Балансирующий стриатный акт при наркомании: разные роли прямых и непрямых путей средних колючих нейронов (2011)

Введение

Наркотики злоупотребления проявляют мощные молекулярные и клеточные изменения как в дорсальном полосатом теле (dStr), так и в брюшном полосатом теле (ядро accumbens, NAc), и многие из этих изменений происходят в средних колючих нейронах (MSNs), главных проекционных нейронах в dStr и NAc, которые составляют 90 – 95% всех нейронов в этих регионах. Тем не менее, до недавнего времени исследователи не могли четко определить дифференциальную роль двух подтипов MSN в явлениях, связанных с зависимостью. Два подтипа MSN различаются по обогащению дофаминового рецептора 1 (D₁) или дофаминовый рецептор 2 (D₂), а также несколько других генов (Герфен и Янг, 1988; Gerfen и др., 1990; Le Moine и др., 1990, 1991; Бернар и др., 1992; Инс и др., 1997; Lobo и др., 2006, 2007; Heiman и др., 2008; gensat.org) и по их четким проекциям через путь кортико-базальных ганглиев (прямой или непрямой путь; Gerfen, 1984, 1992). Ранняя работа предполагала, что наркотики злоупотребления оказывают наибольшее влияние на D₁+ MSN с использованием многочисленных агонистов и антагонистов дофаминовых рецепторов, обеспечивающих важную информацию о функциональной и молекулярной роли каждого MSN в поведении, стимулирующем получение лекарств (Self, 2010). Однако современные методики, специфичные для типа клеток, включая флуоресцентных репортерных мышей, которые экспрессируют GFP под D₁ или D₂ бактериальные искусственные хромосомы (BACs; Gong et al., 2003; Valjent и др., 2009; gensat.org), условные мышиные модели, такие как использование трансгенных мышей, регулируемых тетрациклином (Chen et al., 1998; Kelz et al., 1999) и трансгенных мышей, экспрессирующих Cre-рекомбиназу с использованием D₁ или D₂ BACs, дрожжевые искусственные хромосомы (YACs) или мыши, попавшие в ловушку (Gong et al., 2007; Лембергер и др., 2007; Heusner et al., 2008; Parkitna et al., 2009; Valjent и др., 2009; Bateup и др., 2010; Lobo и др., 2010; gensat.org), а также специфический для клеточного типа вирус-опосредованный перенос генов (Кардин и др., 2010; Hikida и др., 2010; Lobo и др., 2010; Ferguson et al., 2011), предоставили глубокое новое понимание точных молекулярных основ каждого подтипа MSN и их регуляции наркотиками злоупотребления (таблица 1).

Таблица 1. Эффекты генетической манипуляции с типом клетки в D₁+ и D₂+ MSNs в моделях наркомании.

Последние результаты подтверждают вывод о преобладании роли D₁+ MSNs в создании усиливающего и сенсибилизирующего эффекта лекарств от злоупотребления, причем наиболее сильные молекулярные изменения происходят в этих MSN. Например, острое воздействие психостимуляторов мощно индуцирует многочисленные сигнальные молекулы, включая FosB, ERK, c-Fos и Zif268 в D₁+ MSN, в то время как повторный кокаин преимущественно индуцирует ΔFosB и изменяет рецептор ГАМК и другие субъединицы ионных каналов и в этом типе клеток (Робертсон и др., 1991; Young et al., 1991; Berretta и др., 1992; Cenci et al., 1992; Moratalla et al., 1992; Хоуп и др., 1994; Bertran-Gonzalez и др., 2008; Heiman и др., 2008). Кроме того, нарушение или чрезмерная экспрессия специфических молекул, таких как ΔFosB, DARPP-32 или Nr3c1 (глюкокортикоидный рецептор), в D₁+ MSNs, как правило, имитируют поведение, связанное с наркотиками, наблюдаемое, когда эти изменения сделаны не специфическим для типа клетки способом, в то же время разрушая такие гены в D₂+ MSNs часто вызывает противоположный ответ (Fienberg и др., 1998; Kelz et al., 1999; Deroche-Gamonet и др., 2003; Zachariou et al., 2006; Ambroggi et al., 2009; Bateup и др., 2010). Тем не менее, мы не можем исключить важный вклад D₂+ MSN в адаптации к наркотикам, потому что воздействие кокаина изменяет экспрессию генов в обоих подтипах MSN (Heiman и др., 2008) и D₂Агонисты и антагонисты -рецепторов оказывают сильные эффекты в поведенческих анализах (Self, 2010). Действительно, последние данные показывают, что молекулярные сигнальные адаптации у D₂+ MSNs сильно изменяют поведенческий ответ животного на наркотики злоупотребления (Lobo и др., 2010). Последние результаты показали, что потеря TrkB (рецептора BDNF) при D₂+ MSNs приводят к таким же поведенческим реакциям на кокаин, что и общий нокаут TrkB из NAc, впервые показывая селективную доминантную роль для молекулярного пути в D₂+ MSNs в опосредовании последствий злоупотребления наркотиками.

Наконец, недавняя литература показывает, что два MSN оказывают антагонистические эффекты в поведении, связанном с наркотиками, где активация D₁+ MSNs или ингибирование D₂+ MSNs повышает чувствительность животного к наркотику (Hikida и др., 2010; Lobo и др., 2010; Ferguson et al., 2011). Эти данные согласуются с противоположной ролью двух MSN и их прямым и косвенным путями в базальных ганглиях в моторном поведении (Александр и др., 1986; Albin et al., 1989; Graybiel, 2000; Kravitz и др., 2010). Эта недавняя литература согласуется с общей идеей о том, что дофаминергическая нейротрансмиссия, которая активируется всеми лекарственными препаратами, способствует глутаматергической активации D₁+ MSNs при ингибировании глутаматергической активации D₂+ MSN через свои действия на D₁ против D₂ рецепторы допамина (рисунок 1). В этом обзоре мы рассмотрим современные знания о четкой молекулярной передаче сигналов, демонстрируемой этими двумя подтипами MSN, в отношении их функциональных ролей и реакций на наркотики злоупотребления.

Рисунок 1. Все наркотики злоупотребляют повышением передачи сигналов дофамина в стриатуме, которые могут дифференциально модулировать глутаматергическую активность в двух подтипах MSN., В частности, кокаин связывается с переносчиком дофамина, предотвращая обратный захват дофамина в концы VTA-дофаминовых нейронов. Активация Г_s/_олф в сочетании D₁ рецепторы усиливают активность PKA и изменяют Ca²⁺ и K⁺ проводимости для усиления опосредованного глутаматом «ап-состояния» в этих MSN. Напротив, активация G_i/G_o D₂-рецепторы снижают активность ПКА и изменяют Ca²⁺На⁺и К⁺ проводимости, чтобы уменьшить опосредованное глутаматом «рабочее состояние». Это сдвигает эти MSN обратно в состояние покоя.

Сигнал дофаминового рецептора в D₁ против D₂ MSNs

Как уже отмечалось, все лекарства от злоупотребления активируют допаминергический вклад в NAc и связанные области лимба мозга (Volkow и др., 2004; Мудрый, 2004; Nestler, 2005). Например, психостимуляторы, такие как кокаин или амфетамин, действуют непосредственно на путь дофаминергического вознаграждения, вмешиваясь в переносчик допамина: кокаин блокирует транспортер, а амфетамин реверсирует транспортер, оба действия приводят к накоплению дофамина в синапсе, который может активировать нижестоящий дофамин рецепторы на нейронах-мишенях (рисунок 1). Два MSN наиболее заметно различаются по обогащению D₁ против D₂-рецепторы, хотя исследования одноклеточной ОТ-ПЦР показывают, что D₁+ MSNs выражают низкие уровни D₂-подобный рецептор, D₃ и D₂+ MSNs выражают низкие уровни D₁-подобный рецептор, D₅ (Surmeier et al., 1996). Две MSN требуют глутаматергической иннервации для стимулирования нервной активности; дофамин, напротив, модулирует эти функциональные реакции посредством стимуляции различных подтипов дофаминовых рецепторов: путем положительной модуляции возбуждающего глутаматергического входа через D₁ передача сигналов рецептора через G_s или G_олф, который стимулирует аденилатциклазу, приводя к увеличению активности PKA, тогда как дофамин отрицательно модулирует этот вход через D₂-рецепторная сигнализация через G_i и G_o которые ингибируют аденилатциклазу, вызывая снижение активности ПКА (Surmeier et al., 2007; Герфен и Сурмейер, 2011). В действительности каждый рецептор оказывает комплексное воздействие на многие дополнительные нижестоящие сигнальные пути. В состоянии покоя два подтипа MSN, как правило, запрещены, они находятся в том, что исследователи назвали неисправным состоянием. Возбуждающая глутаматергическая синаптическая активность может освободить MSN из этого пониженного состояния и перевести их в более деполяризованное состояние (up-состояние). Дофамин, напротив, модулирует возбуждающий глутаматергический сдвиг в повышенное состояние. D₁ активация PKA усиливает Cav1 L-типа Ca²⁺ активность канала, уменьшается соматическая K⁺ активность канала и подавляет Cav2 Ca²⁺ каналы, которые контролируют активацию Ca²⁺ зависимый, малой проводимости K⁺ (SK) каналов, что приводит к увеличению пиков в этих MSN (Surmeier et al., 2007; Герфен и Сурмейер, 2011). Напротив, D₂ передача сигналов блокирует переход в рабочее состояние, тем самым предотвращая усиление пиков, за счет снижения Cav1 L-типа Ca²⁺ активность канала и Nav1 Na⁺ активность канала при увеличении K⁺ канальные токи (Surmeier et al., 2007; Герфен и Сурмейер, 2011; фигура 1). Такие противоположные изменения в двух MSN предполагают, что усиление передачи сигналов допамина, вызываемое наркотиками, должно усиливать глутаматергическую активацию D₁+ MSNs и снижение глутаматергической активации D₂+ MSN. На самом деле, такие ответы гораздо более разнообразны и сложны по причинам, которые остаются плохо понятыми. Эта тема будет рассмотрена ниже.

Роль дофаминовых рецепторов в злоупотреблении наркотиками сложна и часто неуловима (Self, 2010). Существует множество литературы о роли D₁ и D₂агонисты и антагонисты -рецептора в модулировании полезных свойств и самостоятельном введении лекарств от злоупотребления, однако результаты различаются в зависимости от типа используемого агониста / антагониста, типа доставки (системный или специфический для области мозга) и времени лечения (Self, 2010). Такие результаты дополнительно осложняются не-стриатальными специфическими эффектами, такими как вклад пресинаптического D₂-рецепторы из VTA или присутствие D₁ рецепторы во многих других лимбических областях и отсутствие специфичности используемых агонистов / антагонистов, а также экспрессии D₁и D₂подобные рецепторы в обоих подтипах MSN, как отмечено ранее. В общем, считается, что D₁ рецепторы играют более доминирующую роль в основных полезных свойствах наркотиков, тогда как D₂-рецепторы играют роль в механизмах поиска наркотиков (Self et al., 1996; Self, 2010). Исследования с D₁ рецептор и D₂мыши, нокаутированные по рецепторам, дают некоторое представление о роли этих рецепторов в двух MSN. D₁ нокаутные мыши демонстрируют притупленную индукцию немедленных ранних генов (IEG) c-Fos и Zif268 в ответ на кокаин, уменьшенную реакцию на двигательную активность, индуцированную психостимулятором, но без изменений в предпочтении места, обусловленного кокаином (CPP) - косвенная мера награда за наркотики и снижение самостоятельного приема кокаина и потребления этанола (Miner и др., 1995; Drago et al., 1996; Кроуфорд и др., 1997; El-Ghundi и др., 1998; Caine и др., 2007). D₂ нокаутные мыши демонстрируют уменьшенные полезные эффекты для опиатов и кокаина, а также сниженное потребление этанола, но никакого снижения потребления кокаина (Maldonado et al., 1997; Cunningham et al., 2000; Risinger и др., 2000; Caine и др., 2002; Chausmer и др., 2002; Elmer и др., 2002; Welter и др., 2007). Такие данные поддерживают важные роли для D₁ и D₂-рецепторы в двух MSN во многих аспектах злоупотребления наркотиками, однако, нокаутам не хватает стриальной специфичности и они встречаются на ранних стадиях развития, поэтому невозможно опосредовать другие области мозга, типы клеток и факторы развития в опосредовании такого поведения. Наконец, уровень D снизился₂/D₃ Рецепторы в стриатуме, визуализируемые при визуализации мозга, стали распространенным маркером зависимости у пациентов, особенно в периоды отмены (Volkow и др., 2009). Грызуны, получающие вирус-опосредованный перенос гена D₂-рецепторы к NAc показывают ослабленное самостоятельное введение кокаина и потребление этанола (Thanos и др., 2004, 2008). Эти исследования не проводились в зависимости от типа клеток, поэтому мы не можем исключить возможное влияние D₂-рецепторная избыточная экспрессия, влияющая на D₁+ MSN. Этот сбор данных подчеркивает необходимость перехода к более избирательным подходам, включая специфические для типа клеток, специфичные для региона и даже временные специфические манипуляции с допаминовыми рецепторами для лучшего выяснения их функциональных ролей в двух подтипах MSN при наркомании.

Наконец, недавно сообщалось, что D₂-GFP гомозиготные BAC-трансгенные мыши демонстрируют повышенные уровни экспрессии D₂-рецептор в стриатуме и повышенная поведенческая чувствительность и передача сигналов допамина к D₂ агонисты. Более того, как гомозиготы, так и гемизиготы проявляют притупленные поведенческие реакции на кокаин (Kramer и соавт., 2011). Это исследование подчеркивает необходимость выполнения тщательной характеристики D₁ и D₂ флуоресцентный репортер и линии Cre драйвера. Однако в большинстве данных, собранных в этом исследовании, использовались гомозиготы, что не является идеальным экспериментальным генотипом, поскольку 5 – 10% трансгенных интеграций приводят к инсерционным мутациям (Мейслер, 1992); следовательно, генотип гемизиготы является более надежным экспериментальным генотипом. Кроме того, в этом исследовании не использовались контроли дикого типа для однопометных особей, но использовались контроли на аналогичном фоне (Swiss Webster), полученные от Taconic, в то время как их трансгенные линии были получены от GENSAT и MMRRC. Наконец, другая группа показала нормальные кокаиновые двигательные поведенческие реакции в D₂-GFP гемизиготы (Ким и др., 2011). Таким образом, будущие исследования с использованием надлежащих контролей и надлежащих генотипов должны быть выполнены для полной характеристики различных доступных трансгенных линий, специфичных для типа клеток.

Глутамат и ГАМК Сигнализация в D₁ против D₂ MSNs

Срединно-колючие нейроны получают глутаматергические входные данные из множества областей головного мозга, включая префронтальную кору, миндалины и гиппокамп, а также ГАМКергические входные данные от местных интернейронов и, возможно, дополнительные входные данные от других MSN. Чистая возбуждающая и ингибирующая регуляция MSN, без сомнения, имеет решающее значение для регулирования состояния наркозависимости, и в настоящее время появляется все больше литературы о сложных способах, которыми наркотики злоупотребляют изменением глутаматергической нейротрансмиссии, в частности в NAc (Pierce et al., 1996; Томас и др., 2001; Берриер и Маленка, 2002; Kourrich и др., 2007; Бахтелл и Я, 2008; Bachtell и др., 2008; Conrad et al., 2008; Каливас, 2009; Волк, 2010). Несмотря на то, что MSN, как полагают, в основном существуют в подавленном состоянии в основных условиях с активностью вождения глутамата обоих типов клеток, остается ограниченная информация в отношении четкой регуляции, встречающейся в D₁ против D₂ MSNs.

Сверхэкспрессия FosB в D₁+ MSN (см. Ниже для более подробной информации) усиливает полезный эффект кокаина и повышает уровень кальция²⁺- непроницаемая субъединица рецептора глутамата, GluR2, в NAc. Кроме того, вирус-опосредованный перенос гена GluR2 в NAc также усиливает полезные эффекты кокаина (Kelz et al., 1999). Однако неизвестно, наблюдается ли индукция GluR2 в ответ на избыточную экспрессию ΔFosB в D₁+ MSN также специфичен для этих нейронов, а избыточная экспрессия вируса GluR2 не зависит от типа клеток, поэтому мы не можем сделать прямые выводы о функции GluR2 в этих двух MSN в качестве вознаграждения за лекарства. Хойснер и Пальмитер (2005) оценили роль глутаматергической проводимости NMDA в поведении кокаина путем экспрессии субъединицы NR1, которая содержит мутацию в поре, которая уменьшает поток кальция, выборочно в D₁+ MSN. Эта группа показала, что отсутствие NMDA проводимости в D₁+ MSNs предотвращают кокаин-индуцированную CPP и кокаиновую двигательную сенсибилизацию, подчеркивая необходимость передачи сигналов NMDA при D₁+ MSNs за полезные и сенсибилизирующие эффекты кокаина (Хойснер и Пальмитер, 2005). Кроме того, недавно было обнаружено, что вырубает субъединицу NR1 в D₁+ MSN ослабляют сенсибилизацию к амфетамину, и этот фенотип был спасен путем повторной подачи субъединицы NR1 в D₁+ MSNs конкретно в NAc (Бойтлер и др., 2011). Наконец, нокдаун субъединицы mGluR5 с использованием РНК-интерференции в D₁+ MSNs не влияет на начальные полезные свойства кокаина, но уменьшает вызванную репликой восстановление поиска кокаина (Novak et al., 2010). В то время как эти данные показывают неотразимую роль глутаматергической передачи сигналов при D₁+ MSNs, будущая работа необходима для изучения глутаматергических систем в D₂+ MSN. Дальнейшие исследования должны также оценить, как модуляция этих субъединиц рецептора глутамата в двух подтипах MSN влияет на структурные синаптические изменения, наблюдаемые в NAc после злоупотребления наркотиками (Дитц и др., 2009; Russo и др., 2010), особенно дендритные изменения, наблюдаемые после селективного воздействия кокаина в D₁+ MSNs (Lee et al., 2006; Ким и др., 2011), что может быть связано с увеличением миниатюрных возбуждающих постсинаптических токов, наблюдаемых в D₁+ MSNs (Ким и др., 2011). Интересно, что индукция ΔFosB в D₁+ MSN были непосредственно связаны с такими дендритными адаптациями после хронического кокаина (Maze et al., 2010).

В отличие от глутамата, в двух моделях MSN недостаточно изучены функции ГАМК в моделях зависимости, что удивительно, учитывая, что как этанол, так и бензодиазепины усиливают эффекты ГАМК, а два MSN получают плотные ГАМКергические входные данные, как указано выше. Существуют также значительные доказательства, указывающие на усиление ингибирования NAc, по крайней мере, после хронического воздействия кокаина (Уайт и др., 1995; Peoples et al., 1998; Чжан и др.., 1998; Томас и др., 2001; Берриер и Маленка, 2002). Хейман и соавт. (2008) провели высокопроизводительный генетический скрининг в двух MSN после хронического воздействия кокаина и, что интересно, наиболее измененный биологический процесс в D₁+ MSNs был сигналом GABA. В частности, имело место сильное усиление ГАМК_A рецепторные субъединицы Gabra1 и Gabra4, а также GABA_B субъединица рецептора Gabrb3, и эта группа обнаружила, что хронический кокаин увеличивает частоту миниатюрных GABAergic мини-ингибирующих постсинаптических токов (mIPSCs) в D₁+ MSNs (Heiman и др., 2008). С другой стороны, другая группа недавно показала, что хронический кокаин приводит к противоположному ответу с пониженной частотой и амплитудой mIPSCs в D1 + MSN (Ким и др., 2011). Тем не менее, последняя группа показала снижение возбудимости мембраны в D₁+ MSNs после хронического кокаина, который может быть отражением повышенного тонуса ГАМК и согласуется с оценкой повышенного ингибирования NAc в полевых условиях после воздействия хронического кокаина. Кроме того, такие различия между этими двумя группами могут быть просто обусловлены сроками воздействия и отмены кокаина. В целом, существует необходимость в изучении глутаматергической и ГАМКергической функции в двух MSN в ответ на злоупотребление наркотиками, и в настоящее время поле оснащено ресурсами, позволяющими проводить такое исследование по типу клеток и регионов.

Сигналы других рецепторов в D₁ против D₂ MSN Подтипы

Два MSN по-разному обогащены другими рецепторами, связанными с G-белком, в дополнение к рецепторам дофамина. D₁+ MSNs экспрессируют более высокие уровни мускаринового рецептора ацетилхолина 4 (M₄; Бернар и др., 1992; Инс и др., 1997) и D₂+ MSN обогащены обоими аденозиновыми рецепторами 2A (A_2A; Schiffmann et al., 1991; Шиффман и Вандерхаген, 1993) и G-белок-связанный рецептор 6 (Gpr6; Lobo и др., 2007; gensat.org). M₄ связан с G_{I / O}, который дал бы противоположный ответ, по сравнению с D₁ рецепторы, в D₁+ MSN, ингибируя активность цАМФ / ПКА. Действительно, D₁+ MSN селективный М₄ нокаут показал повышенную поведенческую сенсибилизацию к кокаину и амфетамину (Чон и др., 2010). Кроме того, недавние исследования с использованием дизайнерского рецептора, исключительно активированного синтетическим лекарственным средством (DREADDs), показали, что активация DREADD Gi / o-связанного человека М.₄ рецептор (мМ₄Г) в д₁+ MSN уменьшили поведенческую сенсибилизацию к амфетамину, с противоположным ответом, замеченным в D₂+ MSNs (Ferguson et al., 2011). Такие данные показывают антагонистическую роль М₄ рецепторы в D₁+ MSNs в злоупотреблении наркотиками. Как хорошо, так как гм₄D-рецептор сильно ингибирует эти MSN, данные дают представление об эффекте измененной активности этих двух MSN при злоупотреблении наркотиками, что будет обсуждаться ниже.

Оба_2A и Gpr6 положительно связаны с G_s/G_олф белки, что указывает на их роль в противодействии D₂-рецептор в D₂+ MSN. Действительно, стимуляция А_2A было показано, что рецепторы снижают как развитие, так и экспрессию сенсибилизации кокаина (Филип и др., 2006), препятствуют началу самостоятельного приема кокаина (Knapp et al., 2001) и противодействовать восстановлению кокаина в поисках кокаина, D₂-рецепторная стимуляция или кокаин-обусловленные сигналы (Бахтелл и Я, 2009). Поскольку Gpr6 также обогащен в D₂+ MSNs (Lobo и др., 2007), его роль в поведенческих функциях полосатого тела должна быть оценена. На сегодняшний день было показано, что влияет на инструментальное обучение (Lobo и др., 2007) но его роль в моделях злоупотребления наркотиками пока неизвестна.

Каннабиноидный рецептор 1 (CB1) экспрессируется повсеместно в центральной нервной системе (Маки, 2008), следовательно, трудно проанализировать точную роль определенных областей мозга и типов клеток в опосредовании зависимости Δ9-тетрагидроканнабинола (THC). Недавно удаление CB1 из D₁Было обнаружено, что + MSNs незначительно влияют на поведенческие реакции на ТГК, включая притупленные эффекты при ТГК-индуцированной гиполокомоции, гипотермии и анальгезии (Монори и др., 2007). Было бы интересно оценить функцию каннабиноидного рецептора в D₂+ MSN, поскольку эти MSN экспрессируют эндоканнабиноид-опосредованную долговременную депрессию (eCB-LTD), для которой требуется дофамин D₂активация -рецептора (Крейцер и Маленка, 2007).

Глюкокортикоидный рецептор Nr3c1 также широко экспрессируется в ЦНС и на периферии. Вызванная стрессом секреция глюкокортикоидов может усиливать дезадаптивное поведение, включая зависимость от наркотиков (Frank и др., 2011). В частности, нарушение передачи глюкокортикоидов в D₁+ MSN, удалив Nr3c1, уменьшили мотивацию, которую эти мыши проявляют к самостоятельному введению кокаина, и это согласуется с предыдущими данными, в которых Nr3c1 был удален из всего мозга (Ambroggi et al., 2009). Эти данные согласуются с другими результатами, описанными в этом обзоре, показывая преобладающую роль D₁+ MSNs в качестве посредника многих последствий злоупотребления наркотиками.

Наконец, недавно мы нарушили передачу сигналов BDNF в двух MSN, избирательно удаляя его рецептор TrkB из каждого подтипа MSN. Мы наблюдали противоположные эффекты на поведение, вызванное кокаином: кокаин-индуцированная двигательная активность и индукция кокаина CPP усиливались после удаления TrkB из D₁+ MSN, но ослабленные после удаления из D₂+ MSNs (Lobo и др., 2010). Интересно, что удаление TrkB из D₂+ MSNs имитируют эффекты общего удаления TrkB из NAc, а также нарушения передачи сигналов BDNF из VTA (Horger и др., 1999; Graham et al., 2007, 2009; Бахи и др., 2008; Крукс и др., 2010). Таким образом, эти данные впервые показывают доминирующую роль сигнального каскада в D₂+ MSNs в посредничестве эффектов наркотиков злоупотребления. Преобладающая роль D₂+ MSN в опосредовании эффектов BDNF на вызванное кокаином поведение неудивительно, учитывая, что и мРНК TrkB, и белок обогащены D₂+ MSNs (Lobo и др., 2010; Байдюк и др., 2011). Изменения в поведении, наблюдаемые у этих мышей, сопровождались усилением активности нейронов в D₂+ MSN при селективном нокауте TrkB. Эти результаты побудили нас использовать оптогенетическую технологию для избирательного манипулирования активностью MSN в вознаграждении кокаином (см. Ниже)

Факторы транскрипции в D₁ против D₂ MSNs

Наиболее убедительные доказательства более надежной роли D₁+ MSNs в злоупотреблении наркотиками происходит из литературы, оценивающей индукцию внутриклеточных сигнальных молекул. Как указано выше, острые дозы психостимуляторов индуцируют экспрессию IEG, включая c-Fos, Zif268 (Egr1) и FosB, главным образом, в D₁+ MSN в NAc и dStr (Робертсон и др., 1991; Young et al., 1991; Berretta и др., 1992; Cenci et al., 1992; Moratalla et al., 1992; Bertran-Gonzalez и др., 2008). Эта индукция требует активации D₁ рецепторы, и специфичность типа клеток индукции IEG в ответ на острый кокаин была недавно подтверждена с использованием D₁-GFP и D₂-GFP репортерные мыши (Bertran-Gonzalez и др., 2008). Интересно, что подтверждение кокаина индукции c-Fos прежде всего в D₁-GFP по всему стриатуме с небольшой индукцией в D₂-GFP MSN только в dStr было подтверждено с использованием контекстно-зависимой парадигмы (мышам вводили новую среду за пределами их домашней клетки). Кроме того, предыдущее исследование с использованием на месте гибридизация у мышей также показала индукцию c-Fos в D₁+ и D₂+ MSN в dStr, хотя в этом исследовании репрезентативные гистограммы показывают большее количество D₁+ c-Fos положительные нейроны (Ferguson et al., 2006). Интересно, что это исследование показывает значительно увеличенную индукцию c-Fos в D₂+ MSN в dStr после потери ERK1, что соответствует нашим выводам об усилении индукции c-Fos при D₂+ MSN, специфически в оболочке NAc после нарушения передачи сигналов BDNF, которое, как известно, усиливает активность ERK (Lobo и др., 2010). Однако в каждом исследовании наблюдались противоположные поведенческие реакции на кокаин, которые могут отражать индукцию c-Fos в D₂+ MSNs в dStr против оболочки NAc. Наконец, предыдущая литература с использованием на месте гибридизация / иммуногистохимия у крыс показала, что острые психостимуляторы могут одинаково индуцировать c-Fos в обеих MSN, когда препарат вводится в новой среде (Бадиани и др., 1999; Uslaner et al., 2001a,b; Фергюсон и Робинсон, 2004) и хроническое введение амфетамина, как сообщается, избирательно индуцирует c-Fos при D₂+ MSNs (Mattson et al., 2007). Эти разные результаты могут быть отражением используемых экспериментальных процедур (на месте гибридизация против GFP репортерных мышей) или даже из-за видов животных, использованных в качестве последних экспериментов, использованных крыс.

Недавно исследователи генетически профилировали зависимые от контекста кокаина нейроны, активированные c-Fos, у крыс, используя иммуно меченную флуоресцентную сортировку клеток (FACS), и показали, что нейроны c-Fos + обогащены в D₁+ Ген MSN, продинорфин (Pdyn), но уровень D ниже₂ и а_2A, оба D₂+ Гены MSN (Guez-Barber et al., 2011), предполагая, что c-Fos + активированные нейроны состоят в основном из D₁+ MSN. Кроме того, эта группа ранее показала, что c-Fos, экспрессирующие MSN, важны для этой контекстно-зависимой сенсибилизации, поскольку абляция этих нейронов устраняет этот поведенческий фенотип (Koya и др., 2009). Хотя предыдущие данные показали, что зависимая от контекста кокаина индукция c-Fos происходит в обоих D₁+ и D₂+ MSNs у крыс, более поздние результаты соответствуют результатам, в которых делеция c-Fos избирательно из D₁+ MSNs притупляет кокаин-индуцированную двигательную сенсибилизацию у мышей (Чжан и др.., 2006). Кроме того, эта группа обнаружила, что делеция c-Fos в D₁+ MSNs притупляет изменения в дендритном отделе позвоночника, обычно вызываемые кокаином в NAc, что указывает на роль c-Fos в обеспечении этих изменений синаптической пластичности. Наконец, группа не наблюдала изменений в индукции CPP кокаина, но обнаружила, что потеря c-Fos при D₁+ MSNs предотвратили исчезновение кокаина CPP. Такие данные иллюстрируют динамическую роль индукции c-Fos в D₁+ MSNs, однако, нельзя исключать, что дифференциальные эффекты на поведенческом уровне опосредованы какой-либо из нескольких других конечностей мозга, которые выражают D₁ рецепторов.

Другой IEG, который был широко изучен в двух подтипах MSN, - это FosB. Острое воздействие кокаина вызывает FosB в D₁+ MSNs (Berretta и др., 1992), тогда как хроническое воздействие индуцирует ΔFosB, стабильный продукт гена FosB, генерируемого альтернативным сплайсингом (Хоуп и др., 1994; Nestler et al., 2001; Nestler, 2008), в D₁+ MSNs (Nye et al., 1995; Moratalla et al., 1996; Lee et al., 2006). Аналогичные результаты наблюдаются со многими другими наркотиками злоупотребления, а также с естественными наградами, такими как еда, секс и бег колеса. Например, хронический ход колеса, который является естественной наградой (Иверсен, 1993; Белке, 1997; Lett et al., 2000), индуцирует ΔFosB в D₁+ MSN, но не D₂+ MSNs (Werme и др., 2002). Чтобы получить функциональное понимание роли ΔFosB в двух MSN, наша группа сгенерировала линии NSE-tTa, названные 11A и 11B, которые направляют экспрессию трансгена либо в D₁+ или D₂+ MSNs соответственно (Chen et al., 1998; Kelz et al., 1999; Werme и др., 2002). Линия 11A у мышей, скрещенных с линией Tet-Op ΔFosB, демонстрирует повышенную реакцию на полезные и локомоторные эффекты кокаина (Kelz et al., 1999), что согласуется с индукцией ΔFosB в D₁+ MSNs (Nye et al., 1995; Moratalla et al., 1996). Кроме того, у этих же мышей наблюдается повышенная награда за морфин (оцениваемая CPP), а также уменьшенная морфиновая анальгезия и повышенная толерантность к морфину, в то время как мыши 11B Tet-Op ΔFosB не показывают изменений в награде за морфин. Сверхэкспрессия доминантного отрицательного антагониста ΔFosB оказывает эффекты, противоположные тем, которые наблюдаются с ΔFosB, хотя эта модель мыши не различает D₁ против D₂ MSNs (Peakman и др., 2003). Вместе эти данные подтверждают роль индукции ΔFosB в D₁+ MSNs как важный молекулярный игрок в полезных свойствах наркотиков злоупотребления (Zachariou et al., 2006). Это явление также наблюдается в других видах вознаграждения, в частности, при движении колеса: мыши 11A Tet-Op ΔFosB демонстрируют повышенное поведение при движении колеса, тогда как мыши 11B Tet-Op ΔFosB показывают уменьшенный ход колеса (Werme и др., 2002). Установлено, что индукция ΔFosB в D₁ MSN способствует поощрению, что согласуется с недавними данными о том, что такая селективная индукция по типу клеток также способствует устойчивости к хроническому стрессу (Vialou et al., 2010). Наконец, хроническая индукция кокаина ΔFosB в D₁+ Показано, что MSN сопровождается устойчивым продолжительным увеличением плотности дендритного отдела позвоночника (Lee et al., 2006) и недавно было показано, что ΔFosB в NAc необходим и достаточен для опосредования повышенной плотности дендритных шипов в этой области мозга (Maze et al., 2010). Такие данные подтверждают роль FosB в D₁+ MSNs в качестве посредника в поощрении аспектов злоупотребления наркотиками и естественных вознаграждений, а также сопутствующих структурных изменений пластичности. Данные также предполагают, что индукция ΔFosB в D₂+ MSNs придает негативные последствия поощрительным стимулам. Поскольку ΔFosB индукция в D₂+ MSNs наблюдается в ответ на хронический стресс и воздействие антипсихотических препаратов (Hiroi и Graybiel, 1996; Perrotti et al., 2004), необходимы дальнейшие исследования последних действий.

Другие внутриклеточные сигнальные молекулы в D₁ против D₂ MSNs

Одной сигнальной молекулой, которая была хорошо изучена в двух MSN в контексте злоупотребления наркотиками, является протеинкиназа ERK (киназа, связанная с внеклеточным сигналом). Острое или хроническое воздействие кокаина вызывает фосфорилированную ERK (pERK), активированную форму белка, в NAc и dStr в D₁+ MSN с использованием D₁-GFP и D₂-GFP BAC трансгенных репортерных мышей (Bertran-Gonzalez и др., 2008) и этот ответ опосредуется через D₁ рецепторов (Valjent и др., 2000; Lu et al., 2006). Эта группа также показала, что pMSK-1 (phospho-MAP и стресс-активированная киназа-1) и гистон H3, обе мишени для передачи сигналов pERK, устойчиво индуцируются в pERK, содержащем D₁+ MSNs после острого воздействия кокаина и умеренно увеличенные после хронического кокаина (Bertran-Gonzalez и др., 2008). pERK также индуцируется в ответ на хронический морфин, в частности, pERK устойчиво индуцируется при D₁+ MSNs и скромно индуцированные в D₂+ MSNs в оболочке NAc после изъятия в ответ на контекстно-специфическую связь с морфином (Боргквист и др., 2008). Точная функциональная роль pERK в наркомании еще не определена. Было показано, что фармакологическое лечение ингибиторами ERK снижает вознаграждение кокаином, однако нокаут ERK1 усиливает вознаграждение кокаином, предполагая, что ингибиторы ERK могут преимущественно влиять на ERK2. Недавно мы показали, что оптогенетическая активация D₁+ MSN в NAc, который увеличивает полезные реакции животного на кокаин, сильно снижает как pERK1, так и pERK2. Дальнейшие исследования, регулирующие экспрессию ERK специфичным для типа клеток, необходимы для полного рассмотрения функциональной роли передачи сигналов ERK в двух MSN в злоупотреблении наркотиками.

DARPP-32 - это другая сигнальная молекула, которая была тщательно изучена в ответ на злоупотребление наркотиками. Хорошо известно, что острые психостимуляторы приводят к фосфорилированию PKA DARPP-32 по треонину 34 (T34), в результате чего он становится мощным ингибитором протеинфосфатазы 1 (PP-1), которая регулирует состояние фосфорилирования многих эффекторных белков, включая факторы транскрипции, ионотропные рецепторы и ионные каналы (Грингард и др., 1999). Однако до недавнего времени было неясно, какой подтип MSN опосредует это биохимическое изменение. Грингард и соавт. (1999) сгенерированные модели ВАС трансгенных мышей, которые позволяют оценить фосфорилирование DARPP-32 в D₁+ или D₂+ MSN, выражая помеченные версии DARPP-32, используя D₁ или D₂ ВАС, позволяющие иммунопреципитацию DARPP-32 из каждого подтипа MSN. Эти исследования показали, что лечение острым кокаином увеличивает фосфорилирование T34 при D₁+ MSNs и индуцирует фосфорилирование треонина 75 (T75) с помощью Cdk5, который ингибирует передачу сигналов PKA, избирательно в D₂+ MSNs (Bateup и др., 2008). Наконец, эта группа показала, что удаление DARPP-32 из каждого подтипа MSN с использованием D₁-Cre и D₂-Cre BAC трансгенные мыши приводят к противоположной регуляции кокаин-индуцированной двигательной активности (Bateup и др., 2010). Потеря DARPP-32 от D₁+ MSN уменьшили двигательные эффекты кокаина, которые имитируют предыдущие данные, оценивающие общий нокаут DARPP-32 (Fienberg и др., 1998), тогда как потеря DARPP-32 от D₂+ MSN усиливали кокаиновые двигательные реакции. Такие данные предоставляют конкретные доказательства различия ролей DARPP-32 в двух MSN в ответ на злоупотребление наркотиками и иллюстрируют важность методов, специфичных для типа клеток, для полного понимания вклада этих двух типов нейронов в наркоманию.

Модулирующая активность D₁ или D₂ MSNs

Непосредственное модулирование активности двух подтипов MSN недавно дало новое понимание молекулярной и функциональной роли D₁ и D₂ MSNs в зависимости. Мы использовали оптогенетические инструменты в сочетании с условным (т. Е. Cre-зависимым) адено-ассоциированным вирусным вектором (AAV), экспрессирующим катионный канал, активируемый синим светом, каналродопсин-2 (ChR2). Мы ввели вектор или контроль в NAc of D₁-Cre или D₂-Cre BAC трансгенных мышей и затем стимулировали инъецированную область синим светом для селективной активации D₁+ против D₂+ MSNs в контексте кокаина CPP. Мы обнаружили, что активация D₁+ MSNs потенцирует индукцию кокаина CPP, тогда как активация D₂+ MSNs ингибирует эту индукцию (Lobo и др., 2010). Как отмечалось ранее, мы наблюдали те же поведенческие эффекты, когда TrkB избирательно удалялся из этих подтипов MSN: повышенный уровень кокаина CPP и двигательная активность после удаления TrkB из D₁+ MSN и снижение кокаина CPP и двигательной активности после удаления TrkB из D₂+ MSN. Вероятное общее действие нокаута TrkB и оптогенетической стимуляции при D₂+ MSNs - это их повышенная активность, поскольку делеция TrkB из этих клеток увеличивает их электрическую возбудимость. Как упоминалось ранее, мы также обнаружили значительное снижение pERK после удаления TrkB из D₁+ MSN. pERK является известной нисходящей целью передачи сигналов BDNF, поэтому общие поведенческие эффекты, наблюдаемые после удаления TrkB из D₁+ MSN и оптогенетическая активация этих клеток могут быть обусловлены сходящимися эффектами на активность pERK. Тем не менее, будущая работа необходима для определения точных общих молекулярных основ, которые управляют поведенческими эффектами, наблюдаемыми после нарушения передачи сигналов BDNF и оптогенетического контроля этих двух нейрональных подтипов.

Другие группы использовали разные инструменты для модуляции активности двух MSN в моделях злоупотребления наркотиками. Hikida et al. (2010) использовали векторы AAV для экспрессии тетрациклин-репрессивного фактора транскрипции (tTa) с использованием вещества P (a D₁+ Ген MSN) или энкефалин (D₂+ Ген MSN) промоторы. Эти векторы были инъецированы в NAc мышей, у которых легкая цепь столбнячного токсина (TN) - бактериальный токсин, который расщепляет белок, ассоциированный с синаптическими пузырьками, VAMP2 - контролировалась элементом, чувствительным к тетрациклину, для избирательной отмены синаптической передачи в каждом MSN подтип. В соответствии с нашим оптогенетическим подходом эти данные показали роль D₁+ Активность MSN в повышении кокаина CPP, а также кокаин-индуцированной двигательной активности, так как устраняет синаптическую передачу при D₁+ MSN уменьшали оба поведенческих эффекта. В отличие от оптогенетических исследований, авторы не обнаружили изменений в CPP кокаина после отмены синаптической передачи в D₂+ MSNs, но наблюдалось снижение кокаин-индуцированной двигательной активности в ответ на первые два воздействия кокаина. Интересно, что эта группа показала, что инактивация D₂+ MSNs играли более глубокую роль в посредничестве аверсивного поведения.

Как отмечалось ранее, Ferguson et al. (2011) использовали векторы вируса простого герпеса (HSV) для экспрессии сконструированного GPCR (G_{I / O}-соединенный человеческий мускариновый М₄ дизайнерский рецептор, активируемый исключительно дизайнерским препаратом, hM₄D) который активируется фармакологически инертным лигандом с использованием промоторов энкефалина и динорфина для селективного молчания D₁+ или D₂+ MSNs в dStr. Авторы показали, что временно прерывают D₂+ Активность MSN в dStr способствовала сенсибилизации к амфетамину, тогда как снижение возбудимости D₁+ MSNs нарушали устойчивость сенсибилизации, вызванной амфетамином. Наконец, отмена D₂+ MSNs в NAc в зрелом возрасте, использующие рецептор токсина диптерии, усиливают эффект амфетамина (Durieux et al., 2009). Такие данные согласуются с нашими оптогенетическими данными и в совокупности указывают на противоположные роли D₁+ против D₂+ MSNs в наркомании, с D₁+ MSN, поощряющие как поощрительные, так и сенсибилизирующие ответы на психостимуляторы и D₂+ MSNs, смягчающие это поведение.

Будущие направления

Область сделала огромные успехи к пониманию избирательной роли D₁+ и D₂+ Подтипы MSN в NAc и dStr при опосредовании эффектов злоупотребления наркотиками. В частности, недавно разработанные инструменты, которые позволяют избирательно манипулировать этими типами клеток, сыграли доминирующую роль в получении большей части этой информации. Каковы следующие шаги? Поскольку лежащие в основе молекулярные адаптации в моделях наркомании не являются статичными, но очень динамичными, крайне важно развить способность избирательно манипулировать сигнальными молекулами, представляющими интерес для D₁+ против D₂+ MSNs с временной точностью. DREADD и оптогенетические инструменты могут помочь с этой манипуляцией шкалой времени. Лиганды DREADD можно вводить в разные периоды времени в рамках поведенческих парадигм лекарственного средства, чтобы выделить селективную роль сигнальных рецепторов в двух MSN в моделях лекарственных средств. В частности, оптогенетические инструменты предоставляют чрезвычайно мощные средства для временного регулирования не только нейрональной активности, но и передачи сигналов рецептора, связанного с G-белком, с использованием OptoXR (Айран и др., 2009), глутаматергическая передача сигналов (Волграф и др., 2006; Нумано и др., 2009), ГАМКергическая передача сигналов и даже некоторые внутриклеточные сигнальные молекулы (Wu et al., 2009; Хан и Кульман, 2010). В конечном счете, возможно расширить эти возможности для оптогенетической регуляции транскрипционной активности. Аналогичным образом, оптогенетические инструменты впервые позволяют изучать влияние конкретных входных сигналов на стриатум и определять, влияют ли такие входные данные избирательным образом на D₁+ против D₂+ MSNs (Хигли и Сабатини, 2010). Способность контролировать такие сигнальные и молекулярные свойства с большим временным разрешением позволит сделать основные шаги для более полного понимания двух подтипов MSN и других подтипов клеток в NAc и dStr, в качестве опосредованного временного хода и различных фаз лекарственного средства. зависимость.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Рекомендации