Опиатно-индуцированная молекулярная и клеточная пластичность брюшной тегментальной области и лакуса Coeruleus Catecholamine Neurons (2012)

Следующий раздел

проверка данных

VTA широко изучается в области злоупотребления наркотиками, учитывая его фундаментальную роль в вознаграждении. Допаминовые (DA) нейроны в проекте VTA для нескольких областей мозга, включая ядро ​​accumbens (NAc), где повышенное выделение DA было отмечено в ответ на каждый класс злоупотребляемого препарата (Ди Чиара и Императо 1988). Однако, в то время как DA нейроны представляют собой значительную часть (~60% -65%) этого ядра среднего мозга, существует значительное клеточное разнообразие, причем значительная часть нейронов ГАМК (30% -35%), а также описания глутаматергических нейронов ( 2% -3%) (Swanson 1982; Nair-Roberts et al. 2008; Sesack и Grace 2010). Нейроны DA и GABA в брюшном среднем мозге, в общем, топографически (медиально-боковые) с основными выходными структурами, состоящими из NAc, префронтальной коры (PFC) и амигдала (AMY) (широко рассмотрены в Sesack и Grace 2010) (Рис 1). Первичные афференты для VTA включают возбуждающие входы от ПФУ, пеленкулопонта и латеросального тегментума (PPTg и LDT), а также многие другие недавно определенные структуры (Geisler et al. 2007). Ингибирующий вход в VTA менее четко определен, но сообщалось о поступлениях от NAc, вентрального паллида и мезопонтального ростромедиального тегментального ядра (RMTg) (Sesack и Grace 2010). Исследования на сегодняшний день непропорционально сосредоточены на нейронах DA в VTA и, в частности, тех, которые проектируются в NAc, из-за критической роли этого прогноза в награде (Nestler 2004).

  

Просмотреть увеличенную версию:  

• На этой странице
• В новом окне
• Скачать как слайд PowerPoint

Рисунок 1.  

Мультфильм сагиттальной секции мозга грызунов, иллюстрирующий VTA и LC и их основные афферентные и эфферентные проекции. DAergic (красный) и GABAergic (синий) нейроны в проекте VTA для лимбических и корковых структур и получают глютаматергические (черная черточка, PFC) и GABAergic-вход (синяя черта, NAc, VP). Норадренергические нейроны (зеленые) в LC иннервируют несколько областей, включая HIPP и PFC, и получают глютаматергический вход от PGi. Сокращения: AMY, amygdala; HIPP, гиппокамп; LC, locus coeruleus; NAc, ядро ​​accumbens; ПФК, префронтальная кора; PGi, ядро ​​paragigantocellularis; VP, вентральный паллидум; VTA, брюшная тегментальная область.

Острые опиатные изменения активности нейронов

Учитывая способность острого морфина к VTA вызывать увеличение DA-выделения в NAc (Leone et al. 1991), значительный объем работы изучил острые последствия опиатов в ВТА. Острый морфин увеличивает скорость обжига DA-нейронов в VTA (Гислинг и Ван 1983). Этот эффект опосредуется, по меньшей мере частично, связыванием морфина с G_{I / O}(MOR) на локальных нейронах ГАМК, тем самым уменьшая их активность и последующее высвобождение ГАМК на DA нейронах и приводя к растормаживанию нейронов DA (Джонсон и Север 1992). Однако интерпретация значительной части ранней электрофизиологической работы осложнена доказательствами, свидетельствующими о почти неразличимой природе нейронов VTA DA и ГАМК (по размеру, морфологии и электрофизиологическим свойствам) (Margolis et al. 2006), уточняя необходимость выявления более точных нейронов VTA (например, путем иммуногистохимии, использования репортерных мышей GFP и т. д.), что будет подробно обсуждено позднее в этом обзоре. Здесь мы в основном фокусируемся на опиатах, которые действуют как агонисты в MOR в VTA, такие как морфин, поскольку эти препараты производят полезные эффекты, наиболее часто изучаемые в области злоупотребления наркотиками. Однако известно, что κ-опиоидные рецепторы (KOR) также экспрессируются на нейронах VTA DA и что активация этих рецепторов может непосредственно ингибировать скорость обжига DA нейронов (Margolis et al. 2003), что, вероятно, способствует аверсивному воздействию агонистов каппа. Способность опиатов вырабатывать активацию и ингибирование нейронов VTA DA, а также полезные и отвратительные эффекты интригует, и эта модуляция «инь-ян» и роль эндогенных опиоидных пептидов в награде заслуживают внимания в будущем исследовании.

Острая опиатная синаптическая пластичность

В дополнение к изменениям в активности нейронов есть много сообщений о синаптической пластичности, вызванной острыми опиатами. Было обнаружено, что, как и в случае с кокаином и другими злоупотребляемыми препаратами, однократное введение морфина увеличивает отношение α-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовой кислоты (AMPA) к N-мето-D-аспарагиновой кислоты (NMDA) возбуждающих постсинаптических токов (EPSC) 24 через несколько часов после введения, что согласуется с долгосрочным потенцированием (LTP) глутаматергических синапсов на DA нейроны (Saal et al. 2003). Недавно было также сообщено, что острый морфин индуцирует перераспределение AMPAR-рецептора (AMPAR) в VTA способом, подобным кокаину, в частности, введение GluA2-отсутствующих AMPAR (Brown et al. 2010). Brown et al. наблюдался повышенный индекс выпрямления и увеличенный цитоплазматический GluA2 AMPAR в ответ на острый морфин, эффект, который повторяется путем прямой стимуляции нейронов DA в VTA с использованием селективного экспрессирования 2 каналаrhodposin (Brown et al. 2010), непосредственно подразумевая активность DA / сигнализацию в VTA до глутаматергической регуляции. Эти данные согласуются с более ранней работой, согласно которой GluA1, но не GluA2, сверхэкспрессия в VTA сенсибилизирует животных к локомоторно-активируемому и полезному поведению морфина (Carlezon et al. 1997).

Острые опиаты также влияют на пластичность в GABAergic синапсах в VTA. Было обнаружено, что высокочастотная стимуляция вызывает LTP на терминалах GABA (LTP_GABA) на нейронах VTA DA, эффект, который зависит от активации постсинаптических NMDA-рецепторов (NMDAR) и высвобождения оксида азота (NO) в качестве ретроградного мессенджера из DA нейронов (Nugent et al. 2007). NO затем увеличивает активность гуанилилциклазы (GC) в нейроне GABA, что приводит к увеличению высвобождения ГАМК и LTP_GABA, Одна доза морфина ингибирует ЛТП_GABA путем прерывания каскада сигналов NO-GC-протеинкиназы G (PKG), вызывая потерю нормального ингибирующего контроля (наблюдаемые 2 и 24 часы после инъекции, но не 5-дни) (Nugent et al. 2007, 2009; Niehaus et al. 2010). Таким образом, нарушение LTP_GABA обеспечивает еще один механизм для способности острых опиатов увеличивать активность нейронов VTA DA.

Совсем недавно была описана другая форма пластичности VTA GABAergic: долгосрочная депрессия ГАМКергических синапсов на DA нейронах (LTD_GABA) (Дачер и Нугент 2011a). Используя низкочастотную стимуляцию (LFS), стабильную LTD_GABA в DA-клетках индуцировали, что, в отличие от LTP_GABA, был выражен постсинаптически и не зависел от НМДАР. Этот эффект также не зависел от передачи эндоканнабиноидов, но был блокирован сульпидином антагониста рецептора дофамина D2 (D2R). Интересно, что одной инъекции морфина было достаточно, чтобы предотвратить ЛПС-индуцированную ЛТД_GABA 24 через несколько часов после введения, предполагая, что морфин может двунаправленно регулировать пластичность ГАМК в VTA (Дачер и Нугент 2011a).

Хроническая опиатно-индуцированная синаптическая пластичность

Хотя синаптические изменения, происходящие с острыми опиатами, были относительно хорошо охарактеризованы, хронических изменений нет. На сегодняшний день немногие, если какие-либо исследования изучали изменения в глютаматергической или ГАМКергической пластичности в ответ на хроническое введение опиатов. Это включает в себя отсутствие знаний о том, существуют ли различия в пассивном или активном введении лекарств, что является важным соображением, учитывая недавнюю работу, показывающую, что стойкость LTP в VTA животных, воздерживающихся от самообслуживания кокаина (до 3 месяцев), происходит только с условным воздействием кокаина (Chen et al. 2008).

Однако известно, что хронический морфин, такой как острый морфин, увеличивает активность нейронов DA. Записи in vivo после хронического морфина показывают увеличение как базовой скорости стрельбы, так и активности всплеска, которые возвращаются к исходному уровню во время отмены (Georges et al. 2006). Это противоречит предыдущей работе, которая наблюдала постоянное снижение активности DA у крыс, отобранных морфием (Diana et al. 1995, 1999). Одной из потенциальных причин этих различий является используемый метод администрирования. Например, Georges et al. в исследовании использовалась подкожная (sc) парадигма пеллет с пролонгированным высвобождением, которая, как было показано, имеет совершенно иной фармакодинамический профиль, чем парадигма хронической эскалации дозы, используемая в ранней Диане и др. исследования. Как сообщалось ранее (Fischer et al. 2008), 24 hr после последнего грамма морфина, уровни морфина в крови не уменьшаются, оставаясь относительно стабильными с пиком (~3000 нг / мл), в то время как модель хронической инъекции дает гораздо более высокий пик (~10,000 нг / мл) при 1 ч, с уровнями крови ниже 100 нг / мл после 4 hr и незначительными по 12 hr. Изменение скорости обжига DA, вызванное отходом от хронического морфина, будь то возврат к исходному уровню или снижение ниже базовой линии, по-видимому, зависит от изменений в выбросе ГАМК. Изъятие из хронического морфина увеличивает GASTA ингибирующие постсинаптические токи (IPSC) и GABA высвобождение на VTA DA нейроны (Bonci и Williams 1997), эффект, который в последнее время оказался зависимым от рециркуляции MOR и сигнала циклической аденозин-5'-монофосфата (цАМФ)Madhavan et al. 2010).

Другим потенциальным фактором различий между исследованиями является гетерогенность VTA по сравнению с LC (как описано ниже). Мало того, что существует сложность множественных типов ячеек (в первую очередь GABA и DA), но распределение типов клеток также изменяется вдоль рострально-каудальной оси VTA (Рис 2). В частности, доля DA-клеток в ГАМК-нейронах значительно выше в ростральных VTA-субрегионах (IFN, RL) по сравнению с каудальными подобластями (PN, PIF) (Nair-Roberts et al. 2008). Это различие имеет функциональное значение для изменений, вызванных морфином. Сверхэкспрессия HSV-GluA1 повышала эффективность морфина с инъекцией в ростральный VTA, тогда как индуцировала аверсивное поведение в каудальном VTA, эффект наблюдался также при вирусной сверхэкспрессии связующего белка cAMP-response-element (CREB) или фосфолипазы C gamma (PLCγ) (Carlezon et al. 2000; Bolanos et al. 2003; Olson et al. 2005). Это различие можно увидеть и на молекулярном уровне, так как хроническая морфина, индуцированная cAMP-ответным элементом (CRE) -связанная транскрипция в DA нейронах в ростральном и каудальном VTA, но наблюдалась только в нейронах без DA в ростральном VTA (Olson et al. 2005). Ультраструктурные исследования подтверждают такие рострально-каудальные различия и предполагают дополнительную сложность режима лечения и проекции. GluA1 был увеличен как в тирозингидроксилазе (TH) -положительном (DAergic), так и в TH-негативном (вероятно, ГАМКергическом) дендрите в паратрахиальном (PBP) VTA с одной инъекцией морфина. Напротив, при хроническом морфине наблюдалось увеличение GluA1 в паранигральном (PN) VTA в дополнение к области PBP (Lane et al. 2008).

  

Просмотреть увеличенную версию:  

• На этой странице
• В новом окне
• Скачать как слайд PowerPoint

Рисунок 2. 

Сотовая и проекционная сложность в VTA. Доля DA (красных) до ГАМК (синих) нейронов варьирует среди субнуклеатов VTA с более высокими отношениями DA: GABA, наблюдаемыми в более ростральных субрегионах, таких как линейное линейное ядро ​​(RL), по сравнению с более каудальными субнуклеями, такими как параниграл (PN) и паранетерфакулярный ( PIF). Кроме того, DA-нейронные проекции DA различаются по всему VTA с более латеральными областями, такими как парабрахиальное ядро ​​(PBP), выступающее на боковую оболочку NAc (Lat Sh), тогда как медиальные области, такие как PN, имеют различные проекции, включая амигдалу (AMY), префронтальную кору (PFC) , Ядро NAc и медиальная оболочка NAc (Med Sh). В ограниченной работе были рассмотрены прогнозы нейронов ГАМК; есть некоторые свидетельства того, что нейроны ГАМК в ростральной PBP имеют сильную проекцию на PFC, тогда как существует несколько ростральных нейронов PBP DA, которые проецируются на PFC, но большая каудальная проекция DA PBP; это говорит о том, что проекция PBP-PFC определяется не только на региональном уровне, но также является специфичной для нейронов-подтипов (Lammel et al. 2008). (Используемые количества клеток из Nair-Roberts et al. 2008 и прогнозы относятся к ретроградным исследованиям Lammel et al. 2008.)

Различия между нейронами VTA DA, основанные на их выходном регионе, в последнее время вызвали большой интерес, так как теперь хорошо известно, что электрофизиологические свойства нейронов DA варьируются в зависимости от проекции. Нейроны VTA DA, проектирующие NAc, имеют значительно меньшую величину I_h тока, чем нейроны, выступающие в базолатеральную миндалину (БЛА) (Ford et al. 2006), и существуют различия в проекциях внутри самого NAc, причем DA-нейроны, выступающие на боковую оболочку NAc, отображают намного больше I_h тока, чем DA нейроны, которые выступают в отношении медиальной оболочки NAc (Lammel et al. 2011). Продолжительность действия потенциала (AP) длительности DA нейронов также варьируется в зависимости от проекции, поскольку NAc-проецирующие DA нейроны имеют самую длинную продолжительность АР, тогда как длительность ПЭМ-проекции нейрона AP короче, а AMY-проецирующие DA нейроны имеют самую короткую продолжительность (Margolis et al. 2008). Важно отметить, что отзывчивость к опиатам также различается в пределах VTA в зависимости от типа проекции: нейроны DA, проектирующие NAc, больше ответили на агонисты KOR, чем BLA-проекционные нейроны, тогда как противоположный эффект был отмечен для реакции на агонист MOR / delta (DOR) , что оказало большее влияние на BLA-проекционные нейроны (Ford et al. 2006). Это было переведено на пресинаптически опосредованный опиатный эффект, а также, поскольку агонист KOR вызвал большее ингибирование ГАМК_A IPSCs DA-нейронов, проецирующих BLA, тогда как было отмечено более сильное ингибирование ГАМК, опосредованное агонистами KOR_B IPSCs в нейронах, проектирующих NAc (Ford et al. 2006). Кроме того, недавно было замечено, что модуляция возбуждающих синапсов на DA нейронах различается в зависимости от проекции (Lammel et al. 2011). Ламмель и его коллеги (2011) обнаружили, что отношение AMPA / NMDA было увеличено кокаином в DA нейронах, которые прогнозировали NAc, но не в DA нейронах, которые прогнозировали PFC. Тем не менее, отношение AMPA / NMDA было увеличено в DA-клетках, проецирующихся на PFC в ответ на отвратительный стимул (инъекция шейки матки), что также наблюдалось у DA-нейронов, которые проецировались на латеральную оболочку NAc, но отсутствовали в DA нейронах, проецирующих NAc медиальная оболочка, показывающая неоднородность в ответ в субрегионах этой проекционной мишени (Lammel et al. 2011). Очевидно, что эти исследования показывают, что для более глубокого понимания синаптических приспособлений, которые происходят как с острыми, так и с хроническими опиатами, необходимо будет объединить информацию о выходе исследуемых нейронов DA. Разработка методов, основанных на нейронах и прогнозах, поможет прояснить эти проблемы, разрешив специфическую модуляцию в этом гетерогенном регионе.

Опиатно-индуцированная структурная и клеточная пластичность

Актуальность структурной пластичности, вызванной лекарственными средствами, к синаптическим и поведенческим изменениям была недавно рассмотрена (Russo et al. 2010). В большинстве исследований структурной пластичности на сегодняшний день были изучены изменения морфологии позвоночника или дендритного разветвления нейронов в целевых областях VTA, но наша лаборатория исследовала еще одну структурную адаптацию в ответ на хроническое введение опиатов, изменение размера нейронов VTA DA. Мы впервые заметили, что площадь поверхности нейронов крысы VTA DA уменьшается ~25% в ответ на хроническое, но не острое введение морфина (Sklair-Tavron et al. 1996). Этот эффект был специфичен для нейронов DA в VTA, поскольку ТГ-отрицательные клетки (вероятно, ГАМКергические) не были изменены. Кроме того, это изменение может быть заблокировано системным налтрексоном, предполагая, что требуется передача сигналов MOR, а инфузия местного нейротрофического фактора на головном мозге (BDNF) в VTA также предотвратила снижение, что указывает на то, что снижение уровня нейротрофической сигнализации может лежать в основе морфологических изменений. Важно отметить, что такое уменьшение размера нейронов VTA DA наблюдается при хроническом введении героина, а также морфина (Russo et al. 2007), в пассивных и самоуправляющихся протоколах (Spiga et al. 2003; Chu et al. 2007; Russo et al. 2007), и по видам, как мы недавно охарактеризовали этот эффект у мышей и в посмертной ткани от лиц, злоупотребляющих героином человека (Mazei-Robison и др. 2011). Последующие исследования не обнаружили признаков смерти или травмы нейронов VTA DA (Sklair-Tavron et al. 1996; Russo et al. 2007) и что уменьшение размера клеток сохраняется в течение 14 дней после хронического введения морфина, но возвращается к исходному уровню через 30-дни. Эта временная шкала отражает вознаграждение за толерантность (Russo et al. 2007), в которых повторное употребление наркотиков снижает полезный эффект препарата и приводит к эскалации потребления лекарственного средства, как это видно у людей (O'Brien 2001).

Учитывая, что BDNF может спасти хроническое морфиновое индуцированное структурное изменение, мы хотели исследовать, опосредует ли эта структурная пластичность нитротрофные сигнальные пути ниже по течению. Хотя есть некоторые разногласия относительно того, изменяются ли уровни BDNF в VTA в ответ на хроническое введение опиатов (Numan et al. 1998; Chu et al. 2007; Koo et al. 2010), регулирование сообщается в трех основных сигнальных путях ниже по потоку от BDNF: PLCγ, фосфатидилинозитол 3'-киназы (PI3K) и митоген-активированной протеинкиназы (MAPK) (Russo et al. 2009). Хронический морфин увеличивает активность пути PLCγ (Wolf et al. 1999, 2007), снижает активность пути PI3K, измеряемого снижением содержания субстрата рецептора инсулина-2 (IRS2) и уровня фосфо-AKT (Wolf et al. 1999; Russo et al. 2007; Mazei-Robison и др. 2011), и увеличивает сигнализацию MAPK, измеряемую увеличением фосфорилирования и каталитической активностью внеклеточной связанной киназы (ERK) (Ortiz et al. 1995; Berhow et al. 1996; Liu et al. 2007). Используя вирусную опосредованную избыточную экспрессию, мы обнаружили, что это было вызванное хроническим морфином изменение сигнала PI3K, которое способствует морфологическому изменению: избыточная экспрессия доминантно-отрицательного IRS2 (IRS2dn) или AKTdn была достаточной для уменьшения размера соты VTA DA, в то время как избыточная экспрессия IRS2 дикого типа предотвращала снижение морфина и чрезмерную экспрессию конститутивно активного AKT (AKTca) увеличенного размера сомы (Russo et al. 2007; Mazei-Robison и др. 2011). Напротив, избыточная экспрессия либо PLCγ, либо ERK была недостаточной для изменения размера соты VTA DA (Russo et al. 2007). Важно отметить, что избыточная экспрессия IRS2 также способна предотвратить толерантность к морфину, подразумевая роль структурной пластичности в поведенческом ответе.

Наша недавняя работа предполагает, что эти структурные изменения могут быть тесно связаны с изменениями активности, вызванными хроническими опиатами. Подобно исследованию in vivo от Georges et al. обсуждалось выше, мы обнаружили, что скорость VTA DA повышалась в тот же момент времени, когда размер сомы снижался у мышей, подверженных хроническому морфину (Mazei-Robison и др. 2011).

Однако мы обнаружили, что выход DA в NAc, измеряемый циклической вольтамперометрией in vivo, фактически уменьшен, что указывает на разрыв нормальной активации и выхода в цепи мезолимбической награды.

Мы также охарактеризовали этот результат и обнаружили, что сверхвыражение IRS2dn в VTA, которое является достаточным для уменьшения размера DA soma, уменьшало выход DA до NAc, а также уменьшало экспрессию нескольких K⁺ канальные субъединицы, подобно хроническому морфину.

В наших усилиях по выявлению сигнальных путей ниже по течению от IRS2 / AKT, которые опосредуют хронические морфино-индуцированные нейроадаптации, мы сделали удивительное замечание о том, что млекопитающая-мишень передачи сигналов рапамицина (mTOR) 1 (mTORC1), хорошо установленный путь роста клеток , был фактически увеличен хроническим морфином. Напротив, мы наблюдали снижение сигнала mTOR complex 2 (mTORC2), которое мы показали, является необходимым и достаточным для вызванных морфием изменений размера сомы и активности нейронов. В частности, мы обнаружили, что избыточная экспрессия нечувствительного к рапамицину компаньона mTOR (Rictor), основного компонента белка mTORC2, была достаточной для предотвращения уменьшения размера сомы и также предотвращала увеличение скорости обжига нейронов DA в автономном режиме: только DA-клетки в VTA, которые сверхэкспрессировали Rictor, имели ослабленную скорость стрельбы, тогда как близлежащие клетки DA все еще показывали увеличение. Это говорит о том, что изменения сигналов, присущие DA нейронам, могут опосредовать изменения возбудимости, вызванные хроническими опиатами, возможно, путем изменения AKT-модуляции ГАМК_A токов (Кришнан и др. 2008) или выражение K⁺ каналы (Mazei-Robison и др. 2011) (Рис 3). Как и в случае избыточной экспрессии IRS2, мы обнаружили, что изменение активности mTORC2 коррелирует с поведением вознаграждения морфина, так как уменьшение активности mTORC2 уменьшает предпочтение предпочтения в отношении морфина (CPP), в то время как увеличение активности mTORC2 было достаточным для того, чтобы индуцировать CPP к низкой дозе морфина, которая не индуцирует кондиционирование места в контрольных животных.

  

Просмотреть увеличенную версию:  

• На этой странице
• В новом окне
• Скачать как слайд PowerPoint

Рисунок 3. 

Хронический морфин уменьшает размер соты VTA DA, но увеличивает возбудимость нейронов, тогда как передача DA к NAc уменьшается. Чистый эффект морфина - это менее отзывчивый путь вознаграждения, т. Е. Поощрение толерантности. Даун-регулирование сигнализации IRS2-AKT (синий) в VTA опосредует эффекты хронического морфина на размер сомы и электрическую возбудимость; влияние на возбудимость опосредуется посредством снижения ГАМК_A токов и подавления K⁺ канальное выражение. Морфин-индуцированная понижающая регуляция активности mTORC2 в VTA имеет решающее значение для этих морфино-индуцированных морфологических и физиологических адаптаций, а также для толерантности к наградам. В отличие от mTORC2, хронический морфин увеличивает активность mTORC1 (красный), что, по-видимому, напрямую не влияет на эти модифицированные морфином адаптации. Хронический морфин также уменьшает выход DA до NAc, а также уменьшает дендритное ветвление и число дендритных шипов на средних колющих нейронах ГАМК в NAc, что дополнительно подавляет нормальную передачу сигналов DA в мезолимбическом контуре.

Маловероятно, что изменение размера сомы является единственной структурной адаптацией, вызванной хроническими опиатами в VTA. Учитывая уменьшение числа дендритных позвонков и дендритную сложность разветвления средних колючих нейронов NAc крыс, ранее подвергшихся воздействию хронического морфина (Робинсон и Колб 1999; Robinson et al. 2002), мы ожидаем, что дендритные изменения также происходят в нейронах VTA DA. Текущие исследования продолжаются, чтобы охарактеризовать изменения морфологии позвоночника, огромный пробел в этой области, поскольку только одно исследование на сегодняшний день изучило вызванные лекарством изменения в дендритной архитектуре VTA. В этом исследовании было обнаружено увеличение плотности дендритного позвоночника в одном подтипе VTA-нейрона в ответ на острую инъекцию кокаина, тот же подтип, показанный, показал увеличение отношения NMDA / AMPA (Sarti et al. 2007). Данные нашей предыдущей работы о том, что длина процессов VTA DA снижается (~30%) у крыс, получавших хронический морфин (Sklair-Tavron et al. 1996), согласуется с глобальными изменениями в архитектуре VTA DA. Это изменение также может помочь объяснить уменьшение выхода DA на NAc после хронического морфина, поскольку мы ранее сообщали о снижении переноса аксонов и уровнях нейрофиламентных белков в VTA (Бейтнер-Джонсон и др. 1992, 1993), предполагая, что хронический морфин также влияет на структуру и функцию аксонов. Учитывая региональную и проекционную сложность нейронов VTA DA, отмеченных выше, мы в настоящее время изучаем, индуцируются ли эти структурные изменения в определенном подмножестве нейронов VTA DA с использованием флуоресцентных ретроградных индикаторов. Эти данные будут иметь решающее значение для понимания структурных и электрофизиологических изменений, вызванных хроническими опиатами и соответствующими выходными цепями.

Как уже упоминалось ранее, несколько исследований, как молекулярных, так и электрофизиологических, свидетельствуют о том, что хроническое введение опиатов активирует путь cAMP-CREB в VTA (Bonci и Williams 1997; Olson et al. 2005; Madhavan et al. 2010). Кроме того, исследование микрочипов определило глобальные изменения экспрессии генов, которые встречаются в VTA в ответ на хронический морфин (McClung et al. 2005). В настоящее время требуется работа, чтобы лучше определить клеточную специфичность этих нейроадаптаций, а также определить их функциональные последствия. Более того, хотя большая часть работы с VTA сосредоточена на нейроадаптациях, вызванных опиатами, которые предположительно происходят в DA-нейронах, важно исследовать индуцированную лекарством пластичность, которая возникает в ГАМКергических нейронах VTA, которые являются одной из ключевых исходных целей действия опиатов в это область мозга.

проверка данных

LC является основным местом содержания норадреналина (NE) -содержащих нейронов в головном мозге (Dahlstrom и Fuxe 1965). Как было рассмотрено ранее (Астон-Джонс и Блум 1981a; Aston-Jones et al. 1991b; Berridge and Waterhouse 2003; Van Bockstaele et al. 2010), LC - дискретное, компактное однородное ядро, состоящее почти из NE нейронов. Основные данные для LC относятся к медуллярному ядру paragigantocellularis (PGi) и предшественнику ядра hypoglossus, а результаты LC широко распространены, включая передний мозг, мозжечок, мозговой мозг и спинной мозг (Рис 1) (Berridge and Waterhouse 2003). LC нейронная активность сильно синхронна как базально, так и в ответ на раздражители (Foote et al. 1980; Aston-Jones и Bloom 1981b; Aston-Jones et al. 1991a; Ишимацу и Уильямс 1996). LC нейроны спонтанно активны (Williams et al. 1991), и их активация вызывает выброс NE в нескольких областях переднего мозга, включая кору и гиппокамп. LC в значительной степени служит ретрансляционным ядром с ограниченной синаптической пластичностью, отмеченной на сегодняшний день, хотя афференты глутамата контролируют активность LC, особенно от PGi (Эннис и др. 1992). LC нейроны выражают три основных класса опиоидных рецепторов: MOR, DOR и KOR с четким распределением, хотя, как и в случае VTA, наше обсуждение ограничено MOR, которое наиболее непосредственно связано с зависимостью от опиума и зависимостью.

Опиатно-индуцированная клеточная пластичность

Хотя в LC нет свидетельств традиционной синаптической пластичности (т. Е. LTP и LTD), хорошо описана клеточная пластичность. Уникальной особенностью LC является то, что многие из ее ответов in vivo на хронические опиаты могут быть повторены и изучены на уровне одной клетки (Nestler et al. 1994; Нестлер и Агаджанян 1997; Nestler 2004). Связывание опиатов (например, морфина) с MOR приводит к снижению активности аденилилциклазы (AC) и сигнализации cAMP (Duman et al. 1988). Острая связывание опиатов с MOR также снижает активность кардиостимулятора LC-нейронов, в основном за счет активации G-протезированного внутрь выпрямляющего K⁺ (GIRK) каналов (Williams et al. 1982; Torrecilla et al. 2002). Однако при хроническом применении опиатов как частота обжига, так и сигнал цАМФ возвращаются к исходному уровню из-за повышающей регуляции пути цАМФ, иллюстрируя толерантность (Aghajanian 1978; Duman et al. 1988; Nestler и Tallman 1988; Guitart и Nestler 1989; Kogan et al. 1992; Иванов и Астон-Джонс 2001). Эта пластичность, вызванная хроническим опиатным введением (т. Е. Повышением регуляции цАМФ), становится функционально очевидной при изъятии опиата, когда скорость обжига LC-нейронов значительно увеличивается вместе с большим увеличением активности цАМФ, иллюстрируя зависимость и изъятие (Рис 4) (Aghajanian 1978; Расмуссен и др. 1990).

  

Просмотреть увеличенную версию:  

• На этой странице
• В новом окне
• Скачать как слайд PowerPoint

Рисунок 4.  

Up-регуляция пути cAMP в LC как механизм толерантности и зависимости от опиума. Топовое , опиаты резко ингибируют функциональную активность пути цАМФ (обозначают клеточные уровни цАМФ и цАМФ-зависимое протеиновое фосфорилирование). При продолжающемся воздействии опиатов функциональная активность cAMP-пути постепенно восстанавливается и значительно превышает контрольные уровни после удаления опиата (например, путем введения антагониста опиоидного рецептора налоксона). Эти изменения в функциональном состоянии пути cAMP опосредуются посредством индукции аденилатциклаз (AC) и протеинкиназы A (PKA) в ответ на хроническое введение опиатов. Индукция этих ферментов обусловливает постепенное восстановление функциональной активности пути цАМФ, которое возникает при хроническом воздействии опиатов (толерантность и зависимость) и активации пути цАМФ, наблюдаемого при удалении опиатов (изъятие). Дно панели, Опиаты резко ингибируют LC нейроны, увеличивая проводимость внутренне выпрямляющего K⁺ канал через соединение с подтипами G_{I / O} и, возможно, путем уменьшения Na⁺-зависимый внутренний ток через соединение с G_{I / O} и последующее ингибирование AC, снижение уровней активности PKA и снижение фосфорилирования канала или насоса. Ингибирование пути цАМФ также снижает фосфорилирование многих других белков и, таким образом, влияет на многие другие нейронные процессы. Например, он уменьшает состояние фосфорилирования связывающего белок cAMP-ответа (CREB), что инициирует некоторые из долгосрочных изменений функции LC. Хроническое введение морфина увеличивает уровни ACI, ACVIII, PKA-каталитических (кат.) И регуляторных субъединиц и нескольких фосфопротеинов, включая CREB и тирозингидроксилазу (TH) (обозначенные красными стрелками). Эти изменения вносят вклад в измененный фенотип наркозависимого состояния. Например, внутренняя возбудимость LC нейронов увеличивается за счет усиления активности пути cAMP и Na⁺-независимый внутренний ток, что способствует толерантности, зависимости и уходу, проявляемым этими нейронами. Up-регулирование ACVIII и TH опосредуется через CREB, тогда как повышение уровня ACI и субъединиц PKA происходит через неопознанный, независимый от CREB механизм.

Эти адаптации опосредуются путем регуляции нескольких сигнальных белков в пути cAMP, включая AC1 / 8 (Matsuoka et al. 1994; Lane-Ladd et al. 1997; Zachariou et al. 2008), цАМФ-зависимая протеинкиназа (PKA) (Nestler и Tallman 1988), CREB (Guitart et al. 1992; Shaw-Lutchman et al. 2002; Хан и др. 2006), и TH и BDNF - оба целевых объекта CREB ниже по течению (Guitart et al. 1989; Akbarian et al. 2002). Хронические опиаты также индуцируют экспрессию GIRK2 / 3 в LC (Cruz et al. 2008), а также множество других генов, выявленных с помощью анализа микрочипов (McClung et al. 2005). Кроме того, недавно было показано, используя модель культивирования LC-среза, что повышенная внутренняя электрическая активность LC-нейронов, вызванная хроническими опиатами, вызвана прямой активацией MOR на нейронах LC NE, подразумевающей внутреннюю гомеостатическую адаптацию (Cao et al. 2010). Этот подход определил ключевую роль CREB как в активности кардиостимулятора, так и в увеличении скорости стрельбы LC, вызванной морфием (Хан и др. 2006; Cao et al. 2010), эффект, который также наблюдался у мышей с ранним нокаутом развития CREB, специфичным к NE нейронам (Parlato et al. 2010). Наконец, эта активация обмотки LC-нейронов и регулируемый курс cAMP-CREB, который опосредует повышенный обжиг, были показаны в многочисленных исследованиях как необходимыми, так и достаточными для опосредования нескольких симптомов отмены физического опиата (Lane-Ladd et al. 1997; Punch et al. 1997; Хан и др. 2006).

Хотя большинство описанных здесь опиатно-индуцированной пластичности постулируется как неотъемлемая часть нейронов LC NE, есть некоторые свидетельства того, что хронический морфин также может влиять на возбуждающий вход в LC, поскольку наблюдается увеличение спонтанной частоты EPSC в срезах от обработанных морфином мышей (Torrecilla et al. 2008). Кроме того, наблюдается увеличение высвобождения глутамата и аспартата в LC in vivo у крыс, отбираемых морфием, и локальное применение антагонистов возбуждающих аминокислот в LC частично блокирует вызванное снятием увеличение активности LC (Акаока и Астон-Джонс 1991; Aghajanian et al. 1994).

Имеются некоторые разногласия относительно того, являются ли изменения в сигнале cAMP-CREB в НК-нейронах и в активности НК-нейронов опосредующими поведением опиатов. Например, поражения LC или нокаут развития активности CREB в нейронах LC NE не могут обнаружить синдромы отмены (например,Christie et al. 1997; Parlato et al. 2010). Напротив, мы показали, что модуляция активности пути cAMP или CREB в LC взрослых животных последовательно блокирует несколько способов отмены (Lane-Ladd et al. 1997; Punch et al. 1997; Хан и др. 2006). Мы считаем, что несколько ключевых соображений объясняют эти разные выводы. Во-первых, LC является лишь одной из нескольких областей мозга, важных для физической зависимости опиатов и отмены (Koob и Le Moal 2001). Неудивительно, что животные с поврежденными LC все еще развивают глубокую физическую зависимость, опосредуемую усиленной зависимостью от этих других нервных субстратов. Во-вторых, очень правдоподобно, что некоторые из инструментов, используемых для управления активностью канала цАМФ в ЛК (например, локальная инфузия активаторов или ингибиторов PKA), влияют на глутаматергические афференты в этой области, которые также, как представляется, демонстрируют пластические изменения (включая путь цАМФ, регуляция) после хронического морфина (Nestler 1992; Christie et al. 1997). В-третьих, несмотря на вероятную роль этих глутаматергических афферентов, нет никаких сомнений в том, что также участвует пластичность, присущая нейронам LC NE, поскольку местный нокаут CREB от взрослого LC (который не может влиять на афферентные нервные терминалы) блокирует повышенную возбудимость, вызванную морфином нейронов LC NE и ослабляет снятие (Cao et al. 2010; V Захариу и Э. Дж. Нестлер, неублажение.). Отсутствие эффекта нокаута CREB у этих нейронов у условных нокаутных мышей (Parlato et al. 2010) подчеркивает компенсацию развития, которая усложняет использование ранних моделей нокаутов и подчеркивает важность использования генных манипуляций в полностью дифференцированном мозге взрослых при изучении пластичности взрослых.

Таким образом, множество экспериментальных доказательств устанавливает регуляцию пути cAMP-CREB как механизм внутренней гомеостатической пластичности в нейронах LC NE в развитии физической зависимости опиатов. Также важно подчеркнуть историческую важность этой работы для ЛК, поскольку она служила образцовой системой для долгосрочных действий опиатов на головном мозге: на основе этих ранних исследований LC, повышение регуляции cAMP-CREB с тех пор, как было показано, является общим механизмом толерантности к опиоиду, зависимостью и изъятием во многих областях центральной и периферической нервной системы и действительно представляет собой одну из наилучших установленных моделей молекулярной основы наркомании (Nestler 2001, 2004).