Дія стритального балансування в наркоманії: чіткі ролі прямих і непрямих шляхів середніх колючих нейронів (2011)

Вступ

Наркотики, що зловживають, здійснюють потужні молекулярні та клітинні зміни як дорзального стриатуму (dStr), так і вентрального стриатуму (nucleus acumbens, NAc), і багато з цих змін відбуваються в середніх колючих нейронах (MSNs), головних нейронах проекції в dStr та NAc, які припадає на 90 – 95% усіх нейронів у цих регіонах. Однак дослідники до недавнього часу не змогли чітко визначити диференціальну роль двох підтипів MSN у явищах, пов'язаних із залежністю. Два підтипи MSN диференціюються за збагаченням рецептора допаміну 1 (D₁) або дофаміновий рецептор 2 (D₂), а також кілька інших генів (Герфен і Янг, 1988; Gerfen et al., 1990; Le Moine et al., 1990, 1991; Bernard та ін., 1992; Ince та ін., 1997; Lobo et al., 2006, 2007; Heiman et al., 2008; gensat.org) та за їх чіткими проекціями через кортико-базальні ганглієві шляхи (прямі проти непрямих шляхів; Герфен, 1984, 1992). Рання робота припускала, що наркотики, що зловживають, надають найбільший вплив на Д₁+ MSN, із застосуванням численних агоністів та антагоністів рецепторів дофаміну, які забезпечують важливе розуміння функціональних та молекулярних ролей кожної MSN у поведінці нагородження наркотиками (Self, 2010). Однак сучасні методології, специфічні для клітинного типу, включаючи флуоресцентні репортерні миші, які експресують GFP при D₁ або D₂ штучні бактеріальні хромосоми (БАК); Gong et al., 2003; Valjent et al., 2009; gensat.org), умовні моделі мишей, такі як використання регульованих тетрацикліном трансгенних трансгенних мишей (Chen et al., 1998; Kelz et al., 1999), і трансгенні миші, що експресують Cre-рекомбіназу з використанням D₁ або D₂ BAC, дріжджові штучні хромосоми (YAC) або миші, що вводяться в дію (Gong et al., 2007; Lemberger та ін., 2007; Heusner et al., 2008; Parkitna et al., 2009; Valjent et al., 2009; Bateup et al., 2010; Lobo et al., 2010; gensat.org), а також передачу вірусного опосередкованого вірусу, переданого геном (Cardin et al., 2010; Hikida et al., 2010; Lobo et al., 2010; Ferguson et al., 2011), надали глибоке нове розуміння точного молекулярного підґрунтя кожного підтипу MSN та їх регулювання зловживанням наркотиками (табл. 1).

Таблиця 1. Вплив генетичної маніпуляції, специфічної для клітинного типу, у D₁+ і D₂+ МСН у моделях наркоманії.

Останні результати підтверджують висновок про більш переважаючу роль для D₁+ МСН при створенні посилюючого та сенсибілізуючого ефекту від зловживання наркотиками, причому найсильніші молекулярні зміни відбуваються в цих МСН. Наприклад, гостре вплив психостимуляторів потужно викликає численні сигнальні молекули, включаючи FosB, ERK, c-Fos і Zif268 у D₁+ MSN, хоча повторний кокаїн переважно спричиняє ΔFosB та змінює рецептор GABA та інші субодиниці іонних каналів у цьому типі клітин (Robertson et al., 1991; Young et al., 1991; Берретта та ін., 1992; Cenci та ін., 1992; Moratalla et al., 1992; Hope et al., 1994; Bertran-Gonzalez та ін., 2008; Heiman et al., 2008). Крім того, руйнування або надвираження специфічних молекул, таких як ΔFosB, DARPP-32 або Nr3c1 (глюкокортикоїдний рецептор), в D₁+ МСН, як правило, імітує поведінку, пов’язану з наркотиками, що спостерігається, коли ці зміни робляться неспецифічним способом, порушуючи такі гени в D₂+ MSN часто викликає протилежну відповідь (Fienberg та ін., 1998; Kelz et al., 1999; Deroche-Gamonet et al., 2003; Zachariou et al., 2006; Ambroggi et al., 2009; Bateup et al., 2010). Тим не менш, ми не можемо виключити важливий внесок D₂+ МСН у адаптаціях до наркотиків, які зловживають, оскільки вплив кокаїну змінює експресію генів в обох підтипах MSN (Heiman et al., 2008) і D₂-агоністи та антагоністи рецепторів чинять потужні ефекти в поведінкових аналізах (Self, 2010). Дійсно, останні результати показують, що пристосування молекулярної сигналізації в D₂+ MSN потенційно змінюють поведінкову реакцію тварини на зловживання наркотиками (Lobo et al., 2010). Останні висновки показали, що втрата TrkB (рецептора для BDNF) у D₂+ MSN призводить до подібних поведінкових реакцій на кокаїн, як загальний викид TrkB від NAc, показуючи вперше селективну домінуючу роль для молекулярного шляху в D₂+ МСН у посередництві наслідків зловживання наркотиками.

Нарешті, недавня література виявляє, що два MSN виявляють антагоністичний ефект у поведінці, пов’язаній з наркотиками, де активація D₁+ МСН або інгібування D₂+ МСН підвищує чутливість тварини до наркотиків зловживань (Hikida et al., 2010; Lobo et al., 2010; Ferguson et al., 2011). Ці результати узгоджуються з протилежними ролями двох МСН та їх прямим проти непрямим шляхом у базальних гангліях у руховій поведінці (Alexander et al., 1986; Albin et al., 1989; Graybiel, 2000; Kravitz et al., 2010). Ця недавня література узгоджується із загальною думкою, що дофамінергічна нейротрансмісія, яка активізується усіма зловживаними препаратами, полегшує глутаматергічну активацію D₁+ МСН при інгібуванні глутаматергічної активації D₂+ MSN через свої дії на D₁ проти D₂ дофамінові рецептори (мал 1). У цьому огляді ми торкаємось сучасних знань про виразну молекулярну сигналізацію, яку демонструють ці два підтипи MSN, щодо їх функціональної ролі та реакцій на зловживання наркотиками.

Рисунок 1. Всі зловживання наркотиками посилюють дофамінову сигналізацію в стриатумі, що може по-різному модулювати глутаматергічну активність у двох підтипах MSN. Зокрема, кокаїн зв'язується з транспортером дофаміну, перешкоджаючи повторному захопленню дофаміну в термінали дофамінових нейронів VTA. Активація G_s/_olf з'єднаний D₁ рецептори підсилює активність PKA і змінює Са²⁺ і K⁺ провідності для посилення опосередкованого глутаматом стану “вгору” в цих MSN. На відміну від цього, активація G_i/G_o D₂-рецептори знижує активність PKA та змінює Са²⁺, Na⁺, і К⁺ провідність для зменшення опосередкованого глутаматами "в стані". Це пересуває ці MSN в режим спокою "вниз".

Дофаміновий рецептор сигналізує в D₁ проти D₂ MSNs

Як уже зазначалося, всі наркотики, що зловживають, активізують дофамінергічний вхід до NAc та пов'язаних з ним лімбічних областей мозку (Volkow et al., 2004; Мудрий, 2004; Nestler, 2005). Наприклад, психостимулятори, такі як кокаїн або амфетамін, діють безпосередньо на шляху дофамінергічної винагороди, втручаючись у транспортер дофаміну: кокаїн блокує транспортер, а амфетамін відміняє транспортер, обидві дії призводять до накопичення допаміну в синапсі, який може активувати дофамін нижче. рецептори на нейронах-мішенях (мал 1). Два MSN найбільш помітно розмежовані за збагаченням D₁ проти D₂-рецептори, хоча одноклітинні RT-PCR дослідження виявляють, що D₁+ MSN виражають низький рівень D₂-подібний рецептор, D₃ і D₂+ MSN виражають низький рівень D₁-подібний рецептор, D₅ (Surmeier et al., 1996). Дві МСН потребують глутаматергічної іннервації для стимулювання нейронної активності; дофамін протилежно модулює ці функціональні реакції за рахунок стимуляції різних підтипів рецепторів дофаміну: позитивно модулюючи збудливий глютаматергічний введення через D₁ рецепторної сигналізації через G_s або G_olf, що стимулює аденілілциклазу, що призводить до підвищення активності PKA, тоді як дофамін негативно модулює цей вхід через D₂-рецептор сигналізації через G_i і G_o які інгібують аденілілциклазу, викликаючи зниження активності PKA (Surmeier et al., 2007; Герфен і Сурмеєр, 2011). Насправді кожен рецептор чинить комплексний вплив на багато додаткових сигнальних шляхів вниз за течією. У спокої два підтипи MSN загалом загальмовані, вони перебувають у тому, що дослідники назвали занедбаним станом. Збуджуюча глютаматергічна синаптична активність може вивільнити МСН з цього пониженого стану та перевести їх у більш деполяризований стан (стан). Дофамін навпаки модулює збудливий глутаматергічний зсув до стану. D₁ активація PKA посилює Cav1 L-типу Ca²⁺ канальна активність, зменшується соматичний К⁺ канальна активність і знижує регуляцію Cav2 Ca²⁺ канали, які керують активацією Са²⁺ залежна, малопровідна К⁺ (SK) каналів, що призводить до посилення шипування в цих MSN (Surmeier et al., 2007; Герфен і Сурмеєр, 2011). На відміну від D₂ сигналізація інгібує перехід у стані, тим самим запобігаючи посиленому шипуванню, завдяки зменшенню Cav1 L типу Ca²⁺ активність каналу і Nav1 Na⁺ активність каналу при збільшенні K⁺ канальні струми (Surmeier et al., 2007; Герфен і Сурмеєр, 2011; Малюнок 1). Такі протилежні зміни в двох МСН дозволяють припустити, що посилення сигналу дофаміну, спричинене зловживанням наркотиками, повинно посилювати глутаматергічну активацію D₁+ МСН та зменшують глутаматергічну активацію D₂+ MSN. Насправді такі відповіді набагато різноманітніші та складніші з причин, які залишаються недостатньо зрозумілими. Ця тема буде розглянута далі нижче.

Роль рецепторів дофаміну у зловживанні наркотиками складна і часто невловима (Self, 2010). Існує велика кількість літератури про роль Д.₁ і D₂-агоністи та антагоністи рецепторів у модулюванні корисних властивостей та самостійному застосуванні зловживаних лікарських засобів, однак результати відрізняються залежно від типу використовуваного агоніста / антагоніста, типу доставки (системна проти конкретного регіону мозку) та термінів лікування (Self, 2010). Такі результати додатково бентежать нестрийними специфічними ефектами, такими як внесок досинаптичного D₂-рецептори від VTA або наявність D₁ рецепторів у багатьох інших лімбічних областях, а також відсутність специфічності використовуваних агоністів / антагоністів, а також експресії D₁-подобано і D₂-подібні рецептори в обох підтипах MSN, як зазначено раніше. Взагалі вважається, що D₁ рецептори відіграють більш переважну роль у первинних нагороджувальних властивостях зловживання наркотиками, тоді як D₂-рецептори відіграють певну роль у механізмах пошуку наркотиків (Self et al., 1996; Self, 2010). Дослідження з D₁ рецептор і D₂- миші, що вибивають рецептори, дають деяке розуміння ролі цих рецепторів у двох МСН. D₁ миші з нокаутом демонструють притуплену індукцію негайних ранніх генів (IEGs) c-Fos та Zif268 у відповідь на кокаїн, зменшену реакцію на спричинену психостимулятором рухливу активність, але без змін у перевазі місця, обумовленого кокаїном (CPP) - непрямий показник винагорода за наркотики та зменшення самоконтролю кокаїну та споживання етанолу (Miner et al., 1995; Drago et al., 1996; Crawford та ін., 1997; El-Ghundi та ін., 1998; Caine et al., 2007). D₂ дисплеї мишей з нокаутом зменшили корисні ефекти для опіатів та кокаїну, а також зменшили споживання етанолу, але не зменшили прийом кокаїну (Maldonado et al., 1997; Cunningham et al., 2000; Risinger et al., 2000; Caine et al., 2002; Chausmer et al., 2002; Elmer et al., 2002; Welter et al., 2007). Такі дані підтримують важливу роль для D₁ і D₂-рецептори в двох МСН у багатьох аспектах зловживання наркотиками, однак, нокаути не мають смугастої специфіки і трапляються на початку розвитку, тому не можна виключати інших регіонів мозку та клітинних типів та факторів розвитку в опосередкуванні цієї поведінки. Нарешті, зниження рівня D₂/D₃ рецептори в стриатумі, як це візуалізується за допомогою зображень мозку, стали загальним маркером звикання у пацієнтів людини, особливо в періоди відміни (Volkow et al., 2009). Гризуни, що отримують вірусно опосередковану передачу генів D₂-рецептори NAc демонструють ослаблене самоуведення кокаїну та споживання етанолу (Thanos et al., 2004, 2008). Ці дослідження не проводились у специфічному для клітини способі, тому ми не можемо виключити можливий ефект D₂-рецепція надмірної експресії, що впливає на D₁+ MSN. Цей збір даних підкреслює необхідність переходу до більш селективних підходів, включаючи специфічні для клітин типу, конкретні для регіону та навіть тимчасово специфічні маніпуляції з рецепторами дофаміну, щоб краще з'ясувати їх функціональну роль у двох підтипах MSN у наркоманії.

Нарешті, нещодавно повідомлялося, що D₂Трансгенні миші -GFP гомозиготи BAC демонструють підвищення рівня експресії D₂-рецептор у стриатумі та посилена чутливість до поведінки та сигналізація про дофамін до D₂ агоністи. Крім того, і гомозиготи, і гемізиготи виявляють притуплені поведінкові реакції на кокаїн (Kramer et al., 2011). Це дослідження підкреслює необхідність проведення ретельної характеристики D₁ і D₂ флуоресцентний репортер і лінії водія Cre. Однак більшість даних, зібраних у цьому дослідженні, використовували гомозиготи, що не є ідеальним експериментальним генотипом, оскільки 5 – 10% трансгенових інтеграцій призводить до інсерційних мутацій (Мейслер, 1992); отже, генотип гемізиготи є більш надійним експериментальним генотипом. Крім того, у цьому дослідженні не використовувались контролі диких видів послід, але використовували елементи контролю на подібному тлі (швейцарський Вебстер), отриманий від Taconic, тоді як їх трансгенні лінії були отримані від GENSAT та MMRRC. Нарешті, інша група показала нормальну поведінкову реакцію на кокаїн в області поведінки₂-GFP гемізиготи (Kim et al., 2011). Таким чином, майбутні дослідження з використанням належного контролю та належних генотипів повинні бути проведені, щоб повністю охарактеризувати різні наявні трансгенні клітинні трансгенні лінії.

Глутамат і GABA сигналізація в D₁ проти D₂ MSNs

Середні колючі нейрони отримують глютаматергічний вхід з декількох областей мозку, включаючи префронтальну кору, мигдалину та гіпокамп, та введення GABAergic від місцевих інтернейронів та, можливо, побічні введення інших МСН. Чисте збудливе та інгібіторне регулювання МСН, безперечно, має вирішальне значення для регулювання стану наркоманії, і в даний час зростає література про складні способи, якими наркотики змінюють глютаматергічну нейротрансмісію, зокрема, в NAc (Pierce et al., 1996; Thomas et al., 2001; Beurrier and Malenka, 2002; Kourrich et al., 2007; Bachtell and Self, 2008; Bachtell et al., 2008; Conrad et al., 2008; Kalivas, 2009; Вовк, 2010). Хоча, як вважається, МСН в основному існують у загальмованому стані, в основному, при базальних умовах з рухомою активністю глутамату обох клітинних типів, залишається обмеженою інформацією щодо чіткого регулювання, що виникає при D₁ проти D₂ MSN.

ΔFosB перевищення в D₁+ MSN (див. Нижче для отримання більш детальної інформації) посилює корисні ефекти кокаїну та підвищує рівень Са²⁺-непроникна субодиниця рецепторів глутамату, GluR2, в NAc. Крім того, вірусно опосередкована передача генів GluR2 до NAc аналогічно посилює корисні ефекти кокаїну (Kelz et al., 1999). Однак невідомо, чи спостерігається індукція GluR2 у відповідь на перевиразку ΔFosB у D₁+ MSN також характерні для цих нейронів, і вірусна перенапруження GluR2 не є специфічним для клітинного типу, тому ми не можемо зробити прямі висновки про функцію GluR2 у цих двох MSN для винагороди за ліки. Хейснер і Пальмітер (2005) оцінили роль глютаматергічної провідності NMDA у поведінці кокаїну шляхом вираження субодиниці NR1, яка містить мутацію в порі, що зменшує потік кальцію, вибірково в D₁+ MSN. Ця група показала відсутність провідності NMDA у D₁+ MSN запобігає викликанню кокаїну CPP та сенсибілізації опорно-рухового кокаїну, підкреслюючи необхідність сигналізації NMDA у D₁+ MSN для корисних і сенсибілізуючих ефектів кокаїну (Хейснер і Пальмітер, 2005). Крім того, нещодавно було встановлено, що вибиття субодиниці NR1 у D₁+ MSN послаблює сенсибілізацію амфетаміну, і цей фенотип було врятовано шляхом повторної подачі субодиниці NR1 у D₁+ MSN, зокрема в NAc (Beutler et al., 2011). Нарешті, збиття субодиниці mGluR5, використовуючи РНК-інтерференцію, у D₁+ MSN не впливає на початкові корисні властивості кокаїну, але зменшує зумовлене києм відновлення пошуку кокаїну (Novak et al., 2010). Хоча ці дані виявляють переконливі ролі глутаматергічної сигналізації у D₁+ MSN, майбутня робота потрібна для вивчення глутаматергічних систем у D₂+ MSN. Майбутні дослідження також повинні оцінити, як модуляція цих субодиниць рецепторів глутамату у двох підтипах MSN впливає на структурні синаптичні зміни, що спостерігаються у NAc після зловживання наркотиками (Дієц та ін., 2009; Russo et al., 2010), зокрема дендритні зміни, що спостерігаються після вибіркового впливу кокаїну в D₁+ MSN (Lee et al., 2006; Kim et al., 2011), що може бути пов'язано зі збільшенням мініатюрних збудливих постсинаптичних струмів, що спостерігаються у D₁+ MSN (Kim et al., 2011). Цікаво, що індукція ΔFosB в D₁+ MSN були пов'язані безпосередньо з такими дендритними адаптаціями після хронічного кокаїну (Maze et al., 2010).

На відміну від глутамату, в двох моделях MSN в моделях наркоманії недостатньо досліджень функції GABA, що дивно, враховуючи, що і етанол, і бензодіазепіни підсилюють ефекти GABA, і два MSN отримують щільні введення GABAergic, як зазначено вище. Також є вагомі докази, які вказують на посилене гальмування NAc принаймні після хронічного впливу кокаїну (White et al., 1995; Peoples et al., 1998; Zhang et al., 1998; Thomas et al., 2001; Beurrier and Malenka, 2002). Хейман та ін. (2008) проводили генетичний скринінг з високою пропускною здатністю у двох МСН після хронічного впливу кокаїну та, що цікаво, найбільш змінений біологічний процес у D₁+ MSN - це сигналізація GABA. Зокрема, спостерігалося потужне регулювання ГАМК_A рецепторні субодиниці Gabra1 і Gabra4, а також GABA_B рецепторна субодиниця Gabrb3, і ця група виявила, що хронічний кокаїн збільшує частоту малоамплітудних GABAergic міні-інгібіторних постсинаптичних струмів (mIPSC) у D₁+ MSN (Heiman et al., 2008). З іншого боку, нещодавно інша група показала, що хронічний кокаїн призводить до протилежної реакції зі зниженою частотою та амплітудою mIPSC в D1 + MSN (Kim et al., 2011). Однак остання група виявила знижену збудливість мембрани у D₁+ МСН після хронічного кокаїну, що може бути відображенням підвищеного тонусу ГАМК і відповідає полевій оцінці посиленого гальмування в NAc після впливу хронічного кокаїну. Крім того, подібні відмінності між цими двома групами можуть бути просто обумовлені термінами витримки кокаїну та його відміною. Взагалі, існує потреба у вивченні функції глутаматергічної та GABAergic у двох МСН у відповідь на зловживання наркотиками, і поле зараз забезпечено ресурсами, які роблять можливим таке дослідження типу клітини та регіону.

Інша сигналізація рецепторів у D₁ проти D₂ Підтипи MSN

Два MSN відрізняються різними збагаченнями інших рецепторів, пов'язаних з G-білками, крім рецепторів дофаміну. D₁+ MSN виражають більш високі рівні мускаринового рецептора ацетилхоліну 4 (M₄; Bernard та ін., 1992; Ince та ін., 1997) і D₂+ MSN збагачені обома рецепторами аденозину 2A (A_2A; Schiffmann та ін., 1991; Шиффманн і Вандерхейхен, 1993) і рецептор, пов'язаний з G-білком 6 (Gpr6; Lobo et al., 2007; gensat.org). М₄ поєднується з G_{в / в}, що дало б протилежну відповідь, порівняно з D₁ рецептори, в D₁+ MSNs шляхом інгібування активності cAMP / PKA. Справді, D₁+ MSN вибіркова M₄ нокаут проявив посилену поведінкову сенсибілізацію до кокаїну та амфетаміну (Jeon та ін., 2010). Крім того, останні дослідження з використанням дизайнерського рецептора, виключно активованого синтетичним препаратом (DREADD), показали, що активація людини DREADD Gi / o, пов'язана з людиною M₄ рецептор (hM₄Г) в Д₁+ MSN знижували поведінкову сенсибілізацію до амфетаміну, протилежну відповідь спостерігали у D₂+ MSN (Ferguson et al., 2011). Такі дані виявляють протилежну роль М₄ рецептори в D₁+ МСН при зловживанні наркотиками. Так само, оскільки ХМ₄D рецептор потужно інгібує ці МСН, дані дають уявлення про ефект зміненої активності цих двох МСН при зловживанні наркотиками, про що буде сказано далі нижче.

Обидва A_2A і Gpr6 позитивно пов'язані з G_s/G_olf білки, маючи на увазі їх роль у протидію D₂-рецептор у D₂+ MSN. Дійсно, стимуляція А_2A Показано, що рецептори знижують як розвиток, так і експресію сенсибілізації кокаїну (Філіп та ін., 2006), погіршують ініціацію кокаїнового самовведення (Knapp et al., 2001), а також протидіяти відновленню розшуку кокаїну, викликаного кокаїном, D₂- стимуляція рецепторів або умова кокаїну (Bachtell and Self, 2009). Оскільки Gpr6 також збагачується на D₂+ MSN (Lobo et al., 2007), слід оцінити його роль у поведінкових функціях стриатуму. На сьогоднішній день показано, що він впливає на інструментальне навчання (Lobo et al., 2007), але її роль у моделях зловживання наркотиками поки невідома.

Канабіноїдний рецептор 1 (CB1) експресується всюди в центральній нервовій системі (Mackie, 2008), отже, важко розрізати точну роль конкретних областей мозку та типів клітин у опосередкуванні залежності від Δ9-тетрагідроканабінолу (ТГК). Нещодавно видалення CB1 з D₁+ Було встановлено, що МСН незначно впливають на поведінкові реакції на ТГК, включаючи притуплені ефекти при гіполокомоції, спричиненій ТГК, гіпотермії та аналгезії (Монорі та ін., 2007). Цікаво було б оцінити функцію рецепторів канабіноїдів у D₂+ MSN, оскільки ці MSN виражають опосередковану ендоканабіноїдами тривалу депресію (eCB-LTD), яка потребує дофаміну D₂-активація рецепторів (Kreitzer і Malenka, 2007).

Глюкокортикоїдний рецептор, Nr3c1, також широко експресується в ЦНС та на периферії. Стрес-викликана глюкокортикоїдна секреція може потенціювати дезадаптивну поведінку, включаючи наркоманію (Frank et al., 2011). Зокрема, порушення глюкокортикоїдної сигналізації при D₁+ MSN, видаляючи Nr3c1, зменшило мотивацію цих мишей відображатись до самостійного введення кокаїну, і це узгоджується з попередніми даними, коли Nr3c1 був видалений з усього мозку (Ambroggi et al., 2009). Ці дані узгоджуються з іншими висновками, описаними в цьому огляді, показуючи переважну роль для D₁+ МСН у посередництві багатьох наслідків зловживання наркотиками.

Нарешті, нещодавно ми порушили сигналізацію BDNF у двох MSN, видаляючи рецептор TrkB вибірково з кожного підтипу MSN. Ми спостерігали протилежні ефекти на поведінку, спричинену кокаїном: після вилучення TrkB з D посилювали опорно-рухову активність кокаїну та індукцію кокаїну.₁+ MSN, але ослаблені після видалення з D₂+ MSN (Lobo et al., 2010). Цікаво, що вилучення TrkB з D₂+ MSNs імітує наслідки повного видалення TrkB з NAc, а також порушення BDNF-сигналізації від VTA (Horger et al., 1999; Graham et al., 2007, 2009; Багі та ін., 2008; Crooks та ін., 2010). Ці висновки, таким чином, вперше показують переважну роль сигнального каскаду в D₂+ МСН у посередництві наслідків зловживання наркотиками. Переважна роль D₂+ МСН при опосередкуванні ефектів BDNF на поведінку, спричиненої кокаїном, не дивно, враховуючи, що і мРНК TrkB, і білок збагачуються в D₂+ MSN (Lobo et al., 2010; Байдюк та ін., 2011). Зміни поведінки, які спостерігаються у цих мишей, супроводжувались посиленою активністю нейронів у D₂+ MSN при вибірковому нокауті TrkB. Ці результати спонукали нас використовувати оптогенетичну технологію для вибіркового маніпулювання активністю MSN у нагороді кокаїном (див. Нижче).

Фактори транскрипції в D₁ проти D₂ MSNs

Найбільш переконливі докази більш міцної ролі Д.₁+ МСН при зловживанні наркотиками походить з літератури, що оцінює індукцію внутрішньоклітинних сигнальних молекул. Як було сказано вище, гострі дози психостимуляторів індукують експресію IEG, включаючи c-Fos, Zif268 (Egr1) та FosB, головним чином у D₁+ MSN в NAc і dStr (Robertson et al., 1991; Young et al., 1991; Берретта та ін., 1992; Cenci та ін., 1992; Moratalla et al., 1992; Bertran-Gonzalez та ін., 2008). Ця індукція вимагає активації D₁ рецептори та специфічність клітинного типу індукції IEG у відповідь на гострий кокаїн нещодавно підтверджено за допомогою D₁-GFP і D₂-GFP миші-репортери (Bertran-Gonzalez та ін., 2008). Цікаво, що підтвердження індукції кокаїну c-Fos насамперед у D₁-GFP протягом усього стриатуму з невеликою індукцією в D₂-GFP MSN тільки в dStr підтверджували за допомогою контекстно-залежної парадигми (мишей вводили в нове середовище поза їхньою домашньою кліткою). Крім того, попереднє дослідження з використанням на місці гібридизація у мишей також показала індукцію c-Fos у D₁+ і D₂+ MSN в dStr, хоча в цьому дослідженні репрезентативні гістограми показують більшу кількість D₁+ позитивні нейрони c-Fos (Ferguson et al., 2006). Цікаво, що це дослідження виявляє значно посилену індукцію c-Fos у D₂+ MSN в dStr після втрати ERK1, що є паралельним нашим висновкам посиленої індукції c-Fos у D₂+ MSN, зокрема в оболонці NAc, після порушення сигналізації BDNF, яка, як відомо, посилює активність ERK (Lobo et al., 2010). Однак у кожному дослідженні спостерігалися протилежні реакції поведінки на кокаїн, що може відображати індукцію c-Fos у D₂+ MSN в dStr проти оболонки NAc. Нарешті, використання попередньої літератури на місці гібридизація / імуногістохімія у щурів показала, що гострі психостимулятори можуть індукувати c-Fos однаково в обох MSN, коли препарат дають у нових умовах (Badiani та ін., 1999; Uslaner та ін., 2001a,b; Фергюсон і Робінсон, 2004) і повідомляється, що хронічне введення амфетаміну вибірково індукує c-Fos у D₂+ MSN (Mattson et al., 2007). Ці різні результати можуть бути відображенням використовуваних експериментальних процедур (на місці гібридизація проти репортерних мишей GFP) або навіть пов'язана з видом тварин, які використовуються в якості останніх експериментів, використовуваних щурів.

Нещодавно дослідники генетично профілювали залежно від контексту кокаїну нейрони, активовані c-Fos у щурів, використовуючи сортування клітин, активоване імуномарактером (FACS), і показали, що c-Fos + нейрони збагачені в D₁+ Ген MSN, продинорфін (Pdyn), але мають нижчий рівень D₂ І А._2A, обидва D₂+ Гени MSN (Гуз-Барбер та ін., 2011), припускаючи, що нейрони, що активуються c-Fos +, складаються головним чином з D₁+ MSN. Крім того, ця група раніше показала, що c-Fos, що експресує MSN, має важливе значення для даної контекстно-залежної сенсибілізації, оскільки абляція цих нейронів скасовує цей поведінковий фенотип (Koya та ін., 2009). Хоча попередні дані показали, що індукція кокаїну c-Fos відбувається в обох D₁+ і D₂+ МСН у щурів, більш пізні результати відповідають результатам, в яких делеційно видаляють c-Fos з D₁+ МСН придушує спричинену кокаїном опорну чутливість до мишей (Zhang et al., 2006). Крім того, ця група виявила, що видалення c-Fos у D₁+ MSN притупляє дендритні зміни хребта, що зазвичай індукуються кокаїном в NAc, вказуючи на роль c-Fos в опосередкуванні цих синаптичних змін пластичності. Нарешті, група не спостерігала зміни в індукції кокаїну CPP, але виявила, що втрата c-Fos у D₁+ MSN запобігли вимирання кокаїну CPP. Такі дані ілюструють динамічну роль індукції c-Fos у D₁+ MSN, однак, не можна виключати диференціальних ефектів на поведінковому рівні, оскільки вони опосередковуються будь-якою з кількох інших лімбічних областей мозку, які виражають D₁ рецепторів.

Інший IEG, який широко вивчений у двох підтипах MSN, - це FosB. Гострий вплив кокаїну викликає FosB у D₁+ MSN (Берретта та ін., 1992), тоді як хронічне опромінення викликає ΔFosB, стабільний продукт гена FosB, що генерується шляхом альтернативного сплайсингу (Hope et al., 1994; Nestler et al., 2001; Nestler, 2008), в Д₁+ MSN (Nye et al., 1995; Moratalla et al., 1996; Lee et al., 2006). Подібні висновки спостерігаються і з багатьма іншими наркотиками, що зловживають, а також із природними винагородами, такими як їжа, секс та біг за кермом. Наприклад, хронічний біг за кермом, що є природною нагородою (Iversen, 1993; Belke, 1997; Lett et al., 2000), індукує ΔFosB в D₁+ MSN, але не D₂+ MSN (Werme et al., 2002). Щоб отримати розуміння ролі ΔFosB у двох MSN, наша група створила лінії NSE-tTa, що отримали назву 11A та 11B, які направляють експресію трансгену до D₁+ або D₂+ MSN, відповідно (Chen et al., 1998; Kelz et al., 1999; Werme et al., 2002). Миші лінії 11A, схрещені з лінією Tet-Op ΔFosB, демонструють підвищену відповідь на корисний і локомоторний ефекти кокаїну (Kelz et al., 1999), що відповідає індукції ΔFosB в D₁+ MSN (Nye et al., 1995; Moratalla et al., 1996). Крім того, ці ж миші демонструють підвищення винагороди за морфін (оцінюється CPP), а також зменшення анальгезії морфіну та підвищення толерантності до морфіну, в той час як миші 11B Tet-Op ΔFosB не показують зміни в нагороді морфіном. Надмірна експресія домінантного негативного антагоніста ΔFosB виявляє ефекти, протилежні тим, що спостерігаються при ΔFosB, хоча ця модель миші не відрізняє D₁ проти D₂ MSN (Пікман та ін., 2003). Ці дані разом у сукупності підтримують роль індукції ΔFosB у D₁+ МСН як важливий молекулярний гравець у нагороджувальних властивостях зловживання наркотиками (Zachariou et al., 2006). Це явище спостерігається і в інших способах поводження, зокрема, за керуванням колесом: у мишей 11A Tet-Op ΔFosB спостерігається посилення поведінки колеса, тоді як дисплей мишей 11B Tet-Op ΔFosB зменшує біг колеса (Werme et al., 2002). Висновок, що індукція ΔFosB в D₁ MSN стимулює винагороду узгоджується з недавніми висновками, що така селективна індукція типу клітин також сприяє стійкості реакцій на хронічний стрес (Vialou et al., 2010). Нарешті, хронічна індукція кокаїну ΔFosB у D₁+ Показано, що MSN супроводжується стійким тривалим збільшенням дендритної щільності хребта (Lee et al., 2006) і нещодавно показано, що ΔFosB в NAc є необхідним і достатнім для опосередкування підвищеної щільності дендритних шипів у цій області мозку (Maze et al., 2010). Такі дані підтримують роль ΔFosB у D₁+ MSN в опосередкуванні на корисні аспекти зловживання наркотиками та природними винагородами, а також супутні зміни структурної пластичності. Дані також дозволяють припустити, що індукція ΔFosB в D₂+ MSN надає негативні наслідки для винагородження стимулів. Оскільки індукція ΔFosB в D₂+ МСН виявляється у відповідь на хронічний стрес та вплив антипсихотичних препаратів (Hiroi і Graybiel, 1996; Perrotti et al., 2004) необхідні подальші дослідження останніх дій.

Інші внутрішньоклітинні сигнальні молекули в D₁ проти D₂ MSNs

Одна сигнальна молекула, яка була добре вивчена у двох МСН в умовах зловживання наркотиками, є протеїнкіназа, ERK (позаклітинна кіназа, пов'язана з сигналом). Гостре або хронічне вплив кокаїну викликає фосфорильований ERK (pERK), активовану форму білка, в NAc і dStr в D₁+ MSN, що використовують D₁-GFP і D₂-GFP BAC трансгенні репортерні миші (Bertran-Gonzalez та ін., 2008), і ця відповідь опосередковується через D₁ рецептори (Valjent et al., 2000; Lu et al., 2006). Ця група також показала, що pMSK-1 (фосфо-МАР та кіназа, що активує стрес) і гістон H1, обидві цілі сигналу pERK, сильно індукуються в pERK, що містить D₁+ МСН після гострого впливу кокаїну та незначно збільшується після хронічного кокаїну (Bertran-Gonzalez та ін., 2008). pERK також викликається реакцією на хронічний морфін, зокрема, pERK є сильно індукованим у D₁+ MSN і скромно викликані в D₂+ МСН в оболонці NAc після відміни у відповідь на контекстно-специфічну асоціацію з морфіном (Borgkvist та ін., 2008). Точна функціональна роль PERK у наркоманії залишається визначити. Показано, що фармакологічне лікування інгібіторами ERK знижує винагороду кокаїном, однак нокаут ERK1 потенціює кокаїнову винагороду, припускаючи, що інгібітори ERK можуть переважно впливати на ERK2. Нещодавно ми показали, що оптогенетична активація D₁+ MSN в NAc, що збільшує корисну реакцію тварини на кокаїн, потужно знижує як pERK1, так і pERK2. Майбутні дослідження, що маніпулюють експресією ERK у специфічному для клітини способі, необхідні для повного вирішення функціональної ролі сигналізації ERK у двох MSN у зловживанні наркотиками.

DARPP-32 - ще одна сигнальна молекула, яка була широко вивчена у відповідь на зловживання наркотиками. Добре відомо, що гострі психостимулятори призводять до фосфорилювання PKA DARPP-32 при треоніні 34 (T34), внаслідок чого він стає потужним інгібітором фосфатази білка 1 (PP-1), який регулює стан фосфорилювання багатьох ефекторних білків, у тому числі фактори транскрипції, іонотропні рецептори та іонні канали (Greengard та ін., 1999). Однак до недавнього часу було незрозуміло, який підтип MSN опосередковує цю біохімічну зміну. Greengard та ін. (1999) згенеровано трансгенні моделі мишей BAC, що дозволяють оцінити фосфорилювання DARPP-32 в D₁+ або D₂+ MSN, виражаючи помічені версії DARPP-32 за допомогою D₁ або D₂ BAC, що дозволяють проводити імуноосадження DARPP-32 з кожного підтипу MSN. Ці дослідження показали, що гостре лікування кокаїном збільшує фосфорилювання T34 у D₁+ MSN та індукує фосфорилювання треоніну 75 (T75) методом Cdk5, який інгібує сигналізацію PKA, вибірково в D₂+ MSN (Bateup et al., 2008). Нарешті, ця група показала, що видалення DARPP-32 з кожного підтипу MSN з використанням D₁-Cre і D₂-Cre трансгенні миші призводять до протилежного регулювання опорно-рухової активності кокаїну (Bateup et al., 2010). Втрата DARPP-32 від D₁+ MSN знизили локомоторні ефекти кокаїну, що імітує попередні дані, оцінюючи загальний нокаут DARPP-32 (Fienberg та ін., 1998), тоді як втрата DARPP-32 від D₂+ MSN розширені реакції опору кокаїну. Такі дані дають конкретні докази для різної ролі DARPP-32 у двох МСН у відповідь на зловживання наркотиками та ілюструють важливість методів, що стосуються клітинних типів, щоб повністю зрозуміти внесок цих двох типів нейронів у наркоманію.

Модулююча активність D₁ або D₂ MSNs

Безпосередньо модулюючи активність двох підтипів MSN, нещодавно дано нове розуміння молекулярної та функціональної ролі D₁ і D₂ МСН у наркоманії. Ми використовували оптогенетичні засоби, поєднані з умовним (тобто, залежним від Cre) адено-асоційованим вірусом (AAV) вектором, що експресує катіонний канал, активований синім світлом, каналродопсин-2 (ChR2). Ми вводили вектор або контрольний елемент у NAc D₁-Cre або D₂-Cre трансгенних мишей BAC, а потім стимулювали ін'єкційну область синім світлом, щоб вибірково активувати D₁+ проти D₂+ MSN в контексті кокаїну CPP. Ми виявили, що активація D₁+ MSN потенціює індукцію кокаїну CPP, тоді як активація D₂+ MSN інгібує цю індукцію (Lobo et al., 2010). Як було зазначено раніше, ми спостерігали ті самі поведінкові ефекти, коли TrkB вибірково видаляли з цих підтипів MSN: посилену КПК кокаїну та опорно-рухову активність після видалення TrkB з D₁+ MSN та зменшення CPP кокаїну та опорно-рухової активності після видалення TrkB з D₂+ MSN. Ймовірна спільна дія нокауту TrkB та оптогенетичної стимуляції в D₂+ MSN - це їх підвищена активність, оскільки видалення TrkB з цих клітин збільшує їх електричну збудливість. Як згадувалося раніше, ми також виявили надійне зменшення pERK після видалення TrkB з D₁+ MSN. pERK - відома нижча ціль сигналу BDNF, тому спільні поведінкові ефекти спостерігаються після видалення TrkB з D₁+ MSN та оптогенетична активація цих клітин може бути наслідком конвергентного впливу на активність pERK. Однак в майбутньому необхідна робота щодо визначення точних, спільних молекулярних підстав, які регулюють поведінкові ефекти, виявлені після порушення сигналізації BDNF та оптогенетичного контролю цих двох підтипів нейронів.

Інші групи використовували різні інструменти для модулювання активності двох MSN в моделях зловживання наркотиками. Хікіда та ін. (2010) використовували вектори AAV для вираження тетрацикліно-репресивного фактора транскрипції (tTa) з використанням речовини P (a D₁+ Ген MSN) або енкефалін (a D₂+ Ген MSN) промотори. Ці вектори були введені в NAc мишей, в яких легкий ланцюг токсину токсину від правця (TN) - бактеріальний токсин, який розщеплює пов'язаний з синаптичним міхуром білок VAMP2 - контролювався елементом, чутливим до тетрацикліну, щоб вибірково скасувати синаптичну передачу в кожній Підтип MSN Відповідно до нашого оптогенетичного підходу, ці дані показали роль D₁+ MSN-активність у підвищенні кокаїнової CPP, а також кокоїново-рухової активності, оскільки скасовує синаптичну передачу в D₁+ MSN зменшили обидва поведінкові ефекти. На відміну від оптогенетичних досліджень, автори не виявили змін у СРЗ кокаїну після скасування синаптичної передачі в D₂+ MSN, але спостерігали зменшену кокоїнову активність опорно-рухового апарату у відповідь на перші дві експозиції кокаїну. Цікаво, що ця група показала, що інактивація D₂+ МСН відігравали більш глибоку роль у опосередкуванні відвертої поведінки.

Як зазначалося раніше, Ferguson et al. (2011) використовували вектори симплексного вірусу герпесу (ВПГ) для експресії інженерного GPCR (a G)_{в / в}мускариновий людський M₄ дизайнерський рецептор, виключно активований дизайнерським препаратом, ХМ₄D), який активується інакше фармакологічно інертним лігандом, використовуючи промотори енкефаліну та динорфіну, щоб вибірково замовчувати D₁+ або D₂+ MSN в dStr. Автори показали, що минуще руйнує D₂+ Активність MSN у dStr сприяла сенсибілізації амфетаміну, зменшуючи при цьому збудливість D₁+ MSN знижували стійкість сенсибілізації, спричиненої амфетаміном. Нарешті, скасування Д₂+ МСН у NAc у дорослому віці, що застосовує рецептор токсину для дифтерії, посилює корисний ефект амфетаміну (Durieux та ін., 2009). Такі дані відповідають нашим оптогенетичним висновкам і разом позначають протилежні ролі D₁+ проти D₂+ МСН у наркоманії, з D₁+ МСН, що рекламують як винагороду, так і сенсибілізуючу реакцію на психостимулятори та D₂+ MSN, що пригнічують цю поведінку.

майбутні напрямки

Поле зробило величезний прогрес у розумінні вибіркової ролі D₁+ і D₂+ Підтипи MSN у NAc та dStr при опосередкуванні наслідків зловживання наркотиками. Зокрема, нещодавно розроблені інструменти, які дозволяють вибірково маніпулювати цими типами клітин, відіграли переважну роль у отриманні більшості цієї інформації. Які наступні кроки? Оскільки основні молекулярні адаптації в моделях наркоманії не є статичними, а дуже динамічними, надзвичайно важливим є розвиток здатності до вибіркового маніпулювання сигнальними молекулами, що цікавлять D₁+ проти D₂+ MSNs тимчасово точно. DREADD та оптогенетичні інструменти можуть допомогти в маніпулюванні цим масштабом часу. Ліганди DREADD можна вводити в різні часові курси протягом поведінкових парадигм наркотиків, щоб розділити селективну роль сигнальних рецепторів у двох МСН у моделях ліків. Оптогенетичні інструменти, зокрема, забезпечують надзвичайно потужний засіб для тимчасового регулювання не тільки активності нейронів, але і сигналізації рецепторів, пов'язаних з G-білком, за допомогою OptoXR (Айран та ін., 2009), глутаматергічна сигналізація (Volgraf et al., 2006; Numano та ін., 2009), GABAergic сигналізації та навіть певних внутрішньоклітинних сигнальних молекул (Wu et al., 2009; Хан і Кульман, 2010). Зрештою, можливо, можливо розширити ці можливості на оптогенетичну регуляцію транскрипційної активності. Так само оптогенетичні інструменти дають можливість вперше вивчити вплив конкретних входів на стриатум та визначити, чи впливають такі входи вибірково на D₁+ проти D₂+ MSN (Хіглі і Сабатіні, 2010). Можливість керувати такою сигналізацією та молекулярними властивостями з великою часовою роздільною здатністю дозволить зробити основні кроки до більш всебічного розуміння двох підтипів MSN та інших підтипів клітин у NAc та dStr, опосередковуючи часовий хід та різні фази препарату залежність.

Заява про конфлікт інтересів

Автори заявляють, що дослідження проводилося за відсутності будь-яких комерційних або фінансових відносин, які могли б бути витлумачені як потенційний конфлікт інтересів.

посилання