阿片诱导的腹侧被盖区和蓝斑儿茶酚胺神经元的分子和细胞可塑性(2012)

冷泉Harb Perspect Med。 2012 Jul; 2(7):a012070。 doi:10.1101 / cshperspect.a012070。

  1. Eric J. Nestler

+ 作者联盟

  1. Fishberg神经科学系和弗里德曼脑研究所,西奈山医学院,纽约,纽约10029
  2. 对应: [电子邮件保护]

抽象

阿片类药物引起的神经元适应性研究今天特别重要,因为它们广泛使用处方和非处方药。 尽管人们对这些药物对神经系统的急性作用了解很多,但仍需要做大量工作才能充分了解它们的慢性影响。 在这里,我们专注于两个儿茶酚胺能大脑区域中发生的持久适应,这些区域介导阿片类药物的不同行为:腹侧被盖区(VTA)多巴胺能神经元,对药物奖励很重要,而蓝斑(LC)去甲肾上腺素神经元对身体很重要。依赖和退出。 我们专注于这些大脑区域的细胞,突触和结构可塑性的变化,这些变化导致阿片依赖和成瘾。 了解这种鸦片诱导的可塑性的分子决定因素对于开发更好的阿片成瘾治疗方法以及可能更安全的药用阿片类药物至关重要。

由于其强效的镇痛作用,阿片类药物已使用了几个世纪。 鸦片制剂包括来自罂粟的化合物,如吗啡和可待因,以及许多合成衍生物,如海洛因,羟考酮和氢可酮。 为了本次审查的目的,我们关注吗啡和海洛因的作用,因为这些是模型系统中研究最多的。 尽管治疗急性疼痛有效,但长期使用阿片类药物存在严重并发症,包括耐受性,身体依赖性和成瘾性(Ballantyne和LaForge 2007)。 近年来,成人和青少年美国人群滥用处方药,特别是缓解疼痛的阿片类药物的情况有所增加(Compton和Volkow 2006; Manchikanti等人。 2010)。 阿片类药物的医疗用途也在稳步上升,因为慢性疼痛症的治疗变得更加激进(Kuehn 2007)。 虽然可以辩论慢性疼痛治疗的伦理和阿片类药物的潜在过度使用或使用不足(字段2011),毫无疑问慢性阿片类药物的使用导致神经适应导致不良反应。

曾经认为对阿片类药物的身体依赖和成瘾密切相关; 然而,现在认为这些过程是由大脑内不同的机制和电路介导的(Koob和Le Moal 2001)。 当药物被撤回时,身体依赖性表现为负面的身体症状(例如,出汗,腹痛,腹泻)。 成瘾或“精神疾病诊断和统计手册”所定义的“物质依赖”对健康和生产力具有深远的长期影响,其特点是尽管有负面后果,但仍有强迫寻求和服用药物。 这种添加表型的一部分,但不是全部,可能反映了“心理依赖”,即药物戒断期间出现的消极情绪症状。

在这篇综述中,我们讨论了神经适应症或阿片诱导可塑性的知识,这些神经适应症发生在富含儿茶酚胺神经元的两个大脑区域,分别在阿片成瘾和身体依赖中起关键作用:中脑腹侧被子中的多巴胺能神经元脑桥蓝斑(LC)内的区域(VTA)和去甲肾上腺素能神经元。 本讨论的重点是这些区域中三种类型的阿片诱导可塑性:突触可塑性 - 谷氨酸能和GABA能突触传递的持续变化(Dacher和Nugent 2011b; Luscher和Malenka 2011); 细胞可塑性 - 细胞内信号级联的稳态变化(威廉姆斯等人。 2001; Nestler 1992, 2004); 和结构可塑性 - 神经元形态的长期变化(Russo等人。 2010)。 鉴定大脑儿茶酚胺能神经元中这三种可塑性的分子决定因素可作为成瘾的其他重要神经基质诱导的可塑性的模型,并且将是开发更好的阿片成瘾治疗和可能更安全的阿片类药物用于镇痛的关键。

VENTRAL TEGMENTAL AREA

背景

鉴于其在奖励方面的基本作用,VTA已在药物滥用方面得到广泛研究。 VTA中的多巴胺(DA)神经元投射到多个脑区域,包括伏隔核(NAc),其中已经注意到针对每类滥用药物的DA释放增加(Di Chiara和Imperato 1988)。 然而,尽管DA神经元是该中脑核的显着部分(〜60%-65%),但存在相当大的细胞多样性,其中GABA神经元的显着部分(30%-35%)以及谷氨酸能神经元的描述( 2%-3%)(Swanson 1982; Nair-Roberts等。 2008; Sesack和Grace 2010)。 腹侧中脑内的DA和GABA神经元通常在地形上(内侧到外侧)投射,主要输出结构由NAc,前额叶皮层(PFC)和杏仁核(AMY)组成(在 Sesack和Grace 2010)(图。 1)。 VTA的主要传入包括来自PFC,pedunculopontine和后背膜(PPTg和LDT)的兴奋性输入,以及许多其他最近定义的结构(盖斯勒等人。 2007)。 对VTA的抑制性输入定义不太明确,但已报道来自NAc,腹侧苍白球和中脑桥罗氏内膜(TCTg)的输入(Sesack和Grace 2010)。 迄今为止的研究主要关注VTA中的DA神经元,特别是那些投射到NAc的神经元,因为这种预测在奖励中的关键作用(Nestler 2004).

图1。  

卡通的啮齿动物大脑的矢状部分说明了VTA和LC以及它们的主要传入和传出预测。 VTA中的DAergic(红色)和GABAergic(蓝色)神经元投射到边缘和皮质结构并接受谷氨酸能(黑色破折号,PFC)和GABA能神经输入(蓝色破折号,NAc,VP)。 LC中的去甲肾上腺素能神经元(绿色)支配多个区域,包括HIPP和PFC,并接受来自PGi的谷氨酸能输入。 缩写:AMY,杏仁核; HIPP,海马; LC,蓝斑; NAc,伏隔核; PFC,前额皮质; PGi,核paragigantocellularis; 副腹膜苍白球; VTA,腹侧被盖区。

急性阿片诱导的神经元活动变化

考虑到急性吗啡进入VTA的能力可以引起NAc中DA释放的增加(Leone等人。 1991),大量的工作已经检查了鸦片剂中鸦片剂的急性效应。 急性吗啡可增加VTA中DA神经元的放电率(Gysling和Wang 1983)。 该作用至少部分地通过吗啡与G的结合来介导I / O- 局部GABA神经元上的偶联μ-阿片受体(MOR),从而降低其活性和随后GABA在DA神经元上的释放并导致DA神经元的去抑制(约翰逊和北1992)。 然而,早期电生理学工作的解释很复杂,因为有证据表明VTA DA和GABA神经元几乎无法区分(按大小,形态和电生理特性)(Margolis等。 2006),澄清需要更明确地鉴定研究的VTA神经元(例如,通过免疫组织化学,使用GFP报告小鼠等),这一点将在本综述的后面详细讨论。 在这里,我们主要关注在VTA中作为MOR的激动剂的阿片类药物,例如吗啡,因为这些药物产生在药物滥用领域中最常研究的有益效果。 然而,已知κ-阿片受体(KOR)也在VTA DA神经元上表达,并且这些受体的激活可直接抑制DA神经元的放电率(Margolis等。 2003),可能导致kappa激动剂的厌恶作用。 阿片类药物产生VTA DA神经元激活和抑制,以及奖励和厌恶效应的能力是有趣的,这种“阴阳”调节和内源性阿片肽在奖励中的作用值得成为未来研究的焦点。

急性阿片诱导的突触可塑性

除了神经元活动的变化外,还有许多关于急性阿片类药物引起的突触可塑性的报道。 与可卡因和其他滥用药物一样,单次注射吗啡可以增加α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸(AMPA)的比例。 N给予后甲基-D-天冬氨酸(NMDA)兴奋性突触后电流(EPSCs)24小时,与谷氨酸能神经突触到DA神经元的长时程增强(LTP)一致(萨尔等人。 2003)。 最近,据报道,急性吗啡以类似于可卡因的方式诱导VTA中的AMPAR受体(AMPAR)重新分布,特别是缺乏GluA2的AMPAR的插入(布朗等人。 2010)。 布朗等人。 观察到急性吗啡对整流指数的增加和细胞质GluA2 AMPAR的增加,这种效应通过使用选择性通道rhodposin 2表达直接刺激VTA中的DA神经元来概括(布朗等人。 2010),直接暗示VTA内的DA活性/信号转导为谷氨酸能调节。 这些数据与之前的工作一致,即GluA1,而非GluA2,VTA中的过表达使动物对吗啡的运动激活和奖励行为敏感(Carlezon等。 1997).

急性阿片类药物也影响VTA中GABA能神经突触的可塑性。 已经发现高频刺激在GABA终端引发LTP(LTPGABA)对VTA DA神经元的影响,这种作用依赖于突触后NMDA受体(NMDAR)的激活和一氧化氮(NO)释放作为DA神经元的逆行信使(Nugent等。 2007)。 NO然后增加GABA神经元中的鸟苷酸环化酶(GC)活性,导致GABA释放和LTP增加GABA。 单剂吗啡抑制LTPGABA 通过中断NO-GC-蛋白激酶G(PKG)信号级联,导致正常抑制对照的丧失(注射后观察2和24小时,但不是5天)(Nugent等。 2007, 2009; Niehaus等。 2010)。 因此,LTP的中断GABA 提供了急性阿片类药物增加VTA DA神经元活动能力的另一种机制。

最近,已经描述了另一种形式的VTA GABAergic可塑性:长期抑制GABA能神经突触到DA神经元(LTD)GABA)(Dacher和Nugent 2011a)。 使用低频刺激(LFS),稳定的LTDGABA 与LTP相反,诱导DA细胞中的细胞GABA,表示突然,并不依赖NMDAR。 该作用也不依赖于内源性大麻素信号传导,但被多巴胺D2受体(D2R)拮抗剂舒必利阻断。 有趣的是,单次吗啡注射足以预防LFS诱导的LTDGABA 给药后24小时,表明吗啡可以双向调节VTA中的GABA可塑性(Dacher和Nugent 2011a).

慢性阿片诱导的突触可塑性

尽管急性阿片类药物发生的突触变化已经得到了相对较好的表征,但慢性变化却没有。 迄今为止,很少有研究检查了对慢性鸦片制剂给药的葡萄糖激素或GABA能可塑性的变化。 这包括缺乏关于被动药物管理与活性药物管理是否存在差异的知识,这是一项重要的考虑因素,因为最近的工作表明LTP在从可卡因自我管理(最多3个月)中撤出的动物的VTA中持续存在只有可疑的可卡因暴露(陈等人。 2008).

然而,众所周知,慢性吗啡,如急性吗啡,会增加DA神经元活动。 慢性吗啡后的体内记录显示基础射击率和爆发活动增加,在撤回期间恢复到基线(乔治等人。 2006)。 这与观察到吗啡戒断大鼠DA活性持续下降的先前工作形成对比(戴安娜等人。 1995, 1999)。 这些差异的一个潜在原因是使用的管理方法。 例如,Georges等人。 研究使用皮下(sc)持续释放颗粒范例,已显示其与早期Diana等人使用的慢性递增剂量范例具有非常不同的药效学特征。 学习。 如先前报道(菲舍尔等人。 2008),最后一次吗啡颗粒后24小时,血液吗啡水平没有降低,峰值保持相对稳定(〜3000 ng / ml),而慢性注射模型在10,000产生更高的峰值(〜1 ng / ml)小时,100小时后血液水平低于4 ng / ml,12小时可忽略不计。 退出慢性吗啡引起的DA放电率的变化,无论是回归基线还是低于基线,似乎都取决于GABA释放的变化。 从慢性吗啡中撤出可增加GABA抑制性突触后电流(IPSCs)和GABA释放到VTA DA神经元上(Bonci和Williams 1997),最近发现的效果依赖于MOR的再循环和环腺苷酸-5'-一磷酸(cAMP)信号传导(Madhavan等人。 2010).

研究之间差异的另一个潜在因素是VTA与LC相比的异质性(如下所述)。 不仅存在多种细胞类型的复杂性(主要是GABA与DA),而且细胞类型的分布也沿着尾端 - 尾部VTA轴变化(图。 2)。 具体而言,与尾部亚区域(PN,PIF)相比,延髓VTA亚区(IFN,RL)中DA与GABA神经元的比例要高得多(Nair-Roberts等。 2008)。 这种差异与吗啡引起的行为改变具有功能相关性。 HSV-GluA1过表达增加吗啡奖励行为,注射到延髓VTA,而它诱导尾部VTA的厌恶行为,也观察到cAMP-反应元件结合蛋白(CREB)或磷脂酶Cγ(PLCγ)的病毒过度表达的影响(Carlezon等。 2000; Bolanos等。 2003; 奥尔森等人。 2005)。 这种差异也可以在分子水平上看到,因为慢性吗啡诱导的cAMP反应元件(CRE)介导的头部和尾部VTA DA神经元中的转录,但仅在延髓VTA中的非DA神经元中观察到(奥尔森等人。 2005)。 超微结构研究证实了这种尾端 - 尾部差异,并表明治疗方案和投射输出的复杂性增加。 通过单次吗啡注射,在臂旁(PBP)VTA中,酪氨酸羟化酶(TH)阳性(DAergic)和TH阴性(可能是GABA能)树突中的GluA1均增加。 相反,对于慢性吗啡,除了PBP区域外,在paranigral(PN)VTA中GluA1增加(Lane等人。 2008).

图2。 

VTA中的蜂窝和投影复杂性。 DA(红色)与GABA(蓝色)神经元的比例在VTA亚核之间变化具有更高的DA:GABA比率在更多的嘴侧区域(例如,嘴侧线性核(RL))中观察到与更多尾部亚核(例如,paranigral(PN)和parasfascicular)相比( PIF)地区。 此外,DA神经元投影在整个VTA中有所不同,更多的侧面区域,如臂旁核(PBP)投射到NAc侧壳(Lat Sh),而像PN这样的中间区域有不同的投影,包括杏仁核(AMY),前额皮质(PFC) ,NAc核心和NAc内侧壳(Med Sh)。 有限的工作检查了GABA神经元预测; 有证据表明延髓PBP中的GABA神经元对PFC具有强烈的投射,而投射到PFC的延髓PBP DA神经元很少,但是大的尾部DA PBP投射; 这表明PBP-PFC投影不仅在区域定义,而且也是神经元 - 亚型特异性的(Lammel等人。 2008)。 (使用的细胞计数来自 Nair-Roberts等。 2008 和预测来自于逆行标记研究 Lammel等人。 2008.)

VTA DA神经元之间的差异,基于它们的输出区域,最近引起了极大的兴趣,因为现在已经确定DA神经元的电生理特性因投影而变化。 投射到NAc的VTA DA神经元具有小得多的Ih 电流超过神经元突出到基底外侧杏仁核(BLA)(福特等人。 2006并且NAc内部的投影存在差异,DA神经元投射到NAc侧壳显示出更高的Ih 当前比DA神经元投射到NAc内侧壳(Lammel等人。 2011)。 DA神经元的动作电位(AP)持续时间也随预测而变化,因为NAc投射的DA神经元具有最长的AP持续时间,而PFC投射的神经元AP持续时间较短,并且AMY投射的DA神经元具有最短的持续时间(Margolis等。 2008)。 重要的是,根据投射类型,对于阿片类药物的反应也似乎在VTA内有所不同:投射到NAc的DA神经元对KOR激动剂的反应比BLA投射神经元更多,而对MOR /δ(DOR)激动剂的反应性则相反。 ,对BLA投射神经元有更大的影响(福特等人。 2006)。 这也转化为突触前介导的阿片效应,因为KOR激动剂引起对GABA的更大抑制A DA神经元的IPSCs向BLA投射,而KOR激动剂介导的GABA抑制作用更强B 神经元中的IPSCs投射到NAc(福特等人。 2006)。 此外,最近观察到DA神经元上兴奋性突触的调节因投影而异(Lammel等人。 2011). Lammel及其同事(2011) 发现AMPA / NMDA比率在投射到NAc的DA神经元中被可卡因增加,但在投射到PFC的DA神经元中没有。 然而,响应于厌恶刺激(后爪福尔马林注射),投射到PFC的DA细胞中AMPA / NMDA比率增加,这种效应也在投射到NAc侧壳的DA神经元中观察到,但在投射到NAc的DA神经元中不存在。内侧壳 - 在该投影目标的子区域内显示异质性(Lammel等人。 2011)。 显然,这些研究表明,对急性和慢性阿片类药物发生的突触适应的更透彻的了解将需要整合所研究的DA神经元的输出信息。 通过在这个异质区域中进行特定调制,神经元和投影特定技术的发展将有助于澄清这些问题。

鸦片诱导的结构和细胞可塑性

最近已经审查了药物诱导的结构可塑性与突触和行为变化的相关性(Russo等人。 2010). 迄今为止,大多数关于结构可塑性的研究已经检查了VTA靶区域中神经元的脊柱形态或树突分支的变化,但是我们的实验室已经研究了响应于慢性阿片给药的另一种结构适应,即VTA DA神经元体细胞大小的改变。 我们首先观察到大鼠VTA DA神经元表面积减少〜25%响应于慢性但非急性吗啡给药 (Sklair-Tavron等。 1996). 这种效应特异于VTA中的DA神经元,因为TH阴性细胞(可能是GABAergic)没有改变。 此外,这种变化可能被全身纳曲酮阻断,这表明需要MOR信号传导,并且VTA中局部脑源性神经营养因子(BDNF)输注也可以防止这种减少,这表明神经营养信号的减少可能是形态学变化的基础。 重要的是,长期服用海洛因和吗啡可观察到VTA DA神经元体细胞大小的减少 (Russo等人。 2007), 在被动和自我管理协议中 (Spiga等人。 2003; 楚等人。 2007; Russo等人。 2007), 我们最近在人类海洛因滥用者的小鼠和死后组织中表征了这种效应 (Mazei-Robison等。 2011). 随访研究未发现VTA DA神经元死亡或损伤的证据 (Sklair-Tavron等。 1996; Russo等人。 2007) 并且在慢性吗啡给药后14天细胞大小的减少持续存在,但是在30天后返回基线。 这个时间线反映了奖励容忍度 (Russo等人。 2007), 其中重复使用药物会降低药物的奖赏效果并导致药物摄入的增加,如人类所见 (奥布莱恩2001).

鉴于BDNF可以挽救慢性吗啡诱导的结构变化,我们想要检查下游神经营养信号通路是否介导这种结构可塑性。 虽然对于慢性阿片类药物给药,BTAF水平本身是否在VTA中发生改变存在争议(努曼等人。 1998; 楚等人。 2007; Koo等人。 2010),在BDNF下游的三个主要信号通路中已经报道了调节:PLCγ,磷脂酰肌醇3'-激酶(PI3K)和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)(Russo等人。 2009). 慢性吗啡增加PLCγ途径的活性 (沃尔夫等人。 1999, 2007),通过降低胰岛素受体底物-3(IRS2)和磷酸化AKT水平来测量,降低PI2K途径的活性(沃尔夫等人。 1999; Russo等人。 2007; Mazei-Robison等。 2011通过增加细胞外相关蛋白激酶(ERK)的磷酸化和催化活性来测量,并增加MAPK信号传导(Ortiz等人。 1995; Berhow等人。 1996; 刘等人。 2007). 使用病毒介导的过表达,我们发现慢性吗啡诱导的PI3K信号转变有助于形态学变化: 显性阴性IRS2(IRS2dn)或AKTdn的过表达足以降低VTA DA体细胞大小,而野生型IRS2的过表达阻止吗啡诱导的减少和组成型活性AKT(AKTca)的过度表达增加体细胞大小 (Russo等人。 2007; Mazei-Robison等。 2011)。 相反,PLCγ或ERK的过表达不足以改变VTA DA体细胞大小(Russo等人。 2007). 重要的是,IRS2的过表达也能够预防吗啡奖励耐受,暗示结构可塑性在行为反应中的作用。

我们最近的研究表明,这种结构变化可能与慢性阿片类药物引起的活动变化密切相关。 与Georges等人的体内研究相似。 如上所述,我们发现VTA DA的放电率在接触慢性吗啡的小鼠体细胞大小减少的同一时间点增加 (Mazei-Robison等。 2011).

然而,我们发现通过体内循环伏安法测量的NA输出到NAc实际上是减少的,这表明中脑边缘奖励回路中正常激活和输出的中断。

我们进一步对该结果进行了表征,发现在VTA中IRS2dn过表达足以降低DA体细胞大小,使DA输出降低至NAc并且还降低了几种K的表达。+ 通道亚基,类似于慢性吗啡。

在我们努力鉴定介导慢性吗啡诱导的神经适应的IRS2 / AKT下游的信号传导途径时,我们做出令人惊讶的观察结果表明,哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)复合物1(mTORC1)信号传导是细胞生长中一条成熟的途径。 ,实际上是由慢性吗啡增加。 相反,我们观察到mTOR复合物2(mTORC2)信号传导的减少,我们接着表明这对于吗啡诱导的体细胞大小和神经元活动的变化是必要和充分的。 具体而言,我们发现mTOR(Rictor)(mTORC2的必需成分蛋白)的雷帕霉素不敏感伴侣的过表达足以防止体细胞大小的减少,并且还以细胞自主方式阻止DA神经元激发率的增加:只有过量表达Rictor的VTA中的DA细胞具有减弱的放电率,而附近的DA细胞仍然显示出增加。 这表明DA神经元固有的信号变化可以介导慢性阿片类药物诱导的兴奋性变化,可能是通过改变GABA的AKT调节。A 电流(Krishnan等人。 2008)或K的表达+ 渠道(Mazei-Robison等。 2011)(图。 3)。 与IRS2过表达一样,我们发现mTORC2活性的改变与吗啡奖赏行为相关,因为降低mTORC2活性降低吗啡条件性位置偏爱(CPP),而增加mTORC2活性足以诱导CPP至不诱导的低剂量吗啡。在对照动物中进行调理。

图3。 

慢性吗啡降低VTA DA体细胞大小但增加神经元兴奋性,而DA向NAc的传递减少。 吗啡的净效应是响应性较低的奖励途径,即奖励耐受性。 在VTA中下调IRS2-AKT信号传导(蓝色)介导慢性吗啡对体细胞大小和电兴奋性的影响; 通过减少GABA介导对兴奋性的影响A 电流和K的抑制+ 频道表达。 吗啡诱导的VTA中mTORC2活性的下调对于这些吗啡诱导的形态学和生理学适应以及奖赏耐受性是至关重要的。 与mTORC2相反,慢性吗啡增加mTORC1活性(红色),这似乎不直接影响这些吗啡诱导的适应性。 慢性吗啡还降低DA输出至NAc,以及降低NAc中中刺多肽GABA神经元上的树突分支和树突棘数量,进一步抑制中脑边缘电路中的正常DA信号传导。

体细胞大小变化不太可能是VTA中慢性阿片类药物引起的唯一结构适应。 鉴于先前暴露于慢性吗啡的大鼠的NAc中型多刺神经元的树突棘数量和树枝状分枝的复杂性(Robinson和Kolb 1999; 罗宾逊等人。 2002),我们预计树突变化也发生在VTA DA神经元中。 目前正在进行研究以表征脊柱形态变化,这是该领域的巨大差距,因为迄今为止只有一项研究检查了VTA树突状结构中药物引起的变化。 本研究发现,一种VTA神经元亚型的树突棘密度随着急性可卡因注射而增加,同一亚型显示NMDA / AMPA比值增加(Sarti等人。 2007)。 我们以前的研究数据显示,慢性吗啡治疗大鼠的VTA DA过程长度减少了(〜30%)Sklair-Tavron等。 1996),与VTA DA架构的全球变化一致。 这一变化也可能有助于解释慢性吗啡后DA输出减少,因为我们之前曾报道VTA中轴突运输和神经丝蛋白水平下降(Beitner-Johnson等人。 1992, 1993),提示慢性吗啡也会影响轴突结构和功能。 鉴于上文提到的VTA DA神经元的区域和投影复杂性,我们目前正在研究是否使用荧光逆行示踪剂在VTA DA神经元的特定子集中诱导这些结构变化。 这些数据对于理解慢性阿片类药物引起的结构和电生理变化以及所涉及的相关输出回路至关重要。

如前所述,一些分子和电生理学的研究提供了证据表明慢性阿片制剂可以激活VTA中的cAMP-CREB途径(Bonci和Williams 1997; 奥尔森等人。 2005; Madhavan等人。 2010)。 此外,微阵列研究定义了VTA中响应慢性吗啡时发生的基因表达的全局变化(麦克伦等人。 2005)。 现在需要开展工作以更好地确定这些神经适应的细胞特异性以及描述其功能后果。 此外,虽然大多数关于VTA的研究都集中在阿片诱导的神经适应中,这些神经适应被认为发生在DA神经元中,但探索VTA的GABA能神经元中发生的药物诱导的可塑性是必不可少的,这是阿片类药物作用的关键初始目标之一。这个大脑区域。

LOCUS COERULEUS

背景

LC是大脑中含去甲肾上腺素(NE)神经元的主要部位(Dahlstrom和Fuxe 1965)。 如前所述(Aston-Jones和Bloom 1981a; 阿斯顿 - 琼斯等人。 1991b; Berridge和Waterhouse 2003; Van Bockstaele等。 2010),LC是一个离散的,紧凑的,均质的核,几乎只由NE神经元组成。 LC的主要输入来自髓核细胞核(PGi)和前肾下丘脑,LC输出广泛,包括前脑,小脑,脑干和脊髓(图。 1)(Berridge和Waterhouse 2003)。 LC神经元活动在基础和响应刺激方面高度同步(Foote等。 1980; Aston-Jones和Bloom 1981b; 阿斯顿 - 琼斯等人。 1991a; Ishimatsu和Williams 1996)。 LC神经元自发活跃(威廉姆斯等人。 1991并且它们的激活在包括皮层和海马在内的几个前脑区域中引发NE释放。 尽管谷氨酸盐传入控制LC活性,特别是来自PGi,但LC在很大程度上可作为中枢核,具有有限的突触可塑性。恩尼斯等人。 1992)。 LC神经元表达三种主要类阿片受体:MOR,DOR和KOR具有不同的分布,尽管与VTA一样,我们的讨论仅限于MOR,其最直接地涉及阿片依赖和成瘾。

鸦片诱导的细胞可塑性

尽管LC中没有传统突触可塑性(即LTP和LTD)的证据,但仍有充分描述的细胞可塑性。 LC的一个独特之处在于其对慢性阿片类药物的许多体内反应可以在单细胞水平上重现和研究(Nestler等。 1994; Nestler和Aghajanian 1997; Nestler 2004)。 阿片类药物(如吗啡)与MOR的结合导致腺苷酸环化酶(AC)活性降低和cAMP信号传导(杜曼等人。 1988)。 阿片类药物与MOR的急性结合也会降低LC神经元的起搏器活性,主要是通过激活G蛋白门控内向整流K+ (GIRK)频道(威廉姆斯等人。 1982; Torrecilla等。 2002)。 然而,对于慢性阿片制剂给药,由于cAMP途径的上调,释放速率和cAMP信号传导都恢复到基线,说明耐受性(Aghajanian 1978; 杜曼等人。 1988; Nestler和Tallman 1988; Guitart和Nestler 1989; Kogan等人。 1992; 伊万诺夫和阿斯顿琼斯2001)。 当LC神经元的放电率随着cAMP活性的大幅增加而显着增加时,慢性阿片给药(即cAMP途径上调)引起的这种可塑性在阿片类药物的停用时变得功能明显,表明依赖和戒断(图。 4)(Aghajanian 1978; 拉斯穆森等人。 1990).

图4。  

LC中cAMP途径的上调作为阿片耐受和依赖的机制。 置顶 专家组,鸦片制剂急性抑制cAMP途径的功能活性(由cAMP和cAMP依赖性蛋白磷酸化的细胞水平表示)。 随着持续的阿片暴露,cAMP途径的功能活性逐渐恢复,并且在去除阿片剂后增加远高于对照水平(例如,通过施用阿片样物质受体拮抗剂纳洛酮)。 cAMP途径的功能状态的这些变化通过响应于阿片类药物的长期施用而诱导腺苷酸环化酶(AC)和蛋白激酶A(PKA)来介导。 这些酶的诱导解释了在慢性阿片暴露(耐受性和依赖性)期间发生的cAMP途径的功能活性的逐渐恢复以及在去除阿片剂(戒断)时观察到的cAMP途径的活化。 半身裙/裤 通过增加内向整流K的电导,Opiates急性抑制LC神经元+ 通过与G的子类型耦合的通道I / O 并且,可能通过减少Na+通过与G耦合的相关内向电流I / O 以及随之而来的AC抑制,PKA活性水平降低,以及负责的通道或泵的磷酸化降低。 抑制cAMP途径也会降低许多其他蛋白质的磷酸化,从而影响许多其他神经元过程。 例如,它降低了cAMP反应元件结合蛋白(CREB)的磷酸化状态,这启动了LC功能的一些长期变化。 吗啡的慢性给药增加了ACI,ACVIII,PKA催化(cat。)和调节亚基以及几种磷蛋白(包括CREB和酪氨酸羟化酶(TH))的水平(由红色箭头指示)。 这些变化有助于改变药物成瘾状态的表型。 例如,通过增强cAMP途径和Na的活性来增加LC神经元的内在兴奋性+依赖的内向电流,这有助于这些神经元显示的耐受性,依赖性和退缩性。 ACVIII和TH的上调通过CREB介导,而ACI和PKA亚基的上调似乎通过未鉴定的,CREB非依赖性机制发生。

这些适应性是通过cAMP途径中几种信号蛋白的上调来调节的,包括AC1 / 8(Matsuoka等。 1994; Lane-Ladd等人。 1997; Zachariou等人。 2008),cAMP依赖性蛋白激酶(PKA)(Nestler和Tallman 1988),CREB(Guitart等。 1992; Shaw-Lutchman等人。 2002; 韩等人。 2006)和TH和BDNF-两个下游CREB目标(Guitart等。 1989; Akbarian等人。 2002)。 慢性阿片类药物也可在LC中诱导GIRK2 / 3表达(克鲁兹等人。 2008)以及微阵列分析揭示的许多其他基因(麦克伦等人。 2005)。 此外,最近使用LC切片培养模型显示,慢性阿片类药物诱导的LC神经元的内在电活动增加是由于LC NE神经元上MOR的直接激活引起的,暗示了内在的稳态适应(曹等人。 2010)。 这种方法确定了CREB在起搏器活动和吗啡诱导的LC放电率增加中的关键作用(韩等人。 2006; 曹等人。 2010),在早期发育中敲除对NE神经元特异的CREB的小鼠中也观察到这种效应(Parlato等人。 2010)。 最后,许多研究表明,这种激活的LC神经元放电和上调的cAMP-CREB通路可以介导增加的放电,这对于调解体外阿片戒断的几种症状是必要和充分的(Lane-Ladd等人。 1997; Punch等。 1997; 韩等人。 2006).

虽然这里描述的大多数鸦片诱导的可塑性被认为是LC NE神经元固有的,但是有一些证据表明慢性吗啡也可以影响LC的兴奋性输入,因为吗啡治疗小鼠切片中自发EPSC频率增加(Torrecilla等。 2008)。 此外,吗啡戒断大鼠体内LC中谷氨酸和天冬氨酸释放增加,LC中局部应用兴奋性氨基酸拮抗剂可部分阻断戒断引起的LC活性增加(Akaoka和Aston-Jones 1991; Aghajanian等人。 1994).

关于LC神经元中的cAMP-CREB信号传导和LC神经元活动中的变化是否介导阿片类戒断行为仍然存在争议。 例如,LC的损伤,或LC NE神经元中CREB活性的发育敲除,未能可检测地改变戒断症状(克里斯蒂等人。 1997; Parlato等人。 2010)。 相比之下,我们已经证明,成年动物LC中cAMP途径或CREB活性的调节一致地阻断了几种戒断行为(Lane-Ladd等人。 1997; Punch等。 1997; 韩等人。 2006)。 我们认为,几个关键因素可以解释这些不同的发现。 首先,LC只是对阿片类药物依赖和戒断很重要的几个大脑区域之一(Koob和Le Moal 2001)。 具有损伤的LC的动物仍然发展出由对这些其他神经基质的依赖性增加所介导的深刻的身体依赖性,这并不奇怪。 其次,用于操纵LC中cAMP途径活性的一些工具(例如,PKA激活剂或抑制剂的局部输注)影响该区域中的谷氨酸能传入,这似乎也是合理的,这也显示出塑性变化(包括cAMP途径上调)调节)慢性吗啡后(Nestler 1992; 克里斯蒂等人。 1997)。 第三,尽管这些谷氨酸能传入的可能作用,但毫无疑问LC NE神经元固有的可塑性也会受到影响,因为从成人LC(不能影响传入神经末梢)局部敲除CREB会阻断吗啡诱导的兴奋性增加。 LC NE神经元的减少和减退(曹等人。 2010; V Zachariou和EJ Nestler,unubl。)。 条件性敲除小鼠中这些神经元的CREB敲除效果不足(Parlato等人。 2010)突出了使早期基因敲除模型的使用复杂化的发育补偿,并强调在研究成人可塑性时在完全分化的成年大脑中使用基因操作的重要性。

因此,大量的实验证据表明cAMP-CREB途径的上调作为阿片物理依赖性发展中LC NE神经元内在稳态可塑性的机制。 同样重要的是要强调这项工作对LC的历史重要性,因为它作为阿片类药物对大脑长期作用的模型系统:基于这些早期的LC研究,cAMP-CREB的上调此后,该途径被证明是中枢和外周神经系统众多区域中阿片耐受,依赖和戒断的常见机制,并且确实代表了药物成瘾分子基础的最佳建立模型之一(Nestler 2001, 2004).

OPIATE-INTUCEDED结构塑性

迄今为止,尚未描述响应于慢性阿片制剂给药的LC神经元中的结构可塑性。 我们目前正在评估这些神经元中是否发生任何体细胞大小变化,类似于VTA中DA神经元中观察到的变化。 然而,有两条证据表明这种变化可能与LC无关。 首先,与VTA相比,慢性吗啡后LC中观察到正常的轴突运输和神经丝蛋白水平(Beitner-Johnson等人。 1992; Beitner-Johnson和Nestler 1993),表明神经元结构的营养支持可能不会受到影响。 其次,鉴于我们的研究结果表明,增加的射速是导致体细胞大小变化的关键因素,因此对于LC和VTA中阿片调节射击率的调节可能很重要。 也就是说,在VTA中,阿片类药物急剧地和长期地增加切片和体内的放电速率,并且我们观察到与这种增加的放电速率一致的细胞尺寸减小。 在从阿片制剂中取出的动物中,这种增加的速率然后归一化,甚至降低到低于基线。 因为我们自己的工作有证据(Russo等人。 2007), 和别的 (Spiga等人。 2003),在这些后来的时间点,体细胞大小也减小,当射击率降低时,它可能是对诱导或维持形态变化至关重要的射击率的初始持续增加。 相反,吗啡给药急剧减少LC神经元活动,慢性给药体内回归基线水平,阿片类药物戒断仅增加超过正常水平。 (这些体内观察不同于脑切片培养中发生的情况,其中增加的放电率和cAMP-CREB途径上调发生在慢性吗啡治疗的[依赖]状态,无需停药[曹等人。 2010]。)这些考虑表明,虽然慢性吗啡可能不会引起体内LC神经元结构可塑性的变化,但从吗啡中撤出可能。 为了支持这一观点,我们对LC的微阵列研究结果发现,参与细胞生长和结构的几个基因与慢性吗啡一起减少或不变,但随着戒断而增加(麦克伦等人。 2005)。 众所周知,LC神经元基础放电率的长期下降不足以改变体细胞大小,因为LC NE神经元的早期CREB敲除不会改变神经元大小但会降低基础活性(Parlato等人。 2010)。 然而,当我们过度表达K时,我们也没有检测到VTA DA体细胞大小的差异+ 通道降低射击率(Mazei-Robison等。 2011),所以Parlato等人。 观察结果并不排除吗啡戒断引起的变化的可能性。 不过,应该注意的是,介导两个大脑区域之间射击率变化的机制是非常不同的,AKT信号传导的变化,GABAA 电流和K.+ 通道表达涉及与LC有关的VTA和cAMP-CREB信号传导。

结束语

来自VTA和LC的数据共同说明了突触,细胞和结构可塑性的复杂和重要变化,它们介导阿片类药物对这些区域中大脑儿茶酚胺神经元和其他神经元类型的持久影响,从而影响药物的奖赏和依赖。 。 虽然这两个地区的急性鸦片制剂作用的可塑性,以及LC中的慢性阿片作用,都具有相当好的特征,但未来的研究需要描述VTA中慢性阿片类药物给药的可塑性,以及多种细胞类型和即使对于单个单元类型,也可以跨多个输入输出模式。 这些进展将有助于更好地了解阿片类药物如何影响大脑区域以控制奖励和最终成瘾。 对VTA和LC中阿片类药物引起的长期适应性的这种理解不仅可以改善我们对阿片依赖和成瘾的病因学的了解,还可以帮助我们阐明新的治疗干预措施。

致谢

我们要感谢AJ Robison和Jessica Ables的艺术帮助。

脚注

上一节  

 

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