PLoS One. 29 กรกฎาคม 2014;9(7):e102524. doi: 10.1371/journal.pone.0102524. eCollection 2014.
นามธรรม
การสัมผัสโคเคนเรื้อรังทั้งในผู้ติดยาเสพติดและในรูปแบบของการติดยาเสพติดหนูช่วยลดกิจกรรมเยื่อหุ้มสมอง prefrontal ซึ่งต่อมา dysregulates การประมวลผลรางวัลและฟังก์ชั่นการบริหารที่สูงขึ้น ผลกระทบสุทธิของการทำ gating ที่บกพร่องของพฤติกรรมนี้เพิ่มความเสี่ยงต่อการกำเริบของโรค ก่อนหน้านี้เราได้แสดงให้เห็นว่าการเพิ่มขึ้นของโคเคนที่เกิดขึ้นในการแสดงออกของเซลล์ประสาทปัจจัยสมอง (BDNF) ในเยื่อหุ้มสมอง prefrontal cortex (PFC) เป็นกลไก neuroadaptive ที่ blunts เสริมประสิทธิภาพของโคเคน เนื่องจาก BDNF เป็นที่ทราบกันว่ามีผลต่อการอยู่รอดของเส้นประสาทและพลาสติกซินแนปติกเราทดสอบสมมติฐานว่าการเลิกโคเคนด้วยตนเองจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาของเซลล์ประสาทและความหนาแน่นของ synaptic ใน PFC การใช้เทคนิคใหม่การตรวจเอกซเรย์เรย์อาเรย์และการย้อมสี Golgi การเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาในหนู PFC ได้รับการวิเคราะห์หลังจาก 14 วันของการจัดการโคเคนด้วยตนเองและวัน 7 ที่ถูกบังคับให้เลิกบุหรี่ ผลลัพธ์ของเราบ่งชี้ว่าการแตกแขนงโดยรวมของ dendritic และความหนาแน่น synaptic รวมจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญในหนู PFC ในทางตรงกันข้ามความหนาแน่นของเงี่ยง dendritic บางเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในชั้น V เสี้ยมเซลล์ประสาทของ PFC การค้นพบเหล่านี้บ่งชี้ว่าการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างแบบไดนามิกเกิดขึ้นในระหว่างการเลิกโคเคนซึ่งอาจนำไปสู่กิจกรรมที่ไม่ได้รับการสังเกตของ PFC ในบุคคลที่ติดโคเคน
บทนำ
การเปลี่ยนแปลงในความยืดหยุ่นเชิงโครงสร้างภายในวงจรการให้รางวัลถูกเสนอให้เป็นกลไกสำคัญที่สนับสนุนความสามารถอันทรงพลังของโคเคนในการรักษาพฤติกรรมการแสวงหายา (ทบทวนใน[1] ) การศึกษาก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นถึงการเพิ่มขึ้นของการแตกแขนงของเดนไดรต์และความหนาแน่นของหนามในนิวเคลียสแอคคัมเบนส์ (NAc) [2] – [4]พื้นที่เท็กเมนทัลด้านล่าง[5]และคอร์เทกซ์ส่วนหน้า (PFC) [6]หลังจากการสัมผัสกับโคเคน ในขณะที่การศึกษาส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การเปลี่ยนแปลงเชิงโครงสร้างที่เกี่ยวข้องกับกิจกรรมที่ผิดปกติของ NAc แต่มีการศึกษาน้อยกว่ามากที่ตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงใน PFC หลักฐานหลายประการแสดงให้เห็นถึงความผิดปกติของ PFC หลังจากการสัมผัสกับโคเคนเรื้อรังทั้งในผู้ติดยาที่เป็นมนุษย์[7] , [8]และในแบบจำลองการติดยาในสัตว์ฟันแทะ[9] , [10]ดังนั้น การระบุลักษณะการเปลี่ยนแปลงเชิงโครงสร้างที่เกิดขึ้นใน PFC จึงมีความเกี่ยวข้องกับการทำความเข้าใจเหตุการณ์ระดับโมเลกุลที่เป็นพื้นฐานของการติดยา
PFC ทำหน้าที่ควบคุมการควบคุมแรงกระตุ้นและการตัดสินใจ ดังนั้นจึงมีบทบาทสำคัญในความสามารถของแต่ละบุคคลในการควบคุมพฤติกรรม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในผู้ที่ติดยาเสพติด[8] , [11]ตัวอย่างเช่น ในผู้ที่ติดโคเคน การทำงานของคอร์เทกซ์ส่วนหน้าลดลงมีความสัมพันธ์กับอาการถอนยาและการตอบสนองของผู้บริหารระดับสูงที่บกพร่อง[7] , [8]ซึ่งสามารถเพิ่มความเสี่ยงต่อการกลับไปเสพยาซ้ำได้ ในสัตว์ฟันแทะ การทำงานของเซลล์ประสาทใน PFC ที่เพิ่มขึ้นมีความสัมพันธ์กับการเสพโคเคน[9] , [10]พฤติกรรมการแสวงหายาอย่างบ้าคลั่ง[12]และการกลับไปเสพโคเคนอีกครั้งหลังจากการถอนยา[13] – [15]นอกจากนี้ ความเสถียรของเยื่อหุ้มเซลล์จะถูกยกเลิกใน PFC หลังจากการได้รับโคเคนเรื้อรัง[16]สุดท้าย กิจกรรมการเผาผลาญที่เกิดจากยาใน PFC จะลดลงในหนูที่ได้รับการฉีดยาในระหว่างการถอนยาจากการเสพโคเคนด้วยตนเอง[9] , [17 ] โดยรวมแล้ว การศึกษาเหล่านี้บ่งชี้ว่าการใช้โคเคนเรื้อรังทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงการทำงานอย่างมากใน PFC ซึ่งอาจเกี่ยวข้องกับการเพิ่มขึ้นของจำนวนไซแนปส์ยับยั้งและ/หรือการลดลงของไซแนปส์กระตุ้นใน PFC อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาที่เกิดขึ้นใน PFC หลังจากการใช้ยาเสพติดเรื้อรังยังไม่ได้รับการอธิบายอย่างชัดเจน
ในการศึกษาครั้งนี้ เราพยายามตรวจสอบว่าการงดใช้โคเคนนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างใน PFC หรือไม่ การเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาได้รับการตรวจสอบโดยใช้วิธีดั้งเดิมคือการย้อมสี Golgi รวมถึงเทคนิคใหม่คือ array tomography Array tomography เป็นวิธีการเฉพาะที่ผสมผสานการตัดเนื้อเยื่อบางพิเศษเข้ากับการเรืองแสงภูมิคุ้มกันและการสร้างภาพสามมิติเพื่อให้สามารถวัดปริมาณความหนาแน่นของไซแนปส์ทั้งหมดและเฉพาะชนิดย่อยได้อย่างแม่นยำ[18] , [19]เมื่อใช้วิธีการเหล่านี้ ผลลัพธ์ของเราบ่งชี้ถึงความยืดหยุ่นอย่างมากใน PFC ของหนูที่ตอบสนองต่อการงดใช้โคเคน
วัสดุและวิธีการ
สัตว์และที่อยู่อาศัย
หนูสปราก - ดอว์ลีย์ตัวผู้ (Rattus norvegicus) ที่มีน้ำหนัก 250–300 กรัมได้มาจาก Taconic Laboratories (Germantown, NY) สัตว์ต่างๆได้รับอาหารและน้ำที่มีอยู่ในกรงที่บ้าน โปรโตคอลการทดลองทั้งหมดสอดคล้องกับแนวทางที่ออกโดยสถาบันสุขภาพแห่งชาติของสหรัฐอเมริกาและได้รับการอนุมัติจาก Perelman School of Medicine ที่มหาวิทยาลัยเพนซิลวาเนียและคณะกรรมการดูแลและใช้สัตว์ในสถาบันของมหาวิทยาลัยเพนซิลวาเนีย
ศัลยกรรมเฉพาะทางชาย
ก่อนการผ่าตัดหนูจะได้รับยาสลบด้วยคีตามีน 80 mg / kg และไซลินซีน 12 mg / kg (ip; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO) สายสวนแบบ Silastic ที่ไม่น่าเชื่อ (เส้นผ่านศูนย์กลางด้านใน 0.33 mm, เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 0.64 mm) ถูกแทรกลงในเส้นเลือดคอด้านขวาและเย็บให้เข้าที่ จากนั้นสายสวนนั้นถูกส่งผ่านใต้ใบมีดใต้ผิวหนังและส่งไปยังแท่นตาข่ายแบบตาข่าย (CamCath, Cambridge, UK) ที่ถูกเย็บใต้ผิวหนังด้านบนเหนือกระดูกสะบัก หลอดสวนถูกชะล้างทุกวันด้วย 0.3 ml ของยาปฏิชีวนะ Timentin (ticarcillin disodium / โปแตสเซียม clavulanate, 0.93 mg / ml; Henry Schein, Melville, NY) ละลายใน heparinized saline (10 U / ml) สายสวนถูกปิดผนึกด้วยพลาสติก obturators เมื่อไม่ใช้งาน
โคเคนการดูแลตนเอง
หนูได้รับอนุญาตให้ 7 วันฟื้นตัวจากการผ่าตัดก่อนที่จะเริ่มทำการบริหารตนเองด้วยโคเคน หนูได้รับการสุ่มให้เป็นหนึ่งในสองกลุ่ม: สัตว์ที่บริหารด้วยตนเองโคเคนและการควบคุมน้ำเกลือเทียม หนูแต่ละคนได้รับการฝึกฝนให้ตอบสนองต่อการฉีดโคเคนที่เกิดขึ้นโดยบังเอิญนั้นถูกจับคู่กับอาสาสมัครที่ได้รับหมายเลขเดียวกันและรูปแบบเวลาของการให้เงินทุนเดียวกันกับหนูที่ได้รับโคเคนจากการทดลองด้วยตนเอง การกดคันโยกสำหรับหนูที่มีน้ำเกลือนั้นไม่มีผลตามกำหนดการ
ในขั้นต้นหนูทดลองโคเคนถูกวางไว้ในห้องผ่าตัดแบบแยกส่วน (Med Associates, St. Albans, VT) และได้รับอนุญาตให้กดคันโยกสำหรับการฉีดโคเคนทางหลอดเลือดดำ (0.25 mg โคเคน / 59 µl น้ำเกลือแช่ 5 s) อัตราส่วนกำหนดการ 1 (FR1) ของการเสริมแรง เมื่อหนูทดลองโคเคนได้รับยาโคเคนอย่างน้อย 20 ในช่วงผ่าตัดเดียวภายใต้ตาราง FR1 ความต้องการในการตอบสนองถูกเปลี่ยนเป็นตารางเวลาเสริมแรง FR5 สำหรับการตอบสนองต่อตารางอัตราส่วนคงที่จำนวนสูงสุดของการฉีดโคเคนถูก จำกัด ไว้ที่ 30 ต่อเซสชันการดูแลตนเองทุกวันและระยะเวลาการหมดเวลาของ 20 ตามด้วยการฉีดโคเคนในแต่ละครั้ง . มีการดำเนินการเซสชัน 2 ชั่วโมงทุกวัน (7 วัน / สัปดาห์) โดยรวมเป็นวันที่ 14 คำตอบของคันโยกที่ไม่ได้ใช้งานซึ่งไม่มีการกำหนดเวลาไว้จะถูกบันทึกระหว่างการฝึกซ้อมทั้ง FR1 และ FR5
หลังจากเสร็จ สิ้นการทดลองประจำวันครั้ง ที่ 14 หนูทดลองที่ได้รับโคเคนและหนูควบคุมที่ได้รับน้ำเกลือจะถูกส่งกลับไปยังกรงของพวกมัน ซึ่งพวกมันจะต้องงดใช้ยาเป็นเวลา 7 วัน ใน วัน ที่ 7 ของการงดใช้โคเคน สมองจะถูกนำออกและแยกส่วน PFC ออกมาบนน้ำแข็ง การงดใช้โคเคนเป็นเวลา 7 วันถูกเลือกเพื่อให้สามารถเปรียบเทียบโดยตรงกับการศึกษาที่ตีพิมพ์ก่อนหน้านี้ของเราที่ตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของการแสดงออกของ BDNF ใน PFC ที่เกิดจากโคเคน[20 ]
ปะ
หนูถูกดมยาสลบ (100 mg / kg, ip sodium pentobarbital) และ perfused กับ 4% paraformaldehyde ในน้ำแข็งเย็น 0.1 M PB, pH 7.4 (PFA) ซีกโลกหนึ่งอันจากสมองแต่ละอันถูกใช้เพื่อการย้อมสี golgi และอีกซีกโลกหนึ่งสำหรับเอกซเรย์เรย์ ซีกอาเรย์ถูกโพสต์คงที่ใน 4% PFA กับซูโครส 2.5% เป็นเวลา 2 ชั่วโมงและ Golgi ซีกโลกถูกโพสต์คงที่สำหรับ 48 h ใน 4% PFA
การตรวจเอกซ์เรย์
การทดลองเอกซ์เรย์ของอาเรย์ได้ดำเนินการตามที่อธิบายไว้ก่อนหน้า [19], [21]. สังเขปเนื้อเยื่อ PFA ถูกฝังอยู่ในส่วนเรซิ่นและโคโรนา (70 นาโนเมตร) ที่ระดับของ mPFC ถูกตัดและเก็บเป็นริบบิ้น ริบบิ้นถูกไฮเดรตใน 50 mM glycine ใน Tris และบล็อกในสารละลายปิดกั้น (0.05% Tween / 0.1% bovine เซรั่มอัลบูมินในบัฟเฟอร์ Tris (50 mM Tris / 150 mM NaCl, pH 7.6) Chemicon), PSD65 (การส่งสัญญาณเซลล์) หรือ synaptophysin (Abcam) ในการปิดกั้นการแก้ปัญหาค้างคืนที่ 95 ° C ริบบิ้นถูกชะล้างด้วย Tris buffer และย้อมด้วยแอนติบอดีรองที่ 4
50 ในโซลูชันการปิดกั้น (แพะต่อต้านเมาส์ Alexa-flour 488 และแพะต่อต้านกระต่าย cy3 หรือลาต่อต้านกระต่าย cy5) ริบบิ้นถูกย้อมสีด้วย DAPI เพื่ออำนวยความสะดวกในการค้นหาไซต์เดียวกันในทุกส่วน เก็บภาพสแกนแบบเรียงต่อกันโดยใช้กล้องจุลทรรศน์ epifluorescence Zeiss AxioImager Z2 อิมเมจจากไซต์เดียวกันในแต่ละส่วนของ 20 – 30 ต่อริบบิ้นได้มาที่ 63x ด้วยโปรแกรมอัตโนมัติที่เชี่ยวชาญสำหรับการตรวจเอกซเรย์เรย์
การวิเคราะห์ภาพรังสีของอาเรย์
อิมเมจอนุกรมจากริบบิ้นแต่ละอันถูกเปิดตามลำดับแปลงเป็นสแต็กและจัดแนวกับปลั๊กอิน MultiStackReg และ StackReg (ความอนุเคราะห์จาก B. Busse ที่ Stanford University และ [21], [22]. กล่องครอบตัด (19.5 µmx19.5 µm) ถูกใช้เพื่อเลือกภูมิภาคที่น่าสนใจ (ROI) ในนิวโทรปิลเพื่อการหาปริมาณ การเลือกต้องแยกเซลล์ร่างกายของเซลล์ประสาทหรือคุณสมบัติการบดบังอื่น ๆ สำหรับการวิเคราะห์ภาพอัตโนมัติ, พืชผลที่น่าสนใจ (หรือ ROIs) สำหรับ synaptophysin, กรดกลูตามิก decarboxylase-65 (GAD65) และ PSD95 ถูกกำหนดระดับอัตโนมัติตามลำดับด้วยอัลกอริธึมอัตโนมัติใน ImageJ พืชถูกให้รหัสและการวิเคราะห์ถูกทำให้ตาบอดในสภาพ โปรแกรมตรวจจับตามเกณฑ์อัตโนมัติเพื่อคำนวณจำนวนของ puncta ที่ระบุว่าเป็น synapses เชิงบวกที่ใช้ตามที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ [23]. ความหนาแน่นของเทอร์มินัลแบบ presynaptic, เทอร์มินัลโพซินแนปทิคแบบ excitatory และเปอร์เซ็นต์ของ synapses ของ GAD-positive (ยับยั้ง) ถูกคำนวณจากค่าเฉลี่ยของไซต์ตัวอย่าง 75 ต่อสัตว์ที่เก็บจากเนื้อเยื่อบล็อกสองแห่งจาก PFC (n
=
โคเคน 5 ที่ได้รับการรักษา 5 สัตว์ที่ได้รับการบำบัดด้วยเกลือ) สำหรับ 29,154 postsynaptic puncta และ 53,565 presynaptic puncta จากไซต์การสุ่มตัวอย่าง 818 จากไซต์การสุ่มตัวอย่าง 5 ทั่วสัตว์ที่ได้รับการรักษาด้วย 29,662 และ 17,034 presynaptic puncta ค่ามัธยฐานสำหรับค่าความหนาแน่นของไซแนปส์และร้อยละของการยับยั้งไซแนปส์ต่อสัตว์ถูกคำนวณและทดสอบ t-run โดยใช้สื่อสัตว์เพื่อทดสอบว่ามีความแตกต่างระหว่างค่าเฉลี่ยของกลุ่มหรือไม่
วิธี Rapid-Golgi
การย้อมสี Golgi แบบส่วนเดียวดำเนินการตามที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้[24] , [25]โดยสรุปคือ mPFC จากซีกสมองข้างหนึ่งของสัตว์แต่ละตัวถูกตัดเป็นส่วนตัดขวางขนาด 100 µm และตรึงด้วยออสเมียมเตตระออกไซด์ 1% ตามด้วยการล้างสามครั้งใน PB 0.1 M ที่ pH 7.4 ส่วนต่างๆ ถูกบ่มในโพแทสเซียมไดโครเมต 3.5% ค้างคืน ล้างอย่างรวดเร็วและแทรกซึมด้วยซิลเวอร์ไนเตรต 1.5% โดยวิธีแซนด์วิช[25]ส่วนต่างๆ ถูกวางบนสไลด์ที่เคลือบด้วยเจลาตินที่มีซูโครส 20% และทำให้แห้งผ่านชุดความเข้มข้นของแอลกอฮอล์ ตามด้วยการกำจัดไขมันในไซลีนและปิดด้วยแผ่นกระจก
การวิเคราะห์ Golgi
สไลด์กอลจิถูกเข้ารหัสและวิเคราะห์โดยไม่ทราบเงื่อนไข และผู้ทำการทดลองคนเดียวกันเป็นผู้ทำการวิเคราะห์ทั้งหมด ภาพเซลล์ประสาทและการติดตามเส้นทาง รวมถึงภาพตัวอย่างของหนามเดนไดรต์ ถูกเก็บรวบรวมโดยใช้กล้องจุลทรรศน์ Olympus BX51 แบบตั้งตรงที่มีแท่นวางแบบมอเตอร์ในตัว (Prior Scientific, Rockland, MA) พร้อมเลนส์วัตถุ 20×0.7 NA สำหรับการวิเคราะห์การแตกแขนงของเดนไดรต์ เลือกเซลล์ประสาท 7 เซลล์ต่อสัตว์หนึ่งตัวสำหรับการวิเคราะห์ เราวัดความยาวและความซับซ้อนของนิวไรต์โดยใช้มาโคร NeuronJ และ Advanced Sholl Analysis ตามลำดับ จำนวนจุดตัด (จุดแตกแขนง) ภายในวงกลมศูนย์กลางที่รัศมีระหว่าง 5–250 µm (รวมถึงเดนไดรต์ฐานและเดนไดรต์ปลาย) ถูกวัดและเปรียบเทียบระหว่างกลุ่ม สำหรับการวิเคราะห์ความหนาแน่นของหนามเดนไดรต์ จะทำการวิเคราะห์ส่วนต่างๆ ของเดนไดรต์ฐานลำดับที่สามจำนวน 4–5 ส่วนที่มีความยาวอย่างน้อย 20 µm ต่อเซลล์ประสาท โดยใช้กล้องจุลทรรศน์เอพิฟลูออเรสเซนซ์ Zeiss AxioImager Z2 ที่มีเลนส์กำลังขยาย 63x แบบแช่น้ำมัน โดยจะจำแนกรูปร่างของหนามเดนไดรต์ตามที่ได้อธิบายไว้ก่อนหน้านี้[26]เปรียบเทียบความหนาแน่นเชิงเส้นของหนามเดนไดรต์แต่ละส่วนและรูปร่างของหนามเดนไดรต์ (บาง สั้น เห็ด รูปถ้วย) ระหว่างกลุ่มต่างๆ ใช้ซอฟต์แวร์โอเพนซอร์สจากสถาบันสุขภาพแห่งชาติ (ImageJ) สำหรับการวิเคราะห์ข้อมูลโทโมกราฟีแบบ Golgi และอาร์เรย์
ผลสอบ
การงดโคเคนช่วยลดความหนาแน่นของไซแนปส์ทั้งหมด
การตรวจเอกซ์เรย์ของอาเรย์นั้นใช้เพื่อวัดการเปลี่ยนแปลงทั้งใน excitatory และ synapses เพื่อยับยั้งการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาเฉพาะที่เกิดขึ้นใน PFC เพื่อตอบสนองต่อการงดเว้นจากการบริหารตนเองด้วยโคเคน การตรวจเอกซ์เรย์ของอาเรย์เป็นวิธีการที่ให้ปริมาณงานที่แม่นยำของการยับยั้งรวมและ excitatory synapses ในโครงสร้างที่มีขนาดเล็กเกินไปที่จะระบุได้อย่างเหมาะสม [19]. ในฐานะที่เป็นทั้งยับยั้งและ excitatory synapses เป็นส่วนประกอบที่สำคัญของวงจรรางวัลยาเสพติด [13], [27], [28] เราใช้วิธีการใหม่นี้เพื่อประเมินการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาของสาร PFC ในระหว่างการงดเว้นจากโคเคน ส่วน PFC เจ็ดสิบนาโนเมตรจากซีกโลกหนึ่งสมองของ 5 yoked-saline และ 5 โคเคนที่มีประสบการณ์ของหนูโคเคนถูกย้อมด้วยแอนติบอดีต่อ PSD95 ซึ่งเป็นเครื่องหมาย excitatory postsynaptic, synaptophysin, presynaptic marker และ GAD65 ความหนาแน่นของไซแนปส์และหาเปอร์เซ็นต์ของการยับยั้งไซแนปส์ในเยื่อหุ้มสมองชั้น V (รูปที่ 1A และ 1B) ผลการวิจัยของเราระบุว่าในช่วงที่งดเว้นจากโคเคนมีการลดลงอย่างมีนัยสำคัญในความหนาแน่นของรูป 1C) ซึ่งใช้วัดเทอร์มินัล presynaptic ทั้งหมด [t (7)
=
2, p <0.05] ไม่มีความหนาแน่นของไซแนปส์กระตุ้นลดลงอย่างมีนัยสำคัญ [t (8)
=
0.48, p
=
0.32] วัดจากการนับ PSD95 puncta (รูปที่ 1D) ที่น่าสนใจมีแนวโน้มที่ไม่สำคัญต่อการเพิ่มขึ้นของเปอร์เซ็นต์การยับยั้งการบวก GAD65 ที่เป็นบวก [t (8)
=
−1.39, p
=
0.9] (รูปที่ 2E).
การงดโคเคนช่วยลดการแตกแขนงของเดนไดริทในขณะที่เพิ่มความหนาแน่นของกระดูกสันหลังใน PFC
วิธี Golgi ถูกนำมาใช้เพื่อตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงในการแตกแขนของเส้นประสาทและความหนาแน่นของกระดูกสันหลัง dendritic เพื่อยืนยันการเปลี่ยนแปลง ultrastructural สังเกตในความหนาแน่นของ synapse (รูป 1) เราทำการชุบ Golgi อย่างรวดเร็วในส่วนเดียวบนชุดย่อยของเซลล์ประสาทใน PFC จากซีกโลกอื่นของสัตว์ชนิดเดียวกันที่ใช้สำหรับการศึกษาเอกซเรย์เรย์ ได้ทำการประเมินการแยก Dendritic การนับ Dendritic ของกระดูกสันหลังและสัณฐานวิทยาของกระดูกสันหลัง เซลล์ประสาทเสี้ยมที่เป็นตัวแทนสองชนิดจาก PFC ของการควบคุมแอกเทียมน้ำเกลือและหนูที่สัมผัสโคเคน รูปที่ 2A. พล็อต Sholl วัดจำนวนจุดตัด (จุดสาขา) ภายในวงกลมศูนย์กลางที่รัศมีระหว่าง 5 – 250 µm ผลการศึกษาของเราแสดงให้เห็นว่าหลังจากวันที่ 7 ถูกงดการบังคับจากโคเคนการบริหารตนเองมีการลดความซับซ้อนของ dendritic (รูปที่ 2B) วัดซ้ำสองทางการวิเคราะห์ ANOVA ของข้อมูล sholl plot เปิดเผยผลกระทบสำคัญของการรักษา [F(1,738)
=
30.59, p <0.0001] และรัศมี [F(245, 738)
=
289.6, หน้า <0.0001] (รูปที่ 2B) ยืนยันการสูญเสีย dendrites ที่เห็นด้วยกับการสูญเสีย synapses ที่วัดในการศึกษาอาเรย์ (รูป 1C) การวิเคราะห์ลำดับเบสที่สองและสามเผยให้เห็นการเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในกระดูกสันหลัง dendritic หลังจาก 7 วันของการงดโคเคน [t (6)
=
−3.12, หน้า <0.05] (รูปที่ 2D) โดยเฉพาะอย่างยิ่งการงดเว้นจากการสัมผัสโคเคนเพิ่มจำนวนของชนิดย่อยของกระดูกสันหลังบางในขณะที่ไม่มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญกับชนิดย่อยของกระดูกสันหลังอื่น ๆ (รูปที่ 2E) ตามที่เปิดเผยโดยสองทางซ้ำมาตรการ ANOVA กับผลกระทบหลักของการรักษา [F(1,30)
=
11.9, p
=
0.0017], ชนิดย่อยกระดูกสันหลัง [F(4,30)
=
57.7, p <0.0001] และการรักษาที่มีนัยสำคัญ x ปฏิกิริยาย่อยของกระดูกสันหลัง [F(1, 4, 30)
=
8.8, p <0.0001]
การสนทนา
ในการศึกษาครั้งนี้ เราแสดงให้เห็นว่ามีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและไซแนปส์ที่เด่นชัดในชั้น V ของ PFC หลังจากงดใช้โคเคนเป็นเวลา 7 วัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พบว่ามีการลดลงอย่างมีนัยสำคัญของการแตกแขนงของเดนไดรต์ของเซลล์ประสาทพีระมิด และการสูญเสียความหนาแน่นของไซแนปส์โดยทั่วไป ซึ่งวัดได้จากการลดลงของความหนาแน่นของปุ่มไซแนปส์ก่อนซินแนปส์โดยรวมที่ติดฉลากด้วยซินาปโทฟิซิน แม้ว่าจะมีการสูญเสียความหนาแน่นของปุ่มไซแนปส์ก่อนซินแนปส์ แต่เดนไดรต์ฐานของเซลล์ประสาทพีระมิดในชั้น V กลับมีความหนาแน่นของหนามเดนไดรต์เพิ่มขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งหนามที่บางและยืดหยุ่นได้ เนื่องจากเราไม่พบการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญในความหนาแน่นของ PSD95 จึงอาจสันนิษฐานได้ว่าการลดลงของปุ่มไซแนปส์ก่อนซินแนปส์ แต่การเพิ่มขึ้นของความหนาแน่นของหนาม อาจเกิดจากการเพิ่มขึ้นของจำนวนปุ่มไซแนปส์หลายจุด นอกจากนี้ ยังเป็นที่น่าสังเกตว่าเราพบแนวโน้มของการเพิ่มขึ้นของไซแนปส์ยับยั้งใน PFC ด้วย เนื่องจากหนามที่บางมีส่วนเกี่ยวข้องกับความยืดหยุ่น[29]การเพิ่มขึ้นของหนามเหล่านี้อาจแสดงถึงความยืดหยุ่นชดเชยเพื่อรักษาอินพุตไซแนปส์บนเซลล์ประสาทที่ถูกตัดเส้นประสาทซึ่งสูญเสียกิ่งก้านเดนไดรต์ไป
การศึกษาก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นว่าโคเคนเพิ่มการแตกแขนงของเดนไดรต์และความหนาแน่นของหนามใน NAc [2] – [4]เมื่อเร็ว ๆ นี้ Dumitriu et al., 2012 [30]แสดงให้เห็นว่าโคเคนเปลี่ยนแปลงหนามส่วนต้นในแกนกลางและเปลือกของ NAc อย่างมีพลวัต โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเปลือก การถอนโคเคนทำให้หนามบางเพิ่มขึ้น ในขณะที่ความหนาแน่นของหัวหนามรูปเห็ดลดลงในเปลือกของ NAc [30]ในทางตรงกันข้ามกับการศึกษาเกี่ยวกับ NAc มีการศึกษาเพียงไม่กี่ชิ้นที่ตรวจสอบผลกระทบของโคเคนต่อสัณฐานวิทยาของเซลล์ประสาทใน PFC [6] , [31]ข้อมูลของเราสอดคล้องกับการศึกษาล่าสุดที่แสดงให้เห็นว่าโคเคนทำให้ความหนาแน่นของหนามใน PFC เพิ่มขึ้น[31 ] ที่น่าสังเกตคือ หนูที่มีจำนวนหนามที่คงอยู่และเสถียรเพิ่มขึ้นมากขึ้น กล่าวคือ หนามที่ปรากฏอยู่ 3 วันหลังการถอนยา บนเดนไดรต์ส่วนปลาย แสดงให้เห็นคะแนนความชอบสถานที่ที่ถูกปรับสภาพด้วยโคเคนและภาวะไฮเปอร์แอคทีฟที่เกิดจากโคเคนสูงขึ้น[31]การศึกษาครั้งก่อนในเซลล์ประสาทชั้น II-III ของ PFC ในหนูรายงานค่าประมาณ 3 หนามต่อ µm ของเดนไดรต์ทั้งบนเดนไดรต์ส่วนปลายและส่วนฐาน ซึ่งเป็นระดับความหนาแน่นของหนามที่น่าประหลาดใจซึ่งสามารถปรับเปลี่ยนได้ด้วยความเครียด[32]ค่าของเราในหนูควบคุมที่ ∼2 หนาม/10 µm ของส่วนเดนไดรต์นั้นต่ำกว่า ซึ่งอาจเป็นเพราะประชากรเซลล์ประสาทที่วิเคราะห์แตกต่างกัน (เดนไดรต์ส่วนฐานชั้น V) หรือความแตกต่างในเทคนิคการถ่ายภาพ ในการศึกษาปัจจุบัน เราใช้วิธีการย้อมสี Golgi แบบรวดเร็วในส่วนเดียว ในขณะที่ Radley และเพื่อนร่วมงาน[32] ใช้การฉีดสีย้อม Lucifer yellow แบบไอออนโทโฟเรติกควบคู่กับการถ่ายภาพแบบคอน โฟคอลเพื่อแสดงภาพสัณฐานวิทยาของเซลล์ประสาทและเดนไดรต์ นอกจากนี้ ผลการค้นพบของเรายังเน้นย้ำถึงความสำคัญของระยะเวลาการงดใช้โคเคนด้วยตนเอง ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในสมอง รายงานที่ตีพิมพ์ก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นถึงการเพิ่มขึ้นของการแตกแขนงของเดนไดรต์หลังจากการถอนโคเคนเป็นเวลานาน (24–25 วัน) ในหนูเพศเมีย[6]ซึ่งตรงกันข้ามกับการลดลงที่เราสังเกตเห็นหลังจากการงดใช้โคเคนแบบบังคับเป็นเวลา 7 วันในหนูเพศผู้ แม้จะมีความแตกต่างทางวิธีการและข้อมูลการแตกแขนงเหล่านี้ แต่ก็พบจำนวนหนามที่เพิ่มขึ้นในทั้งสองการศึกษา ซึ่งยืนยันการจัดระเบียบวงจรขนาดใหญ่ในระหว่างการงดใช้โคเคน การศึกษาในอนาคตจะชี้แจงลำดับเวลาของเหตุการณ์เหล่านี้เพื่อพิจารณาว่าการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเหล่านี้เป็นชั่วคราวหรือคงอยู่ยาวนาน
ผลการศึกษาของเราบ่งชี้ว่าการงดเว้นการใช้โคเคนโดยบังคับทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างแบบไดนามิกและทำให้เกิดการจัดระเบียบไซแนปส์ใหม่ใน PFC ผลลัพธ์เหล่านี้อาจอธิบายถึงภาวะการทำงานที่ลดลงใน PFC ที่เกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการได้รับโคเคนซ้ำๆ[8] , [33]ยิ่งไปกว่านั้น ผลการศึกษาของเรายังสนับสนุนการศึกษาครั้งก่อนๆ ที่แสดงให้เห็นถึงการปิดการทำงานของ PFC [7] , [8]และการเพิ่มขึ้นของ GABA นอกเซลล์ใน PFC ส่วนกลางระหว่างการถอนโคเคน[34]ดังนั้น กลไกที่อธิบายถึงภาวะการทำงานที่ลดลงของ PFC หลังจากการได้รับโคเคนเรื้อรัง[8] , [10]อาจรวมถึง (1) การเพิ่มขึ้นของ GABAergic (2) การลดลงของ glutamatergic และ/หรือ (3) การลดลงของอินพุตไซแนปส์ dopaminergic ไปยัง PFC การศึกษาปัจจุบันแสดงให้เห็นว่าการงดเว้นจากโคเคนช่วยลดความหนาแน่นของไซแนปส์โดยรวมอย่างมีนัยสำคัญ ดังที่แสดงโดยการลดลงของจำนวนจุดไซแนปส์ที่เป็นบวกของ synaptophysin ข้อมูลเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่ามีการลดลงของการตอบสนองหลังไซแนปส์ใน PFC ซึ่งอาจเกิดจากการลดลงของอินพุตกลูตาเมตหรือโดปามีน อันที่จริง มีการศึกษาที่บ่งชี้ว่าโคเคนทำให้เกิดการลดลงของโทนกลูตาเมต[35] , [36]อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้วิธี Golgi เราสังเกตเห็นการเพิ่มขึ้นของจำนวนหนามเดนไดรต์ที่บางบนเดนไดรต์ฐานของเซลล์ประสาทพีระมิด ซึ่งบ่งชี้ถึงการเพิ่มขึ้นของอินพุตกระตุ้นใน PFC ไปยังนิวไรต์ที่เหลืออยู่ ข้อมูลที่ดูเหมือนขัดแย้งกันนี้อาจสะท้อนถึงการสูญเสียไซแนปส์โดยรวมที่เกี่ยวข้องกับการสูญเสียเดนไดรต์จำนวนมากที่เราสังเกตเห็นพร้อมกับการตอบสนองชดเชย ซึ่งอาจเกิดจากการเพิ่มขึ้นของ BDNF ดังที่แสดงในผลการค้นพบก่อนหน้านี้ของเรา[20]เพื่อเพิ่มความหนาแน่นของหนามเดนไดรต์บนนิวไรต์ที่เหลืออยู่
โดยรวมแล้วการค้นพบของเราบ่งชี้ว่ามีการจัดระเบียบใหม่ใน PFC ระหว่างการเลิกโคเคน โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีการลดลงอย่างมีนัยสำคัญในการเชื่อมต่อ synaptic, การสูญเสียของการแยก dendritic และเพิ่มจำนวนของครีบบางในหนู PFC หลังจาก 7 วันของการเลิกยาเสพติดบังคับจากการบริหารตนเองโคเคน ผลลัพธ์เหล่านี้อาจให้โครงสร้างพื้นฐานสำหรับกิจกรรมการสังเกตการแพ้ใน PFC ของผู้เสพโคเคนเรื้อรังและอาจอธิบายถึงการสูญเสียการควบคุมความรู้ความเข้าใจที่เกิดขึ้นระหว่างการติดโคเคน
กิตติกรรมประกาศ
ผู้เขียนขอขอบคุณ Gavin Sangrey สำหรับความช่วยเหลือของเขาในการเตรียมแคปซูลฝังตัว
คำแถลงเงิน
งานนี้ได้รับการสนับสนุนโดย NIDA มอบ DA22339 และ DA033641 (RCP & GSV) และ DA18678 (RCP) HDS ได้รับการสนับสนุนโดยรางวัล K01 รายบุคคล (DA030445) ผู้ให้ทุนไม่มีบทบาทในการออกแบบการศึกษาการรวบรวมและการวิเคราะห์ข้อมูลการตัดสินใจเผยแพร่หรือจัดทำต้นฉบับ
อ้างอิง
