Потенціювання, викликане лікарським засобом, на збудливих синапсах у ВТА

Першочергове дослідження Ungless та колег у Росії 2001 продемонстрували, що одноразове вплив кокаїну викликало посилення синаптичної сили у збудливих синапсів на нейронах VTA DA при вимірюванні 24 h пізніше в зрізах мозку (Ungless et al., 2001). Це було виміряно як збільшення співвідношення опосередкованих AMPA збуджуючих постсинаптичних струмів (EPSC) над NMDA-опосередкованими EPSCs (називається співвідношенням AMPA / NMDA). Показано, що наступні електрично викликані LTP закупорювалися в збудливих синапсах VTA у мишей, оброблених кокаїном, тоді як LTD була посилена. Ці спостереження, а також ряд інших електрофізіологічних заходів показали, що зміна пластичності, що спостерігається, потенційно поділяє подібні механізми з синаптично викликаним LTP (Ungless et al., 2001). З тих пір було показано, що введення інших наркотичних засобів, включаючи амфетамін, морфін, етанол, нікотин і бензодіазепіни, також може викликати підвищення синаптичної сили у ВТА, що не спостерігається при використанні психоактивних засобів, які не мають потенціалу зловживання (Saal et al., 2003; Gao et al., 2010; Tan et al., 2010). Це спостереження демонструє зближення клітинних відповідей всередині ВТА з усіма зловживаними препаратами і забезпечує можливий нейронний механізм, за допомогою якого можуть спрацьовувати початкові нейроадаптації, що лежать в основі залежності.

Вплив неконтингентного введення препарату на синаптичну пластичність VTA є тимчасово вираженим, що триває принаймні 5, але менше 10 днів і, як було показано, позитивно корелює з початковим розвитком поведінкової сенсибілізації, але не з його вираженням (Ungless et al., 2001; Saal et al., 2003; Borgland et al., 2004). Якщо самостійно вводити кокаїн, то результат досить різний, оскільки пластичність у VTA стає стійкою і може бути виявлена ​​навіть після виведення 90 днів (Chen et al., 2008).

Потенціація глутаматергічних синапсів на клітинах VTA DA, ймовірно, пов'язана зі здатністю препаратів зловживань для посилення позаклітинного DA в NAc (Ді К'яра і Імперато, 1988) вПотенційно представляє собою ініціювання «патологічного» навчання винагороди, за допомогою якого відбувається «ущільнення» асоціацій наркотиків. Дійсно, залежне від NMDA рецептора збільшення глутаматергічної синаптичної сили повідомлялося у нейронах ДТА ВТА під час придбання асоціації з київським винаходом (Stuber et al., 2008і нещодавно було підтверджено, що кокаїн вибірково підвищує співвідношення АМРА / НМДА нейронів VTA, які проектують до NAc, на відміну від PFC (Lammel et al., 2011); добре відомо, що передача дофаміну в NAc є критичною для придбання асоціації Pavlovian (Келлі, 2004). Таким чином, може бути, що потенціювання нейронів ДТА ВТА може представляти нейронне кодування, подібне до LTP, можливо, процес асоціативного навчання, який може бути істотним для ранньої індукованої кокаїном поведінкової реакції і здатний викликати тривалі адаптації, які лежать в основі наркоманії, хоча не представляє сама залежне держава. Як запропоновано іншими, може бути, що звикаючі препарати вибирають схеми винагороди мозку, щоб «перевершити» цінність препарату для організму (Кауер і Маленка, 2007).

Витоки відповідних глутаматергічних прогнозів до VTA, залучених у пластику, викликану лікарським засобом, залишаються повністю з'ясовані. Одне дослідження показало, що глутаматергічні синуси VTA, орієнтовані на проекції як з самого VTA, так і з ядра pedunculopontine (PPN), показують посилене потенціювання від кокаїну, але тільки синапси, які отримують вхідні дані від аферентів PPN, потенціюються Δ.⁹-тетрагідроканабінол (THC) (Добре і Lupica, 2010). Таким чином, виявляється, що конкретні глутаматергічні афферентні лінії, залучені в індуковану лікарським засобом потенціювання, можуть змінюватися в залежності від даного лікарського засобу, і також може бути так, що конкретна проекція є загальною для всіх викликаних медикаментозною збудливою пластичністю у VTA; остання ще не визначена. TVTA отримує великі проекції з декількох областей мозку, включаючи PFC, амігдалу і субталамічне ядро ​​(Geisler і Wise, 2008), багато з яких, як було показано, впливають на вибуховий розпал нейронів VTA DA (Грілнер і Меркурі, 2002). Майбутні експерименти з використанням методів оптогенетики можуть допомогти у визначенні конкретних прогнозів, відповідальних за потенціювання наркотиків при синапсах VTA, що спостерігаються у відповідь на різні наркотичні зловживання, таким чином проливаючи світло на точну природу цієї нейроадаптації.

Механізми, що лежать в основі синаптичної пластичності, викликаної лікарським засобом, у збуджувальному синапсі у ВТА

Як і у випадку електрично індукованого LTP у нейронах середнього мозку DA, було показано, що збільшення синаптичної сили в VTA, індукованому як кокаїном, так і нікотином залежить від активації NMDA рецептора (Bonci і Malenka, 1999; Ungless et al., 2001; Mao et al., 2011). Навпаки, підтримка потенціювання, викликаного кокаїном, нещодавно показала, що вимагає активності протеїнкінази Mζ (Ho et al., 2012), ізоформ автономної активної протеїнкінази C (PKC), тоді як LTP, що залежить від синхронізації, у VTA DA нейронів мишей, які не є лікарськими, залежить від звичайних ізоформ PKC (Luu і Malenka, 2008). У разі нікотину синаптичне потенціювання VTA вимагає збудження нейронів DA, ​​опосередкованих соматодендритними нікотиновими ацетилхоліновими рецепторами α4β2 (nAChR) (Mao et al., 2011). Нікотин-індуковане підвищення пресинаптичного глутаматного вивільнення також сприяє індукції цієї конкретної синаптичної пластичності, ймовірно, через підвищену активацію NMDA-рецепторів (Mao et al., 2011).

Відносно більше відомо про механізми, що лежать в основі синаптичної пластичності, викликаної кокаїном, ніж той, що лежить в основі пластичності, індукованої іншими наркотичними засобами. Застосування кокаїну до зрізів середнього мозку призводить до потенціювання передачі NMDA-рецепторів протягом декількох хвилин і пропонується через введення NR2B-містять NMDAR в синапси через механізм, який вимагає активації D₅ рецептори та синтез нового білка (Schilstrom et al., 2006; Argilli et al., 2008). Показано також, що орексин А необхідний як для швидкої індукції кокаїном, що вводять NR2B-рецептори, так і для збільшення співвідношення АМРА / NMDA; відповідно орексин₁ Показано, що антагоніст рецептора SB334867 запобігає розвитку сенсибілізації до кокаїну (Borgland et al., 2006). На додаток до змін експресії субодиниці NMDA-рецептора, підвищений рівень рецепторів AMPA, що містять GluR1 (GluR2), на синапсах спостерігався як тільки 3 год після експонування кокаїнуe (Argilli et al., 2008). Це спостереження в поєднанні з іншими недавними свідченнями призвело до гіпотези, що синаптична вставка високопровідних рецепторів, що не мають GluR2, сприяє експресії синаптичного потенціації, викликаної кокаїном, у VTA (Dong et al., 2004; Bellone і Luscher, 2006; Mameli et al., 2007; Brown et al., 2010; Mameli et al., 2011), за відгуками див. (Kauer and Malenka, 2007; Вовк і Ценг, 2012). Таке введення АМРА-рецепторів, які не мають GluR2, залежить від передачі рецептора NMDA у VTA DA-нейронах, оскільки вона відсутня у мишей, у яких відсутні функціональні NMDA-рецептори в нейронах DA (Engblom et al., 2008; Mameli et al., 2009). IНеспроможність рецепторів АМРА, відсутніх у GluR2, є значною, оскільки вони мають унікальні властивості; вони є проникними для кальцію, мають більшу провідність по одному каналу, ніж рецептори, що містять GluR2, і тому мають величезну здатність змінювати синаптичну передачу (Isaac et al., 2007). Таким чином, вставка АМРА-рецепторів, які не мають GluR2, у VTA є можливим механізмом, за допомогою якого наркотичні засоби можуть викликати пластичні адаптації, що лежать в основі початкових стадій вживання наркотиків..

Встановлення рецепторів АМРА без GluR2 у збудливі синапси VTA в даний час проявляється у відповідь на введення препаратів з декількох класів, таких як нікотин і морфін, а також при оптогенетичної активації нейронів DA VTA. (Brown et al., 2010). Tце призвело до того, що введення проникних для кальцію GPA-NUMX-рецепторів, які не мають глюкозу, є універсальним механізмом, який може лежати в основі потенціювання синапсів VTABrown et al., 2010), хоча дані для амфетаміну не обов'язково відповідають даній гіпотезі (Faleiro et al., 2004). Більш того, оскільки АМРА-рецептори, що не мають GluR2, внутрішньо випрямляються і, таким чином, проводять дуже малий струм при + 40 mV, їх введення не може пояснити збільшення викликаного лікарським засобом збільшення в співвідношенні AMPA / NMDA. Недавнє дослідження, в якому вимірювали унітарні синаптичні відповіді, викликані сильно локалізованим джерелом глутамату (двофотонний фотоліз глютамата в клітці), показали, що, крім впливу на АМРА-рецептор-опосередковані EPSC, експозиція кокаїну також знизила уніфіковані опосередковані NMDA рецепторні EPSC (Mameli et et al. al., 2011), таким чином, забезпечуючи можливий механізм, за допомогою якого коефіцієнти AMPA / NMDA можуть бути збільшені в цьому сценарії (шляхом зниження знаменника коефіцієнта). Це ще не вивчено з іншими наркотичними засобами.

Індукований лікарським засобом обмін GluR2-містять з GluR2 рецепторів АМРА може бути скасований активацією рецепторів mGluR1 у VTA (Bellone і Luscher, 2006; Mameli et al., 2007). Таким чином, mGluR1-опосередкований обмін АМРА-рецепторів забезпечує механізм, який може пояснити, чому потенціювання синапсів ВТА, викликаних лікарським засобом, є тимчасовим в природі, тривалим 5, але не 10 днів (Ungless et al. 2001; Mameli et al., 2007). Дійсно, якщо функція mGluR1 у VTA зменшується за 24 год до введення кокаїну, то індукована кокаїном внутрішня ректифікація зберігається понад 7 днів (Mameli et al., 2007, 2009). Отже, одне можливе пояснення, чому синаптичне зміцнення, викликане кокаїном, зберігається у ВТА після самостійного застосування кокаїну (на відміну від наступного неконтингентного введення), може бути, що самоврядування кокаїну призводить до зниження сигналізації mGluR1 у VTA.

Препарат викликав синаптичну пластичність при інгібуючих синапсах у ВТА

Excitatory синапси не є єдиним типом синапсу у VTA DA нейронів, які страждають від непередбачуваного введення наркотиків. Інгібуючі синапси в VTA також мають критичну роль у контролі швидкості стрільби нейронів DA, ​​таким чином пластичність у GABAergic синапсів має здатність різко впливати на передачу DA. Дійсно, кокаїн, морфін і етанол можуть впливати на інгібуючу синаптичну пластичність у VTA (Melis et al., 2002; Liu et al., 2005; Nugent et al., 2007). Повторне опромінення кокаїну в природних умовах для днів 5 – 7 викликає зменшення амплітуд GABA-опосередкованих синаптичних струмів, тим самим полегшуючи індукцію LTP у клітинах VTA, знижуючи міцність GABAergic інгібування (Liu et al., 2005). Подальші дослідження виявляють механізм такого гальмування ендоканнабіноід-залежні LTD у GABAergic синапсах з активацією ERK1 / 2 (Pan et al., 2008, 2011). GABA_A синапси рецепторів на дофамінових нейронах VTA також демонструють міцний NMDA-залежний LTP (званий LTP_GABA) у відповідь на високочастотну стимуляцію (Nugent et al., 2007). Це ЛТП_GABA відсутній у фрагментах VTA 2 та / або 24 h після в природних умовах введення морфіну, нікотину, кокаїну або етанолу (Nugent et al., 2007; Гуан і Є, 2010; Niehaus et al., 2010). У разі етанолу запобігання LTP_GABA опосередковується μ-опіоїдним рецептором (Guan і Ye, 2010) Разом з синаптичним потенціюванням при збудливих синапсах ця втрата LTP_GABA слід збільшити випал нейронів VTA DA після впливу препарату.

Повільна передача ГАМК також нещодавно виявилася ураженою наркотичними засобами. Таким чином, єдина доза метамфетаміну або кокаїну є достатньою для істотного послаблення здатності ГАМК_B рецептори для контролю VTA GABA нейронного випалу при вимірюванні колишніх природних умовах 24 h пізніше (Padgett et al., 2012). Індукована метамфетаміном втрата повільного інгібуючого постсинаптичного потенціалу (IPSC) виникає внаслідок зниження ГАМК_B рецептор-G протеїн-зв'язується внутрішньо-випрямляє струми калієвого каналу (GIRK), внаслідок зміни білкового трафіку, і супроводжується значним зниженням чутливості пресинаптичного GABA_B рецептори в нейронах ГАМК ВТА. На відміну від наркотичних індукованих впливів на ГАМК_A Синапс цієї депресії ГАМК_BСигналізація R-GIRK зберігається протягом декількох днів після ін'єкції (Padgett et al., 2012).

Поведінкові кореляти потенціювання, викликаного лікарським засобом, у клітинах VTA DA

Як згадувалося раніше, вплив неконтингентного введення лікарського засобу на синаптичну пластичність у нейронах VTA DA є тимчасово вираженим, що триває щонайменше 5, але менше 10 днів і, як було показано, позитивно корелює з початковим розвитком поведінкової сенсибілізації, але не з його вираженням (Ungless et al., 2001; Saal et al., 2003; Borgland et al., 2004). На підтвердження гіпотези, що викликана медикаментозним потенціюванням синапсів VTA являє індукцію поведінкової сенсибілізації, внутрішньо-VTA-введення глутаматних антагоністів зменшується, а вірусно-опосередкований GluR1 підвищує регуляторні властивості препаратів (Carlezon et al., 1997; Карлезон і Нестлер, 2002). Наявні докази залучення NMDA-рецепторів, що містять NR2A і B, забезпечується спостереженням, що фармакологічне інгібування або запобігає як розвиток сенсибілізації, так і пов'язане з ним індуковане збільшенням кокаїну співвідношення AMPA / NMDA (Schumann et al., 2009). Тим не менш, миші з цільовою делецією NR1 або GluR1 (селективні до нейронів середнього мозку DA) або глобальна делеція GluR1 виявляють інтактну поведінкову сенсибілізацію і все ж показують порушення струму рецептора АМРА після лікування кокаїном (Dong et al., 2004; Engblom et al., 2008). Додатковий поворот забезпечується спостереженням, що CPP і кондиціоноване рухове поведінка відсутні в мишах з нокаутом GluR1 (Dong et al., 2004) і екстинкція кокаїну СРР відсутня у мишей з делецією GluR1, спрямованої на нейрони ДА середнього мозку (Engblom et al., 2008), тоді як у NR1 нокаутних мишей відновлення кокаїну CPP і експресія поведінкової сенсибілізації послаблюються (Engblom et al., 2008; Zweifel et al., 2008). Таким чином, навіть із застереженням про потенційну компенсацію розвитку у мутантних мишей та / або можливої ​​неповної делеції, можливо, що диссоційовані нейронні процеси, що регулюють потенціювання викликаних лікарським засобом нейронів DA і поведінкової сенсибілізації. Скоріше, можливо, потенціювання синапсів ВТА може сприяти присвоєнню стимулюючих відмінностей, пов'язаних з наркотиками.

Вимірювання синаптичних змін після неконтингентного введення ліків обмежується щодо інформування про фактичний стан хвороби наркоманії. Більш релевантними для людського стану є дослідження, коли зміни синаптичної пластичності вимірюються після контингентного введення ліків, наприклад, оперантного самоврядування. У цьому відношенні синаптичне зміцнення клітин VTA DA, індукованих самостійним введенням кокаїну, є однозначно стійким, що триває 3 місяців до абстиненції і виявляється стійким до екстинкційного навчання (Chen et al., 2008). Таким чином, хоча спочатку передбачалося, що це перехідна подія, здається, що викликана медикаментозною пластичністю у VTA має здатність бути довготривалою, демонструючи, що метод управління (контингент проти неконтингент) є критичною детермінантою його довголіття . Це підтверджується спостереженням, що викривлені контролі в цьому дослідженні не показали аналогічного збільшення співвідношення АМРА / НМДА; припускаючи, що це є ознайомленням з цією нагородою або асоціацією, що призводить до пластичності. На відміну від цього, самостійне введення їжі або сахарози за аналогічними параметрами призводить до збільшення співвідношень АМРА / NMDA, які зберігаються протягом 7, але не 21 днів, до абстиненції, що є очевидно перехідним порівняно з індукованим кокаїном (Chen et al., 2008). Відсутність стійкості до індукованої їжею пластичності свідчить про те, що зміна синаптичної сили, індукована кокаїном, є не просто нейронним представленням інструментальних процесів, або процесів навчання, що беруть участь у операндній парадигмі самоврядування сам по собіскоріше, специфічний до ліків ефект, який потенційно являє собою патологічне посилення асоціацій наркотиків. Як згадувалося раніше, було виявлено, що винагороди, які передбачають прогнозування, викликають збільшення співвідношень АМРА / NMDA у VTA, хоча і не є стійкими, підтримуючи роль для цієї модифікації збуджувальної синаптичної функції при навчанні винагород (Stuber et al., 2008).

Цікаво, що величина збільшення співвідношення АМРА / НМДА є однаковою незалежно від кількості ін'єкцій (поодинокі чи багаторазові)., протокол адміністрування (контингент проти неконтингент) і тривалість доступу (обмежений доступ порівняно з розширеним доступом) (Borgland et al., 2004; Chen et al., 2008; Mameli et al., 2009). Це вказує на те, що збільшення співвідношення АМРА / НМДА, що спостерігається у клітинах VTA DA, є потенційно дозволеним явищем, можливо, сигналізує про «вираженість», на відміну від ініціації основної нейропатології, яка, ймовірно, збільшуватиметься при тривалому впливі.

Пластичність, викликана лікарським засобом, у збудливих синапсах у NAc

На відміну від VTA, одна ін'єкція кокаїну не призводить до збільшення синаптичної сили в NAc, коли вимірюється 24 h пізніше (Thomas et al., 2001; Kourrich et al., 2007). Це спостереження і двонаправлена ​​шкала часу, яка випливає з повторним введенням і виведенням dдемонструє, що індукована ліками пластичність у NAc помітно відрізняється від такої, що спостерігається у VTA. Дійсно, коли вводять повторні ін'єкції кокаїну (щоб індукувати поведінкову сенсибілізацію), зменшення співвідношення АМРА / НМДА спостерігається при синапсах оболонки NAc при вимірюванні 24 год.n (Kourrich et al., 2007). Ця синаптична депресія від повторного кокаїну пов'язана з пластичністю у ВТА; після селективного порушення функції mGluR1 у VTA тільки одна ін'єкція кокаїну була необхідна, щоб викликати таку ж депресію синапсів NAc (Mameli et al., 2009). Tавтори цього дослідження постулюють, що посилене збудження прогнозів VTA може полегшити спільне вивільнення DA і глутамату в NAc через посилене вивільнення DA. Це може потім зсунути поріг для індукції локальної пластичності в NAc, впливаючи на збудливість схеми або інтегруючи внутрішньоклітинні сигнальні процеси (Mameli et al., 2009).

Функціональне значення депресії синапсів NAc під час гострого відміни на даному етапі неясно. Одним з можливих пояснень може бути те, що депресія NAc середніх колючих нейронів (MSN) знижує їх реакцію на природні корисні подразники, отже, сприяє анедонії під час гострого відміни. Також може бути, що зниження, що спостерігається в співвідношенні АМРА / НМДА, може бути результатом мембранної вставки NR2B-вмісних NMDA-рецепторів (таким чином, збільшуючи знаменник співвідношення), оскільки нові тихі синапси виявляються в оболонці NAc при впливі кокаїну (Huang et al., 2009). Мовчазні глутаматергічні синапси, які експресують функціональні NMDA-рецепторно-опосередковані струми за відсутності АМРА-рецептор-опосередкованих струмів, вважають, що мають підвищену здатність піддаватися посиленню синаптичної передачі (Isaac et al., 1995). Як тільки генеруються, ці тихі синапси можуть полегшити рекрутинг АМРА-рецепторів, тим самим підвищуючи збуджуючу синаптичну передачу. Це надає можливий механізм для пояснення збільшення поверхневого рівня рецепторів АМРА та подальшого співвідношення АМПАР / НМДАР, що спостерігається в NAc під час тривалого виведення (Будро і Вольф, 2005; Boudreau et al., 2007; Kourrich et al., 2007; Конрад та ін., 2008). NR2B-містять NMDA-рецептори в NAc також можуть бути залучені до формування асоційованих асоційованих лікарських засобів, оскільки нокдаун siRNA цієї субодиниці запобігає CPP морфіну у мишей, але не поведінкової сенсибілізації (Kao et al., 2011).

На відміну від кокаїну, повторний режим періодичної експозиції етанолу призводить до потенціювання синапсів у відповідь на раніше індукований LTD протоколом стимуляції при вимірюванні 24 h після останнього впливу (Jeanes et al., 2011). Це NMDA-залежне потенціювання є перехідним, оскільки після подальшого вилучення 48 h він розсіяний і ні LTP, ні LTD не можуть бути індуковані (Jeanes et al., 2011). Автори інтерпретують такі міцні зміни пластичності NAc як індикатор потенційної важливості цього процесу при нейроадаптаціях, викликаних етанолом. Крім того, на відміну від психостимуляторів, етанол може діяти на рецепторах NMDA, тому має здатність безпосередньо впливати на глутаматергічну сигналізацію.

Синаптичне потенціювання спостерігається в NAc після періоду виведення

На відміну від депресії, що спостерігається під час гострого зняття, потенціювання синапсів оболонки NAc спостерігається після 10 – 14 днів виведення з повторного введення кокаїну або морфіну (Kourrich et al., 2007; Wu et al., 2012). Більше того, після відміни 7 днів від одноразового введення кокаїну, збільшення амплітуди mEPSCs, а також втрата LTP, індукованого високочастотною стимуляцією (HFS), виявляється як у нейронах NAc основного, так і оболонкового типу, що експресують D₁ рецептор (Pascoli et al., 2012). Tйого зміна у здатності індукувати синаптичну пластичність називається метапластичністю. Метапластичність, викликана кокаїном, також спостерігається після виведення з самоконтролю кокаїну. Таким чином, щури, які самостійно вводять кокаїн, а потім 3 тижнів або зникнення, або абстиненції, показують виражений в природних умовах дефіцит у здатності розвивати LTP в ядрі NAc після стимуляції PFC. Це спостереження супроводжувалося зсувом ліворуч у кривій введення-виведення, що свідчить про потенціювання амплітуди fEPSP (Moussawi et al., 2009). Потенціювання синапсів NAc також спостерігається у вигляді підвищених АМРА-опосередкованих струмів після тривалого періоду абстиненції після самостійного введення (Conrad et al., 2008). У сукупності ці дані дозволяють припустити, що синаптичне потенціювання в NAc розвивається або як функція тривалості відміни, або як функція часу після першого введення кокаїну. Недавнє дослідження підтверджує останню інтерпретацію, оскільки аналогічне збільшення частоти mEPSCs спостерігалося у D₁ експресують рецептори MSN у мишей, незважаючи на відсутність або наявність затяжного періоду відміни після повторного введення кокаїну (Dobi et al., 2011). Тому, здається, що події, що призводять до змін глутаматергічної передачі в NAc, потребують деякого часу для розвитку.

Внесок конкретних підгруп рецептора АМРА в цю зміну варіюється залежно від стадії відміни і способу введення; 10 – 21 днів після відміни як від пасивного, так і від самостійного застосування Рецептори AMPA, що містять GluR2, як видається, несуть відповідальність за зміни в передачі AMPA (Будро і Вольф, 2005; Boudreau et al., 2007; Kourrich et al., 2007; Ferrario et al., 2010в той час як після 21 днів до синапсів додаються рецептори АМРА без GluR2. Останній висновок, мабуть, має місце лише тоді, коли кокаїн вводиться самостійно (Conrad et al., 2008; McCutcheon et al., 2011), хоча див. (Mameli et al., 2009). Враховуючи підвищену провідність рецепторів АМРА, які не мають GluR2, можливо, що їх введення відбувається у відповідь на депресію синапсів NAc, викликаних самоконтролем кокаїну, що призводить до збільшення реакції MSN на збуджуючі входи, які викликають пошук кокаїну в майбутньому. Дійсно, блокування рецепторів АМРА, які не мають GluR2, в NAc запобігає експресію інкубованого кокаїну, індукованого києм (Conrad et al., 2008), і кокаїн, індукований АМРА або кокаїн, також блокується ін'єкціями антисмислової олігонуклеотидів мРНК GluR1 в NAc (Ping et al., 2008).

Проблема наркотиків після відміни повертає синаптичну потенціювання до депресії

Збільшення синаптичної сили і поверхневої експресії субодиниць рецептора АМРА, індукованих кокаїном в NAc після відміни від неконтингентного введення, згодом скасовується після введення подальших ін'єкцій кокаїну (повторна виклик) (Thomas et al., 2001; Boudreau et al., 2007; Kourrich et al., 2007; Ferrario et al., 2010). Таким чином, синаптична депресія знову спостерігається в оболонці NAc при вимірюванні 24 h після ін'єкції кокаїну (Thomas et al., 2001), хоча див. (Pascoli et al., 2012). Поведінка, здається, корелює з експресією сенсибілізації, і в разі амфетаміну принаймні, було показано, що вона є опосередкованою клатрином і залежить від GluR2-залежної ендоцитозу постсинаптичних рецепторів АМРА (Brebner et al., 2005). Зниження поверхневої експресії рецепторів АМРА після виклику кокаїну є тимчасовим, оскільки протягом 7 днів поверхнева експресія відновлюється до рівнів, порівнянних з непереборними щурами, які отримували кокаїн (Ferrario et al., 2010). Як таке, здається, що історія впливу кокаїну та відміни кокаїну може легко змінити напрямок синаптичної пластичності в NAc.

Нещодавно було проведено пряме зв'язок між потенціюванням кортико-акумуляторних синапсів на D₁ рецептор-позитивні клітини після виведення 7 днів і експресія сенсибілізації. Як згадувалося раніше, після виведення 7 днів від одноразового введення кокаїну виявлено, що ці синапси потенціюються як в серцевині, так і в оболонці (вимірюється збільшенням амплітуди mEPSC) і LTP, індукована HFS, знижується. Те ж саме не знайдено для синапсів на D₂ рецептор-позитивні клітини (Pascoli et al., 2012). При оберненому оптогенетично в природних умовах через протокол, який, як відомо, індукує LTD, кортико-акумуляційні синапси на D₁-рецептор позитивних клітин, показаних зниженими mEPSCs і експресія локомоторної сенсибілізації була запобігана. Важливо, що здатність HFS індукувати LTP була відновлена ​​до цих нейронів (Pascoli et al., 2012), таким чином, демонструючи прямий зв'язок між даною синаптичною адаптацією при кортико-акумуляторних синапсах і вираженням сенсибілізації до кокаїну.

Фактори транскрипції

Факторами транскрипції є білки, які зв'язуються зі специфічними послідовностями ДНК для регулювання транскрипції генів, взаємодіючи з комплексом РНК-полімераза II (Mitchell і Tjian, 1989). Фактори транскрипції можуть бути індуковані або придушені у відповідь на екологічні подразники, що призводить до зміни експресії генів і, в кінцевому рахунку, до функції нейронів. Ряд факторів транскрипції були ідентифіковані для їх потенційної ролі в залежності, оскільки їх експресія і активація регулюються в мезокортиколімбічному шляху під впливом наркотиків. ΔFosB є одним з таких факторів транскрипції, який отримав особливу увагу через його незвичайну стабільність. ΔFosB є усіченим сплайсинговим варіантом гена FosB, і він поділяє гомологію з іншими членами сімейства Fos, включаючи c-Fos, FosB, Fra1 і Fra2, які всі гетеродимеризуются з білками сімейства Jun (c-Jun, JunB або JunD). фактори транскрипції білка активатора-1 (AP-1) (Morgan і Curran, 1995). Ці інші члени сімейства Fos швидко індукуються в смугастому тілі у відповідь на гостре введення психостимуляторів, однак через їх нестабільність ця експресія є тимчасовою і повертається до базальних рівнів протягом декількох годин (Graybiel et al., 1990; Young et al., 1991; Hope et al., 1992). І навпаки, ΔFosB накопичується в смугастому тілі після хронічного введення лікарського засобу, і його експресія зберігається протягом декількох тижнів після останнього впливу препарату (Hope et al., 1994; Nye et al., 1995; Nye та Nestler, 1996; Pich et al., 1997; Мюллер і Унтервальд, 2005; McDaid et al., 2006). Дані з поведінкових експериментів підтримують роль ΔFosB в деяких з тривалих ефектів, що передаються наркотичними засобами. Надмірна експресія ΔFosB в смугастому тілі призводить до посилення локомоторних реакцій як на гострий, так і на хронічний кокаїн, і підвищує зміцнюючі властивості як кокаїну, так і морфіну (Kelz et al., 1999; Colby et al., 2003; Zachariou et al., 2006), тоді як інгібування ΔFosB викликає протилежні поведінкові ефекти (Peakman et al., 2003). Завдяки своїй здатності збільшувати мотиваційні властивості стимулювання наркотичних засобів, цей фактор транскрипції був запропонований як "молекулярний перемикач", що полегшує перехід до наркоманії (Nestler, 2008).

Елемент-зв'язуючий білок цАМФ є ще одним фактором транскрипції, який був у центрі уваги значної кількості досліджень завдяки його запропонованій ролі в індукованій лікарським засобом пластичності (McPherson and Lawrence, 2007). CREB експресується повсюдно в мозку і може бути активований безліччю внутрішньоклітинних сигнальних шляхів, які завершуються його фосфорилюванням в серині 133 (Mayr і Montminy, 2001). Фосфорильований CREB (pCREB) стимулює рекрутмент CREB-зв'язуючого білка (CBP), який полегшує транскрипцію різних низхідних генів (Arias et al., 1994). pCREB швидко індукується в смугастому тілі після впливу психостимуляторів (Konradi et al., 1994; Kano et al., 1995; Уолтерс і Бленді, 2001; Choe et al., 2002), і це передбачає гомеостатичний механізм, який протидіє поведінковій реакції на наркотичні засоби (McClung і Nestler, 2003; Dong et al., 2006). Відповідно до цього, надекспресія CREB в оболонці NAc знижує корисні властивості кокаїну в парадигмі умовного місця (CPP), тоді як при інгібуванні CREB в цій області спостерігається протилежне (Carlezon et al., 1998; Pliakas et al., 2001). Подібним чином, генетичний нокдаун або інгібування CREB в спинному стриатумі надає підвищену чутливість до рухових активуючих властивостей психостимуляторів, додаючи додаткову підтримку цій гіпотезі (Fasano et al., 2009; Madsen et al., 2012).

Хоча дані експериментів CPP підтримують ідею, що CREB діє як негативний модулятор винагороди за ліки, принаймні стосовно кокаїну, це може бути спрощенням. Ряд досліджень з використанням різних методів зміни функції CREB в оболонці NAc виявив, що інгібування CREB зменшує підсилення кокаїну в парадигмі самоврядування (Choi et al., 2006; Green et al., 2010; Larson et al., 2011), в той час як підсилення кокаїну посилюється перена експресією CREB в цьому регіоні (Larson et al., 2011). Ці розбіжні висновки, ймовірно, пов'язані з принциповими відмінностями між інструментальними і павловськими процедурами кондиціонування, а також добровільними vs. мимовільне введення ліків. CPP включає процеси асоціативного навчання і вважається непрямим показником гедонічних властивостей наркотику, а не підкріплення наркотиків сам по собі (Бардо і Бевінс, 2000). Добровільне самостійне введення препарату може бути під впливом ряду емоційних факторів, а також здатності CREB-активності в NAc зменшити відповіді на анксиогенние стимули (Barrot et al., 2002) і послаблюють депресивну поведінку (Pliakas et al., 2001) може впливати на схильність до самостійного прийому препарату. Цікаво, що видалення CREB з PFC призводить до зниження мотивації до самостійного застосування кокаїну (McPherson et al., 2010), демонструючи, що вплив маніпуляції CREB на поведінку також змінюється для різних областей мозку. Це, мабуть, не дивно, враховуючи, що транскриптоми CREB помітно відрізняються за типом клітин (Cha-Molstad et al., 2004), і тому було б важливо виявити зміни в експресії генів, що відбуваються низхідному потоці CREB, які сприяють цим фенотипам. Далі ускладнюється спостереження, що CREB в оболонці NAc є істотним для нікотинової СРР (Brunzell et al., 2009), що припускає, що механізми, що лежать в основі умовного винагороду нікотину, відрізняються від тих, що лежать в основі кокаїну і морфіну, які обидва посилюються інгібуванням CREB в оболонці NAc (Carlezon et al., 1998; Pliakas et al., 2001; Barrot et al., 2002).

Епігенетичні механізми

Епігенетика має ряд визначень, але в неврології зазвичай визначається як зміни в експресії генів, які відбуваються через модуляцію хроматину, які не викликані змінами в основній послідовності ДНК (McQuown і Wood, 2010). Хроматин описує стан ДНК, коли він упакований всередині клітини. Основною повторюваною одиницею хроматину є нуклеосома, яка складається з пар основ 147 ДНК, обгорнених навколо октамера, що складається з пар чотирьох основних гістонів (H2A, H2B, H3 і H4) (Luger et al., 1997). Амінні кінцеві хвости цих основних гістонів можуть піддаватися ряду посттрансляційних модифікацій, включаючи ацетилювання, метилювання, фосфорилювання, убиквитинирование і сумоилирование (Berger, 2007). Додавання і видалення цих функціональних груп з хвостів гістонів здійснюють великою кількістю ферментів, модифікуючих гистони, включаючи ацетилтрансферази, деацетилази, метилтрансферази, деметилази і кінази (Kouzarides, 2007). Ці модифікації гістонів слугують для сигналізації про набір факторів транскрипції та інших білків, що беруть участь у регуляції транскрипції, і змінюють конформацію хроматину, щоб зробити ДНК більш-менш доступною для механізмів транскрипції (Strahl and Allis, 2000; Kouzarides, 2007; Taverna et al., 2007). Таким чином, епігенетичні механізми є важливим засобом, за допомогою якого екологічні стимули можуть регулювати експресію генів і, в кінцевому підсумку, поведінку.

Останнім часом модифікація хроматину була визнана важливим механізмом, що лежить в основі викликаних наркотиками змін пластичності та поведінки (Renthal and Nestler, 2008; Bredy et al., 2010; McQuown та Wood, 2010; Лабіринт і Нестлер, 2011; Робісон і Нестлер, 2011). Перші докази цього випливають з експериментів Кумара та його колег, які використовували аналізи хроматину (ChIP), щоб продемонструвати, що кокаїн індукує модифікації гістонів у специфічних промоторів гена в смугастому тілі (Kumar et al., 2005). Зокрема, гостре введення кокаїну призводило до гіперацетилювання H4 cFos промотор, тоді як хронічне введення призводило до гиперацетилированию H3 BDNF та Cdk5 промоутери. Ацетилювання гістону передбачає ферментативний перенос ацетильної групи в основний N-кінцевий хвіст гістона, який нейтралізує електростатичну взаємодію між гістоном і негативно зарядженою ДНК, роблячи його більш доступним для транскрипційного апарату (Loidl, 1994). Це відповідає здатності кокаїну підвищити експресію транскрипційних факторів Fos сімейства гостро (Graybiel et al., 1990; Young et al., 1991), тоді як BDNF і Cdk5 індукуються тільки при хронічному впливі (Bibb et al., 2001; Grimm et al., 2003).

Гістон ацетилированное стан гистона також може бути досягнуто експериментально шляхом введення інгібіторів гистондеацетилази (HDAC), і ці препарати використовувалися для вивчення впливу глобального збільшення ацетилювання гістонів на поведінкові реакції на наркотичні засоби. Системне введення інгібіторів HDAC синергічно збільшує гіперацетилювання, яке спостерігається у відповідь на кокаїн в смугастому тілі (Kumar et al., 2005), і це потенціює кокаїн-індуковану локомоцію і винагороду за кокаїн (Kumar et al., 2005; Sun et al., 2008; Sanchis-Segura et al., 2009). Інгібування HDAC може також збільшувати локомоторну сенсибілізацію до етанолу та морфіну і полегшувати CPP морфіну (Sanchis-Segura et al., 2009Незважаючи на це, також було виявлено, що інгібітори HDAC запобігають розвитку сенсибілізації до одноразового впливу морфіну (Jing et al., 2011), і зменшити мотивацію до самостійного застосування кокаїну (Romieu et al., 2008). Ці контрастні висновки можуть відображати відмінності в протоколах адміністрування, і, що важливо, вони демонструють, що інгібітори HDAC не розрізняють потенціал поведінкових реакцій на ліки в усіх умовах.

Внаслідок їх пермиссивного впливу на транскрипцію генів, інгібітори HDAC можуть також діяти для полегшення певних типів навчання (Bredy et al., 2007; Lattal et al., 2007). Нещодавно було продемонстровано, що введення інгібітора HDAC після повторного впливу на раніше кокаїн-парне середовище може полегшити екстинкцію індукованого кокаїном СРР, і це, ймовірно, пов'язане з підвищенням ацетилювання гистона H3 в NAc (Malvaez et al., 2010). Вливання інгібітора HDAC субероланіліду гідроксамової кислоти (SAHA) безпосередньо в NAc під час фази кондиціонування CPP підвищує умову винагороди кокаїну (Renthal et al., 2007), що вказує на те, що інгібування HDAC в даному регіоні може полегшити як навчання, пов'язане з винагородою, так і навчання вимирання, залежно від контексту, в якому лікарський засіб вводиться. Подальші експерименти показали роль HDAC5, а ендогенний HDAC виражений високо в NAc в модуляції винагороди кокаїну. Застосування кокаїну підвищує функцію HDAC5 шляхом регулювання його дефосфорилювання та подальшого ядерного імпорту, а дефосфорилювання HDAC5 в NAc погіршує розвиток кокаїнового CPP (Taniguchi et al., 2012). Аналогічним чином, надмірне випромінювання HDAC5 в NAc під час кондиціонуючої фази CPP послаблює винагороду кокаїну, і цей ефект змінюється на експресію мутантної форми HDAC5 в NAc (Renthal et al., 2007). Можливо, що HDAC5 надає ці ефекти шляхом інгібування індукованої лікарським засобом транскрипції генів, що зазвичай підвищує корисні властивості кокаїну.

Загальний аналіз геномних модифікацій хроматину, що відбуваються в NAc в результаті впливу кокаїну, виявив безліч модифікацій хроматину в промоторних областях генів низхідного потоку як CREB, так і ΔFosB (Renthal et al., 2009). Цей аналіз також виявив підвищену регуляцію двох сиртуинов, SIRT1 і SIRT2, які є білками, які володіють активністю HDAC, а також можуть деацетилювати інші клітинні білки (Denu, 2005). Індукція SIRT1 і SIRT2 пов'язана з підвищеною ацетилюванням H3 і підвищеним зв'язуванням ΔFosB в їхніх промоторах генів, що означає, що вони є низхідними мішенями ΔFosB (Renthal et al., 2009). Вважається, що регуляція SIRT1 і SIRT2 має поведінкову актуальність; Сіртуїни знижують збудливість НСК MSN пробірціі фармакологічне інгібування сиртуїнів знижує винагороду кокаїну, тоді як їх активація збільшує користь відповідей на кокаїн (Renthal et al., 2009).

На додаток до функціональної ролі HDACs, генетичні дослідження також виявили роль для ацетилтрансферази гістонів (HATs) в опосередкуванні деяких поведінкових реакцій на наркотичні засоби. Можливо, найважливішим механізмом, за допомогою якого CBP здатний підвищувати транскрипцію генів, є його внутрішня активність HAT (Bannister і Kouzarides, 1996), а останні дослідження вказують на активність HAT CBP в деяких епігенетичних змінах, що виникають внаслідок впливу лікарського засобу. У відповідь на гострий кокаїн, CBP набирається до FosB промотор, де він ацетилює гистон H4 і збільшує експресію FosB (Levine et al., 2005). У мишей haploinsufficient для CBP, менше CBP рекрутується в промотор, що призводить до зниження ацетилювання гістонів і FosB експресії. Це також відповідає меншому накопиченню ΔFosB в смугастому тілі, і не дивно, що ці миші демонструють знижену сенсибілізацію у відповідь на виклик кокаїну (Levine et al., 2005). Нещодавно, використовуючи систему рекомбінації cre-lox, Malvaez і його колеги досліджували роль активності CBP, розташованої спеціально в NAc, при індукованій кокаїном транскрипції і поведінці генів (Malvaez et al., 2011). Повідомлялося, що цілеспрямована делеція CBP в NAc призвела до зниження ацетилювання гістонів і експресії c-Fos і порушення активації рухового апарату у відповідь як на гострий, так і на хронічний кокаїн (Malvaez et al., 2011). У цих мишей також інгібувалася винагорода з кондиціонованим кокаїном, що є першим доказом того, що активність CBP в NAc важлива для утворення спогадів, пов'язаних з лікарським засобом (Malvaez et al., 2011).

Нещодавно експерименти лабораторії Канделя показали, що епігенетичні механізми можуть лежати в основі гіпотетичної здатності нікотину діяти як "вхідний препарат". Миші, хронічно попередньо оброблені нікотином до впливу кокаїну, виявляли посилену сенсибілізацію опорно-рухового апарату та винагороду за кокаїн порівняно з мишами, які не отримували нікотин (Levine et al., 2011). Крім того, попереднє лікування нікотином призводило до посилення індукованої кокаїном депресії LTP у збудливих синапсах в ядрі NAc, ефект, який не спостерігався тільки при використанні нікотину. Аналіз модифікацій гістонів, індукованих експозицією нікотину 7, показав підвищення ацетилювання H3 та H4 на FosB промотор у стриатумі, ефект, який не був настільки вираженим у відповідь на 7-денне введення кокаїну. Активність HDAC була зменшена у смугастому тілі мишей, оброблених нікотином, але незмінна у мишей, які отримували кокаїн. Примітно, що вливання інгібітора HDAC безпосередньо в NAc змогло імітувати ефекти попередньої обробки нікотину, посилюючи ефекти кокаїну. Жодної з цих змін не спостерігалося, коли мишей обробляли кокаїном до нікотину, що підтверджує часову специфічність цих ефектів. Цей елегантний набір експериментів дав можливе епігенетичне пояснення, чому куріння сигарет майже завжди передує вживанню кокаїну в людській популяції (Кандель, 1975; Kandel et al., 1992).

На додаток до ацетилювання гістонів, метилювання гістонів також нещодавно було визнано поведінковою модифікацією хроматину, індукованої наркотичними засобами (Laplant et al., 2010; Maze et al., 2010, 2011). Метилювання гістону включає ферментативне додавання однієї, двох або трьох метильних груп до залишків лізину або аргініну на N-кінці хвостів гістонів і пов'язано з активацією або репресією транскрипції, залежно від природи модифікації (Rice and Allis). , 2001). Перші дослідження з вивчення метилювання гистонов, індукованих кокаїном, призвели до ідентифікації двох гистонових метилтрансфераз, G9a і G9a-подібних білків (GLP), які постійно знижувалися в NAc 24 h після одноразового впливу кокаїну та кокаїну -адміністрація (Renthal et al., 2009; Maze et al., 2010). Ця понижена регуляція була пов'язана з аналогічним зменшенням кількості метилювання гистона H3 лізину 9 (H3K9) і 27 (H3K27). Згодом було показано, що гіперэкспресія G9a в NAc знижує кокаїн-індуковану експресію вибраних генів, знижує винагороду кокаїну, виміряну за допомогою CPP, і пригнічує збільшення дендритної щільності хребта, що нормально спостерігається у відповідь на повторний кокаїн (Maze et al., 2010). Протилежне відбувалося, коли експресія G9a в NAc пригнічувалася, що призводило до збільшення дендритної щільності хребта і посилення винагороди за кокаїном. Є дані, що ці індуковані кокаїном зміни в експресії G9a і подальші зниження H3K9 і H3K27 регулюються ΔFosB (Maze et al., 2010). У сукупності ці експерименти визначили важливу роль метилювання гістонів G9a в деяких довгострокових поведінкових і біохімічних наслідках повторного впливу кокаїну.

Нещодавно було показано, що триметилювання хромону H3 лізину 9 (H3K9me3), який раніше вважалося відносно стабільною гетерохроматичною міткою, динамічно регулюється в NAc гострою та хронічною експозицією кокаїну (Maze et al., 2011). Повторний кокаїн призводив до стійкого зменшення репресивного зв'язування H3K9me3, яке було особливо збагачене некодирующими геномними областями (Maze et al., 2011). Ці початкові результати свідчать про те, що повторне опромінення кокаїну може призвести до незгасання деяких ретротранспозабельних елементів у нейронах NAc, і було б дуже цікаво з'ясувати поведінкові наслідки цих нових епігенетичних адаптацій.

Враховуючи тривалу природу залежності, недавні дослідження також досліджували роль метилювання ДНК, яка є більш стабільною епігенетичною адаптацією порівняно з модифікацією гістонів. Метилювання ДНК передбачає додавання метильних груп до цистеїнових основ у ДНК, і, як правило, це пов'язано з репресіями транскрипції (Stolzenberg et al., 2011). Аналіз мозку щурів, які отримували пасивні ін'єкції кокаїну протягом 7 днів, або кокаїн, який самостійно вводили протягом 13 днів, виявив пониження регуляції ДНК метилтрансферази DNMT3a в NAc 24 h після останнього впливу кокаїну (Laplant et al., 2010). І навпаки, після більш хронічного впливу кокаїну (як пасивного, так і самостійного прийому протягом 3 тижнів або більше) та періоду відміни 28, dnmt3a Виявлено, що мРНК значно підвищена в NAc (Laplant et al., 2010). Показано, що інгібування метилювання ДНК / DNMT3a конкретно в NAc підвищує як CPP, так і локомоторну сенсибілізацію до кокаїну, тоді як спостерігається протилежна експресія DNMT3a в цій області. Більше того, інгібування DNMT3a в NAc також запобігало індукованому кокаїном збільшення дендритної щільності хребта (Laplant et al., 2010). Поведінкова значущість індукованих кокаїном змін у щільності хребта NAc досі недостатньо вивчена. Показано, що маніпуляції, які інгібують індукцію хребта, викликаної лікарським засобом, знижують корисні властивості кокаїну (Russo et al., 2009; Maze et al., 2010); однак, інші дослідження показали, що інгібування спиногенеза потенціює винагороду кокаїну (Pulipparacharuvil et al., 2008; Laplant et al., 2010). Як видається, що кокаїн викликає надзвичайно складну регуляцію різних дендритних шипів протягом витримки і відміни (Shen et al., 2009), було висловлено припущення, що ці відмінності можуть залежати від типу змінених дендритних шипів (Laplant et al., 2010).

З описаних тут експериментів ясно, що індукована лікарським засобом регуляція транскрипційного потенціалу клітин є ключовим механізмом, що впливає на поведінкові відповіді на лікарські засоби та пов'язане з винагородою навчання. Важливим наступним кроком було б визначити, які з цих епігенетичних змін найбільш важливі для хворобливого стану людини. Враховуючи, що просте опромінення наркотиками є недостатнім для «наркоманії» як у людини, так і у тварин, включення моделей, які більш точно визначають поведінкові відмітки наркоманії, такі як компульсивне вживання наркотиків та рецидив, матимуть значну цінність.