Клиническая значимость нейропластичности в кортикостриальных сетях при обучении оперантов (2013)

Перейти к:

Абстрактные

Оперантное обучение является одной из самых элементарных форм поведенческой адаптации (Rescorla, 1994). Через обмен с окружающей средой животное может узнать о последствиях своих действий и, таким образом, изменить текущую среду с помощью нового поведения, чтобы создать более благоприятные условия (Скиннер, 1953). Результирующее изменение в поведении является драматичным и продолжительным. Некоторые ученые утверждают, что оперантное обучение является основой «знания» (Шнайтер, 1987) может лежать в основе «творчества» (Прайор и др., 1969), является основой принятия решений и способствует неразрешимой природе наркомании. Поскольку поведение организма изменяется в результате непредвиденных последствий, включаются физиологические механизмы, которые гарантируют, что эти изменения станут почти постоянными; они «втиснуты», как предположил Торндайк (Thorndike, 1911). Даже Скиннер отметил, что непредвиденные обстоятельства реагирования меняют нас: «Люди воздействуют на мир, изменяют его и менялась в свою очередь, последствиями их действий ». (Скиннер, 1957, п. 1).

В свете повсеместности оперантных поведенческих отношений в нашей психологической жизни нейробиологии оперантного обучения (то есть начального приобретения оперантного ответа) уделяется удивительно мало внимания по сравнению с другими базовыми процессами обучения, такими как пространственное обучение (например, Моррис Водный лабиринт) или Павловское кондиционирование страха. Тем не менее, считается, что оперантные отношения действуют почти в каждый момент нашей жизни и во многих важных психоневрологических состояниях: наркомании, аутизме и других серьезных проблемах поведения. В этом обзоре мы освещаем последние два десятилетия исследовательской карьеры Энн Келли, когда она стремилась к более глубокому пониманию нейробиологии оперантного обучения в надежде, что молекулярные, клеточные и геномные составляющие оперантного обучения, реализованные в распределенных сетях, будут сообщить лучшие альтернативы лечения.

Дорогостоящие проблемы со здоровьем и поведенческое поведение

Злоупотребление наркотиками является одной из самых разрушительных, непокорных и дорогостоящих проблем психического здоровья в США и даже во всем мире. Злоупотребление наркотиками только в этой стране ежегодно оценивается в 484 млрд. Долл. США на проблемы со здоровьем, несчастные случаи, потерю работы и страховые взносы (Политика, 2001). Также подсчитано, что люди 540,000 ежегодно умирают от болезней, связанных с наркотиками. Эти оценки не включают неденежные или косвенные психосоциальные расходы, оплачиваемые родителями¹, супруги, братья и сестры, друзья и наше сообщество в целом. Вполне вероятно, что злоупотребление наркотиками и наркомания каким-либо образом негативно сказались на каждом гражданине этой страны (например, в качестве жертвы преступного поведения, автомобильной аварии или в результате действий члена семьи). Наркомания все чаще рассматривается с точки зрения фундаментальных изменений в познании и поведении, с акцентом на связи компульсивного характера зависимости с патологическими изменениями в сетях, кодирующих решения и эмоции (Everitt et al., 2001). Таким образом, лучшее понимание оперантных систем обучения может улучшить наше понимание нейронной причинности зависимости.

По данным Центров по контролю заболеваний (CDC), 1 у детей 88 были идентифицированы как страдающие аутизмом (Управление, 2012). Расстройства аутистического спектра (РАС) поражают людей любого этнического происхождения и всех социально-экономических уровней. РАС могут оказаться крайне изнурительными и, вероятно, потребуют пожизненного ухода за большими расходами для общества (> 3,000,000 XNUMX XNUMX долларов на человека) (Ганц, 2007). В последнее время прикладной анализ поведения (ABA) и некоторые производные (например, Denver Start Model), которые подчеркивают динамичное и гибкое академическое, социальное и коммуникативное поведение, продемонстрировали, что невероятные выгоды возможны при ранней интенсивной терапии (Салоу и Граупнер, 2005, Dawson и др., 2010, Уоррен и др., 2011). Эти модели оказались настолько успешными, что многие дети с диагнозом РАС впоследствии были названы «неотличимыми» от своих сверстников. По некоторым оценкам, 40-50% детей с диагнозом аутизм полностью излечимы (McEachin et al., 1993). Кроме того, подавляющий успех терапии АБК в лечении аутизма привел к общей идее, что она является синонимом терапии аутизма (Дилленбургер и Кинан, 2009) к большому неудовольствию практиков, если не назвать их, управления организационным поведением (OBM), анализа клинического поведения и дрессировки животных; профессии, которые используют анализ поведения применительно к ситуациям не с участием аутизма. Здесь интересен тот факт, что большинство принципов ABA основаны на современной теории оперантов и экспериментальном анализе поведения: оценка возможных операций установления, выявление соответствующих функций несоответствующего поведения, усиление хорошего поведения, наказание за нежелательное поведение и оценка этих отношений в более широкий социально-экономический контекст (например, поведенческая экономика). В своей основополагающей статье об ABA Баер, Вольф и Рисли (1968) изложили четкую связь между теорией оперантов и измерением «концептуальных систем» ABA, хотя полный обзор этой статьи выходит за рамки данного текущего обзора. Таким образом, поскольку этиология РАС в значительной степени рассматривается как нейрогенетическая, и в свете важной роли, которую играет оперантное поведение в обучении и терапии по сравнению с РАС, более глубокое понимание нейробиологии оперантного поведения может помочь нашим соображениям относительно ASDs.

Термин «серьезное проблемное поведение» охватывает широкий спектр вопросов от школьных издевательств до экстремального самоповреждения. Тяжело проблемное поведение может проявляться у обычно развивающихся детей, но чаще встречается у детей с нарушениями развития и / или умственными отклонениями. Серьезные проблемы поведения создают существенные социальные и образовательные препятствия для людей из-за их интенсивности и кажущейся непредсказуемости. Лечение может включать отстранение от занятий в школе, помещение в специальные условия, участие в системе уголовного правосудия, заключение под стражу или институционализацию. Вместо того, чтобы рассматривать эти паттерны как «неадекватные» или «неуместные», психологи и педагоги теперь рассматривают многие из этих проблемных поведений как функциональные. Другими словами, когда рассматривается как оперантное поведение, можно определить, оценить и изменить усиливающие непредвиденные обстоятельства, способствующие этим серьезным проблемам поведения. Однако из-за опасного характера этих проблем и вторжения вероятных нейрофизиологических проблем многие индивидуумы впадают в сложные или невыносимые условия жизни или в условиях отсутствия лечения. Возможность того, что эти серьезные проблемы возникают в результате сочетания генетического взаимодействия с окружающей средой, только сейчас серьезно рассматривается. Лучшее понимание нейробиологии оперантного поведения улучшит альтернативы лечения.

Механизмы нейронной пластичности в длительных изменениях поведения

В настоящее время общепризнанно, что длительные изменения поведения посредством непредвиденных обстоятельств являются результатом значительных изменений в мозге: укрепление синаптических связей, реконфигурация нейронных ансамблей, синтез новых белков, усиление экспрессии генов и эпигенетические модификации. , Долгосрочное потенцирование (LTP) служит одной из наиболее часто запрашиваемых систем, связанных с пластичностью, и данные сильно указывают на активацию NMDAR в качестве ключевого инициирующего события. То есть высокочастотные паттерны синаптической стимуляции активируют NMDAR, приводя к притоку Ca²⁺, в свою очередь, активируя несколько механизмов передачи сигналов, некоторые из которых сходятся на ERK (внеклеточной рецепторной киназе). Считается, что ERK регулирует множество транскрипционных факторов, которые координируют формирование и стабилизацию долговременной памяти (Левенсон и др., 2004). Существуют существенные данные, подтверждающие роль NMDAR-Ca²⁺-RK каскад в длительных изменениях поведения и формировании памяти при формировании страха и обучении по водному лабиринту Морриса (Atkins и др., 1998, Blum et al., 1999, Шафе и др., 2000); в более позднем отчете этот каскад также упоминается в кондиционировании пищи, хотя и в модели беспозвоночных (Ribeiro et al., 2005). НМДАР-индуцированная нейронная пластичность посредством регуляции транскрипции через путь ERK, таким образом, обеспечивает нейронное представление оперантной обусловленности и элегантную модель для изучения длительных изменений в поведении.

В прямом расширении этой модели, Келли и коллеги (Kelley et al., 1997) впервые исследовал роль активации NMDAR в оперантном обучении в прилежащем ядре, сайт, предположительно играющий главную роль в сложной интеграции сенсорной, поощрительной и моторной информации. После привыкания к стандартным камерам кондиционирования оперантов и обучения в журнале инъекции антагониста NMDAR (+/-) - 2-амино-5-фосфонопентановой кислоты (AP-5) производили непосредственно в ядро ​​accumbens core (NAc) с ограниченным приемом пищи. крысы непосредственно перед первыми четырьмя 15-минутными сеансами оперантной подготовки. С рычагом, теперь вставленным в камеру, прессы были укреплены шариками сахарозы², В течение первых тренировочных сессий 4 крысы, получавшие AP-5, делали очень мало нажатий на рычаги, в отличие от крыс, получавших носитель. Всех крыс оставляли необработанными для следующих сеансов 5, и обе группы быстро достигли асимптотических уровней нажатия рычагов. Важно отметить, что микроинъекция AP-5 в NAc до 10^th сессия не имела каких-либо заметных последствий. Отдельные эксперименты не выявили влияния AP-5 на спонтанное, безусловное питание и моторное поведение у идентично обработанных (например, хирургическое вмешательство, депривация и т. Д.) Крыс. Следовательно, по сравнению с инфузиями солевого раствора, инфузии AP-5 / блокада NMDAR в NAC нарушали начальное обучение операнту, но не влияли на последующую производительность, а также блокада NMDAR не влияла на мотивацию сахарозы или спонтанное моторное поведение. Таким образом, эти данные согласуются с общим мнением, что активация NMDAR имеет решающее значение для обучения благодаря своей роли в нейронной пластичности.

Эти исследования, проведенные в лаборатории Энн Келли, являются первыми, демонстрирующими роль рецепторов NMDA в оперантном обучении в ключевом узле кортико-лимбико-полосатой сети. Эрнандес и др. (Эрнандес и др., 2005) непосредственно воспроизводил этот эффект и, в частности, продемонстрировал ограниченную во времени контекстную роль активации NMDAR в оперантном обучении для послевсходовых инфузий AP-5, не влияющих на обучение. Другими словами, активация NMDAR во время воздействия камеры и непредвиденных обстоятельств необходима для обучения, но не обязательна после сеанса. Это открытие контрастирует с воздействием наркотиков после сеанса на другие поведенческие препараты, такие как формирование страха (Кастеллано и др., 1993). Келли и соавт. (Kelley et al., 1997) также показал, что вливания AP-5 в оболочку accumbens kernel (NAS) оказали очень незначительное влияние на обучение оперантов, предполагая, что оперантное кондиционирование влечет за собой пластические изменения в дискретной сети, а не повсеместное нейронное действие NMDAR. Более точная характеристика этой сети может помочь бесчисленным психоневрологическим состояниям, которые включают обучение или недостатки, связанные с пластичностью, помогая нейробиологам идентифицировать дискретные ядра, которые являются критическими для поведения, в то же время идентифицируя специфическую рецепторную опосредованность указанного поведения.

Чтобы расширить эти результаты, Baldwin et al. (2000) обнаружили, что инфузии AP-5 в базолатеральной миндалине (BLA) и медиальной префронтальной коре (mPFC) также нарушали оперантное обучение, но AP-5 не оказывали влияния на обучение оперантом при введении в дорсальную (dSUB) или вентральную ( vSUB) subiculum. Кроме того, эти эффекты снова были ограничены начальной фазой кондиционирования, поскольку блокада NMDAR не влияла на последующую работу операнта, поведение спонтанного двигателя или самопроизвольное кормление. Макки и соавт. (McKee и др., 2010) расширил роль активации NMDAR в оперантном обучении до дорсального медиального стриатума (DMS) и передней поясной извилины (ACC), но не обнаружил роли орбито-лобной коры (OFC) в оперантном обучении. Контрольные исследования не обнаружили доказательств мотивационного или моторного дефицита. Andrzejewski et al. (Andrzejewski и др., 2004) также исследовали роль NMDARs в центральном ядре миндалины (CeA) и 2 других полосатых подъядер. Несмотря на то, что дефицит в обучении наблюдался после инфузий AP-5 в CeA и задний боковой стриатум (PLS), но не в дорсо-латеральный стриатум (DLS), также имелись глубокие эффекты на спонтанную двигательную активность и поведение при кормлении инфузиями AP-5 в CeA и пожалуйста. Эти результаты предполагают, что оперантное обучение зависит от активации NMDAR в распределенной сети, каждая из которых может вносить свой вклад в различную сенсорную, мотивационную, двигательную и учебную обработку. Конечно, будущие исследования необходимы для оценки пределов «оперантной» сети.

Вместе эти первоначальные исследования показывают, что NAC, BLA, mPFC, DMS и ACC являются критическими областями в кортико-лимбической стриатальной сети, контролирующей оперантное обучение, которое не требуется для дальнейшей работы. Хотя дальнейшая работа может прояснить эту сеть и, возможно, более конкретные роли каждого региона, такая сеть, по-видимому, лежит в основе изучения аддиктивного или неадаптивного поведения, которое может быть более жестко регламентировано после установления.

Участие дофамина в обработке наград и пластичности

Обработка на основе подкрепления также сильно зависит от мезокортиколимбических систем DA, включающих нейроны DA в вентральной области (VTA) и их проекции на прилежащее ядро ​​(NAc), миндалины, префронтальную кору (PFC) и другие области переднего мозга, но от точной природы роль DA в обработке вознаграждения по-прежнему является источником спора. Одна ранняя теория предполагала, что DA-опосредованное удовольствие от награды, потому что многие природные и лекарственные награды активируют мезокортиколимбические системы, а их блокада ухудшает поведенческую эффективность большинства усилителей (Мудрый и Бозарт, 1985). Вторая гипотеза утверждает, что мезокортиколимбические нейроны DA изучают и предсказывают поощрительные поставки, потому что они запускают стимулирующие аппетит стимулы, но не безусловные стимулы (или сами вознаграждения) (Шульц, 1998, 2002). Третья, очень влиятельная гипотеза, утверждает, что мезокортиколимбические системы DA кодируют стимулирующие свойства, приписываемые нейронным представлениям стимулов и вознаграждений. Действительно, DA не опосредует гедонистическое влияние сладких вознаграждений, но требуется для поведения, направленного на те же вознаграждения (Берридж и Робинсон, 1998). В-четвертых, некоторые утверждают, что мезокортиколимбические системы DA сохраняют функции, связанные с усилиями, которые влияют на усиленное поведение из-за того факта, что истощения DA оказывают незначительное влияние на реагирование оперантов при усилении по «простому» графику (например, FR-5), но иметь драматическое влияние на более напряженные графики (Salamone и др., 1994, Salamone и др., 2001). Тем не менее, хотя роль DA в оперантном поведении однозначна, точная природа и детали его роли, вероятно, остаются функцией используемого препарата и теоретической ориентации экспериментатора.

Мы проверили роль DA в оперантном обучении через активность D1R во многих из тех же структур, отмеченных выше. Болдуин и соавт. (Baldwin et al., 2002b) показали, что блокада D1R в ПФК ухудшает оперантное обучение, но не влияет на производительность. Блокада D1R в BLA и CeA также нарушает оперантное обучение (Andrzejewski и др., 2005), в зависимости от дозы. Однако роль D1R в других структурах было трудно отделить от других эффектов, опосредованных D1R. Например, Эрнандес и др. (Эрнандес и др., 2005) продемонстрировали глубокое влияние на оперантное поведение после блокады D1R перед сеансом в NAc; однако, засовывание носа в поднос с едой (часто рассматриваемое как реакция Павлова на аппетит) также значительно уменьшилось. Andrzejewski et al (Andrzejewski и др., 2006) обнаружил, что блокада D1R в vSUB, но не в dSUB, нарушала оперантное обучение, но опять-таки обнаруживался дефицит мотивации. Хотя представляется вероятным, что активация DA D1R является критически важной для управления пластичностью, связанной с оперантным обучением, точная роль остается несколько неясной. Однако появившиеся доказательства привели нас к постулированию критической интерактивной роли NMDAR и D1R в оперантном обучении.

Внутриклеточная конвергенция активации NMDAR и DA D1R: детекторы совпадений

Исходя из этого, мы начали теоретизировать, что NMDAR в сочетании с DA D1R и, в частности, одновременное обнаружение входящих сигналов, играют критическую роль в формировании синаптических конфигураций и, вероятно, преобладающих нейронных ансамблей, которые лежат в основе оперантного обучения (Джей и др., 2004). NDMAR и DA D1R взаимодействуют динамически. Например, NMDA-зависимый LTP в полосатых срезах блокируется D1, но не антагонистами D2 (Weiss et al., 2000). в естественных условиях доказательства взаимодействия NMDA-D1 в явлениях, связанных с пластичностью, позволяют предположить, что LTP имеет место в нескольких схемах и структурах. Например, LTP в синапсах препронтальной коры гиппокампа зависит от ко-активации рецепторов NMDA и D1, а также от внутриклеточных каскадов с участием PKA (Джей и др., 2004). Как в стриатуме, так и в префронтальной коре активация D1 усиливает опосредуемые NMDA-рецептором ответы (Cepeda et al., 1993, Seamans et al., 2001, Ван и О'Доннелл, 2001). Потенцирование вызванной гиппокампом пиковой активности прилежащих нейронов требует совместного действия как рецепторов D1, так и NMDA, в то время как сходный синергизм наблюдается для пути миндалевидного прикуса (Флореско и др., 2001b, a). Молекулярные исследования дополняют эти результаты, демонстрируя зависимость NMDA-рецептора от D1-опосредованного фосфорилирования CREB (белок, связывающий элемент ответа cAMP) (Дас и др., 1997, Карлезон и Конради, 2004), фактор транскрипции, считающийся эволюционно консервативным модулятором процессов памяти и ключевого белка в клеточных путях, на которые влияют наркотики, вызывающие привыкание (Silva et al., 1998, Nestler, 2001). Сильную поддержку для утверждения о совпадении активации дает демонстрация долгосрочного повышения синаптической силы, когда кортикостриатальное возбуждение и дофаминергическая активация координированы во времени (Wickens et al., 1996). Другие данные предполагают, что сигналы глутамата и дофамина посредством активации NMDA и D1 сходятся, вызывая активацию ERK в гиппокампе и стриатуме, тем самым реконфигурируя сети, участвующие в обучении и употреблении наркотиков (Valjent и др., 2005, Kaphzan et al., 2006). Таким образом, учитывая требования, необходимые для обучения, интересно предположить, что скоординированное поступление дофаминергических и глутаматергических сигналов и его нейромолекулярные последствия служат детектором совпадений, который инициирует транскрипционные изменения, ведущие к длительным синаптическим изменениям. Важно отметить, что именно эти каскады являются теми, которые предлагается изменить в процессе привыкания (Хайман и Маленка, 2001).

В прямой проверке этой гипотезы Baldwin et al. (Baldwin et al., 2002b) обнаружил дозы AP-5 и R (+) - 7-хлор-8-гидрокси-3-метил-1-фенил-2,3,4,5-тетрагидро-1H-3-бензазепина гидрохлорида (SCH-23390) (антагонист D1R) PFC, который не оказал заметного влияния на оперантное обучение. Однако при объединении и введении в ПФК наивных крыс оперантное обучение значительно ухудшалось, что свидетельствует о сильной синергии между двумя рецепторами. То есть пластичность, связанная с оперантным поведением, возможна при небольшом количестве блокады NMDAR или D1R, но не обоими. Хотя мы видели некоторые дозозависимые эффекты, мы задавались вопросом, было ли оперантное обучение феноменом «все или ничего», таким как концептуальное обучение (Ослер и Траутман, 1961). По нашему опыту оказалось, что наши крысы сначала проводили свое время в камере, исследуя, тыкая носом, нюхая, ухаживая, разводя и т. Д., Лишь изредка нажимая на рычаги. После пары сеансов контрольные крысы «получили его» и продолжали гораздо чаще нажимать на рычаги и выращивали, исследовали, нюхали, ухаживали и т. Д., Реже (например, ответы, для которых не было запрограммированных последствий), так же как Стаддон и Simmelhag продемонстрировали в своем оригинальном эксперименте по суеверному поведению (Staddon и Simmelhag, 1971). Следовательно, начальное оперантное обучение может включать «переломный момент» или пороговый процесс, в отличие от более постепенного и плавно меняющегося. Рисунок 1 показаны кумулятивные ответы двух крыс с канюлями, нацеленными на NAc. Один был наполнен транспортным средством до первых пяти сеансов, а второй - AP-5. Сходство функций поразительно и, по-видимому, соответствует нашему представлению: наблюдается очень постепенное и медленное увеличение числа ответов, относительно быстро переходящий к высокому и устойчивому уровню ответа. Обратите внимание, что крыса, обработанная AP-5, задерживается в этом переходе, предполагая, что эта «точка перелома» задерживается из-за блокады NMDAR.

 

Рисунок 1

Кумулятивный рычаг давит через сеансы. Поведение двух репрезентативных крыс, одной обработанной носителем и одной обработанной AP-5, после вливаний в ядро ​​accumbens core (NAc) перед первыми сеансами 5, 15-минуты. Настои прекратились после ...

Хотя эти поведенческие данные и другие наблюдения могут представлять убедительный аргумент в отношении этой гипотезы «переломного момента», было бы очень важно, если бы нейробиология последовала их примеру, поскольку это подразумевало бы «критический период» для оперантного обучения и предлагало цели для вмешательства в зависящая от времени мода. По крайней мере, кажется, что оперантное обучение сильно контекстуализировано по отношению к временным, экологическим и нейрофизиологическим отношениям.

Внутриклеточная сигнальная модель оперантного обучения

Внутриклеточные молекулярные составляющие обучения (как правило, не обязательно оперантное обучение), как отмечалось ранее, получили большой интерес. Наши собственные результаты, касающиеся роли активации NMDAR, были основаны на этих результатах, касающихся LTP. Тем не менее, внутриклеточные сигнальные каскады, ответственные за LTP, в настоящее время хорошо выяснены. Являются ли они одними и теми же каскадами, ответственными за реконфигурацию синаптических путей во время оперантного обучения? Болдуин и др. (Baldwin et al., 2002a) ингибировал активность протеинкиназы, критических составляющих внутриклеточной передачи сигналов, необходимых для LTP, у NAc крыс перед сеансами оперантного обучения с соединением 1- (5-изохинолинсульфонил) -2-метилпиперазин дигидрохлорид (H-7). В отдельной группе крыс активность цАМФ-зависимой протеинкиназы (РКА) ингибировалась лекарственным средством Rp-аденозин 3 ', 5' -циклический монофосфотиоат триэтиламин (Rp-cAMPS) непосредственно перед сеансами обучения с оперантом. В обоих случаях обучение было нарушено, что свидетельствует о том, что передача сигналов протеинкиназы в целом и, в частности, активность PKA, были необходимы для оперантного обучения. Таким образом, было выявлено несколько ключевых внутриклеточных компонентов нервной пластичности, связанных с оперантным обучением.

PKA, PKC и другие активности протеинкиназы сходятся внутриклеточно, согласно нескольким известным моделям, в ERK (Valjent и др., 2005, Kaphzan et al., 2006). Фосфорилированный ERK (pERK) транслоцируется в ядро ​​нейронов, где он модулирует активность CREB, широко признанного в качестве эволюционно консервативного медиатора долгосрочной нервной пластичности. Удивительно, но мы нашли небольшую роль для ERK в оперантном обучении. Во-первых, U0126 (ингибитор pERK), введенный в NAc перед сеансами обучения, не дал заметного эффекта (Рисунок 2панель А). Мы использовали те же парадигмы и препараты, что и в предыдущих отчетах, однако, учитывая отсутствие у нас опыта с этим препаратом, возможно, что этот негативный эффект был результатом неизвестной технической проблемы. Во-вторых, мы исследовали фосфорилирование ERK после обучения с помощью стандартных вестерн-блотов и коммерчески доступных антител. Испытывали две группы крыс 6: стандартное обучение оперантов (1) (FR-1 / VR-2) и 2) приводили в действие управление (получали одинаковое количество усилителей, но для их производства не нужно было нажимать рычагом). Мозги были собраны в течение пяти минут после 5^th сеанс и обработан Вестерн-блот. Никаких различий в ERK, pERK или соотношении pERK / ERK не было отмечено ни в одной из исследованных областей 12, включая NAc (Рисунок 2панель Б). Был отмечен небольшой, но статистически значимый эффект pERK в vSUB и PFC, что составило примерно увеличение 20% по сравнению с контрольными отклонениями. Хотя эффект был статистически значимым, он был очень скромным и вполне возможно, что ошибка типа 1, учитывая количество проведенных нами сравнений. В-третьих, мы попытались визуализировать и, мы надеемся, полуколичественно определить pERK в мозге после оперантного обучения, используя стандартные иммуногистохимические методы на свободно плавающих срезах мозга. Этих крыс лечили идентично экспериментам с вестерн-блоттингом, однако после сбора мозга цельный мозг разрезали и использовали антитела к pERK для локализации pERK.

 

Рисунок 2

Роль ERK в оперантном обучении. Панель A показывает, что U0126, введенный в NAc перед учебными сессиями, не имеет никакого эффекта по сравнению с контрольными элементами, наполненными транспортным средством. Панель В показывает, что ни у ERK-1, ни у ERK-2 фосфорилирование не повышено у крыс, изучающих оперант ...

Еще раз, в то время как было значительное окрашивание pERK в PFC и vSUB, в NAc было очень мало (Рисунок 2панель C). Эти данные тесно согласуются с результатами вестернов и предполагают ограниченную роль ERK в обучении с оперантом, в отличие от множества исследований, демонстрирующих решающую роль этой киназы в других формах обучения (Левенсон и др., 2004, Чванг и др., 2006, Kaphzan et al., 2006). Однако совпадающая активация NMDAR / D1R может задействовать ERK-независимые сигнальные пути к ядру.

Роль CREB в нейронной пластичности

Модуляция pCREB в pERK имеет решающее значение во время обучения, потому что CREB является фактором транскрипции, увеличивающим или подавляющим экспрессию определенных генов. Считается, что эти гены являются регуляторами синтеза определенных белков, которые образуют строительные блоки рецепторов, мембран и других структур, имеющих решающее значение для нейрональной пластичности. Действительно, мы продемонстрировали, что синтез белка в NAc имеет решающее значение во время оперантного обучения (Эрнандес и др., 2002). Используя ингибитор синтеза белка, анизомицин, мы показали, что немедленные инфузии после сеанса в NAc блокировали последующее оперантное обучение, влияя на факторы транскрипции и De Novo синтез белка. Интересно, что инфузии 2 или 4 через несколько часов после сеанса не имели эффекта; анизомицин также не оказывал эффекта во время теста производительности или теста питания. Еще раз, кажется, что мы обнаружили ключевые особенности строго контролируемой, временной и контекстной, обучающей системы, включающей множественные структуры, рецепторы, сигнальные механизмы, а теперь и синтез белка.

Обнаружение зависимости синтеза белка от оперантного обучения, возможно, было одним из наиболее важных в нашей лаборатории, однако оно поставило большой открытый вопрос относительно специфики этого синтеза белка. Поэтому мы провели несколько экспериментов, чтобы определить, какие гены можно синтезировать / активировать во время оперантного обучения. Используя стандарт на месте Способы гибридизации с крысами, которых лечили так же, как те, которые использовались для западных исследований pERK, показали, что непосредственные ранние гены (IEG) Homer1a и egr1 (ЗИФ-268) были повышены по сравнению с контрольными крысами сразу после 3^rd тренировка оперента в пределах дискретных кортико-лимбическо-стриатальных узлов. Экспрессия генов была широко повышена во всей коре и стриатуме, а в некоторых случаях в гиппокампе, но неожиданно, не в вентральном стриатуме (то есть NAc). В отличие от «группы раннего обучения», вторая группа крыс испытала сеансы оперантного обучения 23. Еще Homer1a и egr1 в настоящее время экспрессия была снижена по сравнению с группой раннего обучения, почти во всех изученных ядрах, что позволяет предположить, что эти гены участвуют в функциях, связанных с пластичностью, при раннем воздействии, но не при последующем воздействии непредвиденных обстоятельств. Единственным исключением был вентролатеральный стриатум (VLS), который, с генетической точки зрения, остается «на линии» даже при длительном оперантном воздействии. Несмотря на то, что многие ученые называют длительное обучение оперантам «формированием привычки», эти реакции остаются гибкими и гибкими (рассмотрим «временный» эффект подкрепления или сокращения, который можно увидеть, когда устраняются или исчезают непредвиденные обстоятельства): интересно предположить, что VLS может сохранить эту функцию мониторинга.

Другие глутаматные рецепторы также помогают в пластичности, связанной с оперантным обучением

Homer1a Считается, что регулировать и движение группы 1 метаботрофических глутаматных рецепторов (mGluR1 и mGluR5). mGluR5 усиливают активность NMDAR, изменяя их проницаемость для Ca²⁺ (Pisani et al., 2001), открывая интересную возможность того, что один механизм NMDAR-индуцированной пластичности может сильно зависеть от активности mGluR5. Недавно мы непосредственно протестировали роль активности mGluR5 в обучении оперантов, блокируя их активность с помощью препарата 3 - ((2-метил-4-тиазолил) этинил) пиридин (MTEP). Наши предварительные результаты предполагают, что блокада активности mGluR5 в DMS ухудшает оперантное обучение, хотя последующие эксперименты по этому обнаружению продолжаются.

Активация рецептора AMPA и оперантное обучение также исследовались в нашей лаборатории. Эрнандес и соавт. (2002) продемонстрировали ограниченную во времени роль активации AMPAR в NAc во время обучения оперантом. Эффект, однако, продолжался в течение многих сеансов и, возможно, был результатом некоторого подавления или долгосрочной интернализации рецепторов глутамата. В то время как это утверждение нуждается в дополнительной эмпирической поддержке, мы обнаружили, что очень удивительно, что блокада AMPAR перед сеансом произвела бы такой долгосрочный эффект по сравнению с блокадой после сеанса, которая не вызывала изменений в обучении с помощью оперантов.

Эпигенетические изменения во время оперантного обучения

Помимо активации факторов транскрипции, активность NMDAR и D1R также индуцирует модификации, такие как ацетилирование гистона, в хроматин, белок, который организует и конденсирует геномную ДНК. Эти модификации обеспечивают сигналы рекрутирования, участвующие в транскрипции / молчании генов, и влияют на доступ к ДНК посредством транскрипционного механизма. Активация NMDAR и связанные с ней внутриклеточные сигнальные каскады, включая ацетилирование гистона 3 (H3), управляют длительными изменениями поведения, формированием павловского страха и инструментальным обучением в водном лабиринте Морриса (Atkins и др., 1998, Blum et al., 1999, Шафе и др., 2000). Недавно мы начали исследовать, изменяет ли оперантное обучение хроматин. Действительно, экспрессия ацетилирования гистона H3 увеличивалась в определенных структурах во время выполнения оперантного поведения по сравнению с контрольными животными с сахарозой. В этом эксперименте нажатие рычага крыс по графику RI-30 было принесено в жертву через 30 через несколько минут после сеанса. Мозг собирали, обрабатывали и инкубировали с антиацетил-гистоном H3 (лизин 14) с использованием стандартных протоколов.

Интересно, что по отношению к контрольным органам мы наблюдали повышенное ацетилирование гистона H3 в DMS, структуре, которая широко рассматривается как ключевой фактор, способствующий обучению оперантов. Это некоторые из первых данных, которые мы знаем об изменении гистонов во время оперантного обучения. Однако повышение глобального уровня ацетилирования гистона H3 может быть результатом модификаций на промоторах генов, отличных от IEG, и, кроме того, крысы, использованные в этом эксперименте, прошли обширную подготовку. Таким образом, необходима дополнительная информация о локусе этого ацетилирования во время оперантного обучения. Тем не менее эти данные в сочетании со многими другими сообщениями убедительно свидетельствуют о том, что эпигенетические процессы задействованы во время оперантного обучения. Длительные модификации, такие как ацетилирование гистона, могут помочь нам понять устойчивую природу оперантного поведения, его устойчивость к изменениям и невосприимчивость некоторых расстройств к лечению.

Эпигенетические процессы также, по-видимому, изменяются во время приема лекарств и обучения. Во время самостоятельного введения кокаина, D1R-зависимой инструментальной парадигмы, модификации хроматина индуцируются в определенных областях стриатума у ​​промоторов многих генов, связанных с пластичностью, таких как Cbp, NR2B, Psd95качества GluR2. CBP имеет решающее значение для стимуляции индуцированной активации CREB и обладает внутренней активностью гистонацетилтранферазы (HAT) (Шайвиц и Гринберг, 1999). Трансгенные мыши, экспрессирующие усеченную форму CBP имеют несколько недостатков в обучении (Wood et al., 2005). NR2Bсубъединица комплекса NMDAR, содержит сайт связывания глутамата и является существенной для LTP, тогда как субъединица NR2A нет (Фостер и др., Foster и др., 2010). NR2B субъединица фосфорилируется CaMKII, дефосфорилируется PP1 и обеспечивает интернализацию NMDAR (Roche et al., 2001). Psd-95 ингибирует NR2Bопосредованная интернализация NMDAR (Roche et al., 2001) и управляет синаптической локализацией и стабилизацией NMDAR (Li et al., 2003). GluR2 является субъединицей AMPAR и содержит критический сайт фосфорилирования, также модулируемый активностью внутриклеточной протеинкиназы и протеинфосфатазы. Фосфорилирование GluR2 частично регулирует проницаемость AMPAR для кальция и других катионов. Интересно, что стимуляция mGluR5 в дорсальном стриатуме крысы вызывает GluR2 фосфорилирование, эффект блокируется антагонизмом NMDAR (Ан и Чо, 2009).

Модель внутриклеточной конвергенции оперантного обучения

На этом фоне динамичной и интересной работы мы создали модель конвергенции NMDAR-DA D1R, которая может способствовать лучшему пониманию нейронной пластичности, участвующей в оперантном обучении. Рисунок 4 иллюстрирует преобладающую гипотезу о том, что сигналы сенсорной / информационной обработки, кодированные глутаматом, активируют NMDAR и AMPAR, приводя к Ca²⁺ приток в клетку. DA активация D1Rs активирует аденилциклазу (AC, обозначенную черной стрелкой) и, в свою очередь, цАМФ. Два сигнальных пути взаимодействуют в нескольких местах, например, так как CaM, индуцированный активацией NMDAR, влияет на AC (хотя это несколько упрощенное представление). PKA активирует MEK, но также ингибирует Ras / Raf (обозначенный линией со штриховой линией), предполагая, что пути не только сходятся, но и могут конкурировать за доминирование сигнала.

 

Рисунок 4

Внутриклеточная сигнальная модель оперантного обучения. Функциональные и структурные изменения, связанные с нейронной пластичностью, подразумевают скоординированную активацию NMDAR и DA D1R в кортикально-стриатально-лимбических сетях. Эта цифра суммирует преобладающую ...

Показаны несколько точек возможной конвергенции, в частности, активация CREB, MEK и ERK. Также демонстрируются критические эффекты, связанные с пластичностью, такие как CREB-зависимая транскрипция IEG. Arc, Homer1a, и egr1. Homer1a Trafficks рецепторы mGluR5 (представлены серой стрелкой), которые впоследствии потенцируют Ca²⁺ приток через активность фосфолипазы С (PLC), связанной с Gαq-белком (это усиление представлено желтой стрелкой и молнией); Активность mGluR5 также усиливает активацию DA D1R. Arc транспортируется в недавно активированные синапсы, которые, вероятно, выполняют роль «пометки». В последнее время появляющиеся данные указывают на важную роль Arc и ERK во вставке субъединицы AMPAR и регуляции потенциал-управляемых кальциевых каналов L-типа. DARPP-32, активируемый активностью PKA, накапливается в ядре, ингибируя активность протеинфосфатазы 1 (PP1), которая непосредственно участвует в модификациях хроматина через внутреннюю активность дефосфорилирования (символизируется стрелкой с полукруглой стрелкой, «захватывающей» фосфатную группу) ). Действия гистон-деактилазы (HDAC) представлены с помощью перевернутой стрелкой, которая «захватывает» ацетильные группы из гистона 3 (H3). Эти модификации гистонов ослабляют или уплотняют хроматин, тем самым обеспечивая или подавляя транскрипцию генов (конкретные модификации, обозначенные на фигуре, не обязательно представляют фактические модификации, необходимые для промоторов IEG для транскрипции) (Рисунок 4 основывается на (Sweatt, 2001, Келли и Берридж, 2002, Хаберни и Карр, 2005, Ostlund и Balleine, 2005, Valjent и др., 2005). Следовательно, нейромолекулярная конвергенция информации от кортико-стриатально-лимбических NMDAR и DA D1R обеспечивает возможную основу для пластичности в обучении, основанном на наградах. Конкретные ядра мозга и нейроны, представленные в этой модели, только сейчас находятся в фокусе, но, вероятно, включают ключевые стриатальные, лимбические и кортикальные участки. Наше сильное подозрение заключается в том, что срединно-колючие нейроны, особенно в стриатуме, могут хорошо подходить для функций, связанных с пластичностью, из-за их необычно высокой плотности зависимых от напряжения ионных каналов, которые производят исключительные переходы состояний (Хоук и Мудрый, 1995) в сочетании с конвергенцией широко распространенных кортикальных, лимбических и таламических афферентов с глутаматной кодировкой, а также моноаминергических входных сигналов среднего мозга.

Келли и коллеги (Kelley et al., 1997) изначально обнаружил решающую роль NAc в нейрональной пластичности и оперантном обучении. Действительно, наша лаборатория исследовала роль прилежащего ядра в различных поведенческих парадигмах, используя тщательно продуманный мультидисциплинарный подход (например, экспериментальный анализ поведения, поведенческая нейробиология, молекулярная и клеточная нейробиология и т. Д.). Доктор Келли был одним из экспертов по структуре, физиологии, связям и функции прилежащего ядра. Однако некоторые из наших экспериментов, похоже, противоречат первоначальному заявлению доктора Келли. Убедительное отсутствие участия MEK / ERK в NAc во время оперантного обучения и отсутствие экспрессии генов служат двумя смелыми исключениями из утверждения, что пластичность в NAc является критической для оперантного обучения. Во-первых, возможно, что MEK / ERK не участвует в оперантном обучении где-либо в мозге. Наши исследования 12 других сайтов показали очень небольшую разницу между оперантным обучением и управляемым контролем. Возможно, путь MEK / ERK задействован в «критический период» или «переломный момент», когда крысы, кажется, «понимают это», и наши исследования не имели временного разрешения, чтобы обнаружить этот эффект, особенно потому, что активация ERK является динамической и относительно быстрое событие. Возможно, наши дозы U0126 были слишком низкими, чтобы ингибировать активацию ERK. Однако столь же вероятная гипотеза заключается в том, что CREB-опосредованная транскрипция генов, участвующих в нейральной пластичности, активируется непосредственно другими сигнальными путями, такими как PKAc или CAM (см. Рисунок 4), минуя путь MEK / ERK. И, возможно, мы не определили критические гены, связанные с пластичностью, или множество возможных эпигенетических модификаций в нейронах NAc, которые позволяют и приводят в действие оперантное поведение. Мы надеемся ответить на эти вопросы с той же тщательностью и энтузиазмом, что и Энн.

Клинические последствия

Преобладающая гипотеза этого обзора состоит в том, что модель, представленная в Рисунок 4 может сообщить лечение многих клинических проблем. Очевидное значение имеет наркомания, поскольку злоупотребление наркотиками глубоко влияет на многие из тех же самых молекулярных процессов, которые происходят посредством оперантного обучения. В последние годы, некоторые из наиболее замечательных результатов исследований в области наркомании демонстрируют значительное совпадение механизмов, опосредующих наркоманию и нормальное обучение, связанное с вознаграждением (Хайман и Маленка, 2001, Nestler, 2001, Wang et al., 2009). Мы уверены, что многие обзоры в этом специальном выпуске элегантно подчеркнули взаимосвязь между наркозависимостью и нормальным обучением, связанным с вознаграждением. По общему признанию, эта взаимосвязь оказалась решающей в нашем понимании зависимости, однако мы хотели бы указать некоторые важные новые связи между работой доктора Келли по оперантному обучению с новыми данными и открытиями по другим клиническим проблемам. Эти последствия можно разделить на две основные темы: 1) клинические проблемы со связанными с ними нарушениями обучения, которые могут быть решены путем лучшего понимания того, как действует изучение протекает через нейромолекулярные механизмы пластичности и 2) клинические проблемы, связанные с продолжающимися, уже выучили, возможно, очень устойчивое, оперантное поведение и его нейромолекулярные составляющие. Мы полагаем, что в последнем случае проблема наркомании рассматривается как правильное отношение к постоянному оперантному поведению с очень разрушительными и продолжительными побочными эффектами.

Как отмечалось во введении, сегодня считается, что расстройства аутистического спектра поражают 1 из 88 детей. Дефицит общения, проблемы социального взаимодействия и стереотипные модели поведения характеризуют аутизм, хотя коммуникативные навыки могут быть типичными для детей с синдромом Аспергера. Ранняя интенсивная поведенческая терапия (EIBT), основанная на оперантных принципах, составляет основу комплексных схем лечения, которые дают невероятные результаты. Эта ранняя терапия, которая очень индивидуализирована и контекстуализирована, обычно включает в себя не менее 40 часов индивидуальной терапии в неделю, часто в течение многих лет. Данные показывают, что чем раньше начинается вмешательство, тем выше вероятность успеха. Во многих из этих случаев (по некоторым оценкам 40-50%) полное включение в обычные классы возможно с минимальной дополнительной поддержкой или без нее (Ловаас, 1987, Салоу и Граупнер, 2005, Леблан и Фагиолини, 2011). Эти выводы интимной нейронной пластичности как движущей составляющей успеха EIBT. Исследователи в сообществе лечения аутизма широко размышляют о «критических периодах» развития, которые совпадают с повышенной нейронной пластичностью (Леблан и Фагиолини, 2011). Таким образом, наше исследование оперантного обучения может иметь два возможных значения: 1) возможно, что аутичный «мозг» может иметь сниженный пластический потенциал, и только благодаря интенсивной практике и терапии эти сокращения преодолеются, а 2) это может быть возможно при более полное понимание оперантного обучения, чтобы вызвать периоды пластичности, чтобы дети старшего возраста могли получать пользу от терапии.

Хотя это весьма спекулятивное утверждение, что оперантное обучение, EIBT и нейронная пластичность лежат в основе ASD, существует несколько источников сходящихся подтверждающих доказательств. Начнем с того, что ведущей наследственной причиной ASD является синдром Fragile X (FXS), проблема повторения одного тринуклеотидного гена с геном FMR1. FXS ассоциируется с нарушениями обучения, социальным поведенческим дефицитом, а также с некоторыми физическими (прежде всего, лицевыми) нарушениями. Ген FMR1 кодирует белок умственной отсталости Fragile X (FMRP), который необходим для нормального развития нервной системы (Кроуфорд и др., 2001, Антар и др., 2004). Кроме того, FMRP сильно модулирует активность mGluR группы 1, а отсутствие активности FMRP нарушает регуляцию NMDAR LTP (Антар и др., 2004). Наша недавняя работа с MTEP-ингибитором mGluR5 предполагает роль в обучении операнту этого рецептора в «нормальных» условиях. Фармакотерапия, основанная на модуляции активности mGluR5, в настоящее время изучается для применения у людей с FXS (Хагерман и др., 2012).

Другая форма аутизма, называемая «регрессивным аутизмом», поскольку дети с этой формой обычно развиваются в течение определенного периода, а затем теряют «нормальные» навыки общения и общения, недавно была связана со снижением активности ПКА и каталитической субъединицы ПКА, а именно с-изоформа. При сравнении посмертных и нерегрессивных аутистических контролей фронтальные кортикальные аутистические кортизоны показали снижение активности и экспрессии PKA (Джи и др., 2011). Никаких различий не было отмечено в других областях коры, а также не было различий между нерегрессивным аутизмом и неаутистическим контролем. Таким образом, регрессивный аутизм может быть связан с PKA-опосредованным фосфорилированием белков и аномальной внутриклеточной передачей сигналов. Еще раз, наша работа продемонстрировала решающую роль PKA в обучении оперантам, прекрасно сходясь с этой недавней работой по регрессивному аутизму.

Синдром Рубенштейна-Тайби (RTS) является аутосомно-доминантным расстройством, вызванным мутациями гена CREB-связывающего белка (CREBBP). RTS (невысокий рост, широкие пальцы, отличительные черты лица и трудности в обучении от средней до тяжелой степени)Барч и др., 2010). Важным моментом здесь является очевидная связь между обучением с оперантом, функцией CREB и RTS. Возможно, дети с RTS могли бы извлечь выгоду из EIBT или некоторой фармакологической терапии, которая позволяет, дополняет или заменяет CREB модуляцию транскрипции генов. Фосфорилирование CREB, по-видимому, контролирует функцию IEG и синтез новых белков и, вероятно, регулирует нервную пластичность, связанную с оперантным обучением.

Наконец, наши данные и внутриклеточная модель предполагают, что эпигенетические процессы ответственны за устойчивую природу оперантного поведения. Наше общее рассмотрение оперантного поведения как «формирования привычки», повторяющихся демонстраций самопроизвольного выздоровления и, казалось бы, неограниченного периода вспоминания, связанного с оперантным репертуаром, сильно способствует этой идее. Действительно, многие серьезные проблемы с поведением оказались чрезвычайно сговорчивыми к лечению, что привело к ограниченным социальным возможностям, химическому ограничению, госпитализации и институционализации. Тем не менее, широкий класс диагностических инструментов, часто называемых «функциональным анализом проблемного поведения» или «функциональной оценкой поведения (FBA)», был разработан для выявления контролирующих отношений для этих тяжелых поведений. Как правило, эти классы поведения рассматриваются как действующие, подкрепленные вниманием, доступом к предпочтительным предметам / занятиям или побегом / избеганием нежелательных обстоятельств (Лерман и Ивата, 1993). Имея эту информацию в руках, терапия может быть направлена ​​таким образом, чтобы обеспечить альтернативные источники подкрепления или альтернативные подходящие операнты, которые создают эти разыскиваемые обстоятельства, потенциально даже спустя много времени после первоначального опознания неподобающего поведения. Возможно ли, что более глубокое понимание оперантного обучения может обеспечить фармакотерапевтические мишени, такие как ацетилирование гистона, которые усиливают исчезновение оперантов и / или способствуют новому оперантному обучению?

Хотя многие из этих понятий весьма спекулятивны, работа д-ра Энн Келли и его коллег в области оперантного обучения, по всей вероятности, даст представление о характере и ходе наркомании. Мы также хотели бы расширить нашу теорию и результаты, чтобы помочь понять дефицит обучения, связанный с ASD, FXS и RTS, а также трудность, связанную с силой некоторых серьезных проблемных репертуаров.

Сноски

Рекомендации