Drug-framkallad potentiering vid excitatoriska synapser i VTA

En banbrytande studie av Ungless och kollegor i 2001 visade att en enda exponering för kokain orsakade en förbättring av synaptisk styrka vid excitatoriska synapser på VTA DA-neuroner när mätt 24 h senare i hjärnskivor (Ungless et al., 2001). Detta uppmättes som en ökning av förhållandet mellan AMPA-medierade excitatoriska postsynaptiska strömmar (EPSC) över NMDA-medierade EPSC (benämnt AMPA / NMDA-förhållandet). Efterföljande elektriskt framkallad LTP visades vara ockluderad vid exciterande VTA-synapser i kokainbehandlade möss medan LTD var förstärkt. Dessa observationer såväl som ett antal andra elektrofysiologiska åtgärder indikerade att förändringen i plasticitet observerade potentiellt delade liknande mekanismer för synaptiskt framkallad LTP (Ungless et al., 2001). Det har sedan dess visat sig att administrering av andra missbruksmedel inklusive amfetamin, morfin, etanol, nikotin och bensodiazepiner också kan ge upphov till ökad synaptisk styrka i VTA, en effekt som inte ses med psykoaktiva läkemedel som inte har missbrukspotential (Saal et al., 2003; Gao et al., 2010; Tan et al., 2010). Denna observation demonstrerar en konvergens av cellulära svar inom VTA av alla missbrukade läkemedel och tillhandahåller en möjlig neuromekanism genom vilken initiala neuroadaptationer som ligger till grund för beroende kan utlösas.

Effekten av icke-kontingent läkemedelsadministration på VTA-synaptisk plasticitet uttrycks transientt, varande åtminstone 5 men mindre än 10 dagar och har visat sig positivt korrelera med den initiala utvecklingen av beteendssensibilisering men inte med dess uttryck (Ungless et al., 2001; Saal et al., 2003; Borgland et al., 2004). Om kokain är självadministrerat är resultatet ganska annorlunda eftersom plasticiteten i VTA blir persistent och kan detekteras även 90 dagar i uttag (Chen et al., 2008).

Förstärkningen av glutamatergiska synapser på VTA DA-celler är antagligen kopplad till förmågan hos missbrukande läkemedel att förbättra extracellulär DA i NAc (Di Chiara och Imperato, 1988) för attnd representerar potentiellt initieringen av "patologisk" belöningsinlärning där en "stämpling i" av läkemedelsföreningar förekommer. I själva verket har NMDA-receptorberoende ökningar i glutamatergisk synaptisk styrka rapporterats i VTA DA-neuroner under förvärv av en cue-reward association (Stuber et al., 2008) och nyligen bekräftades att kokain selektivt ökar AMPA / NMDA-förhållandet av VTA-neuroner som projekt till NAc i motsats till PFC (Lammel et al., 2011); Det är väl etablerat att dopaminöverföring inom NAc är avgörande för förvärvet av en Pavlovian-förening (Kelley, 2004). Således kan det vara att denna förstärkning av VTA DA-neuroner kan representera neuralkodning liknande LTP, eventuellt en associativ inlärningsprocess, som kan vara väsentlig för tidiga kokaininducerade beteendemässiga svar och har kapacitet att utlösa långsiktiga anpassningar som ligger till grund för missbruk, men representerar inte det beroende nävan själv. Som föreslagits av andra kan det vara så att beroendeframkallande läkemedel samtycker till hjärnbelöningskretsar för att "överlösa" värdet av ett läkemedel till organismen (Kauer och Malenka, 2007).

Ursprungen för de relevanta glutamatergiska projiceringarna till VTA som är involverad i läkemedelsinducerad plasticitet förblir fullständigt upplyst. En studie har visat att VTA-glutamatergiska synapser riktade mot prognoser från både själva VTA och pedunculopontin-kärnan (PPN) visar förbättrad potentiering från kokain men endast synapserna som mottar inmatning från PPN-afferenter förstärks med Δ⁹-tetrahydrocannabinol (THC) (Good and Lupica, 2010). Det verkar sålunda att de specifika glutamatergiska afferenterna som är involverade i läkemedelsinducerad potensiering kan variera beroende på det aktuella läkemedlet och det kan också vara så att en speciell utskjutning är gemensam för all läkemedelsframkallad excitatorisk plasticitet i VTA; sistnämnda är ännu inte bestämd. Than tar emot omfattande prognoser från flera hjärnregioner, inklusive PFC, amygdala och subthalamic kärnan (Geisler and Wise, 2008), av vilka många har visat sig påverka bristning av VTA DA neuroner (Grillner och Mercuri, 2002). Framtida experiment som utnyttjar optogenetiska tekniker kan hjälpa till att bestämma de speciella projektioner som är ansvariga för läkemedelsframkallad potentiering vid VTA-synapser observerade som svar på olika missbrukande droger och på så sätt avslöja den exakta naturen hos denna neuroadaptation.

Mekanismer som ligger bakom läkemedelsframkallad synaptisk plasticitet vid excitatorisk synaps i VTA

Precis som med elektriskt inducerad LTP i midbrain DA neuroner har ökningen av synaptisk styrka i VTA inducerad av både kokain och nikotin visat sig vara beroende av NMDA-receptoraktivering (Bonci och Malenka, 1999; Ungless et al., 2001; Mao et al., 2011). Däremot visade sig underhållet av kokain-framkallad potensiering nyligen att kräva aktiviteten av proteinkinas Mζ (Ho et al., 2012), en autonomt aktiv proteinkinas C (PKC) isoform, medan spikttidsberoende LTP i VTA DA-neuroner av narkotika-naiva möss beror på konventionella PKC-isoformer (Luu och Malenka, 2008). När det gäller nikotin kräver VTA-synaptisk potentiering exciteringen av DA-neuroner medierade av somatodendritiska a4P2 nikotinacetylkolinreceptorer (nAChR) (Mao et al., 2011). Nikotininducerad ökning av presynaptisk glutamatfrigöring bidrar också till induktionen av denna speciella synaptiska plasticitet, sannolikt genom ökad aktivering av NMDA-receptorer (Mao et al., 2011).

Relativt mer är känt om de mekanismer som ligger till grund för kokainframkallad synaptisk plasticitet än den underliggande plasticitet som induceras av andra droger av missbruk. Kokainapplikation till mellanslagskivor resulterar i förstärkning av NMDA-receptoröverföring inom några minuter och föreslås vara via införande av NR2B-innehållande NMDAR i synapser genom en mekanism som kräver aktivering av D₅ receptorer och ny proteinsyntes (Schilstrom et al., 2006; Argilli et al., 2008). Orexin A har också visat sig vara nödvändigt för både snabb kokaininducerad införing av NR2B-innehållande receptorer och ökade AMPA / NMDA-förhållanden; följaktligen orexin₁ receptorantagonisten SB334867 har visat sig förhindra utvecklingen av sensibilisering mot kokain (Borgland et al., 2006). Förutom förändringar i NMDA-receptorsubunitsuttryck har ökade nivåer av GluR1-innehållande (GluR2-bristande) AMPA-receptorer vid synapser observerats så snart 3 h efter kokainexponeringe (Argilli et al., 2008). Denna observation kombinerad med andra nya bevis har lett till hypotesen att synaptisk införing av högledande GluR2-bristande receptorer bidrar till uttryck av kokaininducerad synaptisk potentiering i VTA (Dong et al., 2004; Bellone och Luscher, 2006; Mameli et al., 2007; Brown et al., 2010; Mameli et al., 2011), för recensioner se (Kauer och Malenka, 2007; Wolf och Tseng, 2012). Denna införing av GluR2-bristande AMPA-receptorer beror på NMDA-receptoröverföring i VTA DA-neuroner eftersom det saknas hos möss som saknar funktionella NMDA-receptorer i DA-neuroner (Engblom et al., 2008; Mameli et al., 2009). jagnsertion av GluR2-bristande AMPA-receptorer är signifikant eftersom de har unika egenskaper; de är kalciumpermeabla, har större enkanalledningsförmåga än GluR2-innehållande receptorer och har därför en stor förmåga att förändra synaptisk överföring (Isaac et al., 2007). Därför representerar införandet av GluR2-bristande AMPA-receptorer i VTA en möjlig mekanism genom vilken missbrukande läkemedel kan instantiera plastanpassningarna som ligger till grund för de inledande stadierna av narkotikamissbruk.

Införandet av GluR2-sakande AMPA-receptorer i VTA-excitatoriska synapser har nu visat sig inträffa som svar på administrering av läkemedel från multipla klasser, såsom nikotin och morfin, såväl som vid optogenetisk aktivering av DA VTA-neuroner (Brown et al., 2010). Thans har lett till förslaget att införandet av kalciumpermeabla GluR2-bristande AMPA-receptorer representerar en universell mekanism som kan ligga till grund för läkemedelsframkallad potentiering av VTA-synapser (Brown et al., 2010), även om data för amfetamin inte nödvändigtvis överensstämmer med denna hypotes (Faleiro et al., 2004). Eftersom GluR2-bristande AMPA-receptorer är inåtriktande och därigenom utför mycket liten ström vid + 40 mV kan deras insättning inte ens förklara läkemedelsutvecklade ökningar i AMPA / NMDA-förhållanden. En nyligen genomförd studie som uppmätta enhetliga synaptiska reaktioner framkallade av en mycket lokaliserad glutamatkälla (tvåfoton-fotolys av burkglutamat) visade, förutom att påverka AMPA-receptormedierade EPSC, också kokainexponering också enstaka NMDA-receptormedierade EPSC (Mameli et al., 2011), vilket ger en möjlig mekanism genom vilken AMPA / NMDA-kvoter kan ökas i detta scenario (genom att sänka nämnaren av förhållandet). Detta ska ännu inte undersökas med andra droger.

Den läkemedelsinducerade utbytet av GluR2-innehållande med GluR2-bristande AMPA-receptorer kan reverseras genom aktivering av mGluR1-receptorer i VTA (Bellone och Luscher, 2006; Mameli et al., 2007). Således tillhandahåller mGluR1-medierad utbyte av AMPA-receptorer en mekanism som kan förklara varför läkemedelsframkallad potentiering av VTA-synapser är övergående i naturen, varande 5 men inte 10-dagar (Ungless et al., 2001; Mameli et al., 2007). Faktum är att om mGluR1-funktionen i VTA reduceras 24 h före kokainadministration, fortsätter kokaininducerad inåtriktning efter 7-dagar (Mameli et al., 2007, 2009). Därför kan en möjlig förklaring till varför kokainframkallad synaptisk förstärkning fortsätter i VTA efter självadministration av kokain (till skillnad från följande icke-kontingentadministration) kan vara att kokain självadministration leder till depression av mGluR1-signalering i VTA.

Drug-framkallad synaptisk plasticitet vid hämmande synapser i VTA

Excitatory synapser är inte den enda typen synaps i VTA DA neuroner som påverkas av icke-kontingent administrering av missbruksmedel. Hämmande synapser i VTA har också en avgörande roll för att kontrollera brännhastigheten hos DA neuroner, sålunda har plasticitet vid GABAergiska synapser förmågan att dramatiskt påverka DA-överföring. Faktum är att kokain, morfin och etanol alla kan påverka hämmande synaptisk plasticitet i VTA (Melis et al., 2002; Liu et al., 2005; Nugent et al., 2007). Upprepad kokainexponering in vivo- för 5-7-dagar orsakar en minskning av amplituder av GABA-medierade synaptiska strömmar, varigenom LTP-induktion i VTA-celler underlättas genom att reducera styrkan av GABAergisk inhibering (Liu et al., 2005). Efterföljande studier avslöjar mekanismen för denna hämning att vara endokannabinoidberoende LTD vid GABAergiska synapser involverande aktivering av ERK1 / 2 (Pan et al., 2008, 2011). GABA_A receptorsynapser på VTA-dopaminneuroner uppvisar också robust NMDA-beroende LTP (benämnd LTP_GABA) som svar på högfrekvensstimulering (Nugent et al., 2007). Denna LTP_GABA är frånvarande i VTA-skivor 2 och / eller 24 h efter in vivo- administrering av morfin, nikotin, kokain eller etanol (Nugent et al., 2007; Guan och Ye, 2010; Niehaus et al., 2010). När det gäller etanol, förebyggande av LTP_GABA medieras av μ-opioidreceptorn (Guan och Ye, 2010) Tillsammans med synaptisk potentiering vid excitatoriska synapser, denna förlust av LTP_GABA bör öka bränningen av VTA DA neuroner efter exponering av läkemedel.

Långsam GABA-överföring har också nyligen visat sig vara påverkad av missbruksmissbruk. Således är en enstaka dos av metamfetamin eller kokain tillräcklig för att avsevärt försvaga förmågan hos GABA_B receptorer för att kontrollera VTA GABA-neuronbränning när de mäts ex vivo 24 h senare (Padgett et al., 2012). Den metamfetamininducerade förlusten av den långsamma inhiberande postsynaptiska potentialen (IPSC) uppstår genom en reduktion av GABA_B receptor-G-proteinkopplade inåtriktade kaliumkanalströmmar (GIRK), på grund av förändringar i proteinhandel och åtföljs av en signifikant minskning av känsligheten hos presynaptisk GABA_B receptorer i GABA-neuroner i VTA. Till skillnad från läkemedelsinducerad påverkan på GABA_A synapserar denna depression av GABA_BR-GIRK-signaler fortsätter dagar efter injektionen (Padgett et al., 2012).

Beteendekorrelater av läkemedelsframkallad potentiering i VTA DA-celler

Som nämnts tidigare uttrycks effekten av icke-kontingent läkemedelsadministration på synaptisk plasticitet i VTA DA-neuroner transientt, varande åtminstone 5 men mindre än 10 dagar och har visat sig positivt korrelera med den initiala utvecklingen av beteendssensibilisering men inte med dess uttryck (Ungless et al., 2001; Saal et al., 2003; Borgland et al., 2004). Till stöd för hypotesen att läkemedelsframkallad potentiering av VTA-synaps representerar induktion av beteendssensibilisering, reducerar intra-VTA-administrering av glutamatantagonister och viralt förmedlad GluR1 uppreglering ökar de lokomotoriska sensibiliserande egenskaperna hos läkemedel (Carlezon et al., 1997; Carlezon och Nestler, 2002). Starkt bevis på NR2A- och B-innehållande NMDA-receptorinblandning tillhandahålls genom observationen att farmakologisk inhibering antingen förhindrar både utvecklingen av sensibilisering och associerade kokaininducerade ökningar i AMPA / NMDA-förhållanden (Schumann et al., 2009). Emellertid uppvisar möss med målinriktad deletion av NR1 eller GluR1 (selektiva till midbrain DA neuroner) eller global GluR1 deletion intakt beteendssensibilisering och visar ändå försämrade AMPA-receptorströmmar efter kokainbehandling (Dong et al., 2004; Engblom et al., 2008). En ytterligare twist tillhandahålls av observationen att CPP och konditionerat lokomotoriskt beteende är frånvarande i GluR1 knockout-möss (Dong et al., 2004) och utrotning av kokain CPP är frånvarande hos möss med GluR1-deletion riktade mot midbrain DA neuroner (Engblom et al., 2008), medan i NR1-knockout-möss dämpas återinförandet av kokain-CPP och expression av beteendets sensibilisering (Engblom et al., 2008; Zweifel et al., 2008). Således är det även möjligt med att de neurala processerna som reglerar läkemedelsframkallad potentiering av DA-neuroner och beteendssensibilisering dissocieras, även med hänsyn till eventuell utvecklingsskompensation i mutanta möss och / eller eventuellt ofullständig deletion. Snarare kan det vara att förstärkning av VTA-synapser kan bidra till tillskrivningen av incitamentsalience till läkemedelsrelaterade signaler.

Mätning av synaptiska förändringar efter icke-kontingent läkemedelsadministration är begränsad med avseende på att informera om det faktiska sjukdomsstaten av missbruk. Mer relevant för det mänskliga tillståndet är studier där förändringar i synaptisk plasticitet mäts efter kontingent administrering av läkemedel, t.ex. operativ självadministration. I detta avseende är synaptisk förstärkning av VTA DA-celler inducerad genom självadministrering av kokain enastående, varaktig 3 månader i avhållsamhet och visat sig vara resistent mot utrotningsträning (Chen et al., 2008). Således framgår det att initialt föreslagna att vara en övergående händelse, men det framgår att läkemedelsframkallad plasticitet i VTA har kapacitet att vara långvarig, vilket visar att administreringsmetoden (kontingent kontra icke-kontingent) är en kritisk determinant av dess livslängd . Detta stöds av observationen att yoked kontroller i denna studie inte visade en liknande ökning i AMPA / NMDA-förhållandet; föreslår att det är lärandet av cue-belöning eller action-resultat association som driver plasticitet. Däremot ger självadministration av mat eller sackaros med liknande parametrar ökningar i AMPA / NMDA-förhållanden som kvarstår för 7 men inte 21-dagar i abstinens, uppenbart övergående jämfört med det som induceras av kokain (Chen et al., 2008). Bristen på persistens av livsmedelsinducerad plasticitet visar att förändringen i synaptisk styrka som induceras av kokain inte bara är en neural representation av de instrumentala eller cue-belönade lärprocesserna involverade i det operativa självadministrationsparadigmet per se, snarare en drogspecifik effekt som potentiellt representerar en patologisk förstärkning av läkemedelsföreningar. Som tidigare nämnts har man också visat att signaler som förutsäger belöning orsakar en ökning av AMPA / NMDA-förhållandena i VTA, men inte lika ihållande, som stöder en roll för denna modifiering av excitatorisk synaptisk funktion i belöningsinlärning (Stuber et al., 2008).

Intressant är storleken på ökningen i AMPA / NMDA-förhållandet likartat oberoende av antalet injektioner (singel vs. multipel), administrationsprotokoll (kontingent vs icke-kontingent) och åtkomstlängd (begränsad åtkomst vs. utökad åtkomst) (Borgland et al., 2004; Chen et al., 2008; Mameli et al., 2009). Detta indikerar att ökningen av AMPA / NMDA-förhållandet observerat i VTA DA-celler potentiellt är en permissiv händelse, som kanske signalerar "salience" i motsats till att man initierar en underliggande neuropatologi som antagligen skulle öka med fortsatt exponering.

Drug-framkallad plasticitet vid excitatoriska synapser i NAc

Till skillnad från VTA orsakar en enda kokaininjektion inte ökningar i synaptisk styrka i NAc när den mäts 24 h senare (Thomas et al., 2001; Kourrich et al., 2007). Denna observation och dubbelriktad tidsskala som följer med upprepad administrering och uttag demonterar att läkemedelsinducerad plasticitet i NAc är markant annorlunda än den som observerats i VTA. Verkligen, när upprepade injektioner av kokain administreras (för att inducera beteendssensibilisering) observeras en minskning av AMPA / NMDA-förhållandet vid NAc-skalsynaps när mätt 24 h efter den sista administrationenn (Kourrich et al., 2007). Denna synaptiska depression från upprepad kokain verkar vara kopplad till plasticitet i VTA; Vid selektiv störning av mGluR1-funktionen i VTA krävs endast en enda injektion av kokain för att orsaka samma fördjupning av NAc-synapser (Mameli et al., 2009). Than författare av denna studie postulerar att förbättrad excitation av VTA-projektioner kan underlätta sammanfallande frisättning av DA och glutamat i NAc genom en förbättrad frisättning av DA. Detta kan då flytta tröskeln för induktionen av lokal plasticitet i NAc genom att påverka kretsens excitabilitet eller genom att integrera intracellulära signalprocesser (Mameli et al., 2009).

Den funktionella betydelsen av depression av NAc-synapser vid akut uttag är oklart vid detta stadium. En möjlig förklaring kan vara att depression av NAc-medium snygga neuroner (MSN) minskar deras svar på naturliga givande stimuli, vilket bidrar till den anhedoni som upplevs under akut uttag. Det kan också vara att den minskning som observeras i AMPA / NMDA-förhållandet kan vara resultatet av membraninsättning av NR2B-innehållande NMDA-receptorer (därmed ökar nämnaren av förhållandet), eftersom nya tysta synapser förekommer i NAc-skalet vid kokainexponering (Huang et al., 2009). Tysta glutamatergiska synapser, som uttrycker funktionella NMDA-receptormedierade strömmar i frånvaro av AMPA-receptormedierade strömmar, antas ha en ökad förmåga att genomgå förstärkning av synaptisk överföring (Isaac et al., 1995). När de är genererade kan dessa tysta synapser underlätta rekrytering av AMPA-receptorer och därigenom öka excitatorisk synaptisk överföring. Detta ger en möjlig mekanism för att förklara ökningar i ytnivå hos AMPA-receptorer och efterföljande AMPAR / NMDAR-förhållande observerat i NAc under långvarig uttagning (Boudreau och Wolf, 2005; Boudreau et al., 2007; Kourrich et al., 2007; Conrad et al., 2008). NR2B-innehållande NMDA-receptorer i NAc kunde också ha varit inblandade i bildandet av läkemedels-kontextföreningar, eftersom siRNA-knockdown av denna subenhet förhindrar morfin CPP hos möss men inte beteendssensibilisering (Kao et al., 2011).

Till skillnad från kokain resulterar en upprepad behandling av intermittent etanolexponering i en potentiering av synapser som svar på ett tidigare LTD-inducerande stimuleringsprotokoll när mätt 24 h efter den senaste exponeringen (Jeanes et al., 2011). Denna NMDA-beroende potentiering är övergående eftersom efter en ytterligare 48 h av uttag har den försvunnit och varken LTP eller LTD kan induceras (Jeanes et al., 2011). Författarna tolkar sådana robusta förändringar i NAc-plasticitet som en indikator på den potentiella betydelsen av denna process i etanolinducerade neuroadaptationer. Dessutom kan, till skillnad från psykostimulerande medel, etanol fungera vid NMDA-receptorer, så har därför förmågan att direkt påverka glutamatergisk signalering.

Synaptisk potentiering observerad i NAc efter en period av uttag

I motsats till den depression som observerats vid akut avstängning observeras förstärkning av NAc-skalsynapser efter 10-14-dagar med avdrag från upprepad kokain eller morfinadministration (Kourrich et al., 2007; Wu et al., 2012). Vidare, efter 7-dygns återtagande från en enda administrering av kokain, finns en ökning i amplituden av mEPSC samt en förlust av LTP inducerad av högfrekvensstimulering (HFS) i både kärn- och skal-NAc-neuroner som uttrycker dopamin D₁ receptor (Pascoli et al., 2012). Thans förändring i förmågan att inducera synaptisk plasticitet kallas metaplasticitet. Kokaininducerad metaplasticitet observeras också efter avdrag från kokain självadministration. Råttor som har självstyrt kokain följt av 3-veckor med antingen utrotning eller avhållande visar sålunda en markerad in vivo- underskott i förmågan att utveckla LTP i NAc-kärnan efter stimulering av PFC. Denna observation åtföljdes av en vänsterväxling i ingångs-utgångskurvan som föreslår förstärkning av fEPSP-amplitude (Moussawi et al., 2009). Potentiering av NAc-synapser observeras även i form av ökade AMPA-medierade strömmar efter en förlängd period av abstinens efter självadministrering (Conrad et al., 2008). Sammantaget tyder dessa data på att synaptisk potentiering i NAc utvecklas antingen som en funktion av varaktigheten av uttag eller som en funktion av tiden sedan den första administrationen av kokain. En ny studie stöder den sistnämnda tolkningen, eftersom liknande ökning av frekvensen av mEPSCs observerades i D₁ receptoruttryckande MSN i möss trots frånvaro eller närvaro av en långvarig återtagningsperiod efter upprepad kokainadministration (Dobi et al., 2011). Det verkar därför som händelser som leder till förändringarna i glutamatergisk överföring i NAc tar lite tid att utvecklas.

Bidraget från specifika AMPA-receptorunderenheter till denna förändring varierar beroende på uttagssteget och administreringssättet; 10-21-dagar i uttag från både passiva och självadministrerade GluR2-innehållande AMPA-receptorer verkar vara ansvariga för förändringar i AMPA-överföring (Boudreau och Wolf, 2005; Boudreau et al., 2007; Kourrich et al., 2007; Ferrario et al., 2010) medan bortom 21-dagar tillsätts GluR2-bristande AMPA-receptorer till synapser. Det senare resultatet förefaller vara fallet endast när kokain administreras själv (Conrad et al., 2008; McCutcheon et al., 2011), men se (Mameli et al., 2009). Med tanke på den ökade konduktansen hos GluR2-sakna AMPA-receptorer kan det vara att deras införande sker som svar på depression av NAc-synapser som orsakas av självständig administration av kokain, vilket resulterar i ökad MSN-respons för excitatoriska ingångar som utlöser kokainsökning i framtiden. I själva verket förhindrar blockering av GluR2-bristande AMPA-receptorer i NAc uttrycket av inkuberad cueinducerad kokainsökning (Conrad et al., 2008) och kokainsökning inducerad av antingen AMPA eller kokain blockeras också genom injektioner av antisenseoligonukleotider av GluR1 mRNA i NAc (Ping et al., 2008).

Drogutmaning efter utslag återvänder synaptisk potentiering till depression

Ökningen i synaptisk hållfasthet och ytuttryck av AMPA-receptor-subenheter inducerad av kokain i NAc efter avdrag från icke-kontingent administrering reverseras därefter vid administrering av ytterligare kokaininjektioner (återutmaning) (Thomas et al., 2001; Boudreau et al., 2007; Kourrich et al., 2007; Ferrario et al., 2010). Sålunda observeras synaptisk depression återigen i NAc-skalet när mätt 24 h efter denna kokaininjektion (Thomas et al., 2001), men se (Pascoli et al., 2012). Beteende verkar detta korrelera med uttrycket av sensibilisering, och i fallet med amfetamin har det visat sig vara clathrinmedierad och beroende av GluR2-beroende endocytos av postsynaptiska AMPA-receptorer (Brebner et al., 2005). Minskningen i ytuttryck av AMPA-receptorer efter kokainutmaning är övergående, eftersom ytuttrycket inom 7-dagar återhämtar sig till nivåer som är jämförbara med obestämda kokain-förbehandlade råttor (Ferrario et al., 2010). Som sådan verkar det som om historien om kokainexponering och uttag kan lätt ändra riktningen av synaptisk plasticitet i NAc.

En direkt länk gjordes nyligen mellan förstärkning av cortico-accumbal synapser på D₁ receptor-positiva celler efter 7-dygns uttagning och uttrycket av sensibilisering. Såsom nämnts tidigare, efter 7-dygns avdrag från en enda administrering av kokain, befinns dessa synapser att potentieras i både kärnan och skalet (mätt med en ökning av mEPSC-amplitude) och LTP inducerad av HFS reduceras. Samma sak hittades inte för synapser på D₂ receptor-positiva celler (Pascoli et al., 2012). När reverseras optogenetiskt in vivo- via ett protokoll som är känt för att inducera LTD, cortico-accumbal synapser på D₁-receptor-positiva celler visade reducerade mEPSCs och uttrycket av lokomotorisk sensibilisering förebyggdes. Viktigt är att HFS förmåga att inducera LTP återställdes till dessa neuroner (Pascoli et al., 2012), vilket sålunda visar en direkt länk mellan denna speciella synaptiska anpassning vid cortico-ackumbal synapser och uttrycket av sensibilisering mot kokain.

Transkriptionsfaktorer

Transkriptionsfaktorer är proteiner som binder till specifika DNA-sekvenser för att reglera gentranskription genom att interagera med RNA-polymeras II-komplexet (Mitchell och Tjian, 1989). Transkriptionsfaktorer kan induceras eller undertryckas som svar på miljöstimuli, vilket resulterar i förändringar i genuttryck och slutligen neuronfunktion. Ett antal transkriptionsfaktorer har identifierats för deras potentiella roll i missbruk eftersom deras uttryck och aktivering regleras i den mesokortikolimbiska vägen vid exponering för missbruksmedel. ΔFosB är en sådan transkriptionsfaktor som har fått särskild uppmärksamhet på grund av dess ovanliga stabilitet. ΔFosB är en trunkerad splitsningsvariant av FosB-genen, och den delar homologi med andra Fos-familjemedlemmar inklusive c-Fos, FosB, Fra1 och Fra2 som alla heterodimeriseras med Jun-familjeproteiner (c-Jun, JunB eller JunD) för att bilda aktivatorprotein-1 (AP-1) transkriptionsfaktorer (Morgan och Curran, 1995). Dessa andra Fos-familjemedlemmar induceras snabbt i striatumet som svar på akut administrering av psykostimulanter, men på grund av deras instabilitet är detta uttryck övergående och återgår till basala nivåer inom timmar (Graybiel et al., 1990; Young et al., 1991; Hope et al., 1992). Omvänt ackumuleras ΔFosB i striatumet efter kronisk läkemedelsadministration och dess uttryck fortsätter i flera veckor efter den senaste läkemedelsexponeringen (Hope et al., 1994; Nye et al., 1995; Nye och Nestler, 1996; Pich et al., 1997; Muller och Unterwald, 2005; McDaid et al., 2006). Data från beteendexperiment stöder en roll för ΔFosB i några av de bestående effekterna som uppkommer av missbruksmissbruk. Överuttryck av ΔFosB i striatumet resulterar i ökade lokomotoriska reaktioner på både akut och kronisk kokain och ökar förstärkningsegenskaperna hos både kokain och morfin (Kelz et al., 1999; Colby et al., 2003; Zachariou et al., 2006), medan hämning av ΔFosB ger de motsatta beteendeeffekterna (Peakman et al., 2003). På grund av dess förmåga att öka de incitament motiverande egenskaperna av missbruk missbruk har denna transkriptionsfaktor föreslagits att representera en "molekylär växel" som underlättar övergången till missbruk (Nestler, 2008).

cAMP-responselementbindande protein (CREB) är en annan transkriptionsfaktor som har varit i fokus för en avsevärd mängd forskning på grund av sin föreslagna roll i läkemedelsinducerad plasticitet (McPherson och Lawrence, 2007). CREB uttrycks allmänt i hjärnan och kan aktiveras av en mängd intracellulära signalvägar som kulminerar i sin fosforylering vid serin 133 (Mayr och Montminy, 2001). Fosforylerad CREB (pCREB) stimulerar rekryteringen av CREB-bindande protein (CBP) som underlättar transkriptionen av olika nedströmsgener (Arias et al., 1994). pCREB induceras snabbt i striatumet vid exponering för psykostimulanter (Konradi et al., 1994; Kano et al., 1995; Walters och Blendy, 2001; Choe et al., 2002) och detta antyds att representera en homeostatisk mekanism som motverkar beteendemässiga svar på missbruksmissbruk (McClung och Nestler, 2003; Dong et al., 2006). I överensstämmelse med detta reducerar överuttryck av CREB i NAc-skalet de belöningsegenskaper hos kokain i ett CPP-paradigm med konditionerat platspreparat, medan motsatsen observeras vid hämning av CREB i denna region (Carlezon et al., 1998; Pliakas et al., 2001). På samma sätt ger genetisk knockdown eller inhibering av CREB i dorsalstriatum ökad känslighet mot psykostimulansers rörelsesaktiverande egenskaper, vilket ytterligare stöd till denna hypotes (Fasano et al., 2009; Madsen et al., 2012).

Medan data från CPP-experiment stöder ideen om CREB som en negativ modulator av läkemedelsbelöning, åtminstone med avseende på kokain, kan detta vara en förenkling. Ett antal studier med olika tekniker för att ändra CREB-funktionen i NAc-skalet har visat att hämning av CREB minskar kokainförstärkning i ett självadministrationsparadigm (Choi et al., 2006; Green et al., 2010; Larson et al., 2011), medan kokainförstärkning förstärks med CREB-överuttryck i denna region (Larson et al., 2011). Dessa divergerande resultat beror förmodligen på grundläggande skillnader mellan instrumental och Pavlovian konditioneringsförfaranden samt frivillig vs. ofrivillig läkemedelsadministration. CPP involverar associativa inlärningsprocesser, och anses vara en indirekt mätning av de medicinska egenskaperna hos ett läkemedel i stället för läkemedelsförstärkning per se (Bardo och Bevins, 2000). Frivillig läkemedels självadministration kan påverkas av ett antal emotionella faktorer och förmågan hos CREB-aktivitet i NAc att minska responsen på anxiogena stimuli (Barrot et al., 2002) och dämpa depressivt beteende (Pliakas et al., 2001) kan påverka benägenheten att själv administrera drog. Intressant är att borttagning av CREB från PFC resulterar i minskad motivation för att själv administrera kokain (McPherson et al., 2010), vilket visar att effekten av CREB-manipulation på beteende också varierar för olika hjärnregioner. Detta är kanske inte överraskande med tanke på att CREB-transkriptomet skiljer sig markant i enlighet med celltypen (Cha-Molstad et al., 2004) och det skulle därför vara viktigt att identifiera förändringar i genuttryck som uppträder nedströms CREB som bidrar till dessa fenotyper. Komplicerande saker vidare är observationen att CREB i NAc-skalet är avgörande för nikotin-CPP (Brunzell et al., 2009), vilket tyder på att mekanismerna bakom konditionerad nikotinbelöning skiljer sig från de underliggande kokainen och morfinen, vilka båda förbättras genom CREB-inhibering i NAc-skalet (Carlezon et al., 1998; Pliakas et al., 2001; Barrot et al., 2002).

Epigenetiska mekanismer

Epigenetik har ett antal definitioner, men i neurovetenskap definieras det vanligen som förändringar i genuttryck som uppträder genom modulering av kromatin som inte orsakas av förändringar i den underliggande DNA-sekvensen (McQuown och Wood, 2010). Kromatin beskriver DNA-tillståndet när det förpackas i cellen. Den grundläggande upprepande enheten för kromatin är nukleosomen, vilken består av 147-baspar av DNA som är omslagen runt en oktamer bestående av par av de fyra kärnhistonen (H2A, H2B, H3 och H4) (Luger et al., 1997). De aminoterminala svansarna hos dessa kärnhistoner kan genomgå ett antal posttranslationella modifieringar innefattande acetylering, metylering, fosforylering, ubiquitination och sumoylering (Berger, 2007). Tillsatsen och avlägsnandet av dessa funktionella grupper från histon-svansar utförs av ett stort antal histon-modifierande enzymer, innefattande acetyltransferaser, deacetylaser, metyltransferaser, demetylaser och kinaser (Kouzarides, 2007). Dessa histonförändringar tjänar till att signalera rekrytering av transkriptionsfaktorer och andra proteiner som är involverade i transkriptionsreglering och förändra kromatinkonformation för att göra DNA mer eller mindre tillgängligt för transkriptionsmaskineriet (Strahl and Allis, 2000; Kouzarides, 2007; Taverna et al., 2007). Epigenetiska mekanismer representerar därför ett viktigt medel för att miljömässiga stimuli kan reglera genuttryck och slutligt beteende.

Nyligen har kromatinmodifiering erkänts som en viktig mekanism som ligger till grund för läkemedelsinducerad förändring i plasticitet och beteende (Renthal och Nestler, 2008; Bredy et al., 2010; McQuown och Wood, 2010; Maze and Nestler, 2011; Robison och Nestler, 2011). Det första beviset för detta härrörde från experiment från Kumar och kollegor som använde chromatinimmunutfällning (ChIP) -analyser för att visa att kokain inducerar histon-modifikationer vid specifika genpromotorer i striatumen (Kumar et al., 2005). Specifikt resulterade akut administrering av kokain i H4-hyperacetylering av cFos promotor, medan kronisk administrering resulterade i H3-hyperacetylering av BDNF och Cdk5 promotorer. Histonacetylering involverar enzymatisk överföring av en acetylgrupp till en histons grundläggande N-terminala svans, vilket neutraliserar den elektrostatiska interaktionen mellan histonen och det negativt laddade DNA: t, vilket gör den mer tillgänglig för transkriptionsapparaten (Loidl, 1994). Detta överensstämmer med förmågan hos kokain att öka uttrycket av Fos familjetransskriptionsfaktorer akut (Graybiel et al., 1990; Young et al., 1991), medan BDNF och Cdk5 induceras endast vid kronisk exponering (Bibb et al., 2001; Grimm et al., 2003).

Ett histon-hyperacetylerat tillstånd kan också uppnås experimentellt genom administrering av histon-deacetylas (HDAC) -hämmare, och dessa läkemedel har använts för att undersöka effekterna av globala ökningar av histon-acetylering vid beteendemässiga reaktioner mot missbruksmedel. Systemisk administrering av HDAC-hämmare ökar synergistiskt hyperacetyleringen observerad som svar på kokain i striatumet (Kumar et al., 2005), och detta förstärker kokaininducerad lokomotion och kokainbelöning (Kumar et al., 2005; Sun et al., 2008; Sanchis-Segura et al., 2009). HDAC-hämning kan också öka lokomotorisk sensibilisering mot etanol och morfin och underlätta morfin-CPP (Sanchis-Segura et al., 2009). Likväl har HDAC-hämmare också visat sig förhindra utvecklingen av sensibilisering för en enda morfinexponering (Jing et al., 2011), och minska motivationen för att själv administrera kokain (Romieu et al., 2008). Dessa kontrasterande fynd kan spegla skillnader i administrationsprotokoll, och viktigare visar de att HDAC-hämmare inte indiscriminellt förstärker beteendemässiga svar på droger under alla förhållanden.

På grund av sin permissiva effekt på gentranskription kan HDAC-hämmare också verka för att underlätta vissa typer av lärande (Bredy et al., 2007; Lattal et al., 2007). Det har nyligen visats att administrering av en HDAC-hämmare efter återexponering mot en tidigare kokainparameter kan underlätta utrotning av kokaininducerad CPP, och detta är troligen relaterat till ökad histon-H3-acetylering i NAc (Malvaez et al., 2010). Infusion av HDAC-hämmaren suberoylanilidhydroxamsyra (SAHA) direkt in i NAc under konditioneringsfasen av CPP ökar konditionering av kokain (Renthal et al., 2007), vilket indikerar att HDAC-hämning i denna region kan underlätta både belöningsrelaterat inlärnings- och utlärningsinlärning, beroende på det sammanhang där läkemedlet administreras. Ytterligare experiment har avslöjat en roll för HDAC5, och endogen HDAC uttryckte högt i NAc i modulering av kokainbelöning. Kokainadministration ökar HDAC5-funktionen genom att reglera dess fosforylering och efterföljande nukleär import, och defosforylering av HDAC5 i NAc påverkar utvecklingen av en kokain-CPP (Taniguchi et al., 2012). På samma sätt dämpar överuttrycket av HDAC5 i NAc under konditioneringsfasen av CPP kokainbelöning, och denna effekt reverseras vid uttryck av en mutant form av HDAC5 i NAc (Renthal et al., 2007). Det är möjligt att HDAC5 utövar dessa effekter genom att hämma läkemedelsinducerad gentransskription som normalt ökar de givande egenskaperna hos kokain.

Genomgående analys av kromatinändringar som inträffar i NAc som ett resultat av kokainexponering har visat en mängd kromatinmodifieringar vid promotorregionerna av gener nedströms av både CREB och ΔFosB (Renthal et al., 2009). Denna analys avslöjade också uppreglering av två sirtuiner, SIRT1 och SIRT2, som är proteiner som har HDAC-aktivitet och kan också deacetylera andra cellulära proteiner (Denu, 2005). Induktion av SIRT1 och SIRT2 är förknippad med ökad H3-acetylering och ökad bindning av FosB vid deras genpromotorer, vilket tyder på att de är downstream-mål för ΔFosB (Renthal et al., 2009). Uppreglering av SIRT1 och SIRT2 antas ha beteenderelevans; sirtuins minskar excitabiliteten hos NAc MSNs vitro, och farmakologisk inhibering av sirtuiner minskar kokainbelöningen, medan deras aktivering ökar belöna svar på kokain (Renthal et al., 2009).

Förutom den funktionella rollen för HDAC, har genetiska studier också visat en roll för histon-acetyltransferaser (HAT) för att förmedla några av de beteendemässiga svaren på missbruksmissbruk. Förmodligen är den viktigaste mekanismen genom vilken CBP kan förbättra gentranskription via sin egen HAT-aktivitet (Bannister och Kouzarides, 1996), och nya fynd inneburit CBP: s HAT-aktivitet i några av de epigenetiska förändringarna som härrör från drogexponering. Som svar på akut kokain rekryteras CBP till FosB promotor där den acetylerar histon H4 och ökar uttrycket av FosB (Levine et al., 2005). Vid möss som är haploinsäker för CBP rekryteras mindre CBP till promotorn vilket resulterar i minskad histon-acetylering och FosB-expression. Detta motsvarar också mindre ackumulering av ΔFosB i striatumen och inte överraskande uppvisar dessa möss minskad sensibilisering som svar på en kokainutmaning (Levine et al., 2005). Nyligen undersökte Malvaez och kollegor med hjälp av cre-lox-rekombinationssystemet rollen av CBP-aktivitet, som specifikt befann sig i NAc på kokaininducerad gentranskription och beteende (Malvaez et al., 2011). Det rapporterades att riktad borttagning av CBP i NAc resulterade i minskad histon-acetylering och c-Fos-uttryck och nedsatt lokomotorisk aktivering som svar på både akut och kronisk kokain (Malvaez et al., 2011). Skickad kokainbelöning hämmades också i dessa möss, vilket gav den första bevisen att CBP-aktivitet i NAc är viktig för bildandet av läkemedelsrelaterade minnen (Malvaez et al., 2011).

Nyligen har experiment från Kandel-laboratoriet visat att epigenetiska mekanismer kan ligga till grund för nikotins hypotes om förmåga att fungera som ett "gateway-läkemedel". Möss som kroniskt förbehandlats med nikotin före kokainexponering uppvisade förbättrad rörelsesensibilisering och kokainbelöning jämfört med nikotinnaiva möss (Levine et al., 2011). Dessutom resulterade nikotinbehandling i ökad kokaininducerad depression av LTP i excitatoriska synapser i NAc-kärnan, en effekt som inte sågs med nikotin ensam. Analys av histon-modifikationer inducerad genom 7-dygns nikotineksponering avslöjade ökad H3- och H4-acetylering vid FosB promotor i striatum, en effekt som inte var lika uttalad som svar på 7-dagars kokainadministration. HDAC-aktivitet minskade i striatum hos nikotinbehandlade möss, men oförändrad hos möss behandlade med kokain. Det är anmärkningsvärt att infusion av en HDAC-hämmare direkt i NAc kunde efterlikna effekterna av nikotinförbehandling för att förstärka kokaineffekterna. Ingen av dessa förändringar observerades när möss behandlades med kokain före nikotin, vilket bekräftade den temporala specificiteten för dessa effekter. Denna eleganta uppsättning experiment har gett en möjlig epigenetisk förklaring till varför cigarettrökning nästan alltid föregår kokainanvändning i den mänskliga befolkningen (Kandel, 1975; Kandel et al., 1992).

Förutom histon-acetylering har histon-metylering också nyligen erkänts som en beteenderelevant kromatinmodifikation som inducerats av missbrukande läkemedel (Laplant et al., 2010; Maze et al., 2010, 2011). Histonmetylering innefattar enzymatisk tillsats av en, två eller tre metylgrupper till lysin- eller argininrester vid N-terminalen av histon-svansar och är associerad med antingen transkriptionell aktivering eller repression beroende på modifieringen (Rice and Allis , 2001). De första studierna för att undersöka histonmetylering inducerad av kokain ledde till identifieringen av två histonmetyltransferaser, G9a och G9a-liknande protein (GLP), som var ihållande nedreglerade i NAc 24 h efter både icke-kontingent kokainexponering och kokain själv administrering (Renthal et al., 2009; Maze et al., 2010). Denna nedreglering var kopplad till liknande minskningar av histon H3 lysin 9 (H3K9) och 27 (H3K27) metylering. Därefter påvisades G9a-överuttryck i NAc för att minska kokaininducerad expression av valda gener, minska kokainbelöning, mätt av CPP, och hämma ökningarna i dendritisk ryggradsdensitet som normalt observerades som svar på upprepad kokain (Maze et al., 2010). Det motsatta inträffade när G9a-uttrycket i NAc hämmades, vilket resulterade i ökad dendritisk ryggradsdensitet och förbättrad kokainbelöning. Det finns bevis för att dessa kokaininducerade förändringar i G9a-uttryck och efterföljande minskningar i H3K9 och H3K27 regleras av ΔFosB (Maze et al., 2010). Sammantaget identifierade dessa experiment en viktig roll för histon-metylering av G9a i några av de långsiktiga beteendemässiga och biokemiska konsekvenserna av upprepad exponering för kokain.

Nyligen visade sig trimetylering av histon H3 lysin 9 (H3K9me3), som tidigare ansågs vara ett relativt stabilt heterokromatiskt märke, att regleras dynamiskt i NAc genom akut och kronisk kokainexponering (Maze et al., 2011). Upprepad kokain resulterade i ihållande minskningar av repressiv H3K9me3-bindning som särskilt berikades i icke-kodande genomiska regioner (Maze et al., 2011). Dessa initiala fynd tyder på att upprepad kokainexponering kan leda till osilkning av vissa retrotransposerbara element i NAc-neuroner, och det skulle vara av stor intresse att fastställa beteendekonsekvenserna av dessa nya epigenetiska anpassningar.

Med tanke på den beroende naturens beroende, har den senaste forskningen också undersökt rollen av DNA-metylering, vilket är en mer stabil epigenetisk anpassning jämfört med histon-modifiering. DNA-metylering innebär tillsättning av metylgrupper till cysteinbaser i DNA, och det är generellt associerat med transkriptionellt förtryck (Stolzenberg et al., 2011). Analys av hjärnor hos råttor som fick passiva kokaininjektioner under 7-dagar eller att självförvaltad kokain över 13-dagar visade nedreglering av DNA-metyltransferas DNMT3a i NAc 24 h efter den senaste kokainexponeringen (Laplant et al., 2010). Omvänt efter en mer kronisk kokainexponering (både passiv och självadministrerad under 3-veckor eller mer) och en 28-dag, dnmt3a mRNA befanns vara signifikant förbättrad i NAc (Laplant et al., 2010). Inhibering av DNA-metylering / DNMT3a specifikt i NAc visades därefter öka både CPP och lokomotorisk sensibilisering mot kokain, medan motsatt observerades efter överuttryck av DNMT3a i denna region. Dessutom hindrade inhibering av DNMT3a i NAc också kokaininducerad ökning av dendritisk ryggradensitet (Laplant et al., 2010). Den beteendemässiga relevansen av kokaininducerade förändringar i NAc-ryggradens densitet är fortfarande inte väl förstådd. Manipuleringar som inhiberar läkemedelsinducerad ryggradinduktion har visat sig minska de givande egenskaperna hos kokain (Russo et al., 2009; Maze et al., 2010); Andra studier har dock funnit att hämning av spinogenes potentierar kokainbelöning (Pulipparacharuvil et al., 2008; Laplant et al., 2010). Eftersom kokain verkar framkalla en mycket komplex reglering av olika dendritiska spines under exponerings- och uttagningsperioden (Shen et al., 2009) har det föreslagits att dessa skillnader kan bero på typen av dendritiska spines som förändras (Laplant et al., 2010).

Ur experimenten som beskrivs häri är det tydligt att läkemedelsinducerad reglering av cellens transkriptionspotential representerar en nyckelmekanism som påverkar beteendemässiga svar på läkemedel och belöningsrelaterad inlärning. Ett viktigt nästa steg skulle vara att identifiera vilken av dessa epigenetiska förändringar som är mest relevanta för missbrukets humana sjukdomstillstånd. Med tanke på att enbart exponering för droger inte är tillräcklig för att producera "missbruk" hos både människor och djur, kommer införandet av modeller som närmare mäter beteendemässiga kännetecken för missbruk, såsom tvångsmedicin och återfall, att vara av betydande värde.