Intag av sackaros inducerar snabb AMPA-receptorhandel (2013)

J Neurosci. Författarens manuskript; tillgänglig i PMC Oct 3, 2013.
Publicerad i slutredigerad form som:
Förläggarens slutredigerade version av den här artikeln finns gratis på J Neurosci
Se andra artiklar i PMC som citerar den publicerade artikeln.

Abstrakt

Mekanismerna genom vilka naturliga belöningar som socker påverkar synaptisk överföring och beteende är till stor del outforskade. Här undersöker vi reglering av nucleus accumbens synapser genom sackarosintag. Tidigare studier har visat att AMPA-receptorhandel är en viktig mekanism för att reglera synaptisk styrka, och det vitro, sker handel med AMPA-receptorer innehållande GluA1-subenheten genom en tvåstegsmekanism som involverar extrasynaptisk och sedan synaptisk receptortransport. Vi rapporterar att upprepade dagliga intag av en 25 % sackaroslösning hos råtta övergående förhöjda spontana rörelser och potentierade accumbens kärnsynapser genom inkorporering av Ca2+-permeabla AMPA-receptorer (CPAR), som är GluA1-innehållande, GluA2-saknade AMPA-receptorer. Elektrofysiologiska, biokemiska och kvantitativa elektronmikroskopstudier avslöjade att sackarosträning (7 dagar) inducerade en stabil (>24 timmar) intraspinös GluA1-population, och att hos dessa råttor ökade en enstaka sackarosstimulus snabbt (5 min) men övergående (<24 timmar) GluA1 på extrasynaptiska platser. CPAR och dopamin D1-receptorer krävdes in vivo för förhöjd rörelse efter sackarosintag. Signifikant är att ett 7-dagarsprotokoll med dagligt intag av en 3% lösning av sackarin, ett kalorifritt sötningsmedel, inducerade synaptisk GluA1 på samma sätt som 25% sackarosintag. TDessa fynd identifierar flerstegshandel med GluA1, som tidigare beskrivits vitro, som en mekanism för akut reglering av synaptisk överföring in vivo- genom en naturlig orosensorisk belöning. Trafficking stimuleras av en kemosensorisk väg som inte är beroende av kalorivärdet av sackaros.

Beskrivning

Överkonsumtion av sackaros är ett betydande folkhälsoproblem (Hu och Malik, 2010), men mekanismerna genom vilka naturliga, orosensoriska belöningar som sackaros reglerar synaptisk överföring för att påverka beteende är inte kända. Synaptisk plasticitet i nucleus accumbens, en integrerad komponent i hjärnans belöningskretsar (Sesack and Grace, 2010), bidrar till många former av motiverat beteende, inklusive belöningsinlärning (Day och Carelli, 2007), svar på social stress (LaPlant et al., 2010), och beroendepatologier (Luscher och Malenka, 2011). Upprepad kokainexponering orsakar synaptisk plasticitet i nervcellerna i ackumulatorn och det ventrala tegmentala området (VTA) (Brebner et al., 2005; Grueter et al., 2010; Mameli et al., 2009; Pascoli et al., 2012; Thomas et al., 2001; Ungless et al., 2001). Efter självadministrering av kokain med utökad tillgång följt av förlängt uttag, förstärks synapser genom inkorporering av Ca2+-permeabla, GluA2-saknade glutamatreceptorer av AMPA-typ (CPAR), vars signalering förmedlar inkubation av kokainbegär (Conrad et al., 2008; McCutcheon et al., 2011a). I likhet med kokain, höjer munsensoriska belöningar som sackaros kraftigt accumbens dopamin (Smith, 2004), men orosensorisk belöningsinduktion av accumbens plasticitet har inte undersökts.

AMPA-receptorer (AMPAR) är primära mediatorer av excitatorisk överföring av centrala nervsystemet, och deras trafficking bidrar till olika neurala processer, inklusive inlärning och minne (Nedelescu et al., 2010; Rumpel et al., 2005; Whitlock et al., 2006). AMPAR består av fyra olika subenheter, GluA1-4. GluA2-innehållande AMPAR är Ca2+-ogenomtränglig och trafikerar konstitutivt till synapser, medan GluA2-lösa receptorer (CPAR), som huvudsakligen är GluA1-homomerer, leder Ca.2+ och uppvisa inåtriktad rättelse. GluA1 genomgår aktivitetsberoende synaptisk trafik genom en tvåstegsväg där Ser 845-fosforylering av cAMP-beroende proteinkinas (PKA) och cGMP-beroende proteinkinas II (cGKII) främjar receptorackumulering vid extrasynaptiska platser i plasmamembranet (Esteban et al., 2003; Serulle et al., 2007; Sun et al., 2008; Sun et al., 2005). Efter lateral diffusion till synapsen stabiliserar fosforylering av Ser 818 av PKC AMPAR inom synapsen (Boehm et al., 2006), förankrad till den postsynaptiska densiteten (Ehlers et al., 2007; Oh et al., 2006; Serulle et al., 2007). Som2+/kalmodulinberoende proteinkinas II (CaMKII) fosforylering av Ser 567 och Ser 831 bidrar också till synaptisk inkorporering och extrasynaptisk målinriktning (Lu et al., 2010; Roche et al., 1996), respektive. Det är dock inte känt om in vivo- inkorporering av CPAR använder dessa snabba flerstegsmekanismer som beskrivs vitro.

För att undersöka mekanismerna genom vilka orosensoriska belöningar som sackaros reglerar accumbens excitatoriska synapser, har vi använt ett paradigm med kort sackarosintag och mätt förändringar i synaptisk transmission i accumbens neuroner. Vi observerar att upprepad sackarosintag potentierar accumbens synapser genom inkorporering av CPAR, och att i ett sackarostränat djur är en enda sackarosstimulans tillräcklig för att inducera snabb GluA1-handel till extrasynaptiska platser. Eftersom sackarin, ett icke-kaloriskt sötningsmedel, inducerade synaptisk handel på samma sätt som sackaros, är trafficking ett svar på orosensoriska snarare än kalorier. Dessutom förhindrade CPAR-blockad sackarosinducerade förhöjningar av spontan rörelseaktivitet in vivo-, ytterligare identifiera accumbens CPAR som viktiga regulatorer av svar på naturliga belöningar.

Material och metoder

Ämnen och kirurgiska ingrepp

Försökspersonerna var Sprague-Dawley-hanråttor (Taconic; beteendeexperiment) som vägde 150–300 gram vid ankomsten och E18-gravida Sprague-Dawley-råttor av honkön (Taconic; cellodlingsexperiment). Råttorna inhystes 2 per bur för beteendeexperiment på en 12h/12h ljus-mörkercykel (ljus släcks kl. 18:00) och hade tillgång till mat och vatten AD libitum alltid. Alla experimentella procedurer godkändes av New York University School of Medicine Institutional Animal Care and Use Committee och utfördes i enlighet med "Principles of Laboratory Animal Care" (NIH-publikationsnummer 85–23).

Sackarosträning och rörelsemätningar

Råttor transporterades till testrummet 3 dagar i följd under 2 timmar/dag i sina hemmaburar. På den fjärde dagen infördes flaskor innehållande vatten eller 25 % sackaros genom burens lock under 5 min. Flaskorna vägdes sedan. För alla experiment krävdes råttor att dricka minst 1 g sackaros under 5 minuters tillträde inom 3 dagar efter träningsstart för att inkluderas i studien; i själva verket uppfyllde alla råttor detta kriterium. Efter avlägsnande av flaskan stannade råttor i testrummet i 30 minuter innan de transporterades tillbaka till djuranläggningen. På offerdagen gjordes råttor medvetslösa av CO2, halshuggen med giljotin, och vävnadsprover samlades på is. För rörelseexperiment placerades råttor i rörelsemätningskammare (Accuscan, Columbus, OH) under totalt 35 minuter. Efter 15 minuter i kammaren infördes en flaska med en pärlpropp genom toppen av kammaren och stabiliserades. Flaskan togs bort från toppen av kammaren efter 5 minuter, och råttorna förblev i kammaren i ytterligare 15 minuter efter flaskans avlägsnande. Denna procedur upprepades identiskt under 7 på varandra följande dagar. Tillryggalagd sträcka mättes med VersaMax-systemet (Accuscan, Columbus, OH), som övervakade djurens aktivitet via ett rutnät av 16 × 16 infraröda ljusstrålar som korsar djurburen (42 × 42 × 30 cm) fram och tillbaka och från vänster till höger . Information om strålstatus, skannad med en hastighet av 100 gånger per sekund, lagrades på disken. Aktiviteten uttrycktes som ambulerande avstånd mätt i cm under 12 olika 3-minutersfack i en 35-minuterssession (den sista behållaren var 2-min).

Sackarinträning

För att jämföra sackaros-inducerad handel med GluA1 med effekterna av sackarin intag, hölls 12 vuxna hanråttor (250 g) i djuranläggningen på en 12 timmars ljus/mörker-cykel. Alla råttor vände sig sedan till testrummet genom att transporteras till testrummet, lämnades i 2 timmar och transporterades tillbaka till djuranläggningen. En fjärde dagen (efter 4 dagars tillvänjning) fick råttor tillgång till flaskor innehållande vatten, sackaros eller sackarin. 3 råttor fick tillgång till en flaska innehållande vatten vilade på toppen av buren med pipen som sticker ut i buren genom locket. Tillgångstiden var 4 minuter, sedan togs flaskan bort och efter ytterligare 5 minuter transporterades råttorna tillbaka till djuranläggningen. 15 råttor fick tillgång till 4 % sackaroslösning och 25 råttor fick tillgång till 4 % sackarinlösning (Sweet'n Low). Volymen förbrukad vätska mättes. Denna procedur upprepades under 3 dagar. På den 7:e dricksdagen, omedelbart efter flaskans avlägsnande, avlivades råttor och kärnan av accumbens skördades och GluAl-nivåer undersöktes med Western blot.

elektro~~POS=TRUNC

Råttor sackarostränades enligt beskrivningen ovan i klara plastburar och, efter att flaskan tagits bort på dag 7, bedövades de med ketamin (100 mg/kg ip) och xylazin (10 mg/kg ip) och transkardiellt perfunderade med kall koksaltlösning (mEPSC-experiment) eller omedelbart halshuggen (upprättelseexperiment). Hjärnor avlägsnades snabbt till artificiell cerebrospinalvätska (ACSF) bestod av följande (i mM): för mEPSC-experiment: NaCl (118), KCl (2.5), CaCl2 (3), MgCl2 (1), NaHCO3 (26), NaH2PO4 (1), D-glukos (10), osmolaritet justerad till 325 mOsm och luftad med 95 % O2/ 5 % CO2 (pH 7.4); för rektifikationsexperiment: 75 sackaros, 87 NaCl, 2.5 KCl, 1.25 NaH2PO4, 0.5 CaCl2, 7 MgCl2 6 H2O, 25 NaHCO310 dextros, bubblad med 95 % O2 / 5 % CO2 (pH 7.4). Koronala skivor (300 μm tjocka) innehållande nucleus accumbens skars i iskall ACSF med en vibrotom (Leica, VT1200S) och hölls nedsänkt i ACSF(ACSF, i mM: 124 NaCl, 2.5 KCl, 1.25 NaH2PO4, 2.5 CaCl2, 1.5 MgSO4 7H2O, 26 NaHCO3och 10 dextros) under <30 min; förvaras sedan i en skiva förinkubator vid rumstemperatur i minst 1 timme för att möjliggöra återhämtning. För mEPSC-experiment: en enda skiva överfördes sedan till en registreringskammare där den hölls nedsänkt av ett nylonnät vid 32°C med en TC324B in-line lösningsvärmare och styrenhet (Warner Instruments, CT). Kammaren perfunderades kontinuerligt av ACSF med en konstant hastighet av 2 ml/min. Medelstora taggiga neuroner från kärnområdet nucleus accumbens identifierades under visuell vägledning med hjälp av infraröd-differentiell interferenskontrast-videomikroskopi (Hamamatsu C5405) med ett Olympus BX50WI upprättstående mikroskop utrustat med 40x lång arbetsavstånd vatten-immersion objektiv. Patchelektroder (4–6 MΩ) fyllda med en intracellulär pipettlösning bestående av (i mM): CsCl (145), HEPES (10), EGTA (0.5) och MgATP (5). Osmolariteten justerades till 290 mOsm med sackaros och pH justerades till 7.4 med CsOH. Miniatyr excitatoriska postsynaptiska strömmar (mEPSCs) registrerades i närvaro av bicucullin (10μM) och tetrodotoxin (1μM) med Axopatch 200B-förstärkare (Molecular Devices, CA) och digitaliserades av Digidata 1322A (Molecular Devices, CA). För korrigeringsexperiment: skivor överfördes till registreringskammaren och perfunderades (2.0–2.5 ml min.-1) med syresatt ACSF vid 33–35 °C innehållande 50 μm pikrotoxin för att isolera EPSC. Somatiska helcellsinspelningar gjordes från medelstora nervceller i kärnområdet i spänningsklämma med en Multiclamp 700B-förstärkare (Molecular Devices) med användning av IR-DIC-videomikroskopi. Plåsterpipetter (4–6 MΩ) fylldes med intracellulär lösning (i mM: 125 Cs-glukonat, 2 CsCl, 5 TEA-Cl, 4 Mg-ATP, 0.3 GTP, 10 fosfokreatin, 10 HEPES, 0.5 EGTA och 3.5 EGTA och 314 -2). Data filtrerades vid 10 kHz, digitaliserades vid 10 kHz och analyserades med Clampfit 0.01 (Molecular Devices). Extracellulär stimulering (1–5 ms, 150–0.2 μA, 0.05 Hz) applicerades med en liten bipolär glaselektrod 0.5–10 mm från inspelningselektroden. Efter ~ 200 min av baslinjeinspelning, perfunderades en lösning innehållande Naspm (10 μM) i badet i 70 min. Förändringar i EPSC-amplitud mättes före och efter läkemedelsapplicering vid hållpotentialer på -50, -30, -0, 20, +40, +60 och +XNUMX mV. Rättningsindexet (ir) beräknades genom att korrigera eventuella potentiella förändringar i reverseringspotential och beräknades från följande ekvation: ir = (I-70 / 70) / (I+40 / 40), var I-70 och I+40 är EPSC-amplituderna registrerade vid -70 mV respektive +40 mV.

Subcellulär fraktionering och Western blotting

Accumbens samlades på is såsom beskrivits ovan. När kärna och skal dissekerades separat bekräftades separationen genom att sondera synaptosomfraktioner för dopamin β-hydroxylas, ett enzym som finns i terminalerna på axonerna till skalet men inte kärnan (Sesack and Grace, 2010). Helcells-, synaptosom- och PSD-fraktioner framställdes som beskrivits tidigare (Jordan et al., 2004). Synaptosomala pellets återsuspenderades i 200 μl 25 mM Tris med 1% Triton X-100, skakades vid 4 ° C i 30 minuter och centrifugerades vid 13,800 15 × g under 25 minuter i en mikrocentrifug för att pelletera PSD:er. Pelleten innehållande orena PSD:er återsuspenderades i 2 mM Tris med XNUMX% SDS. Fraktioner analyserades med Western blot på SDS-PAGE-geler som beskrivits tidigare (Jordan et al., 2004). Följande antikroppar användes: dopamin β-hydroxylas (1:1,000 1, Abcam), GluA1 (1,000:845 1, Millipore), fosfor-Ser 1 GluA1,000 (2:1 1,000, Millipore), GluA1 (10,000:XNUMX XNUMX, Millipore) och tubulin (XNUMX:XNUMX XNUMX, Sigma).

Elektronmikroskopi

På dagen för vävnadsskörd (dag 7 av sackarosträning) placerades råttor från 3 testgrupper (vatten, sackaros/vatten, sackaros; 3 råttor/testgrupp) i rörelsemätningskammare under 15 minuter; vid 15 minuter infördes en flaska genom kammarens topp. Råttor i vattengruppen fick vatten, råttor i ukrosgruppen fick 25 % sackaros, råttor i gruppen sackaros/vatten, som hade konsumerat 25 % sackaros i 6 dagar, fick vatten. Råttor sövdes djupt med Nembutal (50 mg/kg ip) och transkardiellt perfunderades med 0.1 M fosfatbuffert (pH 7.4) innehållande 4 % paraformaldehyd och 0.1 % glutaraldehyd med en hastighet av 50 ml/min under de första 3 minuterna, sedan vid en hastighet av 20 ml/min under de efterföljande 7 minuterna. Vävnad preparerades för postembed immunogold (PEG)-märkning och bilder togs som beskrivits tidigare (Nedelescu et al., 2010). Immunolabels kategoriserades enligt deras position i förhållande till PSD vid asymmetriska synaptiska korsningar som "klyfta", "nära PSD" (inom 1 PSD bredd från PSD), "vid PSD", "intraspinöst" eller "extrasynaptiskt membran." Från varje djur var 93 synapser prover från kärnan av accumbens. Slumpmässig provtagning säkerställdes genom att analysera alla de första 93 slumpmässigt påträffade synapserna när vi svepte systematiskt över rutnätet, och sedan poolade samma antal synapser från vart och ett av de tre djuren som fick identiska behandlingar före mortem. Två typer av kvantifiering utfördes. En var att utvärdera GluR1-immunoreaktivitetsnivån genom att räkna antalet PEG-partiklar som förekom vid diskreta funktionella domäner i ryggraden. Den andra var att bedöma andelen synapser märkta vid PSD av valfritt antal PEG-partiklar. Även synapser märkta med bara 1 PEG-partikel ansågs märkta, baserat på tidigare arbete som visar specificiteten hos GluR1-PEG-proceduren (Nedelescu et al., 2010). Behandlingseffekter på andelen och nivån av GluR1-immunmärkning analyserades med envägs ANOVA med planerade post hoc-jämförelser (Fishers LSD). För att eliminera experimentella fördomar trippelblindades data: en försöksledare utförde sackarosträning och förde register över djuren i de tre testgrupperna, en andra försöksledare skapade elektronmikrofotografierna och tilldelade en ny alfanumerisk kod till varje mikrofotografi och höll koden förseglad , och ytterligare tre försöksledare skannade mikrofotografierna och kvantifierade PEG-partiklar. Efter att PEG-kvantifieringen var klar samlades försöksledarna för att avslöja identiteten för varje mikrofotografi.

Kanylimplantation och intrakraniella injektioner

Intrakraniell injektion användes för att leverera Naspm och APV till accumbens kärna. För kanylimplantation, som beskrivits tidigare (Carr et al., 2010) sövdes råttor djupt med ketamin (100 mg/kg ip) och xylazin (10 mg/kg ip) och injicerades postoperativt med det analgetiska benaminen (1 mg/kg subkutant). Råttor implanterades stereotaxiskt med två 26-gauge guidekanyler (PlasticsOne, Roanoke, VA) bilateralt i accumbenskärnan med koordinater: 1.6 mm anterior till bregma; 2.9 mm lateralt om den sagittala suturen, spetsar vinklade 8° mot mittlinjen, 5.6 mm ventralt till skallytan. Kanyler hölls på plats av dental akryl och öppenheten bibehölls med en ocklusionsstilett. För intrakraniella injektioner laddades Naspm- och APV-lösningar i två 30 cm långa PE-50-slangar fästa i ena änden till 25-μl Hamilton-sprutor fyllda med destillerat vatten och i andra änden till 31-gauge injektorkanyler, som sträckte sig 2.0 mm. bortom de implanterade guiderna. Sprutorna monterades på tvillinghållarna på en Harvard 2272 mikroliters sprutpump som levererade 0.5 μl injektionsvolymerna under en period av 100 sek. En minut efter avslutad injektion avlägsnades injektorkanyler från styrningarna, stiletter ersattes och djuren placerades i rörelsetestkammare för sackarosträning. Efter djuravlivning analyserades kryogena hjärnsektioner med avseende på kanyllokalisering; 2 av 15 djur uteslöts från studien på grund av felaktig kanylplacering.

Statistisk analys

Envägs ANOVA följt av Fisher post hoc-tester användes för elektronmikroskopi, immuncytokemi och biotinyleringsexperiment. Tvåsidiga Students t-tester användes för elektrofysiologi. För sackaroshyperaktivitetsexperiment användes tvåvägs ANOVA, följt av Fisher post hoc-tester.

RESULTAT

Karakterisering av ett sackarosintagsparadigm

Vi använde ett paradigm för intag av sackaros för att undersöka effekterna av en naturlig, orosensorisk belöning på synaptisk överföring (Figur 1A). Vuxna råttor av hankön transporterades till ett testrum under tre på varandra följande dagar. På den fjärde dagen (första träningsdagen) placerades råttorna i en rörelsemätkammare. Efter 15 minuters mätning av rörelseaktivitet i kammaren, infördes flaskor innehållande antingen vatten (för vattendjur) eller 25 % sackaroslösning (för sackarosdjur) i mätkamrarna genom hål i kammarens lock. Flaskorna avlägsnades efter 5 minuter och rörelseaktiviteten mättes under ytterligare 15 minuter innan djuren återfördes till hemburarna. Vi upprepade denna procedur i 7 dagar i följd. I vissa experiment utökades sackarosträning till en 8th dag. Denna korta, icke-kontingenta tillgång till en mycket välsmakande lösning gjorde det möjligt för oss att undersöka både akuta och kumulativa effekter av sackarosintag, eftersom djur på ett tillförlitligt sätt insupade sackaros kraftigt under åtkomstfönstret inom tre dagar efter träning (Figur 1B). Dessa experimentella förhållanden möjliggjorde jämförelse av testgrupper omedelbart efter upphörande av intag. Vårt kriterium för inkludering i studien var att råttor börjar konsumera minst ett gram sackaros under tillträdesperioden inom tre dagar efter träningsstart; inga djur uteslöts från studien på grundval av detta kriterium.

Figur 1  

Upprepad sackarosintag orsakar övergående ökningar av spontan rörelse.

Vi observerade att inom tre dagar efter träning konsumerade sackarosdjur betydligt mer sackaroslösning än vattendjur konsumerade vatten (Figur 1B). Dessutom, även om inga signifikanta skillnader i spontan förflyttning observerades på träningsdagarna 1–6 (data visas inte), observerade vi en signifikant höjning av den totala sträckan tillryggalagd hos sackarosdjur jämfört med vattendjur under de tre minuterna efter att flaskan togs bort på dag 7 (Figur 1D), och denna skillnad fanns också på dag 8 (Figur 1E). Inga skillnader i totalt tillryggalagt sträcka observerades mellan vatten- och sackarosdjur under de tre minuterna före flaskans införande på någon av testdagarna (Figur 1C), vilket tyder på att förhöjd rörelse var ett akut svar på sackarosintag specifikt för den sackarostränade råttan, snarare än ett konditionerat svar på rörelsekammaren. I enlighet med denna möjlighet fanns det en signifikant positiv korrelation mellan mängden sackaros som konsumerades och den totala sträckan som tillryggalades (Figur 1F). Det fanns ingen skillnad i djurvikt mellan sackaros- och vattengrupperna före eller efter de 7 dagarna av träning (data visas inte).

Sackarosintag inducerar CPAR-inkorporering

Sackarosträning ledde till en övergående förhöjning av rörelsen den sista träningsdagen. För att avgöra om denna konsekvens av sackarosintag åtföljdes av elektrofysiologiska förändringar i nucleus accumbens, en region som reglerar belöningsbeteende, förberedde vi nucleus accumbens-skivor omedelbart efter flaskans avlägsnande på dag 7 och registrerades från neuroner i accumbenskärnan (Figur 2A). Kärnsubregionen har varit inblandad i lokomotoriska svar på belönande stimuli (Sesack and Grace, 2010). Vi fann att både amplituden och frekvensen av spontana miniatyr excitatoriska postsynaptiska strömmar (mEPSCs) var signifikant större i accumbens kärna av sackarosdjur jämfört med vattendjur (Figur 2B). Detta visade att upprepad sackaroskonsumtion positivt kan reglera synaptisk överföring i nucleus accumbens kärna. För att avgöra om CPAR-inkorporering spelade en roll i potentieringen efter sackaros, bestämde vi korrigeringsindex för accumbens kärnneuroner genom att mäta EPSC: er vid olika membranpotentialer (Figurerna 2C, 2D och 2E). CPAR korrigerar inåt vid depolariserade potentialer på grund av endogen polyaminblockad. Vi observerade signifikant rättelse i inspelningar från neuroner av sackarosdjur, vilket indikeras av olinjäritet i I/V-förhållandet, jämfört med vattendjur (Figur 2E), förutom en betydande ökning av korrigeringsindex (Figur 2F).

Figur 2  

Accumbens kärnsynapser förstärks efter upprepad sackarosintag.

För att bekräfta förhöjda CPAR-nivåer med en annan metod, registrerade vi från accumbens kärnneuroner efter inkludering av den specifika CPAR-blockeraren, 1-Naftylacetylspermin (Naspm) i badet. Vi fann att Naspm signifikant minskade EPSC-amplituden i inspelningar från neuroner från sackaros men inte vattendjur (Figurer 3A-C). Dessutom, efter Naspm-behandling, blev I/V-förhållandet i neuroner från sackarosdjur linjärt, vilket återspeglar hämningen av CPAR i sackarosdjursynapser, medan ingen signifikant effekt på I/V-förhållandet observerades efter Naspm-behandling i neuroner från vattendjur (Figurer 3D). Dessa resultat visar att upprepat sackarosintag inducerar inkorporering av CPAR i synapser av accumbens kärna.

Figur 3  

Sackarosintag orsakar inkorporering av Ca2+-permeabla AMPA-receptorer.

Sackarosintag inducerar handel med GluA1

CPAR är AMPA-receptorer som saknar GluA2 AMPA-receptorsubenheten. Således involverar synaptisk inkorporering av CPAR oftast synaptisk aktivitetsberoende trafficking av GluA1-subenheten (He et al., 2009; Isaac et al., 2007; Liu och Zukin, 2007; Plant et al., 2006). För att bekräfta CPAR-synaptisk inkorporering efter sackarosträning undersökte vi om sackarosintag ökade synaptiskt uttryck av GluA1. Råttor fick tillgång till sackaros såsom beskrivits ovan under 7 på varandra följande dagar. Dag 1, 3, 5 och 7 isolerade vi fraktionerna av hela cellen, synaptosom och postsynaptisk densitet (PSD) från tre hjärnregioner: accumbens kärna (kärna), accumbens skal (skal) och somatosensorisk cortex (cortex). Vi analyserade hela cellen och PSD-fraktionerna med Western blot för uttryck av GluA1 och GluA2.

Vi hittade inga förändringar i GluA1 eller GluA2 i helcellsfraktionerna av accumbens-lysat under de undersökta testdagarna, vilket tyder på att upprepad sackaroskonsumtion inte reglerar de totala nivåerna av dessa proteiner (Figurer 4A-C). I accumbens PSD-fraktioner ökade dock GluA1 signifikant på dag 7 i kärnan men inte i skalet medan GluA2 inte förändrades signifikant i någon av fraktionerna (Figurerna 4D–4F och data visas inte). Vi observerade ingen signifikant ökning av GluA1 i accumbens kärn-PSD-fraktioner under de föregående testdagarna (Siffror 4D – F) och GluA1 eller GluA2 förändrades inte i cortex PSD-fraktionerna på någon av testdagarna (data visas inte). Ökad GluA1, särskilt i förhållande till GluA2, i accumbens core PSDs efter upprepad sackarosintag är i linje med den ökade korrigeringen som observerats i accumbens core neuroner, som beskrivits ovan.

Figur 4  

Postsynaptisk densitet GluA1, men inte GluA2, ökar i nucleus accumbens kärna efter sackarosintag.

Aktivitetsberoende GluA1-handel har visat sig bidra till synaptisk plasticitet vitro och även in vivo- (Lu och Roche, 2011). En snabb mekanism i flera steg för handel med GluA1 har visats vitro (Serulle et al., 2007; Sun et al., 2008; Sun et al., 2005). Hittills har dock bidraget från denna flerstegsmekanism till GluA1 synaptisk ackumulering in vivo- har inte testats. För att avgöra om sackarosträning inducerar GluA1-handel akut genom flerstegsmekanismen, lokaliserade vi GluA1 vid nucleus accumbens synapser av sackaros- och vattentränade djur genom kvantitativ elektronmikroskopi. Accumbens kärnvävnad skördades på den sjunde dagen av sackarosträning från 3 testgrupper av råttor. Dessa var råttor som: 1) konsumerade vatten i 7 dagar (vatten), 2) konsumerade sackaros i 7 dagar (sackaros) och 3) konsumerade sackaros i 6 dagar och vatten på dag 7 (sackaros/vatten). Råttor offrades den 7th dag, 5 minuter efter intag av sackaros eller vatten. Således avslöjade en jämförelse av två av testgrupperna, sackaros/vatten och sackarosdjur, med varandra och med vattendjur tidsskalan för postsynaptiska förändringar inducerade av sackaroskonsumtion i sackarostränade råttor. Vi mätte postinbäddat immunogold (PEG)-märkt GluA1 i 5 olika postsynaptiska fack: dendritisk ryggradscytosol (intraspinös), extrasynaptisk plasmamembran (membran), PSD, nära PSD och synaptisk klyfta, med de sista tre avdelningarna grupperade tillsammans som 'PSD ' (Fig. 5A). För att eliminera försöksledarens bias, var elektronmikrograftestgruppsidentiteter trippelblindade.

Figur 5  

Elektronmikroskopi avslöjar induktion av flerstegshandel med GluA1 genom sackarosintag.

Både sackaros och sackaros/vattendjur uppvisade signifikant förhöjd intraspinös GluA1 jämfört med vattendjur (Fig. 5B och 5C). Detta tyder på att kronisk sackaroskonsumtion ökar en intracellulär pool av GluA1-innehållande AMPA-receptorer intill synaptiska platser, receptorer som kan vara lätt tillgängliga för synaptisk trafficking, och, viktigare, att denna intracellulära pool kan kvarstå i 24 timmar efter den slutliga konsumtionen av sackaros . Vi undersökte sedan den betydande frågan om en akut sackarosstimulans kan inducera snabb GluA1-handel. Vi observerade att det extrasynaptiska plasmamembranet GluA1 ökade signifikant hos sackarosdjur jämfört med både sackaros/vatten- och vattendjur (Figurerna 5B och 5D). Denna observation indikerar att en naturlig, orosensorisk belöning som tillhandahålls av en enda sackarosstimulus snabbt (<5 min) men övergående (förfallstid < 24 timmar) kan höja den extrasynaptiska populationen av GluA1-innehållande AMPA-receptorer, vilket skapar en labil pool från vilken receptorerna kan trafikera till synapsen.

betydligt, vitro studier har föreslagit att synaptisk inkorporering av AMPA-receptorer sker i 2 steg. I den första höjer glutamat- eller dopaminberoende Ser 845-fosforylering nivåerna av receptorer på extrasynaptiska platser i plasmamembranet (Esteban et al., 2003; Serulle et al., 2007; Sun et al., 2008; Sun et al., 2005), medan Ser 818-fosforylering i den andra främjar synaptisk inkorporering (Boehm et al., 2006). Vår elektronmikroskopijämförelse av sackarosdjur med sackaros/vatten- och vattendjur visar att det första steget av GluA1-handel observerades vitro (Makino och Malinow, 2009), snabb trafik till det extrasynaptiska membranet, sker också in vivo- efter tillhandahållande av en orosensorisk belöning.

I enlighet med elektrofysiologi och biokemiska resultat som beskrivits ovan, visade PEG EM att sackarosintag också inducerade det andra steget i GluA1-handel av GluA1-receptorn till synapsen eftersom nivån av GluA1-immunoreaktivitet vid PSD var signifikant högre för sackaros jämfört med vattenråttor, och det fanns en trend mot ökad GluA1 i sackaros/vatten jämfört med vattenråttor (Figurerna 5B och 5E). Ökningen av sackaros/vattendjur överensstämmer med antingen snabb inkorporering av GluA1 som sönderfaller med en synaptisk halveringstid på ~24 timmar, eller snabb inkorporering av GluA1 och ersättning med synaptisk GluA1/2 under en liknande tidsperiod. Andelen synapser som uttrycker GluA1 i PSD var också signifikant högre hos sackarosråttor jämfört med vattenråttor (Figur 5F), vilket tyder på att GluA1 trafikerades till synapser som tidigare saknade GluA1. Detta tyder också på att ökningen av mEPSC-amplitud som observerats hos sackarosråttor är ett resultat av en ökning av synaptisk GluA1, och att ökningen av mEPSC-frekvensen kan bero på rekrytering av GluA1 till tidigare tysta accumbens-synapser, även om potentiering av glutamatfrisättning inte kan avfärdas. Vi mätte också antalet synapser i var och en av de tre testgrupperna för att avgöra om sackarosintag inducerade synaptogenes; det fanns inga skillnader mellan de tre testgrupperna (data visas inte). Vi drar slutsatsen att upprepat sackarosintag höjer en stabil (>24 timmar) intraspinös pool av GluA1, och en enda sackarosstimulans till en sackarostränad (6 dagar) råtta är tillräckligt för att snabbt (5 min) höja GluA1 i det extrasynaptiska plasmamembranet, potentiellt dra receptorer från den intraspinösa poolen. Vi föreslår att en del av dessa extrasynaptiska receptorer är stabilt införlivade i PSD, vilket leder till det observerade korrigeringsindexet och PSD GluA1-förändringarna, innan den extrasynaptiska poolen återgår till baslinjen 24 timmar efter stimulering. Dessa resultat avslöjar att en naturlig belöning akut kan inducera snabb GluA1-handel i ett tränat djur.

CPAR-aktivitet krävs för förhöjd rörelse efter sackarosintag

Medelstora taggiga neuroner får både dopaminerga och glutamaterga ingångar (Calabresi, et al., 1992). För att bedöma involveringen av glutamatsignalering i den förhöjda spontana rörelsen som vi observerade efter sackarosintag hos sackarostränade råttor, implanterade vi kanyler i råttors kärna och tränade djur i rörelsemätningskammare enligt beskrivningen ovan. På dag 8 av sackarosträning mikroinjicerade vi Naspm i kärnan före placering i rörelsetestkammaren. Injektionen minskade den totala sträckan som sackarosdjuren hade tillryggalagt och eliminerade skillnaden mellan sackaros- och vattendjur som sågs omedelbart efter att flaskan tagits bort (Figur 6A). För att verifiera att stress orsakad av hantering av djuren inte hade påverkat sackarosresponsen, injicerade vi saltlösning i kärnan följande dag (dag 9 av sackarosträning); återigen observerades signifikant hyperaktivitet hos sackarosdjuren omedelbart efter flaskans avlägsnande (Figur 6B). Detta visar att Naspm specifikt hade hämmat sackaros-inducerad förhöjning av rörelse. Injektion av NMDAR-antagonisten, APV, i kärnan de följande dagarna eliminerade också skillnaden mellan sackaros- och vattendjur (Figur 6C), vilket visar att NMDAR också krävs för förhöjning av spontan rörelse efter sackarosintag. För att bestämma huruvida ett betingat svar på testkammaren spelade en roll vid hyperaktivitetsinduktion, placerades djuren i kammaren under 35 minuter utan flaskintroduktion; inga skillnader i tillryggalagd sträcka observerades mellan sackaros- och vattendjur (Figur 6D). Naspm och APV påverkade inte sackaroskonsumtionen (Figur 6E), vilket visar att kärn-CPAR och NMDAR inte krävs för kraftigt intag av sackaros. Djur i vilka kanyler inte placerades i accumbens kärna (2 av 15 djur), som utvärderats efter avlivning (Figur 6F), ingick inte i studien. Sammanfattningsvis visar dessa data tillsammans att konsumtion av sackaros av en sackarostränad råtta inducerar synaptisk handel med GluA1 på 5 minuter, och att blockad av signalmekanismer som kontrollerar denna handel förhindrar ökningen av spontan rörelseaktivitet efter sackaros.

Figur 6  

Förhöjd spontan rörelse efter sackarosintag kräver CPAR och NMDAR.

Två vägar för sackarossignalering kan tänkas. Den ena, en strikt kemosensorisk eller orosensorisk väg, initieras av sackarosbindning till den söta smakreceptorn, vilket motsvarar det heteromera G-proteinkopplade receptorkomplexet, T1R2/T2R3 (Kitagawa et al., 2001; Max et al., 2001; Nelson et al., 2001; Sainz et al., 2001). Kaloririka näringsämnen kan också reglera hjärnans funktion genom metabola vägar oberoende av smak, även om mekanismerna inte är väl förstådda (de Araujo et al., 2008). För att skilja mellan dessa två alternativ för vägen för GluA1-trafficking inducerad av sackaros, upprepade vi träningsprotokollet med tre grupper av råttor (4 råttor/grupp) som fick tillgång under 5 minuter till flaskor innehållande vatten, 25 % sackaroslösning eller 3 % sackarin (söt och låg). Flaskorna togs bort och råttorna blev kvar i 15 minuter längre i träningsburen. Träningen upprepades i 7 dagar. Volymerna vätska som konsumerades av sackaros- och sackarintestgrupperna skilde sig inte signifikant från varandra och båda var större än konsumtionen av vattengruppen, vilket överensstämmer med belöning av båda söta substanserna (Figur 7A). På den 7:e dricksdagen, omedelbart efter flaskans avlägsnande, avlivades råttor, kärnvävnaden i accumbens skördades och slogs samman för varje testgrupp, PSD-fraktionen isolerades och GluA1-nivåer undersöktes med Western blot (Figur 7B). Som tidigare visade djur som konsumerade sackaros förhöjd GluA1 i PSD-fraktionen i förhållande till vattengruppen (Figur 7C). Betydande nog var GluA1 också förhöjd i PSD-fraktionen av djur som konsumerade sackarin. Det fanns ingen signifikant skillnad i nivåerna av GluA1 i helcellsfraktionerna från accumbens kärna av vatten, sackaros och sackarindjur, vilket tyder på att GluA1-ökningen var specifik för den synaptiska fraktionen (Figur 7D). Eftersom sackarin stimulerar samma heteromera G-proteinkopplade smakreceptorkomplex som sackaros (Masuda et al., 2012; Nelson et al., 2001), men saknar kalorivärde, drar vi slutsatsen att stimulering av den söta smakreceptorn är tillräcklig för att initiera signalering som höjer GluA1-nivåerna vid nucleus accumbens kärnsynapser.

Figur 7  

Sackarinträning inducerar en ökning av synaptisk GluA1 liknande sackarosträning.

Diskussion

Vi har visat att en orosensorisk belöning, upprepad sackaroskonsumtion, akut kan inducera GluA1 synaptisk inkorporering genom en flerstegs traffickingmekanism som tidigare beskrivits vitro. Upprepad sackaroskonsumtion under 6–7 dagar potentierade accumbens kärnsynapser elektrofysiologiskt genom införandet av CPAR. Denna effekt åtföljdes av ackumulering av GluA1 men inte GluA2 i PSD av kärnan, och var regionalt och tidsmässigt specifik, eftersom inga förändringar observerades före träningsdag 7 i kärnan, och ingen förändring observerades i accumbens skal eller i somatosensorisk cortex. Elektronmikroskopisk analys avslöjade att upprepad sackarosintag förhöjde en relativt stabil (t1/2 >24 timmar) population av intraspinösa GluA1-innehållande receptorer. Sackaros också snabbt (5 min) och övergående (t1/2 <24 timmar) förhöjda nivåer av GluA1-innehållande receptorer på extrasynaptiska ställen hos sackarostränade djur, vilket ökar populationen av AMPAR som kan diffundera lateralt in i synapsen. Synaptisk GluA1, både som representerad av PSD-fraktionen och som detekteras av PEG-EM, ökade signifikant i sackaros jämfört med vattendjur. Från dessa resultat föreslår vi att tvåstegsmekanismen för extrasynaptisk exocytos följt av synaptisk trafik för AMPAR synaptisk insättning som tidigare beskrivits vitro (Boehm et al., 2006; Makino och Malinow, 2009; Oh et al., 2006; Serulle et al., 2007; Sun et al., 2005) kan initieras snabbt in vivo- genom en naturlig, orosensorisk belöning.

Förändringar i synaptiska GluA1-nivåer observerades endast efter 7 träningspass, vilket tyder på att en flera dagar lång process krävs för potentiering. I biokemiska experiment in vivo-, observerade vi inte signifikanta ökningar i accumbens kärna PSD GluA1-nivåer på dag 1, 3 och 5 av sackarosträning; först efter 7 dagars sackarosträning var GluA1 i PSD signifikant förhöjd. I elektronmikroskopiexperiment observerade vi att sackaros/vattendjur, som hade tränats i sackaros i 6 dagar men inte hade fått en sackarosstimulus på 24 timmar, uppvisade en trend mot ökad PSD GluA1. Dessa djur uppvisade också förhöjd intraspinös GluA1 jämfört med vattendjur, men ingen förändring i det extrasynaptiska membranet GluA1 observerades. Av dessa resultat drar vi tre slutsatser. För det första ackumuleras GluA1-innehållande AMPA-receptorer intraspinöst med successiva sackarosstimuleringar. Med tanke på att tidigare studier har visat att sackarosintag inducerar dopaminfrisättning i ackumulatorerna (Cacciapaglia et al., 2012; McCutcheon et al., 2012; Rada et al., 2005), och att D1R kan driva lokal GluA1-translation i dendriter (Smith et al., 2005), kan dopaminfrisättning efter sackarosintag utlösa lokal GluA1-syntes som leder till intraspinös GluA1-ackumulering. Alternativt kan den intraspinösa ökningen återspegla trafik av GluA1 från distala platser. Det är troligt att exocytotisk trafik från denna förhöjda intraspinösa pool bidrar till den extrasynaptiska poolen i plasmamembranet. För det andra antyder observationen av en ökning av det extrasynaptiska membranet GluA1 i sackaros, men inte i sackaros/vatten- eller vattendjur, att de extrasynaptiska receptorerna antingen rör sig genom ett andra steg in i synapsen eller endocyteras inom 24 timmar efter sackaroskonsumtion, vilket gör att extrasynaptisk pool transient. För det tredje, höjningen av sackarosdjur PSD GluA1 jämfört med vattendjur, men inte sackaros/vattendjur, tyder också på att receptorer efter varje sackarosstimulus rör sig lateralt in i synapsen från poolen av receptorer som snabbt transporteras till det extrasynaptiska plasmamembranet. Vi kan inte utesluta att GluA1 trafikerar direkt från den intraspinösa poolen till synapsen. En sådan väg verkar dock osannolik med tanke på studierna som visar att GluA1 sätts in extrasynaptiskt (Boehm et al., 2006; Makino och Malinow, 2009; Oh et al., 2006; Serulle et al., 2007; Sun et al., 2005). Dessa fynd representerar den första demonstrationen av att tidsförloppet för GluA1-handel (<5 min) och väg observerades vitro observeras också in vivo-. Dessutom tyder våra resultat på att upprepade givande stimuli modifierar kapaciteten för potentieringen av en synaps genom att höja poolen av intraspinösa receptorer som kan trafikeras.

Eftersom sackarin inducerade GluA1-handel på liknande sätt som sackaros, krävs inte kaloriinnehållet i sackaros. Sackarin stimulerar samma söta smakreceptor, T1R2/T2R3, som sackaros (Masuda et al., 2012; Nelson et al., 2001), santyda aktivering av denna receptor initierar sannolikt inkorporeringen av GluA1 i MSN-synapser. Sackaros ökar dopaminfrisättningen i ackumbenen från VTA-neuroner (Cacciapaglia et al., 2012; McCutcheon et al., 2012; Rada et al., 2005) lleder till GluA1 ythandel. Således är vägen som länkar den söta smakreceptorn till VTA sannolikt central för den plasticitet som studeras här.

Det är troligt att snabb GluA1-handel efter sackarosintag spelar en roll för att reglera spontan rörelse. I sackarostränade djur förhindrade faktiskt hämning av CPAR förhöjning av spontan rörelseaktivitet omedelbart efter sackarosintag. Den totala sträckan som råttor tillryggalagt efter sackaroskonsumtion mätt under på varandra följande dagar var signifikant förhöjd endast under perioden 3 minuter omedelbart efter sackaroskonsumtion på den sjunde träningsdagen. Ökad aktivitet omedelbart efter sackaros observerades med början på dag 3 av träningen, men blev inte signifikant annorlunda förrän dag 7. Detta tidsförlopp för aktivitet korrelerar med tidsförloppet för ackumulering av GluA1 i accumbens kärndendriter. Den ökade rörelsen var en funktionell konsekvens av CPAR-trafik till MSN-synapser i accumbens-kärnan eftersom Naspm-injektion i kärnan hämmade ökningen i aktivitet. Förebyggande av förhöjd rörelse genom en NMDA-receptorhämmare visade att glutamatsignalering via NMDA-receptorer såväl som CPAR var nödvändigt för att höja rörelseaktiviteten. Sackarosintag påverkades dock inte av blockad av glutamatsignalering, i enlighet med tidigare studier som visar att accumbens kärna är involverad i orkestreringen av motoriska svar relaterade till orosensorisk belöning men inte konsumtionen i sig (Smith, 2004). Ett liknande tidsförlopp för utveckling av hyperrörelse har rapporterats för utveckling av betingad hyperaktivitet hos djur som fått sin dagliga måltid i en distinkt miljö (Matthews et al., 1996). Om det föreliggande svaret var en betingad hyperaktivitet som härrörde från parning av sammanhang och sackaros, skulle det emellertid ha föregått sackarostillförsel, vilket inte observerades. Det är möjligt att försökspersonerna uppvisar en utforskande upphetsning. Ytterligare experiment skulle vara nödvändiga för att särskilja huruvida förhöjd rörelse efter sackarosintag var upphetsande av utforskande i motsats till en form av motorisk sensibilisering eller annat beteende. I vilket fall som helst krävde ökningen av spontan rörelse glutamatsignalering, och var åtminstone delvis ett resultat av inkorporeringen av CPAR i accumbens kärna.

Den ökade rörelseaktiviteten efter intag av sackaros kan vara ett direkt resultat av den observerade potentieringen av accumbens kärnsynapser, eftersom ökad produktion från den direkta basala gangliervägen främjar rörelse genom disinhibering av motorisk thalamus (Sesack and Grace, 2010). THan potentierade synapser ligger troligen på direkta pathway accumbens kärnneuroner, som uttrycker D1Rs. Potentiering av synapser av direkta neuroner skulle resultera om D1R-aktivitet inducerade handel med GluA1-innehållande AMPAR till synapser i dessa neuroner efter robust dopaminfrisättning. Den resulterande potentieringen skulle öka aktiviteten i hämmande projektioner av neuroner i direkt väg till basala ganglia utgående kärnor, vilket skulle avhämma motorisk talamus och främja motorisk cortexaktivitet (Gerfen och Surmeier, 2011; Kravitz et al., 2010; Sesack and Grace, 2010). Den synaptiska potentieringen som observeras efter upprepad sackarosintag sker sannolikt specifikt i direkta neuroner eftersom dopamin som verkar genom D1-receptorn kan inducera GluA1 S845-fosforylering, vilket leder till ythandel.

Ett antal studier har undersökt effekterna av upprepad stimulering med kokain följt av abstinens, en behandling som utövar djupgående effekter på belöningssystemets funktion och så småningom leder till kokainsensibilisering, som kännetecknas av förhöjd motorisk respons på kokain, drogbegär och återfall. (Kalivas et al., 1998). Upprepad IP-injektion med kokain under 5–10 dagar följt av utsättning resulterade i en gradvis ökning under 14 dagar av ytans GluA2-innehållande AMPA-receptorer (Boudreau et al., 2007; Kourrich et al., 2007). Men vid 45 dagars tillbakadragande efter 10 dagars självadministrering observerades en stor ökning av korrigeringsindex hos råtta MSN (McCutcheon et al., 2011b) vilket tyder på en ökning av CPAR. Således har CPAR-handel observerats efter både sackarosintag, i det aktuella arbetet, och självadministrering av kokain, om än under mycket olika behandlingsförhållanden. Eftersom de omedelbara konsekvenserna av självadministrering eller injektion av kokain (t.ex. 5 minuter efter) inte är kända, kan kokainverkan inte direkt jämföras med det aktuella sackarosarbetet. Likaså är det inte känt om CPAR kvarstår i MSN-synapser från sackarostränade djur efter att sackarosträningen upphört eller om sådana djur uppvisar sackarossensibilisering efter långvarigt uttag.

Att förstå hur givande stimuli reglerar accumbens plasticitet och beteende är avgörande för att hantera beroende, hyperfagi, patologiskt spelande och andra beteendestörningar (Basar et al., 2010; Berridge, 2009; Luscher och Malenka, 2011). Överkonsumtion av socker bidrar till fetmaepidemin (Hu och Malik, 2010), och även om det potentiellt liknar drogmissbruk (Avena et al., 2008), dess mekanism har inte undersökts i detalj. De nuvarande resultaten etablerar grundläggande element av belöningsinducerad plasticitet från vilka framtida studier kan ta itu med reglering av komplext beteende, vilket potentiellt ger nya vägar för att konfrontera belöningsrelaterade patologier.

Erkännanden

Vi tackar medlemmar av Ziff Laboratory, tidigare och nuvarande, för teknisk assistans och användbara diskussioner, inklusive H. Girma, L. Lee och Drs. B. Fernholz, B. Jordan, W. Lu, G. Rameau, S. Restituito & Y. Serulle. Detta arbete stöddes av National Institute of Mental Health Predoctoral Fellowship F31MH76617-01 och NIH Training Grant 5T32DC000063 till New York University Training Program in the Neurosciences (DST), R01NS061920 från National Institute of Neurological Disorders and Stroke (EB1RE21MH-091445RE01MH), 30 från National Institute of Mental Health and Office of Research on Women's Health, Klarman Family Foundation Grants Program in Eating Disorders Research, NYU:s Research Challenge Fund och P13079EY003956 (CA), National Institute on Drug Abuse-anslag DA009635 och en Independent Investigator Award från NARSAD (KDC), National Institute on Deafness and other Communications Disorders beviljar DCXNUMX till RCF, och genom ett fröbidrag i Center of Excellence on Addiction från New York University Langone Medical Center.

fotnoter

Intressekonflikt: Författarna förklarar inga konkurrerande ekonomiska intressen.

Referensprojekt

  1. Avena NM, Rada P, Hoebel BG. Bevis för sockerberoende: beteendemässiga och neurokemiska effekter av intermittent, alltför stort sockerintag. Neurosci Biobehav Rev. 2008; 32: 20-39. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  2. Basar K, Sesia T, Groenewegen H, Steinbusch HW, Visser-Vandewalle V, Temel Y. Nucleus accumbens och impulsivitet. Prog Neurobiol. 2010;92:533–557. [PubMed]
  3. Berridge KC. "Gilla" och "vill ha" mat belöningar: hjärnans substrat och roller i ätstörningar. Fysiologi & beteende. 2009;97:537–550. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  4. Boehm J, Kang MG, Johnson RC, Esteban J, Huganir RL, Malinow R. Synaptisk inkorporering av AMPA-receptorer under LTP kontrolleras av ett PKC-fosforyleringsställe på GluR1. Nervcell. 2006;51:213–225. [PubMed]
  5. Boudreau AC, Reimers JM, Milovanovic M, Wolf ME. Cellytans AMPA-receptorer i råttans nucleus accumbens ökar under kokainavvänjning men internaliseras efter kokainutmaning i samband med förändrad aktivering av mitogenaktiverade proteinkinaser. J Neurosci. 2007;27:10621–10635. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  6. Brebner K, Wong TP, Liu L, Liu Y, Campsall P, Gray S, Phelps L, Phillips AG, Wang YT. Nucleus accumbens långvarig depression och uttryck för beteendesensibilisering. Vetenskap. 2005;310:1340–1343. [PubMed]
  7. Cacciapaglia F, Sadoris MP, Wightman RM, Carelli RM. Differentiell dopaminfrisättningsdynamik i nucleus accumbens kärna och skal spårar distinkta aspekter av målriktat beteende för sackaros. Neurofarmakologi 2012 [PMC gratis artikel] [PubMed]
  8. Calabresi P, Maj R, Pisani A, Mercuri NB, Bernardi G. Långvarig synaptisk depression i striatum: fysiologisk och farmakologisk karakterisering. J Neurosci. 1992;12:4224–4233. [PubMed]
  9. Carr KD, Chau LS, Cabeza de Vaca S, Gustafson K, Stouffer M, Tukey DS, Restituito S, Ziff EB. AMPA-receptorsubenhet GluR1 nedströms D-1 dopaminreceptorstimulering i nucleus accumbens skal förmedlar ökad läkemedelsbelöningsstorlek i matbegränsade råttor. Neurovetenskap. 2010;165:1074–1086. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  10. Conrad KL, Tseng KY, Uejima JL, Reimers JM, Heng LJ, Shaham Y, Marinelli M, Wolf ME. Bildande av ackumulerade GluR2-saknade AMPA-receptorer förmedlar inkubering av kokaintrang. Natur. 2008; 454: 118-121. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  11. Dag JJ, Carelli RM. Kärnan accumbens och Pavlovian belöna lärande. Hjärnforskare. 2007; 13: 148-159. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  12. de Araujo IE, Oliveira-Maia AJ, Sotnikova TD, Gainetdinov RR, Caron MG, Nicolelis MA, Simon SA. Matbelöning i frånvaro av smakreceptorsignalering. Nervcell. 2008;57:930–941. [PubMed]
  13. Ehlers MD, Heine M, Groc L, Lee MC, Choquet D. Diffusionsfångning av GluR1 AMPA-receptorer genom ingångsspecifik synaptisk aktivitet. Nervcell. 2007;54:447–460. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  14. Esteban JA, Shi SH, Wilson C, Nuriya M, Huganir RL, Malinow R. PKA-fosforylering av AMPA-receptorsubenheter kontrollerar synaptisk trafficking som ligger bakom plasticitet. Nat Neurosci. 2003;6:136–143. [PubMed]
  15. Gerfen CR, Surmeier DJ. Modulering av striatala projektionssystem med dopamin. Årlig översyn av neurovetenskap. 2011;34:441–466. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  16. Grueter BA, Brasnjo G, Malenka RC. Postsynaptisk TRPV1 utlöser celltypsspecifik långtidsdepression i nucleus accumbens. Naturens neurovetenskap. 2010;13:1519–1525. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  17. He K, Song L, Cummings LW, Goldman J, Huganir RL, Lee HK. Stabilisering av Ca2+-permeabla AMPA-receptorer vid perisynaptiska platser genom GluR1-S845-fosforylering. Proc Natl Acad Sci US A. 2009;106:20033–20038. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  18. Hu FB, Malik VS. Sockersötade drycker och risk för fetma och typ 2-diabetes: epidemiologiska bevis. Fysiologi & beteende. 2010;100:47–54. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  19. Isaac JT, Ashby MC, McBain CJ. Rollen för GluR2-subenheten i AMPA-receptorfunktion och synaptisk plasticitet. Nervcell. 2007;54:859–871. [PubMed]
  20. Jordan BA, Fernholz BD, Boussac M, Xu C, Grigorean G, Ziff EB, Neubert TA. Identifiering och verifiering av nya gnagare postsynaptiska densitetsproteiner. Mol Cell Proteomics. 2004;3:857–871. [PubMed]
  21. Kalivas PW, Pierce RC, Cornish J, Sorg BA. En roll för sensibilisering i begär och återfall i kokainberoende. J Pharmacol. 1998;12:49–53. [PubMed]
  22. Kitagawa M, Kusakabe Y, Miura H, Ninomiya Y, Hino A. Molekylär genetisk identifiering av en kandidatreceptorgen för söt smak. Biokemisk och biofysisk forskningskommunikation. 2001;283:236–242. [PubMed]
  23. Kourrich S, Rothwell PE, Klug JR, Thomas MJ. Kokainerfarenhet kontrollerar dubbelriktad synaptisk plasticitet i nucleus accumbens. J Neurosci. 2007;27:7921–7928. [PubMed]
  24. Kravitz AV, Freeze BS, Parker PR, Kay K, Thwin MT, Deisseroth K, Kreitzer AC. Reglering av parkinsoniska motoriska beteenden genom optogenetisk kontroll av basala gangliakretsar. Natur. 2010;466:622–626. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  25. LaPlant Q, Vialou V, Covington HE, 3rd, Dumitriu D, Feng J, Warren BL, Maze I, Dietz DM, Watts EL, Iniguez SD, et al. Dnmt3a reglerar känslomässigt beteende och ryggradsplasticitet i nucleus accumbens. Nat Neurosci. 2010;13:1137–1143. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  26. Liu SJ, Zukin RS. Ca2+-permeabla AMPA-receptorer i synaptisk plasticitet och neuronal död. Trender inom neurovetenskap. 2007;30:126–134. [PubMed]
  27. Lu W, Isozaki K, Roche KW, Nicoll RA. Synaptisk inriktning av AMPA-receptorer regleras av ett CaMKII-ställe i den första intracellulära slingan av GluA1. Proc Natl Acad Sci US A. 2010;107:22266–22271. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  28. Lu W, Roche KW. Posttranslationell reglering av AMPA-receptorhandel och funktion. Aktuell åsikt inom neurobiologi 2011 [PMC gratis artikel] [PubMed]
  29. Luscher C, Malenka RC. Drogframkallad synaptisk plasticitet i missbruk: från molekylära förändringar till ombyggnad av kretsar. Nervcell. 2011;69:650–663. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  30. Makino H, Malinow R. AMPA-receptorinkorporering i synapser under LTP: rollen för lateral rörelse och exocytos. Nervcell. 2009;64:381–390. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  31. Mameli M, Halbout B, Creton C, Engblom D, Parkitna JR, Spanagel R, Luscher C. Kokainframkallad synaptisk plasticitet: uthållighet i VTA utlöser anpassningar i NAc. Nat Neurosci. 2009;12:1036–1041. [PubMed]
  32. Masuda K, Koizumi A, Nakajima K, Tanaka T, Abe K, Misaka T, Ishiguro M. Karakterisering av bindningssätten mellan mänsklig sötsmaksreceptor och söta föreningar med låg molekylvikt. PloS ett. 2012;7:e35380. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  33. Matthews K, Wilkinson LS, Robbins TW. Upprepad maternell separation av råttor som avvänjs före avvänjning dämpar beteendemässiga svar på primära och betingade incitament i vuxen ålder. Physiol Behav. 1996;59:99–107. [PubMed]
  34. Max M, Shanker YG, Huang L, Rong M, Liu Z, Campagne F, Weinstein H, Damak S, Margolskee RF. Tas1r3, som kodar för en ny kandidatsmakreceptor, är allel till sweet responsiveness locus Sac. Naturgenetik. 2001;28:58–63. [PubMed]
  35. McCutcheon JE, Beeler JA, Roitman MF. Sackarosprediktiva signaler framkallar större fasisk dopaminfrisättning än sackarinprediktiva signaler. Synaps. 2012;66:346–351. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  36. McCutcheon JE, Wang X, Tseng KY, Wolf ME, Marinelli M. Kalciumgenomsläppliga AMPA-receptorer finns i nucleus accumbens synapser efter långvarigt uppehåll från kokain självadministrering men inte kokain som administreras av experimentledaren. The Journal of neuroscience: den officiella tidningen för Society for Neuroscience. 2011a;31:5737–5743. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  37. McCutcheon JE, Loweth JA, Ford KA, Marinelli M, Wolf ME, Tseng KY. Grupp I mGluR-aktivering reverserar kokain-inducerad ackumulering av kalciumpermeabla AMPA-receptorer i nucleus accumbenssynapses via en proteinkinas C-beroende mekanism. J Neurosci. 2011b;31:14536–14541. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  38. Nedelescu H, Kelso CM, Lazaro-Munoz G, Purpura M, Cain CK, Ledoux JE, Aoki C. Endogena GluR1-innehållande AMPA-receptorer translokeras till asymmetriska synapser i den laterala amygdala under den tidiga fasen av rädslaminnesbildning: en elektronmikroskopisk immunocytokemisk studie. Journal of comparative neurology. 2010;518:4723–4739. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  39. Nelson G, Hoon MA, Chandrashekar J, Zhang Y, Ryba NJ, Zuker CS. Receptorer för sötsmak från däggdjur. Cell. 2001;106:381–390. [PubMed]
  40. Oh MC, Derkach VA, Guire ES, Söderling TR. Extrasynaptisk membranhandel reglerad av GluR1 serin 845-fosforylering primerar AMPA-receptorer för långsiktig potentiering. J Biol Chem. 2006;281:752–758. [PubMed]
  41. Pascoli V, Turiault M, Luscher C. Återföring av kokainframkallad synaptisk potentiering återställer droginducerat adaptivt beteende. Natur. 2012;481:71–75. [PubMed]
  42. Plant K, Pelkey ​​KA, Bortolotto ZA, Morita D, Terashima A, McBain CJ, Collingridge GL, Isaac JT. Övergående inkorporering av naturliga GluR2-saknade AMPA-receptorer under hippocampus långvarig potentiering. Nat Neurosci. 2006;9:602–604. [PubMed]
  43. Rada P, Avena NM, Hoebel BG. Dagligt bingeing på socker frisätter upprepade gånger dopamin i accumbens skalet. Neuroscience. 2005; 134: 737-744. [PubMed]
  44. Roche KW, O'Brien RJ, Mammen AL, Bernhardt J, Huganir RL. Karakterisering av multipla fosforyleringsställen på AMPA-receptorn GluR1-subenheten. Nervcell. 1996;16:1179-1188. [PubMed]
  45. Rumpel S, LeDoux J, Zador A, Malinow R. Postsynaptisk receptorhandel som ligger till grund för en form av associativt lärande. Vetenskap. 2005;308:83–88. [PubMed]
  46. Sainz E, Korley JN, Battey JF, Sullivan SL. Identifiering av en ny medlem av T1R-familjen av förmodade smakreceptorer. Journal of neurochemistry. 2001;77:896–903. [PubMed]
  47. Serulle Y, Zhang S, Ninan I, Puzzo D, McCarthy M, Khatri L, Arancio O, Ziff EB. En GluR1-cGKII-interaktion reglerar handel med AMPA-receptorer. Nervcell. 2007;56:670–688. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  48. Sesack SR, Grace AA. Cortico-Basal Ganglia belöningsnätverk: mikrokretsar. Neuropsychopharmacology: officiell publikation av American College of Neuropsychopharmacology. 2010;35:27–47. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  49. Smith GP. Accumbens dopamin förmedlar den givande effekten av orosensorisk stimulering av sackaros. Aptit. 2004;43:11–13. [PubMed]
  50. Smith WB, Starck SR, Roberts RW, Schuman EM. Dopaminerg stimulering av lokal proteinsyntes förbättrar ytuttryck av GluR1 och synaptisk överföring i hippocampala neuroner. Nervcell. 2005; 45: 765-779. [PubMed]
  51. Sun X, Milovanovic M, Zhao Y, Wolf ME. Akut och kronisk dopaminreceptorstimulering modulerar handel med AMPA-receptorer i nucleus accumbens-neuroner samodlade med prefrontala cortexneuroner. The Journal of neuroscience: den officiella tidningen för Society for Neuroscience. 2008;28:4216–4230. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  52. Sun X, Zhao Y, Wolf ME. Dopaminreceptorstimulering modulerar AMPA-receptorsynaptisk insättning i prefrontala cortexneuroner. J Neurosci. 2005;25:7342–7351. [PubMed]
  53. Thomas MJ, Beurrier C, Bonci A, Malenka RC. Långtidsdepression i nucleus accumbens: ett neuralt korrelat av beteendesensibilisering mot kokain. Nat Neurosci. 2001;4:1217–1223. [PubMed]
  54. Ungless MA, Whistler JL, Malenka RC, Bonci A. Enstaka kokainexponering in vivo inducerar långvarig potentiering i dopaminneuroner. Natur. 2001;411:583–587. [PubMed]
  55. Whitlock JR, Heynen AJ, Shuler MG, Bear MF. Lärande inducerar långsiktig potentiering i hippocampus. Vetenskap. 2006; 313: 1093-1097. [PubMed]