Överdriven kokainanvändning är resultatet av minskad fasisk dopamin-signalering i striatumen (2014)

Nat Neurosci. Författarens manuskript; tillgänglig i PMC 2016 Jan 15.

Publicerad i slutredigerad form som:

Nat Neurosci. 2014 maj; 17 (5): 704-709.

Publicerad online 2014 Apr 6. doi:  10.1038 / nn.3694

PMCID: PMC4714770

NIHMSID: NIHMS574802

Förlagets slutredigerade version av denna artikel finns tillgänglig på Nat Neurosci

Se kommentar “Förlust av fasisk dopamin-signalering: en ny missbruksmarkör"I Nat Neurosci, volym 17 på sidan 644.

Se andra artiklar i PMC som citerar den publicerade artikeln.

Abstrakt

Narkotikamissbruk är en neuropsykiatrisk störning som är markerad av ökad narkotikamissbruk. Dopaminneurotransmission i den ventromediala striatumen (VMS) medger akuta förstärkande effekter av missbrukade droger, men med långvarig användning menas att dorsolateral striatum (DLS) tar kontroll över läkemedelssökande. Vi uppmätta striatal dopaminfrigöring under en självständig administrering av kokain som orsakade eskalering av droger i råttor. Överraskande fann vi att fasisk dopamin minskade i båda regionerna när kakainintaget ökade. med minskningen av dopamin i VMS korrelerade signifikant med eskaleringshastigheten. Administrering av dopaminprekursorn L-DOPA i en dos som fyllde på dopamin-signaleringen i VMS-omvänd eskalering, vilket demonstrerade orsakssambandet mellan minskad dopaminöverföring och överdriven användning av läkemedel. Sammanfattningsvis tillhandahåller dessa data mekanisk och terapeutisk inblick i det alltför stora läkemedelsintaget som uppstår efter långvarig användning.

INLEDNING

Drogmissbruk är nära kopplat till frisättningen av dopamin i striatumet,. Drogenanvändningsrelaterade förändringar i dopamin-neurotransmission varierar dock i varaktighet och subregion-. Långsam ökning av extracellulär koncentration av dopamin i ventromedialstriatum (VMS), stimulerad av många missbruksmedel inklusive kokain, antas återspegla läkemedlets förstärkande egenskaper, eftersom djur reglerar sin hastighet av kokain självadministrering för att upprätthålla en förhöjd nivå av omgivande dopaminkoncentration. Inom VMS har överlappande förmodade roller av dopamin-signalering i kärn- och skalsubregionerna hos nukleinsymbolerna rapporterats men med betoning på skalet för att mediera primär läkemedelsbelöning och kärnan för att fungera som ett substrat för konditionerad förstärkning. Fasisk dopaminfrigöring i kärnkärlkärnans kärna, som varar i några sekunder, är faktiskt betingad för framställning av miljöstimuli som har upprepats ihop med läkemedlet- och kan styra läkemedelssökande och ta. Kodningen av sådana konditionerade stimuli genom dopaminfrisättning återfinns också i sensorimotoriska aspekter av striatumen (dorsolateral striatum, DLS), en striatal subregion som har kopplats till utvecklingen av vanliga och tvångsmässiga läkemedelssökande-. Således anses progressionen av läkemedlet som tar sig bortom rekreationsanvändning att återspegla ingreppet av dopamin-signalering i olika striatala subregioner,, med betoning av skift från limbic (VMS) till sensimotorisk (DLS) striatum under utvecklingen av etablerat drogsökande beteende,. Det är emellertid inte känt huruvida kodning av läkemedelsrelaterade åtgärder eller stimuli genom fasisk dopaminförändring då moderat droguppträdande eskalerar.

Gnagareparadigmer som bedöms som bästa modellerar övergången från måttlig narkotikamissbruk till missbruk använder långvarig tillgång till drogen,, till exempel att utöka tillgången från en (kort åtkomst, ShA) till sex timmar (lång åtkomst, LgA) per dag under en period av veckor. En sådan läkemedels självadministrationsregim kan producera eskalerad och kompulsiv läkemedelssökning, bland andra kardinalsymtom som karakteriserar substansberoende hos människor. Här testade vi hur LgA till kokain påverkar den regionala dynamiken av fasisk dopamin-signalering i striatumen som tidigare karaktäriserades under stabil ShA-drogbruk för att få en bättre förståelse av de neurobiologiska mekanismer som ligger bakom eskalering av narkotikamissbruk.

RESULTAT

Manliga Wistar-råttor med inbyggda intravenösa katetrar utbildades för att själv administrera kokain under dagliga ShA-sessioner och efterföljande förvärv byttes till LgA-sessioner i kamrar utrustade med två näsa-poke-portar. En näshopp i den aktiva hamnen framkallade en infusion av kokain (0.5 mg / kg / infusion) och 20s presentation av en ljustonstimulering på ett fast intervall (FI) 20-schema av förstärkning. Svar i den andra (inaktiva) näsan-poke-porten eller i den aktiva porten under stimulanspresentation (20s time-out) var utan programmerad konsekvens. I rapporteringssyfte hänvisas nosspetsreaktioner i den aktiva porten utanför tidsperioden (dvs. de som framkallar en kokaininfusion) till "aktiva nospokes" och de i den inaktiva porten utanför tidsperioden som "inaktiv" näsa pokes ". Antalet aktiva näskroppar översteg väsentligt inaktiva näspunkar (huvudverkan av näsparkporten: F(1, 23) = 383.226, P <0.001; Fig 1) under varje vecka (P <0.001). Efter bytet från ShA till LgA ökade kokainintaget betydligt över tiden (huvudeffekt i veckan: F(3, 69) = 25.504, P <0.001; Fig 1), som konsekvent rapporteras av många andra.

Figur 1 

Eskalering av läkemedel som tar över veckan

För att bedöma den långsiktiga dynamiken av dopaminöverföring utfördes longitudinella neurokemiska inspelningar samtidigt i kärnan accumbens kärnan i VMS och i DLS vid kroniskt implanterade mikrosensorer med snabb-skanning cyklisk voltammetri (se Kompletterande Fig. 1 för histologisk verifiering av elektrodplacering). I den första veckan av LgA observerades en transient ökning av extracellulär dopaminkoncentration i VMS efter aktiva reaktioner (P <0.001; Fig. 2a). Detta aktiveringsmönster minskade under LgA där dopaminfrisättning under den tredje veckan var signifikant mindre än i den första (P <0.001) och andra (P = 0.030) veckor (huvudsaklig effekt av veckan: F(2,72) = 10.230, P <0.001; Fig. 2b). Phasic dopaminfrisättning i DLS uppstod under den andra veckan (P = 0.006; Fig. 2c) men var frånvarande i den tredje veckan av LgA (huvudverkan av veckan: F(2,51) = 3.474, P = 0.039; aktiv poke × veckans interaktion: F(2,51) = 4.021, P = 0.024; Fig. 2c, d). Dessa data visar att fasiska dopaminsignaler i VMS och DLS uppkommer successivt i olika stadier av läkemedelsupptagning liknande det vi rapporterade för en ShA-regim. Emellertid minskade denna signalering i båda regionerna under LgA, en period över vilken det är känt att farmakokinetiken för intravenöst administrerad kokain inte förändras,.

Figur 2 

Dopamin signalering i VMS och DLS under veckan

För att testa sambandet mellan förlusten av dopamin-signalering och eskalering av läkemedelskonsumtion utnyttjade vi enskilda skillnader i mottaglighet för att eskalera läkemedels-självadministration under LgA-regimen genom att separera djur i två grupper beroende på om de uppvisade signifikant eskalering baserat på linjär regression av läkemedelskonsumtion över LgA-sessioner eller inte (Fig. 3a, b). Validering av denna separering av djur visade att icke eskalerade djur inte visade någon signifikant ökning av aktiva nospokes under tre veckor av LgA (huvudsaklig effekt av veckan: F(2,18) = 0.633, P = 0.542; Fig. 3b, vänster), medan eskalerade råttor ökade deras intag signifikant (huvudverkan av veckan: F(2,26) = 14.826, P <0.001; Fig. 3b, höger; intag × veckans interaktion: F(2,44) = 4.674, P = 0.014) som gör mer aktiva nospokes än icke-eskalerade djur under den tredje LgA-veckan (t(22) = 2.307, P = 0.031; Fig. 3b). I synnerhet uppvisade eskalerade djur en ökad motivation för att erhålla kokain, vilket demonstrerades i en progressiv relation-uppgift (P = 0.028; Kompletterande Fig. 2). I eskalerade råttor var det en signifikant minskning av dopaminutsläpp i VMS (huvudverkan i veckan: F(2,51) = 15.507, P <0.001; Fig. 3c, höger och Kompletterande Fig. 3a). VMS-dopaminfrisättning var dock stabil i icke-eskalerade råttor (huvudverkan i veckan: F(2,18) = 0.057, P = 0.945; Fig. 3c, vänster och Kompletterande Fig. 4a) ger signifikant mer fasisk dopamin under den tredje veckan jämfört med eskalerade råttor (huvudverkan av intaget: F(1,69) = 6.444, P = 0. 013; Fig. 3d, vänster; intag × veckans interaktion: F(1,70) = 4.303, P = 0.042). Denna skillnad i dopaminfrisättning mellan eskalerade och icke-eskalerade råttor var uppenbart under hela sex timmar med självadministrering (t(43) = 2.599, P = 0.013). Viktigt var att denna skillnad inte berodde på en generell minskning av dopaminfunktionen hos eskalerade djur, eftersom dopaminfrisättning efter icke-kontingent, experimentell inducerad infusioner av kokain inte skilde sig mellan icke eskalerade och eskalerade djur (P = 0. 605; Kompletterande Fig. 5a).

Figur 3 

Individuella skillnader i läkemedelsbeteende och striatal dopamin signalering

I motsats till det upprätthållna fasiska dopaminutsläppet i VMS hos icke-eskalerande råttor rapporterade vi tidigare att det fanns en minskning av dopaminfrisättning hos djur som hade genomgått tre veckors begränsad kokainåtkomst (SHA) på endast en timme per dagssession. Därför utförde vi ytterligare analyser på de data som erhållits från dessa ShA-råttor för att möjliggöra en detaljerad karakterisering av förhållandet mellan dopaminfunktion och läkemedelsintag över djur som hade genomgått SjA eller LgA-kokain självadministration. Även om det inte fanns en signifikant eskalering av den genomsnittliga narkotikakonsumtionen över djur under ShA var det individuella skillnader med en delmängd av djur (6 av 16) som uppvisade signifikant eskalering av läkemedelsintag över tre veckor av självklinisk ShA-kokain. Intressant var inte VMS phasic dopamin i den tredje veckan av ShA-kokain självadministration i gruppen av djur som behöll en stabil läkemedelskonsumtion (dvs. uppvisade ingen signifikant eskalering) inte signifikant skillnad från det för icke-eskalerade djur under den tredje veckan av LgA (P = 0.741; Kompletterande Fig. 5b). ShA-djur som eskalerade sitt läkemedelsintag visade lägre doser av läkemedelskonsumtion (32.7 ± 3.9 kontra 43.9 ± 3.1 infusioner under den första timmen, P = 0.017) och mindre dämpad dopaminfrisättning (P = 0.049; Kompletterande Fig. 5b) än djur som eskalerade deras intag under LgA-förhållanden. Icke desto mindre fanns en icke-signifikant trend för minskad VMS dopamin jämfört med deras icke-eskalerande motsvarigheter (P = 0.094) och ingen signifikant interaktion för dopaminfrigöring över tiden mellan ShA och LgA eskalerande råttor (inget intag × regimsinteraktion: F(1,57) = 0.111 P = 0.740; Kompletterande Fig. 5b). Med tanke på dessa individuella skillnader utförde vi regressionsanalys över alla ShA- och LgA-råttorna för att testa för ett direkt samband mellan dopaminnivåer och graden av eskalering och fann signifikant negativ korrelation (ShA och LgA-råttor sammanförda; r = -0.628 , P = 0.005) med största eskalering hos djur som hade det lägsta dopaminfrisättningen under vecka 3 (Fig. 3e, vänster). Därför var dämpning av dopamin-signaleringen i VMS förutsägbar för eskalering av läkemedels-självadministrationsövergripande LgA- och ShA-läkemedelstillträdesregimer. Dessa data lyfter fram att den tyngdiga aspekten som är relaterad till förändringar i dopaminfrisättning är huruvida djur eskalerar eller inte, snarare än den självadministrerade dosen de har utsatts för per se. Likaså finner vi att över alla råttor är eskalering en signifikant förutsägelse för ökad motivation för kokain (P = 0.037, Kompletterande Fig. 6a), men LgA / ShA-regimen är inte, som bedömts i ett progressivt förhållande schema (P = 0.340, Kompletterande Fig. 6b).

I motsats till VMS skiljer sig inte respons-kontingent dopaminfrisättning i DLS mellan eskalerade och icke-eskalerade LgA-djur (huvudverkan av intaget: F(1,48) = 0.472, P = 0. 496; Fig. 3d, höger och Kompletterande figurer 3b och 4b), och det fanns inte heller någon signifikant relation mellan höjningen av eskalering och dopaminfrisättning över djur som genomgick SjA eller LgA-kokain självadministration (r = -0.112, P = 0.649; Fig. 3e, höger). Under det att dopamin i VMS korrelerade med eskalering av läkemedelsupptagning observerades således inte en liknande korrelation i DLS, en hjärnregion som har varit allmänt associerad med förlängd läkemedels självadministration,,,.

Med tanke på denna provocerande korrelation mellan neurokemi och beteende antydde vi att nedgången i fasisk dopamin-signalering var orsak till att åstadkomma eskalering av läkemedelsupptagning, i likhet med ökningen av läkemedelsupptagning som producerats av dopaminreceptorantagonister-, och så återställande det skulle ge upphov till en reversering i eskalering (Fig. 4a). Därför behandlade vi eskalerade djur (P = 0.024; Fig. 4b) med L-DOPA före sessionen börjar öka fasisk dopaminfrisättning. L-DOPA dosberoende (0, 10, 30 och 90 mg / kg intravenöst) minskade kokainintag (huvudverkan av L-DOPA: F(3,53) = 5.053, P = 0.004; Fig. 4b), med 30 mg / kg returintag till den före eskalerade nivån. Viktigt var att dosen 30 mg / kg av L-DOPA var tillräcklig för att fullständigt återställa fasisk dopamin-signalering i VMS (se Kompletterande Fig. 7 för inspelning av sajter) under drogupptagning (F(2,8) = 6.316, P = 0.023; Fig. 4c), en effekt som också observerades under hela sex timmar med självadministrering (F(2,8) = 7.610, P = 0.0141). Således förutspådde mängden av fasisk dopaminfrisättning i VMS mängden läkemedelsintag under en kokain-självadministrationssession (r = -0.525, P = 0.046; Fig. 4d). Denna beteendemässiga effekt av L-DOPA kan inte förklaras av förändringar i det farmakologiska svaret mot kokain, eftersom den långsamma koncentrationen i VMS dopamin efter kontingent läkemedelsinfusion inte förändrades med L-DOPA-behandling och i själva verket skilde sig inte mellan pre- eskalering, eskalering och eskalerade L-DOPA-behandlade tillstånd (F(2,8) = 0.020, P = 0.980; Kompletterande Fig. 8). Vidare observerades effekten av L-DOPA på läkemedelskonsumtion när L-DOPA infusionerades lokalt i VMS (se Kompletterande Fig. 9 för infusionsställen) av eskalerade råttor före en session (t(7) = 6.517, P <0.001; Fig. 4e). Sammantaget visar denna uppsättning studier att en enstaka dos av L-DOPA administrerad före tillgången till läkemedel är effektiv för att återställa dopamin-signaleringen och normaliserande kokainanvändning till det pre-eskalerade tillståndet.

Figur 4 

L-DOPA minskar eskalerat läkemedelsintag genom att fylla på VMS-dopaminfrisättning

Vi testade därefter om användningen av L-DOPA skulle vara effektiv för att minska eskalerad narkotikakonsumtion vid längre doseringsdoser, mer relevant för kliniska tillämpningar. Först genomförde vi experiment som introducerar upprepad infusion av L-DOPA på konsekutiva dagar under induktion av eskalering. Djur utbildades till stabilt självadministrerande kokain och sedan skiftades antingen till LgA eller förblev på ShA under vilken tid de injicerades med L-DOPA (30 mg / kg, intravenös) eller saltlösning före varje session i två veckor (Fig. 5a). L-DOPA signifikant påverkat läkemedelsintag på ett regimspecifikt sätt (huvudverkan av behandlingen: F(1,53) = 9.297, P = 0.004; huvudverkan av regimen: F(1,53) = 5.968, P = 0.018; Fig. 5a) med minskat kokainintag i LgA-djur (P = 0.004), men inte ShA-djur (P = 0.170; Fig. 5a) och utan effekt på inaktiva näsa pokes (LgA, P = 0.202; Sha, P = 0.101; data ej visad). Därför var L-DOPA-behandlingen effektiv för att förhindra eskalering av läkemedelskonsumtion under LgA. Vid behandlingen avbröts emellertid denna effekt inte (P = 0.789; Fig. 5a). För det andra administrerade vi upprepade gånger L-DOPA på konsekutiva dagar hos djur med etablerad eskalerad läkemedelskonsumtion. Djur utbildades till stabilt själv administrerande kokain och därefter skiftades antingen till LgA eller förblev på ShA i tre veckor. Dessa djur behandlades sedan med L-DOPA eller saltlösning före självbehandlingstimmar under den tredje veckan (Fig. 5b). LgA-utbildade djur uppvisade en signifikant ökning av kokainanvändningen under de första två veckorna jämfört med ShA-utbildade djur (huvudverkan av regimen: F(1,51) = 15.706, P <0.001; data visas inte). L-DOPA-behandling gav en regimspecifik effekt (huvudeffekt av behandlingen: F(1,51) = 5.303, P = 0.025; huvudverkan av regimen: F(1,51) = 11.884, P = 0.001; Fig. 5b), minskande kokainintag i LgA-djur (P = 0.048), men inte ShA-djur (P = 0.210; Fig. 5b) utan att åstadkomma inaktiv respons (LgA, P = 0.641; Sha, P = 0.664). Betydligt var skillnadseffekten av L-DOPA på aktiva nospokes mer robust när djuren gruppades i eskalerade och icke-eskalerade, i stället för ShA och LgA (eskalerade djur, P = 0.005; icke eskalerade djur, P = 0.421; Fig. 5c), vilket indikerar att L-DOPA reducerat eskalerat kokainintag i stället för att påverka läkemedelsförbrukningen per se, en interaktion som utvecklats över dagar (intag × behandling (dag 1) interaktion: F(1,51) = 0.562, P = 0.457; men intag × behandling (dag 5) interaktion: F(1,51) = 4.091, P = 0.048). Viktigt är att dessa skillnader mellan eskalerade och icke eskalerade delpopulationer samt de-eskalerande effekterna av akut och kroniskt administrerad L-DOPA också observeras under alla sex timmar av självadministrering (Kompletterande Fig. 10). Tillsammans visar dessa fynd att fasisk dopaminfrisättning minskar hos djur som eskalerar deras kokainintag och återställer det med upprepad administrering av dopaminprekursorn, L-DOPA, förhindrar och reverserar denna eskalering, vilket visar att minskad dopamindrivning eskalering av självbehandling av läkemedel.

Figur 5 

L-DOPA förhindrar och reverserar upptrappningen av läkemedelsintag

DISKUSSION

I den föreliggande studien undersökte vi fasisk dopaminfrisättning i VMS och DLS under eskalering av läkemedelsintag, ett fenomen som modellerar ett centralt diagnostiskt kriterium för narkotikamissbruk,. Våra resultat visar att eskalering är förknippad med minskad dopamin-signalering i både VMS och DLS, med minskningen av dopamin i VMS signifikant korrelerad med eskaleringshastigheten. Denna effekt verkar vara selektiv för fasisk dopamin, eftersom jämförbara förändringar inte observerades i tonisk dopamin i den aktuella studien, i tidigare arbete med samma behandling hos råttor eller relaterade självadministrationsparadigmer i icke-mänskliga primater,. Det har förekommit ett antal rapporter om minskad fasisk dopaminfunktion vid läkemedelsuttag (testad mellan 18 timmar och sju dagar från den sista självadministrationssessionen) som är förknippad med minskad känslighet mot kokain-. Medan vi observerade en liknande minskning av dopaminreaktionen mot kokain mellan ShA och LgA-råttor (Kompletterande Fig. 5a) verkar denna effekt inte vara relevant för eskalering, eftersom det neurokemiska svaret mot icke-kontingent kokain inte skiljer sig mellan råttor som eskalerade och de som inte gjorde (inget intag × regimens interaktion: F(1,34) = 1.964 P = 0.170; Kompletterande Fig. 5a). På samma sätt skiljer sig inte peak mellan tonisk dopaminkoncentration upp till 90 sekunder efter kontingent kokain, förmodligen på grund av farmakologiska verkningar av kokain, mellan det före eskalerade och eskalerade tillståndet inom samma djur (Kompletterande Fig. 8). Således var den enda aspekten av dopaminöverföring som vi observerade vilken förutspådd eskalering av läkemedelsintag det fasiska svaret som inträffade omedelbart efter en aktiv näshoppning, vilket är ett konditionerat svar framför allt med läkemedelsrelaterade signaler,,. Detta neurokemiska svar minskade hos djur som eskalerade sitt läkemedelsintag, vilket påminner om en normal inlärningsprocess där dopaminfrisättning i VMS framkallad av en belöningsrelaterad stimulans minskar, eftersom den stimulansen blir temporärt förutspådd,. Dämpningen av dopaminfrisättning under självadministrering sker emellertid mycket senare i inlärningsprocessen än vad som förväntas för beredskapsinlärning, långt efter förvärvet av etablerat läkemedelsupptagande. Dessutom sker inte dämpning av fasisk dopaminfrisättning hos djur som inte eskalerar deras läkemedelsintag, trots att dessa djur uppvisar asymptotiskt diskriminerande instrumentalt beteende.

I synnerhet förefaller våra observationer av minskande dopaminfrisättning som läkemedelsanvändning förefaller vara i strid med flera nutida teorier om beroende. Teorier som fokuserar på läkemedelsinducerade stimulansprocesser sensibiliserar processer postulera ökad reaktivitet hos VMS dopamin-systemet vid upprepad exponering för missbrukande läkemedel som medger ett sensibiliserat svar på läkemedels- och cueexponering, ett fenomen som är specifikt robust efter LgA. Konceptualiseringar om rollen av avvikande lärande och vanaformning vid narkotikamissbruk tyder på att framväxande dopamin-signalering i DLS tar alltmer kontroll över läkemedelssökande,,. Vidare implicerar framträdande beräkningsmodeller av missbruk specifikt ökad dopamin-signalering till läkemedelsrelaterade signaler som drivkraft mot missbruk,. Omvänt verkar våra resultat överensstämma med dopaminutsläppshypotesen om beroende, föreslagna av Dackis och Gold, och relaterade motståndsprocessteorier som betonar drogmissbruk-inducerad undertryckning av belöningsrelaterade processer. Sådan undertryckning har antagits för att orsaka kompensatorisk självreglering av läkemedelsanvändning för att upprätthålla en föredragen nivå av läkemedelsförgiftning. Specifikt kompenserar människor och djur för sänkta enhetsdoser av kokain med ökad respons,. Denna process regleras av dopaminöverföring i VMS och följaktligen ger sänkning av dopaminöverföring (t.ex. genom dopaminreceptorantagonism) en ökning av läkemedelsförbrukningen,. Därför kan minskningen av dopamin-signalering som vi observerade under LgA stimulera kompensatorisk uppreglering av läkemedelsintag för att uppnå den föredragna nivån av berusning. Till stöd för denna hypotes var minskningen av dopamin i VMS mest uttalad hos djur som uppvisade större eskalering av läkemedelsupptagning.

Således motiverade vi att återställande av dopaminöverföring skulle dämpa eskalering. Faktum är att L-DOPA-administreringen var effektiv vid både förebyggande och reversering av eskalering av läkemedelsintag. I synnerhet utlevde effekterna av L-DOPA på läkemedelsanvändning inte efter avslutad behandling, vilket tyder på att det inte hindrade den underliggande neuroadaptationen. Därför indikerar våra data att eskalering medieras av en process som uppenbaras genom en minskning av fasisk dopamin under läkemedelsupptagning. Dessa fynd ger mekanisk information om användningen av L-DOPA vid den kliniska behandlingen av psykostimulantmissbruk, en strategi som har haft några lovande men totalt blandade resultat i ett litet antal kliniska prövningar nyligen. Närmare bestämt, eftersom L-DOPA reducerade eskalerad drogbruk utan att producera abstinens, föreslår vi att den är bättre lämpad för att minska risker och särskilt tillåter missbrukare att återfå en viss kontroll över deras narkotikabruk när de går in i beteendeterapi. Sammantaget visar våra resultat en minskning av fasisk dopaminfrigöring som sker under långvarig drogåtkomst vilket medger övergången från rekreations- till okontrollerad drogbruk.

Metoder

djur

Vuxna manliga Wistar-råttor från Charles River (Hollister, CA, USA) som väger mellan 300g och 400g hölls individuellt och hölls på en 12-h ljus / 12-h mörkcykel (lyser vid 0700) med reglerad temperatur och fuktighet med mat och Vatten tillgängligt ad libitum. All djuranvändning godkändes av University of Washington Institutionella djurvård och användningskommitté, och kirurgiska ingrepp utfördes under aseptiska förhållanden. För voltammetriska experimenten hade 50-djur genomgått operation, varav 29 upprätthöll kateterpatensen under experimenten, hade åtminstone en funktionell och histologiskt verifierad elektrod och passerade beteendekriterier (se nedan). För det farmakologiska experimentet, 28 av 32-råttor som genomgick kateterimplantation, upprätthöll intravenös kateter patency och användes i studien. Djur kontraherades i experimentella grupper baserat på deras självadministrationshastighet under ShA-för-experimentell träning. Provstorlekar är liknande de som rapporterats i tidigare publikationer.

Stereotaxisk kirurgi

Råttor bedövades med isofluran, placerad i en stereotaxisk ram, administrerad med den icke-steroida antiinflammatoriska karprofen (5 mg / kg, subkutant) och placerades på en isotermisk dyna för att upprätthålla kroppstemperatur. Hårbotten tvättades med alkohol och betadin, badades med en blandning av lidokain (0.5 mg / kg) och bupivakain (0.5 mg / kg) och skärades för att exponera kraniet. Hål borras i kraniet och dura mater rensades för inriktning av DLS (1.2-mm anterior, 3.1-mm lateral och 4.8-mm ventral till Bregma) och kärnan accumbens kärnan i VMS (1.3-mm anterior, 1.3-mm lateral och 7.2-mm ventral till Bregma). En kolfiber mikroelektrode tillverkad internt placerades i VMS och en annan i DLS, och en Ag / AgCl-referenselektrod implanterades i en separat del av förekomsten. I en annan uppsättning djur, var kanyler (26 gauge, Plastics One, Roanoke, VA, USA), occluderad med "dummy" kanyler av samma längd, implanteras bilateralt för att rikta sig mot VMS. Elektroder och styrkanyler fästes med kranioplastisk cement förankrad i kraniet med skruvar. Efter operationen administrerades råttor med den långverkande, icke-steroida antiinflammatoriska karprofen (5 mg / kg, subkutant) och placerades på en isotermisk vadd för att upprätthålla kroppstemperaturen tills ambulerande. Alla djur implanterades med intravenösa katetrar under en separat operation en vecka senare.

Implantering av intravenösa katetrar

Råttor bedövades med isofluran, administrerades med den icke-steroida antiinflammatoriska karprofen (5 mg / kg, subkutant) och placerades på en isotermisk dyna för att bibehålla kroppstemperaturen. Katetrar gjordes av silastiska slangar med en ytterdiameter på 0.6 mm och fästes vid ett "nav" i ena änden (distalt mot veninsättning, Plastics One, VA, USA) för anslutning till en infusionspump. Katetrar trycktes subkutant genom ett snitt på baksidan mellan axlarna och framsidan av kroppen och förankrades i den högra halsvenen med hjälp av en kiselgummipärla nära kateterns proximala ände. Optimal positionering av katetern verifierades genom att dra blod in i den med undertryck. Navet fästes sedan med en bit teflonnät som syddes till omgivande vävnad och snitten stängdes och lämnade navet utskjutande från råttans rygg. Katetern spolades sedan med en heparinlösning (80 U / ml i saltlösning) och fylldes med en viskös lösning av polyvinylpyrolidon (PVP) och heparin (1000 U / ml). Kateternavet var täckt med en kort, krympt bit polyetenrör och PVP-lösningen förblev i katetern för att säkerställa öppenhet. Efter operation fick råttor återhämta sig i minst fem dagar.

Kokain självadministration

Självadministrationssessioner genomfördes mellan 0900 och 1700 hr. Råttor lärde sig att självadministrera kokain (Sigma, St. Louis, MO, USA) i en modulär operantkammare (Med Associates, VT, USA) utrustad med två nosspetsresponsapparater (port med integrerade ledljus) belägna på intilliggande paneler av samma vägg, ett husljus och högtalare för att ge rena toner och vita ljudstimuli. Operantkammaren var inrymd i en ljuddämpad ytterkammare. Råttor (3-4 månader gamla) utbildades för att erhålla kokain efter ett operant svar på FI20 förstärkning schema. Näspokning i den aktiva hamnen (sidobalans mellan djur) resulterade i en omedelbar intravenös infusion av kokain (0.5 mg / kg över ungefär tio sekunder) parat med en 20-sekunders presentation av en audiovisuell stimulans (belysning av ljuset i näsan poke port och tone, konditionerad stimulans, CS). Under CS-presentation infördes en 20-andra time-out under vilken näspackning inte resulterade i ytterligare läkemedelsinfusion eller andra programmerade konsekvenser. Läkemedels tillgänglighet under sessionen var signifikant av vitt brus och belysning av husljuset. För kontroll av responsspecificitet övervakades näspackning av den andra (inaktiva) porten men förstärktes aldrig. Efter pre-träningssessioner med ett kriterium om fem eller flera aktiva reaktioner per session på två på varandra följande sessioner för inkludering i studien fick råttor daglig tillgång till kokain i en timme per dag (kort åtkomst, ShA) i en vecka och därefter sex timmar per dag (lång tillgång, LgA) i tre veckor (fem dagar per vecka). Antalet sessioner för att nå kriteriet varierade mellan djur från två till fem sessioner. Beteende resultat från en tidigare rapporterad kontrollgrupp användes som utgångspunkt för att jämföra beteendedata från råttor som genomgick LgA-kokain självadministration till råttor som utbildades under en ShA-regim på lika många dagar.

Efter de tre ShA- eller LgA-veckorna med FI20-kokain självadministrering genomgick en delmängd av råttor progressiv förhållandestestning. Dessa sessioner var identiska med FI20-sessioner, förutom att djur var skyldiga att utföra ett ökande antal operant svar för successiva infusioner av kokain under denna session. Operantkravet vid varje försök (T) var det avrundade heltalet av 1.4(T - 1) hävstångspressar, startar vid 1-hävstångspress (det vill säga 1, 1, 1, 2, 3, 5, 7, 10, 14, 20, 28, 40, 56, 79, 111, 155, 217, 304, 426) . Det här arbetskravet blir så högt att djur slutar reagera och når en "brytpunkt". Brytpunkten definierades operativt som det totala antalet infusioner som uppnåddes före en trettio minutersperiod under vilken inga infusioner erhölls.

L-DOPA / Benserazid administrering

L-DOPA (L-3,4-dihydroxifenylalanin) ges i kombination med den periferiskt verkande DOPA-dekarboxylasinhibitoren Benserazid för att minska perifer nedbrytning av L-DOPA (både från Sigma, St. Louis, MO, USA). Båda läkemedlen löstes i saltlösning och infuerades intravenöst i en volym av 1 ml / kg kroppsvikt. L-DOPA administrerades 30 minuter före sessionsstart vid 0, 10, 30 eller 90 mg / kg, medan Benserazide gavs konsekvent vid 2 mg / kg oberoende av administrerad L-DOPA-dos. I en första uppsättning studier (dosrespons) behandlades råttor med L-DOPA på en enda dag (Fig 4). Ingen av de använda L-DOPA-doserna hämmade generell prestation eller orsakade dyskinesi. För att undvika potentiellt störande effekter av upprepad administrering av L-DOPA, utbildades råttor utan L-DOPA-behandling efter "L-DOPA-sessioner". I en andra uppsättning studier behandlades djur med dessa L-DOPA före varje självadministrationssession i en period av upp till två veckor (Fig 5). I en tredje uppsättning studier uppvisade effekterna av bilateral infusion av L-DOPA (25-50 μg upplöst i 0.5 μl ACSF i varje halvklot, 0.25 μl / min, Sigma, St. Louis, MO, USA) och ACSF i VMS om drogupptagande beteende undersöktes. Vid infusionsdagar ersattes dummykanylen med en 33-gauge infusionskanyl som protruderade 1.0 mm bortom styrkanylen. Infusioner gavs tio minuter före sessionstart. Efter infusionen lämnades kanylerna på plats i två minuter före avlägsnande för att tillåta diffusion av läkemedlet.

Voltammetrisk mätning och analys

För dopamindetektion genom snabbskanning av cyklisk voltammetri under försökssessioner (inspelningar som genomfördes under två sessioner per vecka) kopplades kroniskt implanterade kolfiber-mikrosensorer till en huvudmonterad voltammetrisk förstärkare, som var ansluten till ett PC-driven datainsamlings- och analyssystem (National Instruments, TX, USA) genom en elektrisk svivel (Med Associates, VT, USA) som monterades ovanför testkammaren. Voltammetriska skanningar upprepades varje 100 ms för att uppnå en samplingshastighet av 10 Hz. Under varje voltammetrisk avsökning raderades potentialen vid kolfiberelektroden linjärt från -0.4 V mot Ag / AgCl till + 1.3 V (anodisk svep) och tillbaka (katodisk svep) vid 400 V / s (8.5-ms total skanningstid ) och hålls vid -0.4 V mellan scanningar. När dopamin föreligger vid elektrodens yta oxideras den under det anodiska svepet för att bilda dopamin-o-kinon (toppreaktion detekterad vid approximativt + 0.7 V), som reduceras tillbaka till dopamin i katodisk svep (toppreaktion detekterad vid ungefär -0.3 V). Det efterföljande flödet av elektroner mäts som ström och är direkt proportionellt mot antalet molekyler som genomgår elektrolys. Voltammetrisk data blev bandpassad filtrerad vid 0.025-2,000 Hz. Den bakgrundsavdragna, tidsupplöst strömmen som erhölls från varje skanning gav en kemisk signaturkarakteristik av analyten, vilket möjliggjorde upplösning av dopamin från andra substanser. Dopamin isolerades från den voltammetriska signalen genom kemometrisk analys med användning av en standard träningsuppsättning baserad på elektriskt stimulerad dopaminfrisättning detekterad av kroniskt implanterade elektroder. Dopaminkoncentrationen uppskattades baserat på elektrodens genomsnittliga postimplantationskänslighet. Före analys av genomsnittskoncentrationen jämnades alla data med en 5-punkt inom provkörningsgenomsnittet. Koncentrationen av dopamin var i genomsnitt över sju sekunder (ungefärlig varaktighet av den observerade fasiska signalen) efter operant svaret (post-respons) eller icke-kontingent presentation av CS och jämfördes med den genomsnittliga koncentrationen under de två sekunderna före operanten svar (baslinje). KS presenterades icke-kontingent under varje inspelningssession som genomfördes under andra och tredje veckan (två gånger per session för 20 sekunder vardera) men inte under den första veckan för att undvika störningar i den associativa konditioneringen mellan läkemedelsleverans och kön under en period där denna förening antagligen fortfarande utvecklades.

Statistisk analys

Individuella elektrokemiska signaler var medelvärde över självadministrationssessionen, och sedan över djur och veckor, för att öka statistisk kraft. Signaler jämfördes med multivariate ANOVAs med respons, hjärnområde, kokainintag och vecka som faktorer. För jämförelse med elektrokemiska data inleddes även beteendedata i veckor. För L-DOPA-experiment analyserades beteendedata (medeltal över dagar om de administrerades på varandra följande dagar) av en respektive läkemedelsbehandling (ingen behandling, L-DOPA-dos eller vehikel) med användning av multivariata ANOVAs med läkemedelsbehandling, träningsplan, kokainintag, och veckan som faktorer. Vid signifikanta huvudverkningar eller interaktioner genomfördes posthoc-analyser och P värdena justerades enligt Holm-Bonferroni-korrigeringsmetoden för multipel testning. Tomter gjordes med användning av Prism (GraphPad Software, La Jolla, CA, USA). Statistiska analyser utfördes med användning av SPSS, version 17.0 (Chicago, IL, USA) och Prism. Data är lämpliga för parametrisk statistisk analys. Datainsamling och analys utfördes inte blinda för villkoren för experimenten.

Histologisk verifiering av inspelningsställen

Efter avslutad experiment bedövades djuren med en intraperitoneal injektion av ketamin (100 mg / kg) och xylazin (20 mg / kg). Hos djur med elektrodimplantat märktes registreringsställen med en elektrolytisk lesion (300 V) före transkardiell perfusion med saltlösning följt av 4% -paraformaldehyd. Hjärnor avlägsnades och eftermonterades i paraformaldehyd i tjugofyra timmar och frystes sedan snabbt i ett isopentanbad, skivades på en kryostat (50-im koronala sektioner, -20 ° C) och färgades med cresylviolett för att underlätta visualisering av anatomiska strukturer och de elektrod-inducerade lesions- eller infusionsställena.

Erkännanden

Vi tackar Scott Ng-Evans, Christina Akers Sanford, Chad Zietz, Nicole Murray och Daniel Hadidi för teknisk support, och Monica Arnold och Jeremy Clark för användbar feedback. Detta arbete stöddes av den tyska forskningsstiftelsen (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG) Grant WI 3643 / 1-1 (IW), utmärkelser från Alkohol- och droginstitutet (PEMP) och Provost vid University of Washington (PEMP) och nationella institut av hälsotillskott T32-DA027858 (LMB), F32-DA033004 (PAG), P01-DA015916 (PEMP), R21-DA021793 (PEMP) och R01-DA027858 (PEMP).

fotnoter

Författarbidrag

IW och PEMP utformade forskning, IW, LMB och PAG utförde forskning, och IW analyserade data; IW och PEMP skrev papperet.

 

upphovsmän

Författarna förklarar ingen intressekonflikt.

 

referenser

1. Everitt BJ, Robbins TW. Neurala system för förstärkning av narkotikamissbruk: från handlingar till vanor till tvång. Naturnervetenskap. 2005; 8: 1481-1489. [PubMed]
2. Di Chiara G, Bassareo V. Belöningssystem och beroende: vad dopamin gör och inte gör. Nuvarande åsikt inom farmakologi. 2007; 7: 69–76. [PubMed]
3. Di Chiara G. Nucleus accumbens skal och kärndopamin: differentiell roll i beteende och beroende. Behavioral brain research. 2002; 137: 75-114. [PubMed]
4. Ito R, Dalley JW, Howes SR, Robbins TW, Everitt BJ. Dissociation i konditionerat dopaminfrisättning i kärnan accumbens kärna och skal som svar på kokain cues och under kokain-sökande beteende hos råttor. J Neurosci. 2000; 20: 7489-7495. [PubMed]
5. Ito R, Dalley JW, Robbins TW, Everitt BJ. Dopaminfrisättning i dorsalstriatum under kokainsökande beteende under kontroll av en läkemedelsrelaterad cue. Journal of neuroscience: den officiella tidningen för Society for Neuroscience. 2002; 22: 6247-6253. [PubMed]
6. Di Chiara G, Imperato A. Läkemedel som missbrukas av människor ökar synaptiska dopaminkoncentrationer i mesolimbic-systemet med fritt rörliga råttor. Förhandlingar vid National Academy of Sciences i USA. 1988; 85: 5274-5278. [PMC gratis artikel] [PubMed]
7. Wise RA, Bozarth MA. En psykomotorisk stimulans teori om beroende. Psykologisk granskning. 1987; 94: 469-492. [PubMed]
8. Wise RA, et al. Fluktuationer i kärnan leder till dopaminkoncentration under intravenös kokain självadministration hos råttor. Psychopharmacology. 1995; 120: 10-20. [PubMed]
9. Phillips PEM, Stuber GD, Heien ML, Wightman RM, Carelli RM. Subsecond dopaminfrisättning främjar kokainsökande. Natur. 2003; 422: 614-618. [PubMed]
10. Stuber GD, Roitman MF, Phillips PEM, Carelli RM, Wightman RM. Rapid dopamin signalering i kärnan accumbens under kontingent och noncontingent kokain administrering. Neuropsychopharmacology. 2005; 30: 853-863. [PubMed]
11. Stuber GD, Wightman RM, Carelli RM. Utrotning av kokain självadministration avslöjar funktionellt och temporärt tydliga dopaminerga signaler i nukleinsymbolerna. Nervcell. 2005; 46: 661-669. [PubMed]
12. Owesson-White CA, et al. Neural kodning av kokain-sökande beteende är sammantaget med fasisk dopaminfrisättning i accumbens kärnan och skalet. Eur J Neurosci. 2009; 30: 1117-1127. [PMC gratis artikel] [PubMed]
13. Willuhn I, Burgeno LM, Everitt BJ, Phillips PEM. Hierarkisk rekrytering av fasisk dopamin signalering i striatumen under framsteg av kokainanvändning. Förhandlingar vid National Academy of Sciences i USA. 2012; 109: 20703-20708. [PMC gratis artikel] [PubMed]
14. Vit NM. Addictive Drugs som förstärkare: flera partiella åtgärder på minnesystem. Missbruk. 1996; 91: 921-949. diskussion 951-965. [PubMed]
15. Robbins TW, Everitt BJ. Narkotikamissbruk: dåliga vanor lägger till. Natur. 1999; 398: 567-570. [PubMed]
16. Berke JD, Hyman SE. Addiction, dopamin och de molekylära mekanismerna i minnet. Nervcell. 2000; 25: 515-532. [PubMed]
17. Kalivas PW, Volkow ND. Den neurala grunden för missbruk: en patologi av motivation och val. Den amerikanska journalen för psykiatri. 2005; 162: 1403-1413. [PubMed]
18. Porrino LJ, Smith HR, Nader MA, Beveridge TJ. Effekterna av kokain: ett skiftande mål under missbruket. Framsteg inom neuro-psykofarmakologi och biologisk psykiatri. 2007; 31: 1593–1600. [PMC gratis artikel] [PubMed]
19. Deroche-Gamonet V, Belin D, Piazza PV. Bevis för beroendeframkallande beteende hos råtta. Vetenskap. 2004; 305: 1014-1017. [PubMed]
20. Vanderschuren LJ, Everitt BJ. Drogsökande blir tvångsmässigt efter långvarig kokain självadministration. Vetenskap. 2004; 305: 1017-1019. [PubMed]
21. Ahmed SH, Koob GF. Övergång från måttligt till alltför stort läkemedelsintag: förändring i hedonisk börvärde. Vetenskap. 1998; 282: 298-300. [PubMed]
22. Jonkman S, Pelloux Y, Everitt BJ. Drogintag är tillräcklig, men konditionering är inte nödvändig för uppkomsten av tvångsmakokain som söker efter utökad självadministration. Neuropsychopharmacology. 2012; 37: 1612-1619. [PMC gratis artikel] [PubMed]
23. DSM-IV-TR. Diagnostisk och Statisiskt Manual av Mentalsjukdomar. Vol. IV. American Psychiatric Association; 2000.
24. Zernig G, et al. Förklara eskalering av narkotikamissbruk i ämnesberoende: modeller och lämpliga djurlaboratorietester. Farmakologi. 2007; 80: 65-119. [PubMed]
25. Clark JJ, et al. Kroniska mikrosensorer för longitudinell, sekundär dopamindetektering hos beteende djur. Naturmetoder. 2010; 7: 126-129. [PMC gratis artikel] [PubMed]
26. Pan HT, Menacherry S, Justice JB., Jr Skillnader i farmakokinetiken för kokain hos naiva och kokainerfarna råttor. Journal of neurochemistry. 1991; 56: 1299-1306. [PubMed]
27. Ahmed SH, Lin D, Koob GF, Parsons LH. Eskalering av kokain självadministration beror inte på förändrad kokain-inducerad kärnans accumbens dopaminnivåer. Journal of neurochemistry. 2003; 86: 102-113. [PubMed]
28. De Wit H, Wise RA. Blockering av kokainförstärkning hos råttor med dopaminreceptor blockerare pimozid, men inte med noradrenerga blockerare phentolamin eller fenoxibensamin. Kanadensisk journal för psykologi. 1977; 31: 195-203. [PubMed]
29. Ettenberg A, Pettit HO, Bloom FE, Koob GF. Heroin och kokain intravenös självadministration hos råttor: förmedling genom separata neurala system. Psychopharmacology. 1982; 78: 204-209. [PubMed]
30. Robledo P, Maldonado-Lopez R, Koob GF. Rollen av dopaminreceptorer i kärnan accumbens i de givande egenskaperna hos kokain. Annaler från New York Academy of Sciences. 1992; 654: 509-512. [PubMed]
31. Wightman RM, et al. Realtids karaktärisering av dopaminflöde och upptag i råtta striatum. Neuroscience. 1988; 25: 513-523. [PubMed]
32. Bradberry CW. Akut och kronisk dopamindynamik i en icke-human primatmodell av rekreationskokainbruk. J Neurosci. 2000; 20: 7109-7115. [PubMed]
33. Kirkland Henry P, Davis M, Howell LL. Effekter av kokain självadministrationshistoria under begränsade och förlängda tillträdesförhållanden på in vivo striataldopaminneurokemi och akustisk start i rhesusapa. Psychopharmacology. 2009; 205: 237-247. [PMC gratis artikel] [PubMed]
34. Mateo Y, Lack CM, Morgan D, Roberts DC, Jones SR. Minskad dopaminterminalfunktion och okänslighet mot kokain efter kokain binge självadministration och deprivation. Neuropsychopharmacology. 2005; 30: 1455-1463. [PubMed]
35. Ferris MJ, et al. Kokain självadministration ger farmakodynamisk tolerans: differentiella effekter på styrkan hos dopamintransportblockerare, frisättare och metylfenidat. Neuropsychopharmacology. 2012; 37: 1708-1716. [PMC gratis artikel] [PubMed]
36. Calipari ES, et al. Melfenidat och kokain självadministration ger tydliga dopaminterminala förändringar. Addiction biologi. 2012 [PMC gratis artikel] [PubMed]
37. Calipari ES, Ferris MJ, Zimmer BA, Roberts DC, Jones SR. Temporalt mönster av kokainintag bestämmer tolerans mot sensibilisering av kokaineffekter hos dopamintransporteren. Neuropsychopharmacology. 2013; 38 [PMC gratis artikel] [PubMed]
38. Schultz W, Dayan P, Montague PR. Ett neuralt substrat av förutsägelse och belöning. Vetenskap. 1997; 275: 1593-1599. [PubMed]
39. Clark JJ, Collins AL, Sanford CA, Phillips PEM. Dopaminkodning av Pavlovian stimulans stimuli minskar med utökad träning. J Neurosci. 2013; 33: 3526-3532. [PMC gratis artikel] [PubMed]
40. Robinson TE, Berridge KC. Den neurala grunden för läkemedelsbehov: En incitament-sensibiliseringsteori av beroende. Hjärnforskning. Brain forskning recensioner. 1993; 18: 247-291. [PubMed]
41. Ferrario CR, et al. Neurala och beteendemässiga plasticitet i samband med övergången från kontrollerad till eskalerad kokainanvändning. Biologisk psykiatri. 2005; 58: 751-759. [PubMed]
42. Redish AD. Addiction som en beräkningsprocess gick fel. Vetenskap. 2004; 306: 1944-1947. [PubMed]
43. Keramati M, Gutkin B. Obalanserad beslutshierarki hos missbrukare som kommer från dopamin-körd dopamin spiral krets. PloS one. 2013; 8: e61489. [PMC gratis artikel] [PubMed]
44. Dackis CA, Gold MS. Nya koncept i kokainberoende: dopaminutarmningshypotesen. Neurovetenskap och biobehavioral recensioner. 1985; 9: 469-477. [PubMed]
45. Lynch WJ, et al. Ett paradigm för att undersöka reglering av kokain självadministration hos humana kokainanvändare: en randomiserad studie. Psychopharmacology. 2006; 185: 306-314. [PubMed]
46. Pickens R, Thompson T. Kokainförstärkt beteende hos råttor: effekter av förstärkningsstorlek och fast förhållandestorlek. Journal of Pharmacology och experimentell terapi. 1968; 161: 122-129. [PubMed]
47. Mariani JJ, Levin FR. Psykostimulerande behandling av kokainberoende. De psykiatriska klinikerna i Nordamerika. 2012; 35: 425-439. [PMC gratis artikel] [PubMed]