Opiátom indukovaná molekulárna a bunková plasticita Ventrálnej tegmentálnej oblasti a Locus Coeruleus katecholamínové neuróny (2012)

Ďalšia časť

pozadia

VTA bola široko študovaná v oblasti zneužívania drog vzhľadom na jej zásadnú úlohu v odmene. Dopamínové (DA) neuróny vo VTA sa premietajú do viacerých oblastí mozgu vrátane nukleus accumbens (NAc), kde bolo pozorované zvýšené uvoľňovanie DA v reakcii na každú triedu zneužívaných liekov (Di Chiara a Imperato 1988). Zatiaľ čo DA neuróny sú prominentnou časťou (∼60% –65%) tohto jadra stredného mozgu, existuje značná bunková diverzita, pričom významná časť neurónov GABA (30% –35%), ako aj opisy glutamátergických neurónov ( 2% –3%) (Swanson 1982; Nair-Roberts a kol. 2008; Sesack a Grace 2010). Neuróny DA a GABA vo ventrálnom strednom mozgu vo všeobecnosti projektujú topograficky (mediálne až laterálne) s hlavnými výstupnými štruktúrami pozostávajúcimi z NAc, prefrontálneho kortexu (PFC) a amygdaly (AMY) (extenzívne preskúmané v Sesack a Grace 2010) (Obr. 1). Primárne aferenty k VTA zahŕňajú excitačné vstupy z PFC, pedunkulopontínu a laterodorzálneho tegmentu (PPTg a LDT), ako aj z mnohých iných nedávno definovaných štruktúr (Geisler a kol. 2007). Inhibičný vstup do VTA je menej dobre definovaný, ale boli zaznamenané vstupy z NAc, ventrálnej pallidum a mezopontínového rostromediálneho tegmentálneho jadra (RMTg) (Sesack a Grace 2010). Výskum sa doteraz neprimerane zameral na neuróny DA vo VTA, a to konkrétne na tie, ktoré projektujú pre NAc, vzhľadom na kritickú úlohu tejto projekcie v odmene (Nestler 2004).

  

Zobraziť väčšiu verziu:  

• Na tejto stránke
• V novom okne
• Stiahnite si ako PowerPoint Slide

Obrázok 1.  

Karikatúra sagitálnej časti mozgu hlodavcov ilustrujúca VTA a LC a ich hlavné aferentné a eferentné projekcie. DAergické (červené) a GABAergné (modré) neuróny v projekte VTA sa premietajú do limbických a kortikálnych štruktúr a dostávajú glutamátergické (čierne-pomlčky, PFC) a GABAergické vstupy (modrá-pomlčka, NAc, VP). Noradrenergné neuróny (zelené) v LC inervate viac oblastí vrátane HIPP a PFC a dostávajú glutamátergický vstup z PGi. Skratky: AMY, amygdala; HIPP, hippocampus; LC, locus coeruleus; NAc, nucleus accumbens; PFC, prefrontálny kortex; PGi, nucleus paragigantocellularis; VP, ventral pallidum; VTA, ventrálna tegmentálna oblasť.

Akútne zmeny vyvolané opiátmi v neurónovej aktivite

Vzhľadom na schopnosť akútneho morfínu do VTA vyvolať zvýšené uvoľňovanie DA v NAc (Leone a kol. 1991), značné množstvo práce skúmalo akútne účinky opiátov vo VTA. Akútny morfín zvyšuje rýchlosť vypaľovania DA neurónov vo VTA (Gysling a Wang 1983). Tento účinok je sprostredkovaný aspoň čiastočne viazaním morfínu na G_{vstup / výstup}β-opioidný receptor (MOR) na lokálnych neurónoch GABA, čím sa znižuje ich aktivita a následné uvoľňovanie GABA na DA neurónoch, čo vedie k disinhibícii DA neurónov (Johnson a North 1992). Avšak interpretácia väčšiny skorej elektrofyziologickej práce je komplikovaná dôkazmi zdôrazňujúcimi takmer nerozlíšiteľnú povahu neurónov VTA DA a GABA (podľa veľkosti, morfológie a elektrofyziologických vlastností) (Margolis a kol. 2006), objasňujúc potrebu identifikovať VTA neuróny študované s väčšou konečnou platnosťou (napr. imunohistochémiou, použitím GFP reportérových myší, atď.), čo je bod, ktorý bude podrobne diskutovaný neskôr v tomto prehľade. Tu sa zameriavame hlavne na opiáty, ktoré pôsobia ako agonisti na MOR vo VTA, ako je morfín, pretože tieto lieky produkujú odmeňujúce účinky, ktoré sa najčastejšie študujú v oblasti užívania drog. Je však známe, že κ-opioidné receptory (KOR) sú tiež exprimované na neurónoch VTA DA a že aktivácia týchto receptorov môže priamo inhibovať rýchlosť vypaľovania DA neurónov (Margolis a kol. 2003), čo pravdepodobne prispieva k averzívnym účinkom kappa agonistov. Schopnosť opiátov produkovať ako VTA DA neurónovú aktiváciu, tak inhibíciu, a odmeňujúce a averzívne účinky, je zaujímavá a táto modulácia "jin-jang" a úloha endogénnych opioidných peptidov v odmene si zaslúžia byť predmetom budúcej štúdie.

Akútna opiátmi indukovaná synaptická plasticita

Okrem zmien v neuronálnej aktivite existuje mnoho správ o synaptickej plasticite indukovanej akútnymi opiátmi. Podobne ako u kokaínu a iných zneužívaných liekov sa zistilo, že jediná injekcia morfínu zvyšuje pomer a-amino-3-hydroxy-5-metyl-4-izoxazolepropiónovej kyseliny (AMPA) na Nexcitačné postsynaptické prúdy (metyl-D-asparágová) kyseliny D-asparágovej (NMDA) 24 hodín po podaní v súlade s dlhodobou potenciáciou (LTP) glutamátergických synapsií na DA neurónoch (Saal a kol. 2003). Nedávno sa tiež zistilo, že akútny morfín indukuje redistribúciu AMPAR receptora (AMPAR) vo VTA podobným spôsobom ako kokaín, konkrétne vloženie AMPAR bez GluA2 (Brown et al. 2010). Brown a kol. pozoroval zvýšený index rektifikácie a zvýšený cytoplazmatický GluA2 AMPAR ako reakciu na akútny morfín, čo je výsledok, ktorý je rekapitulovaný priamou stimuláciou DA neurónov vo VTA s použitím selektívnej expresie kancerododínu 2 (Brown et al. 2010), čo priamo implikuje DA aktivitu / signalizáciu v rámci VTA k glutamátergickej regulácii. Tieto údaje sú v súlade s predchádzajúcou prácou, že GluA1, ale nie GluA2, nadmerná expresia vo VTA senzibilizuje zvieratá na morfínovo aktivačné a odmeňujúce správanie (Carlezon a kol. 1997).

Akútne opiáty tiež ovplyvňujú plasticitu pri GABAergických synapsiách vo VTA. Bolo zistené, že vysokofrekvenčná stimulácia vyvoláva LTP na termináloch GABA (LTP)_GABA) na neurónoch VTA DA, účinok, ktorý je závislý na aktivácii postsynaptických NMDA receptorov (NMDAR) a uvoľňovaní oxidu dusnatého (NO) ako retrográdneho mediátora z DA neurónov (Nugent a kol. 2007). NO potom zvyšuje aktivitu guanylylcyklázy (GC) v neuróne GABA, čo vedie k zvýšenému uvoľňovaniu GABA a LTP_GABA, Jedna dávka morfínu inhibuje LTP_GABA prerušením signálnej kaskády NO – GC – proteínkinázy G (PKG) spôsobujúcej stratu normálnej inhibičnej kontroly (pozorované 2 a 24 hodín po injekcii, ale nie 5 dní) (Nugent a kol. 2007, 2009; Niehaus a kol. 2010). Preto narušenie LTP_GABA poskytuje ďalší mechanizmus schopnosti akútnych opiátov zvýšiť neurónovú aktivitu VTA DA.

Nedávno bola opísaná iná forma VTA GABAergnej plasticity: dlhodobá depresia GABAergných synapsií na DA neurónoch (LTD_GABA) (Dacher a Nugent 2011a). Použitie nízkofrekvenčnej stimulácie (LFS), stabilného LTD_GABA v DA bunkách bola indukovaná, na rozdiel od LTP_GABA, bol exprimovaný postsynapticky a nezávisel od NMDAR. Tento účinok tiež nie je závislý od endokanabinoidnej signalizácie, ale je blokovaný antagonistom dopamínu D2 receptora (D2R) sulpiridom. Je zaujímavé, že jediná injekcia morfínu bola dostatočná na zabránenie LFS-indukovanej LTD_GABA 24 hodín po podaní, čo naznačuje, že morfín môže obojstranne regulovať plasticitu GABA vo VTA (Dacher a Nugent 2011a).

Chronická opiátmi indukovaná synaptická plasticita

Hoci synaptické zmeny, ktoré sa vyskytujú pri akútnych opiátoch boli relatívne dobre charakterizované, chronické zmeny nie. Doteraz málo, ak nejaké štúdie skúmali zmeny v gluatamatergickej alebo GABAergnej plasticite v reakcii na chronické podávanie opiátov. To zahŕňa aj nedostatočné vedomosti o tom, či existujú rozdiely v pasívnom vs. aktívnom podávaní liečiva, čo je dôležitá úvaha vzhľadom na nedávnu prácu, ktorá dokazuje, že pretrváva LTP u VTA zvierat abstinujúcich od samopodania kokaínu (do 3 mesiacov). len s podmienenou expozíciou kokaínu (\ tChen a kol. 2008).

Je však známe, že chronický morfín, podobne ako akútny morfín, zvyšuje aktivitu DA neurónov. Záznamy in vivo po chronickom morfíne vykazujú zvýšenie bazálnej frekvencie streľby a aktivity pri prasknutí, ktoré sa počas vysadenia vracajú k základnej hodnote (Georges a kol. 2006). To je v protiklade s predchádzajúcou prácou, ktorá pozorovala pretrvávajúci pokles aktivity DA u potkanov vysadených morfínom (Diana a kol. 1995, 1999). Jedným z možných dôvodov týchto rozdielov je použitý spôsob podávania. Napríklad Georges et al. Štúdia použila subkutánnu (sc) paradigmu s predĺženým uvoľňovaním peliet, u ktorej sa ukázalo, že má oveľa odlišný farmakodynamický profil ako paradigma chronickej eskalujúcej dávky používaná v skoršej Diana et al. štúdií. Ako už bolo uvedené (Fischer a kol. 2008), 24 h po poslednej morfínovej peletke, hladiny morfínu v krvi sa neznižujú, zostávajú relatívne stabilné s píkom (-3000 ng / ml), zatiaľ čo model chronickej injekcie produkuje oveľa vyšší pík (-10,000 ng / ml) pri 1 hod, s hladinami v krvi pod 100 ng / ml po 4 hod. a zanedbateľné pri 12 hod. Zdá sa, že zmena v frekvencii streľby DA vyvolaná abstinenciou z chronického morfínu, či už ide o návrat k východiskovej hodnote alebo pokles pod základnú líniu, závisí od zmien v uvoľnení GABA. Odstúpenie od chronického morfínu zvyšuje postsynaptické prúdy GABA (IPSC) a uvoľňovanie GABA na neuróny VTA DA (Bonci a Williams 1997), účinok, ktorý sa nedávno zistil ako závislý na recyklácii MOR a na cyklickej adenozín-5-monofosfátovej (cAMP) signalizácii (Madhavan a kol. 2010).

Ďalším potenciálnym prispievateľom k rozdielom medzi štúdiami je heterogenita VTA v porovnaní s LC (ako je opísané nižšie). Nielenže existuje zložitosť viacerých typov buniek (primárne GABA vs. DA), ale distribúcia typov buniek sa tiež mení pozdĺž osi rostral-kaudálnej VTA (Obr. 2). Konkrétne, podiel DA na GABA neurónoch je oveľa vyšší v subregiónoch rostrálnej VTA (IFN, RL) v porovnaní s kaudálnymi subregiónmi (PN, PIF) (Nair-Roberts a kol. 2008). Tento rozdiel má funkčný význam pre zmeny správania vyvolané morfínom. Nadmerná expresia HSV-GluA1 zvýšila správanie pri odmeňovaní morfínu injekciou do rostrálnej VTA, pričom indukovala averzívne správanie v kaudálnej VTA, čo sa prejavilo aj na nadmernej expresii proteínu viažuceho cAMP-element (CREB) alebo fosfolipázy C gama (PLCγ), ktorý sa vyskytuje na vírusochCarlezon a kol. 2000; Bolanos a kol. 2003; Olson a kol. 2005). Tento rozdiel možno pozorovať aj na molekulárnej úrovni, ako je transkripcia sprostredkovaná chronickým morfínom indukovaným cAMP elementom (CRE) v DA neurónoch v rostrálnej a kaudálnej VTA, ale bola pozorovaná len u neurónov iných ako DA v rostrálnej VTA (Olson a kol. 2005). Ultraštrukturálne štúdie potvrdzujú takéto rozdiely v raste a caudale a naznačujú pridanú komplexnosť liečebného režimu a projekčného výstupu. GluA1 sa zvýšil v oboch tyrozínhydroxylázových (TH) -pozitívnych (DAergických) aj TH-negatívnych (pravdepodobných GABAergných) dendritoch v parabrachiálnom (PBP) VTA s jednou injekciou morfínu. Na rozdiel od chronického morfínu došlo k zvýšeniu GluA1u v paranigrálnej (PN) VTA okrem oblasti PBP (Lane a kol. 2008).

  

Zobraziť väčšiu verziu:  

• Na tejto stránke
• V novom okne
• Stiahnite si ako PowerPoint Slide

Obrázok 2. 

Bunková a projekčná zložitosť v rámci VTA. Podiel DA (červených) na GABA (modrých) neurónoch sa líši medzi Vnu subnukleami s vyššími pomermi DA: GABA pozorovanými vo viac rostrálnych subregiónoch, ako je rostrálne lineárne jadro (RL) v porovnaní s viac kaudálnymi subnukleármi, ako je paranigral (PN) a parainterfascicular ( PIF). Okrem toho, DA neuronálne projekcie sa líšia vo všetkých VTA s viacerými laterálnymi oblasťami, ako je parabrachiálne jadro (PBP), ktoré premieta do NAc laterálneho plášťa (Lat Sh), zatiaľ čo mediálne oblasti ako PN majú rôzne projekcie vrátane amygdaly (AMY), prefrontálneho kortexu (PFC) , NAc jadro a NAc mediálny obal (Med Sh). Obmedzená práca skúmala neuronálne projekcie GABA; existuje niekoľko dôkazov, že GABA neuróny v rostrálnych PBP majú silnú projekciu na PFC, zatiaľ čo existuje len málo rostrálnych PBP DA neurónov, ktoré sa premietajú do PFC, ale veľká caudálna DA PBP projekcia; to naznačuje, že projekcia PBP-PFC nie je definovaná len regionálne, ale je tiež špecifická pre neuronálny podtyp (Lammel a kol. 2008). (Počet buniek je od Nair-Roberts a kol. 2008 a projekcie sú zo štúdií retrográdneho označovania spoločnosťou Lammel a kol. 2008.)

Rozdiely medzi neurónmi VTA DA, založené na ich výstupnej oblasti, boli v poslednej dobe veľmi zaujímavé, pretože je teraz dobre známe, že elektrofyziologické vlastnosti neurónov DA sa líšia podľa projekcie. VTA DA neuróny premietajúce do NAc majú oveľa menšie I_h ako neuróny premietajúce sa do bazolaterálnej amygdaly (BLA) (Ford a kol. 2006), a existujú rozdiely v projekciách v rámci samotného NAc, pričom DA neuróny premietajú na NAc laterálny shell zobrazujúci oveľa vyššie I_h aktuálny ako DA neuróny, ktoré premietajú do mediálneho prostredia NAc (Lammel a kol. 2011). Trvanie akčného potenciálu (AP) DA neurónov sa tiež líši podľa projekcie, pretože NAc-projektujúce DA neuróny majú najdlhšiu dobu trvania AP, zatiaľ čo PFC-projekčné neurónové AP trvanie je kratšie a AMY-projekčné DA neuróny majú najkratšiu dobu trvania (Margolis a kol. 2008). Dôležité je, že citlivosť na opiáty sa tiež líši v rámci VTA v závislosti od typu projekcie: DA neuróny premietajúce do NAc reagovali viac na agonistov KOR ako neuróny, ktoré premietajú BLA, zatiaľ čo opačný účinok bol zaznamenaný na reakciu na agonistu MOR / delta (DOR) , ktorý mal väčší účinok na neuróny BLA (projektujúce neuróny) (Ford a kol. 2006). To sa prejavilo aj na presynapticky sprostredkovaných opiátových účinkoch, pretože agonista KOR spôsobil väčšiu inhibíciu GABA._A IPSC DA neurónov premietaných do BLA, zatiaľ čo bola vyššia inhibícia GABA sprostredkovaná agonistom KOR_B IPSC v neurónoch premietajúcich do NAc (Ford a kol. 2006). Okrem toho sa nedávno zistilo, že modulácia excitačných synapsií na DA neurónoch sa líši v závislosti od projekcie (Lammel a kol. 2011). Lammel a kolegovia (2011) zistili, že pomer AMPA / NMDA bol zvýšený kokaínom v DA neurónoch, ktoré sa premietli do NAc, ale nie v DA neurónoch, ktoré sa premietali do PFC. Pomer AMPA / NMDA bol však zvýšený v DA bunkách premietajúcich sa do PFC v reakcii na averzívny stimul (injekcia formaldehydu zadnej labky), čo bol účinok, ktorý bol tiež pozorovaný v DA neurónoch, ktoré sa premietali do NAc laterálneho obalu, ale chýbali v DA neurónoch premietajúcich do NAc. medián shell-ukazujúci heterogenitu v odozve v rámci subregiónov tohto projekčného cieľa (Lammel a kol. 2011). Tieto štúdie jasne ukazujú, že dôkladnejšie pochopenie synaptických adaptácií, ktoré sa vyskytujú pri akútnych aj chronických opiátoch, bude musieť integrovať informácie o výstupe študovaných DA neurónov. Vývoj techník špecifických pre neuróny a projekcie bude slúžiť na objasnenie týchto otázok tým, že umožní špecifickú moduláciu v tejto heterogénnej oblasti.

Štruktúrne a bunkové plasty indukované opiátmi

Relevantnosť štrukturálne plasticity vyvolanej liečivom k synaptickým zmenám a zmenám správania sa bola nedávno preskúmaná (Russo a kol. 2010). Väčšina štúdií štrukturálnej plasticity doposiaľ skúmala zmeny morfológie chrbtice alebo dendritického vetvenia neurónov v cieľových oblastiach VTA, ale naše laboratórium skúmalo ďalšiu štrukturálnu adaptáciu v reakcii na chronické podávanie opiátov, zmenu veľkosti VTA DA neurónov soma. Najprv sme pozorovali, že povrch potkanieho VTA DA neurónu znižuje ∼25% v reakcii na chronické, ale nie akútne podávanie morfínu. (Sklair-Tavron a kol. 1996). Tento účinok bol špecifický pre DA neuróny vo VTA, pretože TH-negatívne bunky (pravdepodobne GABAergic) neboli zmenené. Okrem toho by táto zmena mohla byť blokovaná systémovým naltrexónom, čo naznačuje, že bola vyžadovaná MOR signalizácia a lokálna infúzia neurotrofického faktora odvodeného z mozgu (BDNF) vo VTA tiež zabránila poklesu, čo naznačuje, že znížená neurotrofická signalizácia môže byť základom morfologickej zmeny. Dôležité je, že táto redukcia veľkosti neurónov VTA DA je pozorovaná pri chronickom podávaní heroínu, ako aj morfínu (Russo a kol. 2007), v pasívnych a samosprávnych protokoloch (Spiga a kol. 2003; Chu a kol. 2007; Russo a kol. 2007), a naprieč druhmi, ako sme nedávno charakterizovali tento účinok u myší a v posmrtnom tkanive od ľudí požívajúcich heroín (Mazei-Robison a kol. 2011). Následné štúdie nezistili žiadny dôkaz smrti alebo poranenia neurónov VTA DA (Sklair-Tavron a kol. 1996; Russo a kol. 2007) a že pokles veľkosti buniek pretrváva 14 dní po chronickom podávaní morfínu, ale vracia sa na východiskovú hodnotu 30 dní. Toto časové zrkadlo odmeňuje toleranciu (Russo a kol. 2007), v ktorom opakované užívanie drog znižuje odmeňujúci účinok lieku a vedie k eskalácii príjmu liekov, ako je to vidieť u ľudí (O'Brien 2001).

Vzhľadom na to, že BDNF by mohol zachrániť chronickú štrukturálnu zmenu vyvolanú morfínom, chceli sme preskúmať, či tieto neurotrofické signálne dráhy sprostredkujú túto štrukturálnu plasticitu. Hoci existuje určitá diskusia o tom, či hladiny BDNF samotné sú zmenené vo VTA ako odpoveď na chronické podávanie opiátov (Numan a kol. 1998; Chu a kol. 2007; Koo a kol. 2010), regulácia bola hlásená v troch hlavných signálnych dráhach od BDNF: PLCγ, fosfatidylinozitol 3UM-kináza (PI3K) a mitogénom aktivovaná proteínkináza (MAPK) (Russo a kol. 2009). Chronický morfín zvyšuje aktivitu dráhy PLCγ (Wolf a kol. 1999, 2007), znižuje aktivitu PI3K dráhy, merané zníženými hladinami inzulínového receptora-2 (IRS2) a fosfo-AKT (\ tWolf a kol. 1999; Russo a kol. 2007; Mazei-Robison a kol. 2011) a zvyšuje MAPK signalizáciu, ako sa meria zvýšenou fosforyláciou a katalytickou aktivitou extracelulárnej proteínkinázy (ERK) (Ortiz a kol. 1995; Berhow a kol. 1996; Liu a kol. 2007). Pomocou nadmernej expresie sprostredkovanej vírusom sme zistili, že k morfologickej zmene prispeli chronické zmeny vyvolané morfínom v signalizácii PI3K: nadmerná expresia dominantne negatívneho IRS2 (IRS2dn) alebo AKTdn bola dostatočná na zníženie veľkosti VTA DA soma, zatiaľ čo nadmerná expresia divokého typu IRS2 zabránila morfínom indukovanému poklesu a nadmernej expresii konštitutívne aktívnej AKT (AKTca) zvýšenej veľkosti soma (Russo a kol. 2007; Mazei-Robison a kol. 2011). Na rozdiel od toho, nadmerná expresia buď PLCγ alebo ERK nebola dostatočná na zmenu veľkosti VTA DA soma (Russo a kol. 2007). Dôležité je, že nadmerná expresia IRS2 bola tiež schopná zabrániť tolerancii morfínovej odmeny, čo implikuje úlohu štrukturálnej plasticity v reakcii na správanie.

Naša nedávna práca naznačuje, že táto štrukturálna zmena môže byť úzko spojená so zmenami aktivity vyvolanými chronickými opiátmi. Podobne ako in vivo štúdia Georgesa a kol. vyššie, sme zistili, že rýchlosť streľby VTA DA bola zvýšená v rovnakom časovom bode, pri ktorom sa zmenšila veľkosť soma u myší vystavených chronickému morfínu. (Mazei-Robison a kol. 2011).

Zistili sme však, že výstup DA do NAc, meraný in vivo cyklickou voltametriou, je v skutočnosti znížený, čo naznačuje prerušenie normálnej aktivácie a výstupu v mezolimbickom odmeňovacom okruhu.

Tento výsledok sme ďalej charakterizovali a zistili, že nadmerná expresia IRS2dn vo VTA, ktorá je dostatočná na zníženie veľkosti DA soma, znížila DA výstup na NAc a tiež znížila expresiu niekoľkých K⁺ podjednotky kanálového kanála spôsobom podobným chronickému morfínu.

V našom úsilí identifikovať signálne dráhy po prúde od IRS2 / AKT, ktoré sprostredkovávajú chronické neuroadaptácie vyvolané morfínom, sme urobili prekvapivé pozorovanie, že cicavčí cieľ komplexu rapamycínu (mTOR) 1 (mTORC1) signalizuje, dobre zavedenú dráhu v bunkovom raste. , bol skutočne zvýšený chronickým morfínom. Na rozdiel od toho sme pozorovali pokles v mTOR komplexnej 2 (mTORC2) signalizácii, čo sme ukázali ako nevyhnutné a dostatočné pre morfínom indukované zmeny vo veľkosti soma a neuronálnej aktivity. Konkrétne sme zistili, že nadmerná expresia mTOR (Rictor) necitlivého na rapamycín, esenciálneho komponentu proteínu mTORC2, bola dostatočná na zabránenie poklesu veľkosti soma a tiež na zabránenie zvýšenia rýchlosti neurónov DA neurónovou bunkou autonómnym spôsobom: iba DA bunky vo VTA, ktoré mali nadmerne exprimovaný Rictor, mali oslabenú rýchlosť streľby, zatiaľ čo blízke DA bunky stále vykazovali nárast. To naznačuje, že signálne zmeny, ktoré sú vlastné DA neurónom, môžu sprostredkovať zmeny excitability vyvolané chronickými opiátmi, prípadne zmenou AKT modulácie GABA_A prúdy (Krishnan a kol. 2008) alebo expresiu K⁺ kanály (Mazei-Robison a kol. 2011) (Obr. 3). Podobne ako pri nadmernej expresii IRS2 sme zistili, že zmena aktivity mTORC2 korelovala s morfínovým správaním, pretože klesajúca aktivita mTORC2 znižovala preferenciu miesta s morfínom (CPP), zatiaľ čo zvýšenie aktivity mTORC2 bolo dostatočné na indukciu CPP na nízku dávku morfínu, ktorá neindukuje kondicionovanie u kontrolných zvierat.

  

Zobraziť väčšiu verziu:  

• Na tejto stránke
• V novom okne
• Stiahnite si ako PowerPoint Slide

Obrázok 3. 

Chronický morfín znižuje veľkosť VTA DA soma, ale zvyšuje excitabilitu neurónov, zatiaľ čo DA prenos na NAc je znížený. Čistý účinok morfínu je menej citlivá cesta odmeňovania, tj tolerančná tolerancia. Down-regulácia IRS2-AKT signalizácie (modrá) vo VTA sprostredkováva účinky chronického morfínu na veľkosť soma a elektrickú excitabilitu; účinok na excitabilitu je sprostredkovaný zníženou GABA_A prúdy a potlačenie K⁺ expresia kanála. Morfínom indukovaná down-regulácia aktivity mTORC2 vo VTA je kľúčová pre tieto morfologické a fyziologické adaptácie vyvolané morfínom, ako aj pre toleranciu k odmeňovaniu. Na rozdiel od mTORC2, chronický morfín zvyšuje aktivitu mTORC1 (červená), čo sa nezdá, že by priamo ovplyvňovalo tieto morfínom indukované adaptácie. Chronický morfín tiež znižuje DA výstup na NAc, ako aj znižujúce sa dendritické vetvenie a počet dendritických spinov na stredných ostnatých GABA neurónoch v NAc, ďalej potláčajúcich normálnu DA signalizáciu v mezolimbickom okruhu.

Je nepravdepodobné, že zmena veľkosti soma je jedinou štrukturálnou adaptáciou vyvolanou chronickými opiátmi vo VTA. Vzhľadom na znížené číslo dendritickej chrbtice a dendritickú zložitosť rozvetvenia NAc stredných ostnatých neurónov u potkanov predtým vystavených chronickému morfínu (Robinson a Kolb 1999; Robinson a kol. 2002), predpokladáme, že dendritické zmeny sa vyskytujú aj v neurónoch VTA DA. V súčasnosti prebiehajú štúdie, ktoré charakterizujú zmeny morfológie chrbtice, čo je obrovská priepasť v tejto oblasti, keďže iba jedna štúdia doposiaľ skúmala zmeny vyvolané liečivami v dendritickej architektúre VTA. V tejto štúdii sa zistilo zvýšenie dendritickej hustoty chrbtice v jednom podtype neurónu VTA v reakcii na akútnu injekciu kokaínu, pričom rovnaký podtyp preukázal zvýšený pomer NMDA / AMPA (Sarti a kol. 2007). Údaje z našej predchádzajúcej práce, že dĺžka procesov VTA DA je znížená (∼30%) u potkanov liečených chronickým morfínom (Sklair-Tavron a kol. 1996), je v súlade s globálnymi zmenami v architektúre VTA DA. Táto zmena by tiež mohla pomôcť vysvetliť pokles DA výstupu na NAc po chronickom morfíne, ako sme už predtým hlásili zníženie transportu axónov a hladiny proteínov neurofilamentov vo VTA (Beitner-Johnson a kol. 1992, 1993), čo naznačuje, že chronický morfín ovplyvňuje aj axonálnu štruktúru a funkciu. Vzhľadom na regionálnu a projekčnú zložitosť VTA DA neurónov uvedených vyššie, v súčasnosti skúmame, či tieto štrukturálne zmeny sú indukované v určitej podskupine neurónov VTA DA použitím fluorescenčných retrográdnych indikátorov. Tieto údaje budú rozhodujúce pre pochopenie štrukturálnych a elektrofyziologických zmien vyvolaných chronickými opiátmi a príslušnými výstupnými obvodmi.

Ako už bolo spomenuté vyššie, niekoľko štúdií, molekulárnych aj elektrofyziologických, poskytlo dôkazy, že chronické podávanie opiátov aktivuje cAMP-CREB dráhu vo VTA (Bonci a Williams 1997; Olson a kol. 2005; Madhavan a kol. 2010). Štúdia microarray tiež definovala globálne zmeny v expresii génov, ktoré sa vyskytujú vo VTA ako odpoveď na chronický morfín (McClung a kol. 2005). Teraz je potrebná práca na lepšej definícii bunkovej špecifickosti týchto neuroadaptácií, ako aj ich funkčných dôsledkov. Okrem toho, aj keď sa väčšina práce na VTA zameriavala na neuroadaptácie vyvolané opiátmi, o ktorých sa predpokladá, že sa vyskytujú v DA neurónoch, je nevyhnutné preskúmať plasticitu vyvolanú liečivom, ktorá sa vyskytuje v GABAergných neurónoch VTA, ktoré sú jedným z kľúčových počiatočných cieľov opiátového pôsobenia pri oblasti mozgu.

pozadia

LC je hlavným miestom neurónov norepinefrínu (NE) v mozgu (Dahlstrom a Fuxe 1965). Ako bolo uvedené vyššie (Aston-Jones a Bloom 1981a; Aston-Jones a kol. 1991b; Berridge a Waterhouse 2003; Van Bockstaele a kol. 2010), LC je diskrétne, kompaktné, homogénne jadro, pozostávajúce z takmer výlučne NE neurónov. Hlavné vstupy do LC sú z medulárneho jadra paragigantocellularis (PGi) a nucleus prepositus hypoglossus a výstupy LC sú rozšírené, vrátane predného mozgu, mozočku, mozgového kmeňa a miechy (Obr. 1) (Berridge a Waterhouse 2003). LC neuronálna aktivita je vysoko synchrónna v podstate aj v reakcii na stimuly (Foote a kol. 1980; Aston-Jones a Bloom 1981b; Aston-Jones a kol. 1991; Ishimatsu a Williams 1996). LC neuróny sú spontánne aktívne (Williams a kol. 1991) a ich aktivácia vyvoláva uvoľňovanie NE v niekoľkých oblastiach predného mozgu vrátane kôry a hipokampu. LC do značnej miery slúži ako reléové jadro, s doteraz známou obmedzenou synaptickou plasticitou, hoci glutamátové aferentné látky kontrolujú aktivitu LC, najmä z PGi (Ennis a kol. 1992). LC neuróny exprimujú tri hlavné triedy opioidných receptorov: MOR, DOR a KOR s odlišnou distribúciou, aj keď, ako v prípade VTA, je naša diskusia obmedzená na MOR, ktorý sa priamo podieľa na závislosti od opiátov a závislosti.

Bunková plasticita indukovaná opiátmi

Hoci neexistuje žiadny dôkaz o tradičnej synaptickej plasticite (tj LTP a LTD) v LC, existuje dobre opísaná plasticita buniek. Jedinečnou vlastnosťou LC je, že mnohé z jeho in vivo reakcií na chronické opiáty možno rekapitulovať a študovať na úrovni jednej bunky (Nestler a kol. 1994; Nestler a Aghajanian 1997; Nestler 2004). Viazanie opiátov (napr. Morfínu) na MOR vedie k zníženiu aktivity adenylylcyklázy (AC) a signalizácii cAMP (Duman a kol. 1988). Akútne viazanie opiátov na MOR tiež znižuje aktivitu kardiostimulátorov LC neurónov, prevažne aktiváciou G-proteínom riadených dovnútra usmerňujúcich K⁺ (GIRK) kanálov (Williams a kol. 1982; Torrecilla a kol. 2002). Avšak pri chronickom podávaní opiátov sa rýchlosť prepaľovania a signalizácia cAMP vracajú na základnú líniu kvôli up-regulácii cAMP dráhy, čo ilustruje toleranciu (Aghajánsky 1978; Duman a kol. 1988; Nestler a Tallman 1988; Guitart a Nestler 1989; Kogan a kol. 1992; Ivanov a Aston-Jones 2001). Táto plasticita indukovaná chronickým podávaním opiátov (tj regulácia cAMP dráhy smerom nahor) sa stáva funkčne zrejmá pri odňatí opiátu, keď je rýchlosť streľby neurónov LC významne zvýšená spolu s veľkým zvýšením aktivity cAMP, čo ilustruje závislosť a abstinenčné príznaky (abstinenčné príznaky).Obr. 4) (Aghajánsky 1978; Rasmussen a kol. 1990).

  

Zobraziť väčšiu verziu:  

• Na tejto stránke
• V novom okne
• Stiahnite si ako PowerPoint Slide

Obrázok 4.  

Upregulácia cAMP dráhy v LC ako mechanizmu opiátovej tolerancie a závislosti. top Opiáty akútne inhibujú funkčnú aktivitu dráhy cAMP (indikovanú bunkovými hladinami fosforylácie proteínu závislej od cAMP a cAMP). Pri pokračujúcej expozícii opiátmi sa funkčná aktivita dráhy cAMP postupne obnovuje a po odstránení opiátu sa výrazne zvyšuje nad úroveň kontroly (napr. Podávaním antagonistu opioidného receptora naloxónu). Tieto zmeny vo funkčnom stave cAMP dráhy sú sprostredkované indukciou adenylylcykláz (AC) a proteínkinázy A (PKA) v reakcii na chronické podávanie opiátov. Indukcia týchto enzýmov zodpovedá za postupné obnovenie funkčnej aktivity dráhy cAMP, ku ktorej dochádza pri chronickej expozícii opiátmi (tolerancia a závislosť) a aktivácii dráhy cAMP pozorovanej pri odstraňovaní opiátov (abstinenčných príznakov). dno Opiáty akútne inhibujú LC neuróny zvýšením vodivosti dovnútra usmerňujúceho K⁺ kanálom prostredníctvom väzby s podtypmi G_{vstup / výstup} a prípadne znížením Na⁺- závislý vnútorný prúd cez spojku s G_{vstup / výstup} a následná inhibícia AC, znížené hladiny PKA aktivity a znížená fosforylácia zodpovedného kanálu alebo pumpy. Inhibícia cAMP dráhy tiež znižuje fosforyláciu mnohých ďalších proteínov a tým ovplyvňuje mnohé ďalšie neurónové procesy. Napríklad redukuje fosforylačný stav proteínu viažuceho element cAMP (CREB), ktorý iniciuje niektoré dlhodobejšie zmeny funkcie LC. Chronické podávanie morfínu zvyšuje hladiny ACI, ACVIII, PKA katalytickej (kat.) A regulačnej podjednotky a niekoľkých fosfoproteínov, vrátane CREB a tyrozín hydroxylázy (TH) (označené červenými šípkami). Tieto zmeny prispievajú k zmenenému fenotypu stavu závislého od drog. Napríklad vnútorná excitabilita LC neurónov je zvýšená zvýšenou aktivitou cAMP dráhy a Na⁺- závislý vnútorný prúd, ktorý prispieva k tolerancii, závislosti a abstinencii, ktoré tieto neuróny vykazujú. Upregulácia ACVIII a TH je sprostredkovaná prostredníctvom CREB, zatiaľ čo up-regulácia ACI a PKA podjednotiek sa objavuje prostredníctvom neidentifikovaného CREB-nezávislého mechanizmu.

Tieto adaptácie sú sprostredkované up-reguláciou niekoľkých signálnych proteínov v cAMP dráhe vrátane AC1 / 8 (Matsuoka a kol. 1994; Lane-Ladd a kol. 1997; Zachariou a spol. 2008), cAMP-dependentnej proteínkinázy (PKA) (Nestler a Tallman 1988), CREB (Guitart a kol. 1992; Shaw-Lutchman a kol. 2002; Han a kol. 2006) a TH a BDNF - obidva ciele CREB smerom nadol (Guitart a kol. 1989; Akbarian a kol. 2002). Chronické opiáty tiež indukujú expresiu GIRK2 / 3 v LC (Cruz a kol. 2008), ako aj mnoho ďalších génov, ako sa zistilo analýzou microarray (McClung a kol. 2005). Okrem toho sa nedávno ukázalo, že pri použití modelu LC rezania kultúry, že zvýšená vnútorná elektrická aktivita LC neurónov indukovaných chronickými opiátmi je spôsobená priamou aktiváciou MOR na neurónoch LC NE, čo implikuje vnútornú homeostatickú adaptáciu (Cao a kol. 2010). Tento prístup identifikoval kľúčovú úlohu CREB tak v aktivite kardiostimulátora, ako aj v morfínom indukovanom zvýšení rýchlosti streľby LC (Han a kol. 2006; Cao a kol. 2010), účinok, ktorý bol pozorovaný aj u myší s včasným vývinom CREB špecifickým pre NE neuróny (Parlato a kol. 2010). Nakoniec, táto aktivácia LC neuronálneho pálenia a up-regulovaná cesta cAMP-CREB, ktorá sprostredkováva zvýšené vypaľovanie, sa ukázali v mnohých štúdiách ako nevyhnutné a dostatočné na sprostredkovanie niekoľkých symptómov fyzického abstinenčného opiátu (Lane-Ladd a kol. 1997; Punch a kol. 1997; Han a kol. 2006).

Aj keď väčšina tu opísanej opiátovej plasticity sa považuje za vnútornú pre neuróny LC NE, existuje niekoľko dôkazov o tom, že chronický morfín môže tiež ovplyvniť excitačný vstup do LC, pretože dochádza k zvýšeniu spontánnej frekvencie EPSC v rezoch z myší liečených morfínom. (Torrecilla a kol. 2008). Okrem toho dochádza k zvýšenému uvoľňovaniu glutamátu a aspartátu v LC in vivo u potkanov, ktorým bol podávaný morfín a lokálna aplikácia antagonistov excitačných aminokyselín v LC čiastočne blokuje zvýšenie aktivity LC vyvolané abstinenčným syndrómom (Akaoka a Aston-Jones 1991; Aghajanian a kol. 1994).

Niektoré kontroverzie pretrvávajú, pokiaľ ide o to, či zmeny v signalizácii cAMP-CREB v neurónoch LC a v neurónovej aktivite LC sprostredkovávajú správanie pri odňatí opiátov. Napríklad lézie LC alebo vývojový knockout aktivity CREB v neurónoch LC NE nedokážu detegovať zmeny abstinenčných príznakov (Christie a kol. 1997; Parlato a kol. 2010). Na rozdiel od toho sme ukázali, že modulácia aktivity cAMP dráhy alebo CREB v LC dospelých zvierat konzistentne blokuje niekoľko abstinenčných správ (Lane-Ladd a kol. 1997; Punch a kol. 1997; Han a kol. 2006). Sme presvedčení, že tieto odlišné zistenia vysvetľujú niekoľko kľúčových úvah. Po prvé, LC je len jednou z niekoľkých oblastí mozgu dôležitých pre fyzickú závislosť od opiátov a abstinenčných príznakov (Koob a Le Moal 2001). Nie je prekvapujúce, že zvieratá s poškodenými LC stále vyvíjajú hlbokú fyzickú závislosť sprostredkovanú zvýšeným spoliehaním sa na tieto iné nervové substráty. Po druhé, je veľmi pravdepodobné, že niektoré nástroje používané na manipuláciu aktivity dráhy cAMP v LC (napr. Lokálna infúzia aktivátorov alebo inhibítorov PKA) ovplyvňujú glutamátergické aferenty v tejto oblasti, ktoré tiež vykazujú plastické zmeny (vrátane cAMP dráhy smerom nahor). regulácie) po chronickom morfíne (Nestler 1992; Christie a kol. 1997). Po tretie, napriek pravdepodobnej úlohe týchto glutamátergických afferentov nie je pochýb o tom, že je zahrnutá aj plasticita, ktorá je podstatná pre neuróny LC NE. neurónov LC NE a zmierňuje abstinenčný stav (Cao a kol. 2010; V Zachariou a EJ Nestler, unpubl.). Nedostatok účinku knockoutu CREB z týchto neurónov u myší s podmieneným knockoutom (Parlato a kol. 2010) zdôrazňuje vývojové kompenzácie, ktoré komplikujú používanie modelov včasného knockoutu, a zdôrazňuje význam používania génovej manipulácie v plne diferencovanom dospelom mozgu pri štúdiu plasticity dospelých.

Preto množstvo experimentálnych dôkazov vytvára up-reguláciu dráhy cAMP-CREB ako mechanizmu vnútornej homeostatickej plasticity v neurónoch LC NE pri rozvoji opiátovej fyzickej závislosti. Je tiež dôležité zdôrazniť historický význam tejto práce na LC, pretože slúžil ako modelový systém pre dlhodobé pôsobenie opiátov na mozog: na základe týchto skorších výskumov LC, up-regulácia cAMP-CREB Ukázalo sa, že táto dráha je bežným mechanizmom tolerancie opiátov, závislosti a abstinencie v mnohých oblastiach centrálneho a periférneho nervového systému a skutočne predstavuje jeden z najlepšie zavedených modelov molekulárnej podstaty drogovej závislosti (Nestler 2001, 2004).