрено значение путей BDNF и IRS – PI3K – Akt в эскалации опиатного самоуправления, более клинически значимой парадигмы для измерения зависимости. Лучшее понимание восходящих изменений в нейротрофических факторах или их рецепторах и нижестоящих мишеней для Akt позволит рассмотреть конкретные механизмы толерантности к опиатному вознаграждению в моделях зависимости. Кроме того, будет важно понять роль передачи сигналов BDNF в регуляции функции VTA в контексте нейронной цепи. В связи с этим интересно отметить, что Пу и соавт. (2006) показали, что после отказа от повторного воздействия кокаина возбуждающие синапсы на дофаминовые нейроны в VTA более чувствительны к потенцированию слабыми пресинаптическими стимулами, эффект, требующий эндогенной передачи сигналов BDNF-TrkB.

7. Роль других нейротрофических факторов в структурной и поведенческой пластичности, вызванной лекарственными средствами

Хотя вышеприведенное обсуждение фокусируется на BDNF и его сигнальных каскадах, есть доказательства того, что некоторые другие нейротрофические факторы и их нижестоящие сигнальные пути также влияют на поведенческие или биохимические реакции на наркотики злоупотребления. Было показано, что NT3, как и BDNF, стимулирует сенсибилизированные ответы на кокаин на уровне VTA (Пирс и Бари, 2001; Pierce et al., 1999). Хроническое введение морфина или кокаина усиливает передачу сигналов нейротрофического фактора, происходящего от глиальной клеточной линии (GDNF) в цепи VTA-NAc, что, в свою очередь, обеспечивает обратную связь и подавляет поведенческие эффекты этих лекарств от злоупотребления (Мессер и др., 2000). Амфетамин индуцирует основной фактор роста фибробластов (bFGF) в цепи VTA-NAc, а мыши, нокаутированные по bFGF, имеют тупой ответ на локомоторную сенсибилизацию, вызванную повторными инъекциями амфетамина (Flores и др., 2000; Флорес и Стюарт, 2000). Цитокин, цилиарный нейротрофический фактор (CNTF), вводимый непосредственно в VTA, усиливает способность кокаина вызывать биохимические адаптации в этой области мозга; кокаин усиливает внутриклеточные сигнальные каскады через Janus-киназу (JAK) и сигнальные преобразователи и активаторы транскрипции (STAT), эффект, который был усилен острой инфузией CNTF (Берхоу и др., 1996a). Существует также доказательство того, что хронический морфин изменяет уровни инсулиноподобного фактора роста 1 (IGF1) в VTA и других областях мозга (Бейтнер-Джонсон и др., 1992). Эти отдельные результаты указывают на то, что разнообразные нейротрофические механизмы контролируют функцию VTA-NAc, чтобы комплексно регулировать пластичность к наркотикам, вызывающим злоупотребление, и подчеркивают необходимость дальнейших исследований в этой области.

8. Выводы

За последнее десятилетие мы расширили наше понимание того, как наркотики злоупотребляют регулированием нейротрофических сигнальных путей и морфологией разнообразных популяций нейронов по всей схеме вознаграждения мозга. Последние достижения в области вирусного переноса генов позволяют манипулировать конкретными нижестоящими нейротрофическими сигнальными белками в данной области мозга, представляющей интерес для полностью развитых взрослых животных, для изучения взаимосвязей между злоупотреблением наркотиками, морфологией нейронов и поведенческой пластичностью. С помощью новых бицистронных вирусных векторов можно экспрессировать белок, который управляет нейротрофическими сигнальными путями, а также флуоресцентный белок для визуализации морфологии нейронов (Clark et al., 2002). Таким образом, с улучшенными иммуногистохимическими методами для маркировки специфических популяций нейронов можно оценивать морфологические изменения, вызванные лекарственными средствами, и связанные с ними биохимические адаптации в нейротрофической передаче сигналов специфичным для типа клеток образом, и, следовательно, предоставляет важную информацию для лекарственной регуляции гетерогенного мозга. наградить регионы. Используя междисциплинарные подходы с поведенческими, физиологическими, биохимическими и морфологическими конечными точками, будет все больше и больше возможно определять механизмы зависимости с гораздо большей точностью, включая точную роль передачи сигналов нейротрофического фактора в зависящей от опыта пластичности и процессе зависимости. Эти знания могут привести к разработке новых медицинских вмешательств, направленных на нормализацию неадаптивной пластичности, вызванной злоупотреблением наркотиками в областях вознаграждения мозга, и тем самым обратить вспять процесс зависимости у людей.

Сноски

Рекомендации