由自然奖励和后续戒烟引起的中脑边缘系统的神经可塑性。 (2010)

评论:研究表明奖励回路中的神经发生和行为改变可能来自性活动。 这些包括神经分支的生长和对药物的更强反应。 像往常一样,天然增强剂和药物对大脑有类似的作用。


全面研究

Pitchers KK,Balfour ME,Lehman MN,Richtand NM,Yu L,Coolen LM。

生物精神病学。 2010可能是1; 67(9):872-9。 Epub 2009 Dec 16。

加拿大安大略省伦敦市西安大略大学Schulich医学与牙科学院解剖学与细胞生物学系。

摘要

背景: 自然奖励和滥用药物汇集在中脑边缘系统上,滥用药物会导致神经元改变。 在这里,我们在自然奖励和随后对药物反应的影响后测试了该系统的可塑性。

方法:测定雄性大鼠的性经验对行为致敏和与d-苯异丙胺(AMPH)和高尔基体浸渍的树突和伏隔核(NAc)细胞刺相关的条件性位置偏好的影响。 此外,测试了经验丰富的男性对性行为的禁欲对这些参数的影响。

结果: 首先,反复的性行为引起敏感的运动反应 AMPH与性生活对照组相比,在最后一次交配后观察1,7和28天数。 其次,性经验的动物形成了比性天真的雄性更低剂量的AMPH的条件性位置偏好,表明AMPH的奖赏值增加。 最后,Golgi-Cox分析显示NAc核心和壳中具有性经验的树突和棘刺数量增加。 后两种改变取决于7-10天的禁欲期。

结论:性经验诱导中脑边缘系统的功能和形态学改变,类似于反复暴露于精神兴奋剂。 此外,反复交配后禁止性行为对于增加对NAc神经元的药物和树突状乔木的奖励至关重要,这表明性奖励的丧失也可能有助于中脑边缘系统的神经可塑性。 这些结果表明,中脑边缘系统的一些改变对于自然和药物奖励是常见的,并且可能在一般强化中起作用。

版权所有2010生物精神病学会。 由Elsevier Inc.出版。保留所有权利。

关键词: 多巴胺,伏隔核,精神兴奋剂,性行为,药物滥用,树突棘

引言

中脑边缘多巴胺(DA)系统由腹侧被盖区(VTA)中的多巴胺能神经元组成,具有伏隔核(NAc)和内侧前额叶皮质(mPFC)的投射,在行为的激励和奖励方面起着关键作用,包括侵略(1),喂养(27), 喝 (8),交配(911)和社会联系(1213)。 滥用药物聚集在中脑边缘DA系统上(1415)。 此外,重复给药可以诱导这些途径的神经元改变,从而在增加药物复发的易感性或从药物使用到药物成瘾的过渡中发挥推定作用(1618)。 r的行为影响重复给药包括对精神兴奋剂和阿片类药物的致敏运动反应 (1921),增强的条件药物奖励(2224),该并且增加了与先前药物摄入相关的线索的操作性反应(25)。 此外,重复给药导致整个中脑边缘循环中树突形态和脊柱密度的长期变化t(16, 2631),并诱导基因表达的变化 (3235). 最后,重复给药改变了中脑多巴胺神经元兴奋性和抑制性突触的突触强度 (3641)和NAc中的神经元(4244)。 目前还不清楚中脑边缘系统是否会因反复接触自然奖励而发生类似的改变。 确定这些改变是否与滥用药物重叠或是否是独特的,可以更好地理解正常奖励强化与强迫性寻求特定奖励之间差异的细胞机制。

支持药物以外的刺激可以引起中脑边缘系统神经元改变的假设是压力刺激激活多巴胺系统的结果(4547),并引起精神运动兴奋剂致敏(21, 4850)和自我管理模式中的复发(5154)。 然而,很少有研究调查自然奖励行为是否也能在DA系统中产生功能变化(6, 5556). 因此,通过分析性经验对运动致敏,条件性位置偏爱和NAc神经元树突形态的影响,测试了男性性经验导致中脑边缘DA系统内神经元改变的假设。。 此外,我们假设性行为(性别奖励)的禁欲期对于这些变化的发生至关重要,基于最近的观察结果,禁止药物在与重复药物暴露相关的神经可塑性的发展中起关键作用(40, 5759).

方法

动物

成年雄性Sprague Dawley大鼠(210-250克)获自Harlan Laboratories(Indianapolis,IN,USA)或Charles River Laboratories(Senneville,QC,Canada),并饲养在具有隧道管的Plexiglas笼中。 在整个实验中将雄性圈养在相同的性别对中(实验2-5),除了实验1,其中雄性在研究开始时单独饲养。 温度调节的菌落室保持在12 / 12 hr光暗循环,食物和水可用 随意 除了在行为测试期间。 用于交配行为的刺激雌性(210-220克)进行双侧卵巢切除术并接受含有5%苯甲酸雌二醇和95%胆固醇的皮下植入物。 在测试前约500小时,在0.1 ml芝麻油中施用4μg孕酮诱导性接受性。 所有程序均由辛辛那提大学和西安大略大学的动物护理和使用委员会批准,并符合NIH和CCAC指南,涉及研究中的脊椎动物。

药物治疗

将D-安非他明(AMPH)硫酸盐(Sigma,St.Louis,MO)溶解于无菌0.9%盐水(SAL)中。 动物接受的AMPH剂量范围为0.5-5.0 mg / kg体重,基于游离碱计算,体积为1mL / kg体重。 对照动物接受SAL。 在放置到行为装置中之前,在轻相的前半部分(灯开启后2-6小时)皮下给予所有注射。

运动活动测试

使用定制设计的运动活动室(LAC)测量运动活动,以Segal和Kuczenski设计的室为模型(60)。 使用16×16光束阵列(San Diego Instruments,San Diego,CA)测量运动活性,并表示为每分钟的交叉。 每次动物进入腔室的任何“活动区域”时记录交叉,描绘为阴影区域 图1A (61).

图1     

性经验和幼稚动物对盐水或安非他明给药的运动反应。 A是用于测量运动活动的区域图的示意图。 每当动物进入黑色之一时记录交叉 ...

性行为测试

在所有实验中,将性幼稚的雄性大鼠随机分成可获得性经验或保持幼稚的组。 根据经验,所有交配测试都是在昏暗的红灯下暗期的前半段(灯关闭后3-8小时)进行的。 保持性行为天真的动物被处理和安置在与性经验丰富的雄性相同的房间中,因此暴露于与经验丰富的动物相似的干扰,环境新颖性和远处的女性气味。 对于所有实验,性经验的男性群体的性经验相匹配(基于射精次数,以及在最后一次交配期间射精和插入的潜伏期)。

实验1

实验1和2利用不同的范例来测试间歇交配和环境的影响。 在实验1中,性经验组中的动物接受5间歇性交配,间隔3-4天,在此期间,他们在家中笼中与接受雌性的3交配系列(包括射精)或60分钟交配,以先到者为准。 完成超过五个累积交配系列的动物被认为是性经验。 性天真的动物没有接受女性伴侣。 在最后一次交配后一周,将性经验和幼稚的动物细分为接受AMPH(0.5 mg / kg)或SAL的组,总共四组(Naïve安非他明:NA;经验安非他明:EA;Naïve盐水:NS;和经验丰富的盐水:ES; n =每个6)。

实验2

该实验以三种方式与实验1不同:1。 动物连续几天与一次射精交配; 2。 动物交配在与接受AMPH相同的笼子中(在LAC中); 3。 在性经历后的三个不同时间分析AMPH后的运动活性。 性经验的动物在LAC中接受7连续的每日交配期并且在放置在LAC和引入雌性之间的15分钟期间记录运动活动。 将性感天真的动物连续七次放置在LAC中,不交配。 在最后交配期后的第二天(实验的第8天),在注射AMPH(0.5 mg / kg)或SAL(Naïve安非他明:NA;经验的安非他明:EA;Naïve盐水:NS;以及它们)后立即将动物置于LAC中。和经验盐水:ES; n = 8-9各)和记录运动活动。 在最后的交配期(第14天)后一周,再次在LAC中测试动物。 在第8日接受AMPH的动物在第14日接受SAL,并且在第8日接受SAL的动物在第14日接受AMPH。 一天后,将一半幼稚和有经验的动物处死用于RNA提取(数据未包括在本报告中)。 在最后交配期(第35天)后一个月,剩余的一半动物(Naïve,n = 8;经验,n = 9)接受AMPH并记录运动活性。

数据分析

运动活动

在AMPH或SAL注射后的3分钟箱中收集90分钟的数据。 结果显示为每组的平均值±SEM,并使用双向ANOVA(实验1,实验2天8-14:因子:性经验,药物治疗)或单向ANOVA(实验2天35和活性)进行分析。在交配之前;因素:性经验)。 事后 使用Fisher LSD测试进行比较,显着性设置为p值<0.05。

条件性地方偏好(CPP)测试

设备

CPP在三室装置(Med Associates Inc.,St.Albans,VT,USA)中进行,该装置由两个较大的外室(28×22×21cm)组成,可通过视觉和触觉线索区分,由小中心分开隔间(13×12×21cm)。 该装置配备有光束,用于跟踪和测量运动活动的自动分析。

调节和测试

在光照期的前半段进行CPP调节和测试。 进行了预测试以确定每只动物的初始偏好。 在任一室中花费的时间之间未检测到显着差异。 第二天,将雄性大鼠限制在AMPH配对室或SAL配对室中30分钟。 第二天,大鼠以平衡的方式接受相反的治疗。 在最后一天进行了与预测试在程序上相同的后测。

实验3

性经验组中的动物在测试笼中连续每天进行5交配。 第1天被分配到第一个交配日。 对照雄性保持性行为天真,但每天1小时被放入干净的试验笼中5小时,连续0.5天。 将动物分成接受不同剂量AMPH(mg / kg; sc)的组(Naïve:N1.0,N2.5,N5.0或N7,n = 8-0各;经验:E0.5,E1.0,E2.5,E5.0或E6,n = 9每个-14)。 预测试发生在15日,16和17日的调理试验,以及10日的后测试。 这个时间表允许XNUMX天在戒毒前禁止性行为。

实验4

经验丰富的男性通过5连续交配日获得与实验3相同的性经验。 与实验4的关键区别在于CPP测试发生在动物获得性经验时,因此没有禁止性行为的时期。 相反,在第一次3交配期后开始进行调理试验。 将动物分成接受不同剂量AMPH(mg / kg; sc)的组(Naïve:N0.5,N1.0,N2.5或N5.0,n = 6-8各;经验:E0,E0.5,E1.0,E2.5或E5.0,n = 7每个-11)。

数据分析

计算每个动物的CPP评分,即减去后测期间在配对室中花费的时间(秒)。 计算组平均值,并使用未配对的t检验与SAL治疗组(E0)进行比较。 对于所有实验,将显着性设置为p值<0.05。

高尔基实验

实验5

将经历过性经验的组中的男性放置在具有接受性雌性的测试笼中,并允许在60连续几天内交配直至一次射精或7分钟,以先发生者为准。 对照雄性保持性行为天真,但是从家笼中取出并连续七天放入干净的试验笼中,每天30分钟。 在最后一次交配期或暴露于测试笼后,一天(N1; n = 5; E1; n = 7)或7天(N7,E7; n = 5)处死有经验或幼稚的动物组。 性经验丰富的群体在经历上没有差异。

组织处理

在最后一次交配或暴露于测试笼后一天或一周,给予动物过量的戊巴比妥钠(ip)并用500mL盐水灌注。 使用Pugh和Rossi改编的方法对脑进行Golgi-Cox染色处理(62)。 有关详细信息,请参阅 补充1.

数据分析

相机Lucida图是由每只动物的尾部NAc核心和壳子区域中的5-7神经元制成的。 选择细胞,其中整个或大部分树突分支是可见的并且易于与相邻细胞区分。 通过离心顺序量化树突分枝(63)计算每只动物的平均值。 在每个细胞的两个二级树突的40μm长度(每只动物4-7细胞)上定量树突棘。 使用双向ANOVA(因子:性经验和禁欲期)和Fisher LSD检验比较组平均值 事后 分析。

结果

实验1

实验1的目标是确定性经验是否影响雄性大鼠对AMPH的运动反应。 在用90 mg / kg AMPH或SAL处理后,在经历过性和幼稚的大鼠中测量0.5分钟期间的运动活动。 实验1的结果如图所示 图1。 两性经历(F.1,22= 15.88; p = 0.0006)和药物治疗(F.1,22= 45.00; p <0.0001)对运动能力有显着影响,并且观察到性经验和药物治疗之间存在双向相互作用(F1,1,22= 14.27; P = 0.0010)。 具体而言,与适当的SAL对照相比,幼稚和有经验的动物都显示出对AMPH的运动反应显着增加。 此外,与幼稚动物相比,性经历的大鼠表现出对AMPH的运动反应增加。 性经验和幼稚大鼠对SAL的反应没有差异。

在30分钟和3分钟的较小时间间隔内对运动员对AMPH的反应的分析示于 图1,面板CF. 在整个90分钟测试期间,经验丰富的男性表现出对AMPH的运动反应增加,与幼稚大鼠相比。 此外,性行为经历的大鼠在整个90分钟测试期间显示出与AMP对照相比对AMPH的运动反应增加,而幼稚动物在最后一个30分钟间隔期间仅显示出显着更高的运动反应(图1; p值列于图例中)。

实验2

实验2的目的是测试性经验是否导致在连续几天交配的动物中以及在它们暴露于AMPH的相同环境中的运动致敏。 在每次交配期间的15分钟期间,暴露于性配对环境导致运动活动增加(补充1中的图S1),说明性行为与环境之间的学习关联。 此外,实验2研究了性经历的雄性大鼠中对AMPH的运动致敏的时间模式。 在最后一次交配期后一天(第8天),一周(第14天)和一个月(第35天)测量对AMPH或SAL的运动反应。 与实验1一样,与幼稚动物相比,性经历的大鼠对AMPH表现出更大的运动反应。 此外,这种效果在所有三个测试日都很明显。 图2 图示了在测试的最后60分钟期间的运动活动,在此期间观察到最稳健的差异,并且在第一个30分钟的数据显示在 图S2(补充1)。 在任何测试日,幼稚和有经验的动物对SAL的反应没有差异,并且与SAL对照相比,接受AMPH的大鼠表现出增加的运动活性(图2; p值列于图例中)。

图2     

在最后一次交配期后一天(第8天; A,B),一周(第14天; C,D)或一个月(第35天; E,F)给予性经验和幼稚动物对生理盐水或安非他明的运动反应。 总数的平均值+/- SEM ...

实验3

实验3调查了性经验对条件性AMPH奖励的影响。 AMPH CPP在最后交配期后的性天真和经验丰富的男性10天进行了测试。 经验丰富的动物表现出增强的条件性AMPH奖励。 具体而言,性经验丰富的雄性对AMPH配对室形成强烈偏好,其具有较低剂量的0.5和1.0 mg / kg,但不具有较高剂量2.5或5.0 mg / kg。 相比之下,性天真的男性只对AMPH配对的房间形成强烈偏好,剂量较高,2.5和5.0 mg / kg,而不是较低的剂量(图3A; p值列于图例中)。

图3     

在(A)或(B)交配期后的10天,响应安非他明的性经验和幼稚动物的条件性地点偏好。 CPP得分的平均值+/- SEM,定义为在AMPH配对腔室中花费的时间 ...

实验4

实验3证明性经验随后一段禁欲导致增强的条件性AMPH奖励。 实验4研究了性经验对条件性AMPH奖励的影响是否依赖于这个禁欲期。 结果表明,性经验的动物没有显示增加的AMPH条件奖励值。 性经验和幼稚的动物表现出对AMPH配对腔室的强烈偏好,其具有较高剂量的2.5和5.0 mg / kg。 然而,对于较低剂量的0.5和1.0 mg / kg剂量,性经验或幼稚男性均未显示CPP评分增加。 0.5 mg / kg的最低剂量甚至引起厌恶反应,但这仅在AMPH配对室的性经验动物中达到显着性(图3B; p值列于图例中)。

实验5

实验5的目的是检查性经验后中脑边缘系统,特别是NAc的形态变化。 形态改变一周明显(图4H,J和L.; p值列于图例中),但不是一天(图4G,I和K.),在最后的交配会议之后。 特别是,在NAc核心和壳中检测到树突数量的显着增加(表明树枝状分支增加)(图4H和J.)。 此外,在性生活经历后的一周,但不是一天,壳和核心区域的树突棘数量均显着增加(图4L).

图4     

性经验和幼稚动物的NAc中的树突形态。 性经验导致树突和树突棘的数量增加,如图像(A,B)和代表性NAc壳的相机lucida图(C,D)所示 ...

讨论

这项研究表明,性行为和性行为后的经验禁欲诱导雄性大鼠中脑边缘系统的功能和形态学改变。 功能变化以致敏运动反应的形式和在性经历后AMPH增强的条件奖励中显而易见。

早在1日就观察到致敏的运动反应,并在最后一次交配后维持到28天。. 相比之下,增强的条件性AMPH奖励仅在性行为禁欲期后才明显。 在性经历的动物的最后一次交配期后,观察到NAc的核心和壳子亚区域的形态学改变7天,但不是1天。 这些数据一起表明性经验在中脑边缘系统中诱导可塑性,并且交配的禁欲期对于一些但不是所有中脑边缘系统变化的发展是至关重要的。

众所周知,自然奖励行为和滥用药物在同一神经通路内起作用(64)。 事实上,已证明滥用药物会影响奖励行为的表达(6567),包括雄性大鼠的性行为(6770)。 由重复给药引起的性行为和动机的改变取决于药物的戒断或禁欲期,以及药物的呈现环境。 目前的研究表明,接触性行为会改变对滥用药物的反应。 确定性经验的雄性大鼠对AMPH的运动作用敏感,并且这种现象是持久的并且与交配的禁欲期无关。 此外,致敏的运动反应与交配时间表或交配环境无关,并且在与药物暴露相同或不同的环境中发生的连续或间歇交配期后观察到。 小号在雌性仓鼠中进行的研究表明,性经验丰富的雌性仓鼠表现出更快的AMPH诱导的运动反应 与性天真的对照相比(71)。 然而,啮齿动物对精神兴奋剂表现出性二态反应(7273)。 因此,目前的研究扩展了雌性仓鼠的发现,并在雄性大鼠中证明了性行为后增强的运动对精神兴奋剂反应的快速起效和持续时间长。

目前的研究尚不清楚性行为的哪些因素有助于AMPH运动致敏,以及社交互动是否足够。 实验2中未达到性经验标准的动物(显示坐骑和插入,但在交配期间未与5射精交配)未显示致敏反应(补充3中的图S1)。 因此,进行了另外的实验,在此期间雄性暴露于接受雌性而没有物理相互作用,或显示坐骑和插入,这两者都没有导致对AMPH敏感的运动反应(补充4中的图S1)。 因此,社交互动似乎没有促成性经验对AMPH致敏的影响,而是包括射精在内的交配对于这种形式的可塑性而言似乎是必不可少的。

除了敏感的行为反应之外,性经验还会增强AMPH的条件奖励价值,但只有在禁止性奖励之后。 以前使用CPP的工作表明,反复暴露于精神兴奋剂或阿片类药物会增加药物诱导的奖赏效果,与药物诱导的运动致敏作用一致(2224)。 重复给予5天的可卡因(10 mg / kg),d-苯丙胺(0.5 mg / kg)或吗啡(5 mg / kg)在药物预处理停止后3天测试时对可卡因的奖赏效果敏感。 通过观察具有较少调理试验(来自3至2)的条件性偏好和与SAL预处理对照动物相比较低的药物剂量来显示致敏作用。 重复可卡因引起的致敏条件奖励是在可卡因最终预处理后的7天,而不是14天(23)。 利用5天吗啡(5.0 mg / kg)的类似研究显示,当药物预处理后调理开始3,10或21天时,对吗啡的增强条件奖赏响应。 吗啡预处理后1天没有这种增强反应(24)。 小号uch的研究结果表明,对于精神兴奋剂和鸦片制剂,致敏或交叉敏化的条件奖励至少需要3天停药一段时间。秒。 小号像反复给药一样,现实经验可能会在消除了奖励后,在中脑边缘系统中灌输相似的神经适应症,这种神经再生能够负责这种敏感的药物反应。 目前还不清楚奖励戒烟是否与压力有关,因此可以作为一种心理压力源,有助于观察到的变化。

显然,自然和药物奖励的效果之间存在相互作用。 奖励交叉致敏表明,性行为和药物的长期影响是由常见的细胞或分子机制介导的。 因此,假设性行为引起的改变调节了性行为的增强成分,因此对于积极强化奖励行为通常是至关重要的。 H无论如何,随后对性奖励的禁欲可能会导致寻求增加的奖励状态,或者容易受到类似于禁欲的影响的成瘾物质的影响“药物渴望的孵化” (25, 33, 74)。 一般来说,雄性啮齿动物的性行为不会导致强迫性行为,使用交配 - 不适联合调节实验(75),虽然禁欲的影响尚未经过检验。

已经在学习和记忆领域深入研究了树突状形态(7677)和成瘾(59, 7879),并且已知受环境影响(80)和荷尔蒙因子(8182). 由于突触输入主要在树突或树突棘上,它们是经验诱导的神经可塑性最可能的目标 (26, 83). 已发现自然波动或性腺激素的施用在数小时内引起树突变化 (8487)。 一lso,对系统的扰动,这种压力(88)或慢性可卡因(79),导致在24小时内可检测到的树突变化。

在此,在24小时内未观察到NAc核心和壳中的中型多刺神经元的树突形态的变化,而是在性经历之后需要一段时间的禁欲。 由性经验和随后的禁欲引起的结构改变类似于反复接触精神兴奋剂后所见的结构改变 (1617, 26, 30)。 相比之下,NAc中的DA耗尽导致树枝数量减少和壳的复杂性(18, 89). 因此,性经验诱导的变化可能依赖于NAc中的内源性DA作用。 然而,交配诱导的形态学改变仅在最后一次交配期后的7日显而易见,并且与性经验动物中增强的条件性AMPH奖励一致。 这些数据表明,对AMPH短期运动致敏的表达不需要树突状树枝状和脊柱的这些增加。et可能在致敏的维持和长期表达中起作用。 先前对重复给药的研究也指出了NAc中长期致敏和形态学改变之间的脱节(8994)。 目前尚不清楚形态学改变的功能相关性,但它可能在功能和基因表达的长期变化中起作用。

总之,这里提供的数据表明,性行为 - 一种自然有益的刺激 - 可以在中脑边缘系统中诱导持久的神经适应。 我们的研究结果表明,行为可塑性,特别是敏感的运动反应,是性经验的直接和长期结果。 此外,禁欲期可以允许神经适应对于观察到的NAc中的形态学变化和随后增强的条件性药物奖励是关键的。 这种行为和神经可塑性遵循与药物致敏动物中所见相似但不相同的特征。 这些数据特别令人感兴趣,因为我们表明,对自然奖励的禁欲会导致药物管理的脆弱状态。 了解自然行为和滥用药物如何激活这些导致神经适应的系统可以使我们更好地理解强化和奖励,并提供对药物成瘾机制的进一步了解。

补充材料

01

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致谢

Richtand博士已获得NIH和退伍军人事务部医学研究服务部的资助。 Richtand博士报告曾担任Forest Pharmaceuticals,Bristol-Meyers Squibb和Gerson Lehrman Group的顾问; 在Bristol Meyer的Squibb和Schering-Plough Corporation的发言人办公室; Grand Rounds演讲:南达科他大学桑福德医学院和Scius,LLC; 并获得了以下方面的资助:Janssen Pharmaceutics Research Foundation和Astra Zeneca Pharmaceuticals(仅限研究药物)。 所有其他作者均未报告生物医学经济利益或潜在利益冲突,但以下资助除外:国家卫生研究院(R01 DA014591),加拿大卫生研究院(RN 014705)和国家科学与工程研究委员会加拿大(NSERC)Discovery Grant(341710)到Lique Coolen博士,以及NSERC(360696)到Kyle Pitchers的PGS-M奖学金。 我们感谢Maureen 1 Fitzgerald女士对高尔基加工的帮助以及Christine Tenk博士的帮助 补充实验1.

脚注

发布者的免责声明: 这是未经编辑的手稿的PDF文件,已被接受发布。 作为对我们客户的服务,我们正在提供该手稿的早期版本。 在以最终的可引用形式发布之前,稿件将进行复制,排版和审查。 请注意,在制作过程中可能会发现可能影响内容的错误,以及适用于该期刊的所有法律免责声明。

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