Striatálne vyrovnávacie zákroky pri závislosti na drogách: odlišné úlohy priamej a nepriamej dráhy stredných špinavých neurónov (2011)

úvod

Lieky zneužívania vykazujú silné molekulárne a bunkové zmeny v dorzálnom striate (dStr) a ventrálnom striate (nucleus accumbens, NAc) a mnohé z týchto zmien sa vyskytujú v stredných ostnatých neurónoch (MSN), v hlavných projekčných neurónoch v dStr a NAc, 90 – 95% všetkých neurónov v týchto regiónoch. Výskumníci však donedávna nedokázali jasne definovať diferenciálnu úlohu dvoch podtypov MSN v javoch súvisiacich so závislosťou. Dva podtypy MSN sú diferencované ich obohatením dopamínovým receptorom 1 (D₁) alebo dopamínový receptor 2 (D₂), ako aj niekoľko ďalších génov (Gerfen a Young, 1988; Gerfen a kol., 1990; Le Moine a kol., 1990, 1991; Bernard a kol., 1992; Ince a kol., 1997; Lobo a kol., 2006, 2007; Heiman a kol., 2008; gensat.org) a ich zreteľnými projekciami cestou kortiko-bazálnej ganglie (priame a nepriame cesty; Gerfen, 1984, 1992). Včasná práca naznačila, že drogy zneužívania majú najväčší vplyv na D₁+ MSNs, s použitím mnohých agonistov a antagonistov dopamínových receptorov poskytujúcich dôležitý pohľad na funkčné a molekulárne úlohy každého MSN v správaní odmeňovania liekov (Vlastné, 2010). Avšak súčasné metodológie špecifické pre bunkový typ, vrátane fluorescenčných reportérových myší, ktoré exprimujú GFP pod D₁ alebo D₂ bakteriálne umelé chromozómy (BAC; Gong a kol., 2003; Valjent a kol., 2009; gensat.org), podmienené myšacie modely, ako je použitie indukovateľných transgénnych myší regulovaných tetracyklínom (Chen a kol., 1998; Kelz a kol., 1999) a transgénne myši exprimujúce Cre-rekombinázu použitím D₁ alebo D₂ BAC, kvasinkové umelé chromozómy (YAC) alebo knock-in myši (Gong a kol., 2007; Lemberger a kol., 2007; Heusner a kol., 2008; Parkitna a kol., 2009; Valjent a kol., 2009; Bateup a kol., 2010; Lobo a kol., 2010; gensat.org), ako aj prenos génov špecificky sprostredkovaný bunkovým typom (Cardin a kol., 2010; Hikida a kol., 2010; Lobo a kol., 2010; Ferguson a kol., 2011) poskytli hlboký nový pohľad na presné molekulárne základy každého podtypu MSN a ich reguláciu drogami zneužívania (tabuľka 1).

Tabuľka 1. Účinky genetickej manipulácie špecifickej pre bunkový typ v D₁+ a D₂+ MSNs v modeloch drogovej závislosti.

Nedávne zistenia podporujú uzavretie prevládajúcej úlohy D₁+ MSNs pri produkcii zosilňujúceho a senzibilizujúceho účinku návykových látok, pričom najsilnejšie molekulárne zmeny sa vyskytujú v týchto MSN. Napríklad akútne vystavenie psychostimulanciám silne indukuje početné signálne molekuly vrátane FosB, ERK, c-Fos a Zif268 v D₁+ MSN, zatiaľ čo opakovaný kokaín prednostne indukuje AFosB a mení GABA receptor a ďalšie podjednotky iónových kanálov v tomto bunkovom type (tiežRobertson a kol., 1991; Young a kol., 1991; Berretta a kol., 1992; Cenci a kol., 1992; Moratalla a kol., 1992; Hope a kol., 1994; Bertran-Gonzalez a kol., 2008; Heiman a kol., 2008). Okrem toho narušenie alebo nadmerná expresia špecifických molekúl, ako je AFosB, DARPP-32 alebo Nr3c1 (glukokortikoidový receptor), v D₁+ MSN typicky napodobňujú správanie súvisiace s liekom pozorované, keď sa tieto zmeny uskutočňujú spôsobom, ktorý nie je špecifický pre bunkový typ, zatiaľ čo tieto gény sa narušia v D₂+ MSN často spôsobuje opačnú odpoveď (Fienberg a kol., 1998; Kelz a kol., 1999; Deroche-Gamonet a kol., 2003; Zachariou a kol., 2006; Ambroggi a kol., 2009; Bateup a kol., 2010). Nemôžeme však vylúčiť dôležitý prínos D₂+ MSN v adaptáciách na drogy zneužívania, pretože vystavenie kokaínu mení expresiu génu v oboch subtypoch MSN (Heiman a kol., 2008) a D₂agonisty a antagonisty receptorov -receptorov vykazujú silné účinky v testoch správania (\ tVlastné, 2010). Nedávne zistenia skutočne ukazujú, že modifikácie molekulárnej signalizácie v D₂+ MSN účinne modifikujú behaviorálnu reakciu zvieraťa na drogy zneužívania (Lobo a kol., 2010). Tieto zistenia ukázali, že strata TrkB (receptor pre BDNF) v D₂+ MSNs majú za následok podobné behaviorálne reakcie na kokaín ako celkový TrkB knockout z NAc, čo prvýkrát ukazuje selektívnu dominantnú úlohu molekulárnej dráhy v D₂+ MSN pri sprostredkovaní účinkov návykových látok.

Nedávna literatúra nakoniec ukazuje, že tieto dva MSN vykazujú antagonistické účinky na správanie súvisiace s drogami, kde aktivácia D₁+ MSN alebo inhibícia D₂+ MSN zvyšuje citlivosť zvieraťa na liek zneužívania (Hikida a kol., 2010; Lobo a kol., 2010; Ferguson a kol., 2011). Tieto zistenia sú v súlade s protichodnými úlohami dvoch MSN a ich priamymi a nepriamymi cestami v bazálnych gangliách v motorickom správaní (Alexander et al., 1986; Albin a kol., 1989; Graybiel, 2000; Kravitz a kol., 2010). Táto najnovšia literatúra je v súlade so všeobecnou myšlienkou, že dopaminergná neurotransmisia, ktorá je aktivovaná všetkými liekmi zneužívania, uľahčuje glutamátergickú aktiváciu D₁+ MSN pri inhibícii glutamátergickej aktivácie D₂+ MSN prostredníctvom svojich akcií na D₁ vs. D₂ receptory dopamínu (obrázok č. \ t 1). V tomto prehľade sa zaoberáme súčasnými poznatkami o odlišnej molekulárnej signalizácii, ktorú tieto dva MSN subtypy vykazujú vo vzťahu k ich funkčným úlohám a reakciám na lieky zneužívania.

Obrázok 1. Všetky lieky zneužívania zvyšujú dopamínovú signalizáciu v striate, ktorá môže diferencovane modulovať glutamátergickú aktivitu v dvoch podtypoch MSN, Konkrétne sa kokaín viaže na dopamínový transportér, ktorý zabraňuje spätnému príjmu dopamínu do terminálov dopamínových neurónov VTA. Aktivácia G_s/_OLF spojené D₁ receptory zvyšuje aktivitu PKA a mení Ca²⁺ a K⁺ vodivosti na zvýšenie glutamátu sprostredkovaného „hore“ v týchto MSN. Naproti tomu aktivácia G_i/G_o D₂-receptory znižujú aktivitu PKA a menia Ca²⁺, Na⁺a K⁺ vodivosti na zníženie glutamátu sprostredkovaného „up-state“. Tým sa tieto MSN presunú späť do ich pokojového stavu.

Signalizácia receptora dopamínu v D₁ vs. D₂ MSN

Ako už bolo uvedené, všetky drogy zneužívania aktivujú dopaminergný vstup do NAc a príbuzných limbických oblastí mozgu (Volkow a kol., 2004; Wise, 2004; Nestler, 2005). Napríklad psychostimulanciá, ako je kokaín alebo amfetamín, pôsobia priamo na dopamínergickú odmeňovaciu dráhu tým, že zasahujú do transportéra dopamínu: kokaín blokuje transportér a amfetamín obracia transportér, pričom obe činnosti majú za následok hromadenie dopamínu v synapse, ktorá môže aktivovať dopamín v dopamíne receptory na cieľových neurónoch (Obr 1). Tieto dve MSN sú najvýraznejšie diferencované ich obohatením o D₁ vs. D₂-receptory, aj keď jedno-bunkové RT-PCR štúdie ukázali, že D₁+ MSN exprimujú nízke hladiny D₂-podobný receptor, D₃ a D₂+ MSN exprimujú nízke hladiny D₁-podobný receptor, D₅ (Surmeier a kol., 1996). Tieto dva MSN vyžadujú glutamátergickú inerváciu na riadenie nervovej aktivity; dopamín opačne moduluje tieto funkčné odpovede prostredníctvom stimulácie odlišných subtypov dopamínových receptorov: pozitívnym modulovaním excitačného glutamátergického vstupu cez D₁ signalizáciu receptora cez G_s alebo G_OLF, ktorý stimuluje adenylyl cyklázu vedúcu k zvýšeniu aktivity PKA, zatiaľ čo dopamín negatívne ovplyvňuje tento vstup prostredníctvom D₂-receptorovú signalizáciu cez G_i a G_o ktoré inhibujú adenylylcyklázu, čo spôsobuje zníženú aktivitu PKA (Surmeier a kol., 2007; Gerfen a Surmeier, 2011). V skutočnosti, každý receptor vykazuje komplexné účinky na mnoho ďalších downstream signálnych dráh. V pokoji sú dva podtypy MSN všeobecne inhibované, sú to to, čo vedci označili za zostupný stav. Excitačná glutamátergická synaptická aktivita môže uvoľniť MSN z tohto down-stavu a posunúť ich do depolarizovaného stavu (up-state). Dopamín opačne moduluje excitačný glutamátergický posun do up-stavu. D₁ aktivácia PKA zvyšuje Cav1 L-typ Ca²⁺ aktivity, znižuje somatické K⁺ aktivity kanálu a down-reguluje Cav2 Ca²⁺ kanály, ktoré riadia aktiváciu Ca²⁺ závislá, malá vodivosť K⁺ (SK), čo vedie k zvýšenému nárastu týchto MSN (Surmeier a kol., 2007; Gerfen a Surmeier, 2011). Naproti tomu D₂ signalizácia inhibuje prechod nahor-stav, čím sa zabráni zvýšenému spikaniu prostredníctvom redukcie Cav1 L-typu Ca²⁺ a Nav1 Na⁺ aktivity kanála pri zvyšovaní K⁺ kanálové prúdy (Surmeier a kol., 2007; Gerfen a Surmeier, 2011; figúra 1). Takéto opačné zmeny v dvoch MSN naznačujú, že zvýšená signalizácia dopamínu vyvolaná liekmi zneužívania by mala zvýšiť glutamátergickú aktiváciu D₁+ MSNs a redukujú glutamatergickú aktiváciu D₂+ MSN. V skutočnosti sú takéto odpovede oveľa rozmanitejšie a zložitejšie z dôvodov, ktoré sú stále zle pochopené. Táto téma sa bude riešiť ďalej.

Úloha receptorov dopamínu pri užívaní drog je zložitá a často prchavá (Vlastné, 2010). Existuje množstvo literatúry o úlohe D₁ a D₂agonisty a antagonisty -receptorov pri modulácii odmeňovacích vlastností a samo-podávaní návykových látok, avšak výsledky sa líšia v závislosti od typu použitého agonistu / antagonistu, typu podania (systémového v závislosti od oblasti mozgu) a od načasovania liečby (\ tVlastné, 2010). Takéto výsledky sú ďalej ovplyvnené nestriatálnymi špecifickými účinkami, ako je príspevok pre-synaptického D₂-receptory z VTA alebo prítomnosť D₁ receptorov v mnohých iných limbických oblastiach a nedostatok špecificity použitých agonistov / antagonistov, ako aj expresia D₁-D a D₂receptory v obidvoch podtypoch MSN, ako bolo uvedené vyššie. Všeobecne sa predpokladá, že D₁ receptory zohrávajú prevládajúcu úlohu v primárnych odmeňovacích vlastnostiach drog zneužívania, zatiaľ čo D₂receptory hrajú úlohu v mechanizmoch na hľadanie liekov (Self a kol., 1996; Vlastné, 2010). Štúdie s D₁ receptora a D₂-receptorové knockout myši poskytujú určitý pohľad na úlohu týchto receptorov v dvoch MSN. D₁ knockoutované myši vykazujú tupú indukciu okamžitých skorých génov (IEG) c-Fos a Zif268 v reakcii na kokaín, zníženú reakciu na psychostimulačné indukovanú lokomotorickú aktivitu, ale bez zmien v kokaínom podmienenej preferencii miesta (CPP) - nepriame meranie a zníženie spotreby kokaínu a spotreby etanolu (\ tMiner a kol., 1995; Drago a kol., 1996; Crawford a kol., 1997; El-Ghundi a kol., 1998; Caine a kol., 2007). D₂ knockoutované myši vykazujú znížené odmeňujúce účinky na opiáty a kokaín, ako aj zníženú spotrebu etanolu, ale žiadne zníženie užívania kokaínu (Maldonado a kol., 1997; Cunningham a kol., 2000; Risinger a kol., 2000; Caine a kol., 2002; Chausmer a kol., 2002; Elmer a kol., 2002; Welter a kol., 2007). Takéto údaje podporujú dôležité úlohy D₁ a D₂-receptory v dvoch MSNs vo viacerých aspektoch zneužívania liekov, avšak knockouts postrádajú striatálnu špecifickosť a vyskytujú sa včas vo vývoji, takže nie je možné vylúčiť iné oblasti mozgu a bunkové typy a vývojové faktory pri sprostredkovaní týchto správ. Nakoniec sa znížili hladiny D₂/D₃ receptory v striate, ako je znázornené zobrazovaním mozgu, sa stalo bežným markerom závislosti u ľudských pacientov, najmä počas obdobia vysadenia (Volkow a kol., 2009). Hlodavce dostávajú vírusovo sprostredkovaný génový prenos D₂-receptory na displeji NAc oslabili samopodanie kokaínu a spotrebu etanolu (Thanos a kol., 2004, 2008). Tieto štúdie neboli uskutočnené spôsobom špecifickým pre bunkový typ, takže nemôžeme vylúčiť možný účinok D₂- nadmerná expresia receptora ovplyvňujúca D₁+ MSN. Táto zbierka údajov zdôrazňuje potrebu prechodu na selektívnejšie prístupy, vrátane špecifických bunkových typov, špecifických pre jednotlivé oblasti a dokonca časovo špecifických manipulácií s dopamínovými receptormi, aby sa lepšie objasnili ich funkčné úlohy v dvoch podtypoch MSN pri drogovej závislosti.

Nakoniec sa nedávno uviedlo, že D₂-GFP homozygotné BAC transgénne myši vykazujú zvýšené hladiny expresie D₂-receptor v striate a zvýšená citlivosť na správanie a signalizácia dopamínu na D₂ agonisty. Okrem toho homozygoti aj hemizygoty vykazujú otupené reakcie na kokaín (Kramer a kol., 2011). Táto štúdia zdôrazňuje potrebu vykonať dôkladnú charakterizáciu D₁ a D₂ fluorescenčný reportér a vodičské linky Cre. Väčšina údajov zozbieraných v tejto štúdii však použila homozygoty, ktoré nie sú ideálnym experimentálnym genotypom, pretože 5 – 10% integrácií transgénov vedie k inzerčným mutáciám (Meisler, 1992); preto je genotyp hemizygota spoľahlivejším experimentálnym genotypom. Okrem toho táto štúdia nepoužila kontroly divých zvierat v súrodenci, ale použila kontroly na podobnom pozadí (Swiss Webster) získané od firmy Taconic, zatiaľ čo ich transgénne línie boli získané z GENSAT a MMRRC. Nakoniec, iná skupina ukázala normálne reakcie na kokaínové lokomotorické správanie v D₂-GFP hemizygoty (Kim a kol., 2011). Budúce štúdie s použitím vhodných kontrol a vhodných genotypov sa teda musia uskutočniť, aby sa plne charakterizovali rôzne dostupné transgénne línie špecifické pre bunkový typ.

Glutamát a GABA Signalizácia v D₁ vs. D₂ MSN

Stredne ostré neuróny dostávajú glutamátergický vstup z viacerých oblastí mozgu, vrátane prefrontálneho kortexu, amygdaly a hipokampu a GABAergického vstupu z lokálnych interneurónov a možno aj vedľajších vstupov z iných MSN. Čistá excitačná a inhibičná regulácia MSNs je nepochybne rozhodujúca pri regulácii stavu závislého od drog a v súčasnosti existuje rastúca literatúra o komplexných spôsoboch, ktorými drogy zneužívania menia glutamátergickú neurotransmisiu, najmä v NAc (Pierce a kol., 1996; Thomas a kol., 2001; Beurrier a Malenka, 2002; Kourrich a kol., 2007; Bachtell a Self, 2008; Bachtell a kol., 2008; Conrad a spol., 2008; Kalivas, 2009; Wolf, 2010). Hoci sa predpokladá, že MSN primárne existujú v inhibovanom down-stave za bazálnych podmienok s glutamátovou aktivitou oboch typov buniek, existujú obmedzené informácie týkajúce sa odlišnej regulácie vyskytujúcej sa v D₁ vs. D₂ MSN.

Nadmerná expresia AFosB v D₁+ MSN (pozri nižšie pre viac detailov) zvyšuje odmeňujúce účinky kokaínu a zvyšuje hladiny Ca²⁺podjednotku receptora glutamátu, GluR2, v NAc. Okrem toho vírusovo sprostredkovaný prenos GluR2-u na NAc podobne zvyšuje odmeňujúce účinky kokaínu (Kelz a kol., 1999). Nie je však známe, či indukcia GluR2u bola pozorovaná v reakcii na nadmernú expresiu AFosB v D₁+ MSNs je tiež špecifická pre tieto neuróny a nadmerná expresia vírusu GluR2 nie je špecifická pre bunkový typ, preto nemôžeme odvodiť priame závery o funkcii GluR2 v týchto dvoch MSN v odmeňovaní liečiv. Heusner a Palmiter (2005) hodnotili úlohu glutamátergickej vodivosti NMDA pri správaní kokaínu prostredníctvom expresie podjednotky NR1, ktorá obsahuje mutáciu v póroch, ktorá selektívne redukuje tok vápnika v D₁+ MSN. Táto skupina ukázala, že chýba NMDA vodivosť v D₁+ MSNs zabraňuje kokaínom indukovanej CPP a kokaínovej lokomotorickej senzibilizácii, čo zvýrazňuje nutnosť NMDA signalizácie v D₁+ MSNs na odmeňovanie a senzibilizáciu kokaínu (\ tHeusner a Palmiter, 2005). Okrem toho sa nedávno zistilo, že vyradenie podjednotky NR1 v D₁+ MSN zoslabujú senzibilizáciu amfetamínu a tento fenotyp bol zachránený resupplyovaním podjednotky NR1 na D₁+ MSN špecificky v NAc (Beutler a kol., 2011). Nakoniec, knockdown podjednotky mGluR5, použitím RNA interferencie, v D₁+ MSN nemá žiadny vplyv na počiatočné vlastnosti odmeňovania kokaínu, ale znižuje návratnosť vyhľadávaného kokaínu vyvolaného cue (Novak a kol., 2010). Aj keď tieto údaje odhaľujú presvedčivé úlohy pre glutamátergickú signalizáciu v D₁+ MSNs, budúca práca je potrebná na štúdium glutamátergických systémov v D₂+ MSN. Budúci výskum by mal tiež zhodnotiť, ako modulácia týchto podjednotiek glutamátových receptorov v dvoch podtypoch MSN ovplyvňuje štrukturálne synaptické zmeny pozorované v NAc po liekoch zneužívania (Dietz a kol., 2009; Russo a kol., 2010), najmä dendritické zmeny pozorované po expozícii kokaínu selektívne v D₁+ MSN (Lee et al., 2006; Kim a kol., 2011), ktoré môžu byť spojené so zvýšením miniatúrnych excitačných postsynaptických prúdov pozorovaných v D₁+ MSN (Kim a kol., 2011). Je zaujímavé, že indukcia AFosB v D₁+ MSNs priamo súvisí s takýmito dendritickými adaptáciami po chronickom kokaíne (Maze a kol., 2010).

Na rozdiel od glutamátu existuje nedostatočný výskum funkcie GABA v dvoch MSN v modeloch závislosti, čo je prekvapujúce vzhľadom na to, že etanol aj benzodiazepíny zvyšujú účinky GABA a dva MSN dostávajú husté GABAergné vstupy, ako je uvedené vyššie. Existujú tiež značné dôkazy poukazujúce na zvýšenú inhibíciu NAc aspoň po chronickej expozícii kokaínu (\ tWhite a kol., 1995; Peoples a kol., 1998; Zhang a kol., 1998; Thomas a kol., 2001; Beurrier a Malenka, 2002). Heiman a kol. (2008) vykonali vysoko výkonný genetický skríning v dvoch MSN po chronickej expozícii kokaínu a, čo je zaujímavé, najviac zmenený biologický proces v D₁+ MSNs bola signalizácia GABA. Konkrétne existovala silná regulácia GABA_A podjednotky Gabra1 a Gabra4, ako aj GABA_B podjednotka receptora Gabrb3 a táto skupina zistila, že chronický kokaín zvyšuje frekvenciu malých amplitúdových GABAergných mini-inhibičných postsynaptických prúdov (mIPSC) v D₁+ MSN (Heiman a kol., 2008). Na druhej strane iná skupina nedávno ukázala, že chronický kokaín má opačnú odpoveď so zníženou frekvenciou a amplitúdou mIPSC v D1 + MSN (Kim a kol., 2011). Druhá skupina však vykazovala zníženú excitabilitu membrány v D₁+ MSN po chronickom kokaíne, ktorý by mohol byť odrazom zvýšeného GABA tónu a je konzistentný s hodnotením zosilnenej inhibície v NAc po expozícii chronickému kokaínu v teréne. Okrem toho by takéto rozdiely medzi týmito dvoma skupinami mohli byť jednoducho spôsobené načasovaním vystavenia kokaínu a stiahnutím z trhu. Vo všeobecnosti je potrebné študovať glutamátergickú a GABAergnú funkciu v dvoch MSN v reakcii na drogy zneužívania a pole je teraz vybavené prostriedkami, ktoré umožňujú takúto štúdiu špecifickú pre bunkový typ a oblasť.

Signalizácia iného receptora v D₁ vs. D₂ Podtypy MSN

Tieto dva MSN sú okrem dopamínových receptorov rozdielne obohatené o ďalšie receptory spojené s G-proteínom. D₁+ MSN exprimujú vyššie hladiny acetylcholínového muskarínového receptora 4 (M₄; Bernard a kol., 1992; Ince a kol., 1997) a D₂+ MSN sú obohatené v adenozínovom receptore 2A (A_2A; Schiffmann a kol., 1991; Schiffmann a Vanderhaeghen, 1993) a G-proteín-spojený receptor 6 (Gpr6; Lobo a kol., 2007; gensat.org). M₄ je spojený s G_{vstup / výstup}, čo by viedlo k opačnej reakcii v porovnaní s D₁ receptory, v D₁+ MSN inhibíciou aktivity cAMP / PKA. Skutočne, D₁+ MSN selektívne M₄ zvýšená behaviorálna senzibilizácia na kokaín a amfetamín (Jeon a kol., 2010). Okrem toho nedávne štúdie používajúce návrhársky receptor výlučne aktivovaný syntetickým liečivom (DREADD) ukázali, že aktivácia DREADD Gi / o-viazaného ľudského M₄ receptor (hM₄D) v D₁+ MSNs znížili behaviorálnu senzibilizáciu na amfetamín, pričom opačná reakcia bola pozorovaná v D₂+ MSN (Ferguson a kol., 2011). Tieto údaje ukazujú antagonistickú úlohu M₄ receptory v D₁+ MSN pri užívaní drog. Tiež, pretože hM₄D receptor účinne inhibuje tieto MSN, tieto údaje poskytujú pohľad na účinok zmenenej aktivity týchto dvoch MSN pri zneužívaní liekov, o ktorých sa bude diskutovať ďalej v texte.

Obidva A_2A a Gpr6 sú pozitívne spojené s G_s/G_OLF proteínov, čo naznačuje ich úlohu pri antagonizácii D₂-receptor v D₂+ MSN. V skutočnosti, stimulácia A_2A Ukázalo sa, že receptory znižujú tak rozvoj, ako aj expresiu senzibilizácie kokaínu (Filip a kol., 2006), narušiť začatie samokontroly kokaínu (\ tKnapp a kol., 2001), a antagonizujú opätovné zavedenie kokaínového vyhľadávania vyvolaného kokaínom, D₂stimulácia receptora alebo podnety podmienené kokaínom (Bachtell a Self, 2009). Ako Gpr6 je tiež obohatený o D₂+ MSN (Lobo a kol., 2007), mala by sa vyhodnotiť jeho úloha v behaviorálnych funkciách striata. Doteraz sa ukázalo, že ovplyvňuje inštrumentálne učenie (Lobo a kol., 2007), ale jeho úloha v modeloch zneužívania drog je zatiaľ neznáma.

Kanabinoidný receptor 1 (CB1) je exprimovaný všade v centrálnom nervovom systéme (Mackie, 2008), preto je ťažké rozobrať presnú úlohu špecifických oblastí mozgu a bunkových typov pri sprostredkovaní závislostí A9-tetrahydrokanabinolu (THC). Nedávno, delécia CB1 z D₁Zistilo sa, že MSNs mierne ovplyvňuje behaviorálne reakcie na THC, vrátane tupých účinkov pri hypokómii indukovanej THC, hypotermii a analgézii (Monory a kol., 2007). Bolo by zaujímavé hodnotiť funkciu kanabinoidného receptora v D₂+ MSN, pretože tieto MSN exprimujú endokanabinoidmi sprostredkovanú dlhodobú depresiu (eCB-LTD), ktorá vyžaduje dopamín D₂aktivácia receptora (Kreitzer a Malenka, 2007).

Glukokortikoidový receptor Nr3c1 je tiež široko exprimovaný v CNS a periférii. Stresom indukovaná sekrécia glukokortikoidov môže potencovať maladaptívne správanie vrátane drogovej závislosti (Frank et al., 2011). Najmä narušenie signalizácie glukokortikoidov v D₁+ MSN odstránením Nr3c1 zmenšilo motiváciu týchto myší zobrazovať kokaín na vlastné podávanie, čo je v súlade s predchádzajúcimi údajmi, kde bol Nr3c1 vymazaný z celého mozgu (Ambroggi a kol., 2009). Tieto údaje sú v súlade s ďalšími zisteniami opísanými v tomto prehľade, čo ukazuje prevládajúcu úlohu D₁+ MSN pri sprostredkovaní mnohých účinkov návykových látok.

Nakoniec sme nedávno prerušili BDNF signalizáciu v dvoch MSNs deléciou jeho TrkB receptora selektívne z každého podtypu MSN. Pozorovali sme opačné účinky na správanie vyvolané kokaínom: lokomotorická aktivita vyvolaná kokaínom a indukcia CPP kokaínu boli zvýšené po delécii TrkB z D₁+ MSN, ale zoslabené po delécii z D₂+ MSN (Lobo a kol., 2010). Zaujímavé je, že delécia TrkB z D₂+ MSN napodobňujú účinky úplnej delécie TrkB z NAc, ako aj narušenie signalizácie BDNF z VTA (Horger a kol., 1999; Graham a kol., 2007, 2009; Bahi a kol., 2008; Crooks a kol., 2010). Tieto zistenia teda po prvý raz ukazujú prevládajúcu úlohu signalizačnej kaskády v D₂+ MSN pri sprostredkovaní účinkov drogy zneužívania. Prevažujúca úloha D₂+ MSNs pri sprostredkovaní účinkov BDNF na správanie vyvolané kokaínom nie je prekvapujúce vzhľadom na to, že TrkB mRNA aj proteín sú obohatené v D₂+ MSN (Lobo a kol., 2010; Baydyuk a kol., 2011). Zmeny správania pozorované u týchto myší boli sprevádzané zvýšenou neurónovou aktivitou v D₂+ MSN po selektívnom knockoute TrkB. Tieto zistenia nás viedli k použitiu optogenetickej technológie na selektívnu manipuláciu s aktivitou MSN pri odmeňovaní kokaínu (pozri nižšie).

Transkripčné faktory v D₁ vs. D₂ MSN

Najpresvedčivejší dôkaz pre silnejšiu úlohu D₁+ MSN pri užívaní drog pochádza z literatúry hodnotiacej indukciu intracelulárnych signálnych molekúl. Ako bolo uvedené vyššie, akútne dávky psychostimulancií indukujú expresiu IEG, vrátane c-Fos, Zif268 (Egr1) a FosB primárne v D₁+ MSN v NAc a dStr (Robertson a kol., 1991; Young a kol., 1991; Berretta a kol., 1992; Cenci a kol., 1992; Moratalla a kol., 1992; Bertran-Gonzalez a kol., 2008). Táto indukcia vyžaduje aktiváciu D₁ receptory a špecifickosť bunkového typu indukcie IEG v reakcii na akútny kokaín bola nedávno potvrdená použitím D₁-GFP a D₂Reportérové ​​myši -GFP (Bertran-Gonzalez a kol., 2008). Je zaujímavé, že potvrdenie kokaínovej indukcie c-Fos primárne v D₁-GFP v celom striate s malou indukciou v D₂-GFP MSN len v dStr sa potvrdili použitím kontextuovo závislej paradigmy (myši sa injikovali do nového prostredia mimo ich domácej klietky). Okrem toho, predchádzajúca štúdia s použitím in situ hybridizácia u myší tiež ukázala indukciu c-Fos v D₁+ a D₂+ MSN v dStr, hoci v tejto štúdii reprezentatívne stĺpcové grafy ukazujú väčší počet D₁+ c-Fos pozitívne neuróny (Ferguson a kol., 2006). Je zaujímavé, že táto štúdia odhalila významne zvýšenú indukciu c-Fos v D₂+ MSN v dStr po strate ERK1, čo je v súlade s našimi zisteniami zvýšenej indukcie c-Fos v D₂+ MSN špecificky v NAc škrupine po prerušení BDNF signalizácie, o ktorej je známe, že zvyšuje aktivitu ERK (Lobo a kol., 2010). V každej štúdii sa však pozorovali opačné reakcie na kokaín, ktoré môžu odrážať indukciu c-Fos v D₂+ MSN v dStr vs. NAc shell. Nakoniec sa používa predchádzajúca literatúra in situ hybridizácia / imunohistochémia u potkanov ukázala, že akútne psychostimulanty môžu indukovať c-Fos rovnako v oboch MSN, keď sa liek podáva v novom prostredí (Badiani a kol., 1999; Uslaner a kol., 2001a,b; Ferguson a Robinson, 2004) a chronické podávanie amfetamínu uvádza, že selektívne indukuje c-Fos v D₂+ MSN (Mattson a kol., 2007). Tieto rôzne výsledky by mohli byť odrazom použitých experimentálnych postupov (in situ hybridizáciou oproti reportérovým myšiam GFP) alebo dokonca kvôli zvieraciemu druhu použitému ako posledné experimenty používali potkany.

V poslednej dobe výskumníci geneticky profilovali kokaínovo závislé, c-Fos aktivované neuróny u potkanov pomocou imunoznačeného fluorescenčne aktivovaného triedenia buniek (FACS) a ukázali, že c-Fos + neuróny sú obohatené o D₁+ MSN gén, prodynorfín (Pdyn), ale majú nižšie hladiny D₂ a A_2A, obe D₂+ MSN gény (Guez-Barber a kol., 2011), čo naznačuje, že c-Fos + aktivované neuróny pozostávajú predovšetkým z D₁+ MSN. Okrem toho táto skupina predtým ukázala, že c-Fos exprimujúce MSN sú dôležité pre túto senzitizáciu závislú od kontextu, pretože ablácia týchto neurónov tento behaviorálny fenotyp ruší (Koya a kol., 2009). Hoci predchádzajúce údaje ukázali, že kokaínovo závislá indukcia c-Fos sa vyskytuje v oboch D₁+ a D₂+ MSNs u potkanov, novšie výsledky zodpovedajú zisteniam, pri ktorých delécia c-Fos selektívne z D₁+ MSN oslabuje lokomotorickú senzibilizáciu vyvolanú kokaínom u myší (Zhang a kol., 2006). Okrem toho táto skupina zistila, že delécia c-Fos v D₁+ MSN oslabuje zmeny dendritickej chrbtice normálne indukované kokaínom v NAc, čo naznačuje úlohu c-Fos pri sprostredkovaní týchto zmien synaptickej plasticity. Nakoniec, skupina pozorovala žiadnu zmenu v indukcii CPK kokaínu, ale zistila, že strata c-Fos v D₁+ MSN zabránili zániku CPK kokaínu. Tieto údaje ilustrujú dynamickú úlohu indukcie c-Fos v D₁+ MSN, nie je však možné vylúčiť rozdielne účinky na úrovni správania ako sprostredkované niektorou z ďalších oblastí limbického mozgu, ktoré exprimujú D₁ receptor.

Ďalším IEG, ktorý bol extenzívne študovaný v dvoch podtypoch MSN, je FosB. Akútna expozícia kokaínu indukuje FosB v D₁+ MSN (Berretta a kol., 1992), zatiaľ čo chronická expozícia indukuje AFosB, stabilný produkt génu FosB generovaného alternatívnym zostrihom (Hope a kol., 1994; Nestler a kol., 2001; Nestler, 2008), v D₁+ MSN (Nye a kol., 1995; Moratalla a kol., 1996; Lee et al., 2006). Podobné zistenia sa pozorujú pri mnohých iných drogách zneužívania, ako aj pri prirodzených odmenách, ako sú potraviny, sex a beh kolesa. Napríklad chronický beh kolesa, čo je prirodzená odmena (Iversen, 1993; Belke, 1997; Lett a kol., 2000), indukuje AFosB v D₁+ MSN, ale nie D₂+ MSN (Werme a spol., 2002). Aby sme získali funkčný prehľad o úlohe AFosB v dvoch MSN, naša skupina generovala NSE-tTa línie, nazvané 11A a 11B, ktoré riadia expresiu transgénu buď na D₁+ alebo D₂+ MSNs (Chen a kol., 1998; Kelz a kol., 1999; Werme a spol., 2002). Myši 11A krížené s líniou Tet-Op AFosB vykazujú zvýšené reakcie na odmeňovanie a lokomotorické účinky kokaínu (Kelz a kol., 1999), čo je v súlade s indukciou AFosB v D₁+ MSN (Nye a kol., 1995; Moratalla a kol., 1996). Okrem toho tieto rovnaké myši vykazujú zvýšenú morfínovú odmenu (hodnotenú pomocou CPP), ako aj zníženú morfínovú analgéziu a zvýšenú morfínovú toleranciu, zatiaľ čo myši 11B Tet-Op AFosB nevykazujú žiadnu zmenu v odmene morfínu. Nadmerná expresia dominantného negatívneho antagonistu AFosB vykazuje účinky opačné ako tie, ktoré sa pozorovali pri AFosB, hoci tento model myši nerozlišuje D₁ vs. D₂ MSN (Peakman a kol., 2003). Tieto údaje spoločne ďalej podporujú úlohu indukcie AFosB v D₁+ MSNs ako dôležitý molekulárny hráč v odmeňovaných vlastnostiach drog zneužívania (Zachariou a kol., 2006). Tento jav sa pozoruje aj pri iných správaniach pri odmeňovaní, najmä pri behu kolesa: myši 11A Tet-Op AFosB vykazujú zvýšené správanie pri chode kolies, zatiaľ čo myši 11B Tet-Op AFosB vykazujú znížený beh kolies (Werme a spol., 2002). Zistenie, že indukcia AFOSB v D₁ MSNs podporuje odmenu v súlade s nedávnymi zisteniami, že takáto indukcia selektívna na bunkový typ tiež podporuje reakcie na odolnosť voči chronickému stresu (Vialou a kol., 2010). Nakoniec, chronická indukcia kokaínu AFosB v D₁+ MSNs bolo sprevádzané silným dlhodobým zvýšením dendritických hustôt chrbtice (Lee et al., 2006) a nedávno sa zistilo, že AFosB v NAc je nevyhnutný aj dostatočný pri sprostredkovaní zvýšenej hustoty dendritických spinov v tejto oblasti mozgu (Maze a kol., 2010). Takéto dáta podporujú úlohu AFosB v D₁+ MSNs pri sprostredkovaní aspektov odmeňovania drog zneužívania a prirodzených odmien, ako aj sprievodných zmien plastickej štruktúry. Údaje tiež naznačujú, že indukcia AFosB v D₂+ MSNs dávajú negatívne dôsledky na odmeňovanie podnetov. Pretože indukcia AFosB v D₂+ MSNs sa pozoruje ako odpoveď na chronický stres a expozíciu antipsychotík (Hiroi a Graybiel, 1996; Perrotti a kol., 2004) sú potrebné ďalšie štúdie týchto opatrení.

Iné intracelulárne signálne molekuly v D₁ vs. D₂ MSN

Jedna signálna molekula, ktorá bola dobre študovaná v dvoch MSN v kontexte zneužívania liekov, je proteínkináza ERK (extracelulárna kináza súvisiaca s extracelulárnym signálom). Akútne alebo chronické vystavenie kokaínu indukuje fosforylovaný ERK (pERK), aktivovanú formu proteínu, v NAc a dStr v D₁+ MSN pomocou D₁-GFP a D₂-GFP BAC transgénne reportérové ​​myši (Bertran-Gonzalez a kol., 2008) a táto reakcia je sprostredkovaná prostredníctvom D₁ receptory (Valjent a kol., 2000; Lu a kol., 2006). Táto skupina tiež ukázala, že pMSK-1 (fosfo-MAP a stresom aktivovaná kináza-1) a histón H3, oba ciele signalizácie pERK, sú robustne indukované v pERK obsahujúcom D₁+ MSN po akútnej expozícii kokaínu a mierne zvýšená po chronickom kokaíne (\ tBertran-Gonzalez a kol., 2008). PERK je tiež indukovaný ako reakcia na chronický morfín, najmä pERK je silne indukovaný v D₁+ MSN a mierne indukované v D₂+ MSNs v NAc škrupine po vysadení v reakcii na kontextovo špecifickú asociáciu s morfínom (Borgkvist a kol., 2008). Presnú funkčnú úlohu pERK pri drogovej závislosti je ešte potrebné určiť. Ukázalo sa, že farmakologická liečba inhibítormi ERK znižuje odmenu za kokaín, avšak knockout ERK1 potencuje odmenu za kokaín, čo naznačuje, že inhibítory ERK môžu prednostne ovplyvňovať ERK2. Nedávno sme ukázali, že optogenetická aktivácia D₁+ MSN v NAc, čo zvyšuje odozvu zvieraťa na odozvy na kokaín, silne redukuje ako pERK1, tak pERK2. Budúce štúdie, ktoré manipulujú s expresiou ERK spôsobom špecifickým pre bunkový typ, sú nevyhnutné na úplné riešenie funkčnej úlohy signalizácie ERK v dvoch MSN pri užívaní drog.

DARPP-32 je ďalšia signálna molekula, ktorá bola rozsiahle študovaná v reakcii na drogy zneužívania. Je dobre známe, že akútne psychostimulanciá vedú k fosforylácii PKA DARPP-32 pri treoníne 34 (T34), čo spôsobuje, že sa stáva silným inhibítorom proteínovej fosfatázy 1 (PP-1), ktorá reguluje stav fosforylácie mnohých efektorových proteínov, vrátane transkripčné faktory, ionotropné receptory a iónové kanály (Greengard a kol., 1999). Až donedávna však nebolo jasné, ktorý podtyp MSN sprostredkováva túto biochemickú zmenu. Greengard a kol. (1999) generované BAC transgénne myšie modely, ktoré umožňujú vyhodnotenie fosforylácie DARPP-32 v D₁+ alebo D₂+ MSN expresiou tagovaných verzií DARPP-32 pomocou D₁ alebo D₂ BAC umožňujúce imunoprecipitáciu DARPP-32 z každého podtypu MSN. Tieto štúdie ukázali, že akútna liečba kokaínom zvyšuje fosforyláciu T34 v D₁+ MSNs a indukuje fosforyláciu treonínu 75 (T75) prostredníctvom Cdk5, ktorý inhibuje PKA signalizáciu, selektívne v D₂+ MSN (Bateup a kol., 2008). Nakoniec táto skupina ukázala, že delécia DARPP-32 z každého podtypu MSN s použitím D₁-Cre a D₂Cre BAC transgénne myši majú za následok opačnú reguláciu lokomotorickej aktivity indukovanej kokaínom (Bateup a kol., 2010). Strata DARPP-32 od D₁+ MSN znížili lokomotorické účinky kokaínu, ktoré napodobňujú predchádzajúce údaje hodnotiace celkový knockout DARPP-32 (Fienberg a kol., 1998), zatiaľ čo strata DARPP-32 z D₂+ MSN zvýšili lokomotorické reakcie kokaínu. Takéto údaje poskytujú konkrétny dôkaz o diferenciálnych úlohách DARPP-32 v dvoch MSN v reakcii na lieky zneužívania a ilustrujú dôležitosť metód špecifických pre bunkový typ na úplné pochopenie prínosu týchto dvoch typov neurónov v závislosti od drog.

Modulačná aktivita D₁ alebo D₂ MSN

Priama modulácia aktivity dvoch MSN subtypov nedávno poskytla nový pohľad na molekulárnu a funkčnú úlohu D₁ a D₂ MSN v závislosti. Použili sme optogenetické nástroje kombinované s podmieneným (tj Cre-dependentným) adeno-asociovaným vírusovým (AAV) vektorom exprimujúcim modrý svetlom aktivovaný katiónový kanál channelrhodopsin-2 (ChR2). Vstrekli sme vektor alebo kontrolu do NAc D₁-Cre alebo D₂-Cre BAC transgénne myši a potom stimulovali injikovanú oblasť modrým svetlom, aby sa selektívne aktivovala D₁+ vs. D₂+ MSN v kontexte CPK kokaínu. Zistili sme, že aktivácia D₁+ MSN zosilňujú indukciu CPK kokaínu, zatiaľ čo aktivácia D₂+ MSN inhibuje túto indukciu (Lobo a kol., 2010). Ako bolo uvedené vyššie, pozorovali sme rovnaké behaviorálne účinky, keď TrkB bol selektívne vymazaný z týchto MSN subtypov: zvýšená CPK kokaínu a lokomotorická aktivita po delécii TrkB z D₁+ MSNs a znížený CPK kokaínu a lokomotorická aktivita po delécii TrkB z D₂+ MSN. Pravdepodobný spoločný účinok knockoutu TrkB a optogenetickej stimulácie v D₂+ MSNs je ich zvýšená aktivita, pretože delécia TrkB z týchto buniek zvyšuje ich elektrickú excitabilitu. Ako už bolo spomenuté, zistili sme tiež výrazné zníženie pERK po delécii TrkB z D₁+ MSN. pERK je známy downstream cieľ signalizácie BDNF, preto zdieľané behaviorálne účinky pozorované po delécii TrkB z D₁+ MSN a optogenetická aktivácia týchto buniek môže byť spôsobená konvergujúcimi účinkami na aktivitu pERK. Budúcnosť práce je však potrebná na určenie presných, spoločných molekulárnych základov, ktoré riadia behaviorálne účinky pozorované po prerušení BDNF signalizácie a optogenetickej kontroly týchto dvoch neurónových subtypov.

Iné skupiny použili rôzne nástroje na moduláciu aktivity dvoch MSN v modeloch zneužívania drog. Hikida a kol. (2010) použili vektory AAV na expresiu transkripčného faktora (tTa) represívneho voči tetracyklínu s použitím látky P (a D₁+ MSN gén) alebo enkefalínu (a D₂+ MSN gén) promótory. Tieto vektory boli injikované do NAc myší, v ktorých bol ľahký reťazec tetanického toxínu (TN) - bakteriálny toxín, ktorý štiepi synaptický proteín asociovaný s vezikulami, VAMP2 - kontrolovaný elementom reagujúcim na tetracyklín, aby sa selektívne zrušil synaptický prenos v každom Podtyp MSN. V súlade s našim optogenetickým prístupom tieto údaje ukázali úlohu D₁+ Aktivita MSN pri zvyšovaní CPP kokaínu, ako aj lokomotorickej aktivity indukovanej kokaínom, pretože ruší synaptický prenos v D₁+ MSN znížili obidva účinky správania. Na rozdiel od optogenetických štúdií autori nezistili žiadne zmeny v CPP kokaínu po zrušení synaptického prenosu v D₂+ MSNs, ale pozorovala zníženú lokomotorickú aktivitu indukovanú kokaínom v reakcii na prvé dve expozície kokaínu. Zaujímavé je, že táto skupina ukázala, že inaktivácia D₂+ MSN zohrali významnejšiu úlohu pri sprostredkovaní averzívneho správania.

Ako už bolo uvedené, Ferguson a kol. (2011) použili vektory vírusu herpes simplex (HSV) na expresiu geneticky modifikovaného GPCR (a G_{vstup / výstup}ľudský muskarín M₄ dizajnér receptor aktivovaný výlučne dizajnérskou drogou, hM₄D) ktorý je aktivovaný inak farmakologicky inertným ligandom s použitím enkefalínových a dynorfínových promótorov na selektívne stlmenie D₁+ alebo D₂+ MSN v dStr. Autori ukázali, že prechodne narušujú D₂+ MSN aktivita v dStr uľahčila senzibilizáciu amfetamínu, zatiaľ čo zníženie excitability D₁+ MSN zhoršili pretrvávanie senzibilizácie vyvolanej amfetamínom. Nakoniec, zrušenie D₂+ MSNs v NAc v dospelom veku s použitím dipterického toxínového receptora zvyšuje odmeňujúci účinok amfetamínu (Durieux a kol., 2009). Tieto údaje sú v súlade s našimi optogenetickými nálezmi a spolu implikujú opačné úlohy D₁+ vs. D₂+ MSNs v drogovej závislosti, s D₁+ MSN podporujúce odmeňovanie a senzibilizáciu odpovedí na psychostimulanciá a D₂+ MSN tlmiace tieto správanie.

Budúce pokyny

Pole urobilo obrovské pokroky smerom k pochopeniu selektívnej úlohy D₁+ a D₂+ MSN subtypy v NAc a dStr pri sprostredkovaní účinkov drog zneužívania. Najmä nedávno vyvinuté nástroje, ktoré umožňujú selektívnu manipuláciu s týmito typmi buniek, zohrali rozhodujúcu úlohu pri získavaní väčšiny týchto informácií. Aké sú ďalšie kroky? Keďže základné molekulárne adaptácie v modeloch drogovej závislosti nie sú statické, ale veľmi dynamické, je nevyhnutné rozvíjať schopnosť selektívne manipulovať so signálnymi molekulami, ktoré sú predmetom záujmu v D₁+ vs. D₂+ MSNs časovo presným spôsobom. DREADDs a optogenetické nástroje môžu pomôcť s touto manipuláciou v časovom meradle. Ligandy DREADD môžu byť podávané v rôznych časových úsekoch v priebehu paradigiem správania sa s drogami, aby sa zistila selektívna úloha signalizačných receptorov v dvoch MSN v liekových modeloch. Najmä optogenetické nástroje poskytujú extrémne silný prostriedok na časovú reguláciu nielen neuronálnej aktivity, ale signalizácie receptora spojeného s G-proteínom pomocou OptoXR (Airan a kol., 2009), glutamátergickú signalizáciu (Volgraf a kol., 2006; Numano a kol., 2009), GABAergnú signalizáciu a dokonca aj určité intracelulárne signálne molekuly (Wu a kol., 2009; Hahn a Kuhlman, 2010). V konečnom dôsledku je možné rozšíriť tieto schopnosti na optogenetickú reguláciu transkripčnej aktivity. Podobne optogenetické nástroje umožňujú po prvýkrát študovať vplyv špecifických vstupov na striatum a určiť, či takéto vstupy zasahujú selektívne na D.₁+ vs. D₂+ MSN (Higley a Sabatini, 2010). Schopnosť kontrolovať takéto signálne a molekulárne vlastnosti s veľkým časovým rozlíšením umožní uskutočniť hlavné kroky smerom k komplexnejšiemu pochopeniu dvoch MSN subtypov a ďalších bunkových podtypov v NAc a dStr, pri sprostredkovaní časového priebehu a rôznych fáz liečiva. závislosť.

Vyhlásenie o konflikte záujmov

Autori vyhlasujú, že výskum bol vykonaný bez obchodných alebo finančných vzťahov, ktoré by mohli byť interpretované ako potenciálny konflikt záujmov.

Referencie