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【Neuron】成瘾药物寻求的神经投射机制

时间:2019-11-25     【原创】   阅读

在一项新的研究中,来自普林斯顿大学心理学的Ilana B. Witten教授团队通过使用美国Inscopix公司的神经元超微成像技术在大鼠的边缘下皮层到伏隔核投射(IL-NAc)神经元进行成像,发现了在大鼠可卡因寻求过程中,IL-NAc神经元表现了时空选择性。这项研究成果发表在Neuron上,论文标题为“Increased Cocaine Motivation Is Associated with Degraded Spatial and Temporal Representations in IL-NAc Neurons”。该论文发现了可卡因使用者在一段无药期后,IL-NAC活性的改变可能会增强寻求可卡因的动机,而不会从根本上改变该投射抑制药物寻找的能力。

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摘要

在无毒品时期,可卡因使用者对可卡因的渴求会逐渐增加,这是导致可卡因复发的原因之一。激活从边缘下皮层投射到伏隔核(IL-NAc)的神经元会抑制对可卡因的寻找。然而,目前尚不清楚IL-NAc神经元是否和如何促进与无药期的寻求动机增强有关。在寻求可卡因的实验中,我们首先使用INSCOPIX公司的nVista自由活动超微显微成像方法大鼠的IL-NAc神经元进行了细胞分辨成像,发现了在可卡因相关环境中具有空间选择性的神经元,这些神经元会在可卡因寻求的时间前后活动减少,并且可卡因寻求活动与随后的可卡因依赖动机之间成反比关系。所有这些特性都会减少一个不吸食可卡因的时期。接下来,我们短暂地激活了IL-NAc投射,这会出现无论大鼠处在哪个时期,其对可卡因的寻求会减少。综上所述,这表明在一段无药期后,IL-NAC活性的改变可能会增强寻求可卡因的动机,而不会从根本上改变该投射抑制药物寻找的能力。

 


 

可卡因成瘾的特征时期是连续不断的过度使用毒品期、间歇性的戒毒期和复发期。旧病复发的部分原因可能是在戒毒期间对可卡因的渴望逐渐增加。了解在无药期间可卡因吸食者对可卡因的渴望逐渐增加的机制,对于认识和预防易复发性具有重要作用。从边缘下皮层到伏隔核 (IL-NAc)的投射被认为抑制了可卡因的寻求。然而,IL-NAc神经元是如何促进与无药期相关的动力增加还尚不清楚。Witten实验室在一次可卡因寻药试验中对大鼠的IL-NAc神经元进行了INSCOPIX公司的nVista自由活动超微显微成像。在无药期后,IL-NAc神经元在药物寻找过程中的空间和时间表征会退化。当他们短暂地激活这一投射时,无论是否处于无药期,都会导致药物寻求的减少。而取消这种“抗复发”的计划时,可能有助于提高无药期的药物寻求。

 

结果

寻求药物过程中IL-NAc神经元的细胞分辨率成像

为了评估IL- NAc神经元的神经相关关系如何可能受到药物释放期的影响,我们在大鼠NAc投射IL神经元中选择性表达钙指示剂GCaMP6f来成像这些神经元。我们将表达Cre重组酶的逆行CAV2病毒注入NAc,并将表达GCaMP6f的Cre依赖的AAV2/5病毒构建物注入IL。IL表达GCaMP6f的胞体(图1C、1D), NAc表达致密的端部表达(图1E),表明IL-NAc神经元被标记。此外,杏仁核(图1F)和腹侧被盖区(图1G)末端表达非常稀疏,表明IL-NAc神经元向其他下游靶区发送相对稀疏的投射。

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图1 NAc投射IL神经元的细胞分辨率钙成像(Inscopix超微显微成像)

 

我们发现,无药期的时长改变了IL-NAc神经元钙活动的模式。具体地说,与D1组相比,D15组的平均时间间隔增加了(15.80±1.55 s 对比 8.90±0.67 s;双侧t检验:t(414) = 3.73, p = 0.00021;以D1/D15组为固定效应,以大鼠为随机效应的混合效应线性回归发现了相似的趋势:F(1414) = 3.37, p = 0.067;图1I)。然而,D1组和D15组的总体事件频率无显著差异(10.53 ± 0.51 对比9.51 ± 0.63 transients /min; t(414) = 1.22, p = 0.22)。这可能是因为D15组的神经元往往有高频率事件周期,也有低频率事件周期,而D1组的神经元在事件频率上的变异性较小。与此一致,D15神经元的事件间期SD值高于D1神经元(6.75 ± 3.60 s 对比19.57 ± 1.66 s; 双侧t检验: t(414) = 3.96, p < 0.0001)。

 

无药期导致具有空间选择性的IL-NAc神经元减少

我们首先研究了IL-NAc神经元在可卡因相关环境中是否具有空间选择性,这是受之前啮齿类动物内侧前额叶皮层(mPFC)空间场(图2A,行为箱示意图及位置跟踪示例)的发现启发。我们发现大部分IL-NAc神经元在寻药过程中具有空间选择性反应(图2B,神经元示例)。D1组和D15组神经元的空间场分布在整个空间中(图2C)。有趣的是,无药期越长,具有显著空间选择性的神经元比例显著降低(图2D,D1: 59.9%, n = 109/182, D15: 42.3%, n = 99/234; 费希尔精确检验: p = 0.0005),这表明在无药期之后,可卡因环境的编码普遍存在缺陷。

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图2 无药期减少了IL-NAc神经元在可卡因环境中的空间编码

  

在药物寻求行动之前,IL-NAc活性有净下降,尽管在较长一段无药期后这种下降不那么明显

接下来,我们研究了与我们寻找药物的主要措施有关的神经活动:按压活动杠杆。如果一个神经元在大鼠按压活动杠杆的±5秒内的活动最小值或最大值与随机移动神经活动相对于按压杠杆次数的零分布不同,我们将该神经元显著地锁定在按压活动杠杆的时间(图3A)。

有趣的是,更大比例的显着锁定时间的神经元在按压杠杆时受到抑制,而不是兴奋(图3B)。这种抑制作用在按压杠杆时表现得很明显,不仅考虑到被显著计时神经元的比例,而且考虑到所有被记录神经元的平均活动(图3C)。

事实上,IL-NAc的平均活性在按压杠杆时下降,这意味着在这个投射中活性的下降可能是药物寻找的许可。换句话说,它为IL-NAc活性与减少药物寻找有关的观点提供了相关证据。进一步支持IL-NAc神经元的活动负相关药物寻求,我们发现实验开始时的大鼠忽略按压杠杆平均高于开始时的大鼠活跃地按压杠杆。

这种活跃地按压杠杆并减少周围活是否受无药期长短的影响?尽管D1组和D15组中有相似比例的神经元表现出与活跃按压杠杆相关的明显的时间锁定活动,但兴奋神经元和抑制神经元的分布会随着无药期的延长而改变(图3D)。具体来说,我们观察到D1组与D15组相比,在活跃按压前兴奋的神经元更少(图3E和图3F)。同样,我们观察到D1组在杠杆按压前的抑制程度平均大于D15组(图3F和图3G)。

这些差异表明,尽管D1组和D15组大鼠在按压杠杆时都有抑制作用,但D1组的抑制作用可能更明显。进一步支持这一观点的是,当考虑到所有的神经元都被活跃的按压杠杆显著调节时,D1的抑制程度要大于D15(图3H)。同样的,当我们考虑到所有被记录的神经元,而不仅仅是那些有明显的杠杆按压反应的神经元时,我们观察到D1在按压杠杆前的抑制作用比D15更强(图3I)。

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图3 在药物寻求行为(主动杠杆按压)之前,IL-NAc活性呈净下降趋势,尽管这一趋势在无药期间有所减弱

 

结论

通过对IL-NAc神经元在药物寻求过程中进行首次选择性记录,我们发现了与药物寻求相关的活性下降,以及空间选择性反应。这些特性在一段无药期后会减弱,这说明在一段无药期后,IL-NAc投射可能会因行为而减少。这种“抗复发”计划的脱离可能有助于从一段无药期中寻求更高的药物。并且,通过光遗传学实验显示,IL-NAc神经元仍然有抑制药物寻求的能力,即使在较长的无药期之后,表明在这一方式中活性的上调可能是减少异常可卡因的导向行为。


参考文献:

Courtney M. et al., Increased Cocaine Motivation Is Associated with Degraded Spatial and Temporal Representations in IL-NAc Neurons. Neuro,  VOLUME 103, ISSUE 1, P80-91.E7, JULY 03, 2019



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