코카인 노출 시 침묵 시냅스의 역할 및 뉴런 하위 유형에 대한 마커 식별 도구 개발

Abstract

중독성 약물에 노출 되면 뇌에서 다양한 세포 및 분자 메커니즘이 역동적으로 발생한다. 중독성 약물로 인한 행동 반응에 중요한 뇌 영역인 중격의지핵(NAc)의 MSN 신경세포로의 글루탐성 신호 유입은 코카인을 포함하는 중독성 약물에 반복적으로 노출 후 극적으로 변화된다. AMPA 수용체 없이 NR2B 아형을 포함하는 NMDA 수용체 만을 가지는 침묵 시냅스의 출현은 만성 코카인 노출 후 NAc에서 도파민 수용체 1형 (D1R)을 발현하는 MSN 신경세포로의 글루탐성 신경 전달에 있어 가장 현저하게 나타나는 가소성이다. 게다가, 침묵 시냅스는 운동 민감성 및 조건화된 장소 선호도와 밀접한 관련성이 있다. 하지만 코카인 중독에 있어 NR2B 아형이 침묵 시냅스와 행동 변화에 어떠한 역할을 하고 있는 것인지는 정확히 알지 못한다. 여기에, 바이러스 매개 조건부 Knockdown (cKD) 기술, 전자 현미경 이미징, 및 광 유전학 기법을 사용하여 NAc 셸 영역 (NAcSh)의 D1R-MSN에서 NR2B 아형의 cKD가 행동학적, 생리학적, 및 구조적으로 어떻게 변화하는지 관찰하였다. 5일간의 코카인 노출 후 NR2B가 cKD된 마우스 그룹은 행동 감작과 함께 정상 반응 보다 높은 운동성을 보이는 것과는 대조적으로 침묵 시냅스는 생성은 되었으나 비율이 현격히 감소해 있는 것을 확인하였다. 또한 코카인에 조건화된 장소에 대한 선호도 (CPP) 측정에서 NR2B cKD 바이러스를 주입한 마우스들에서는 선호도를 보이지 않았다. 이러한 행동 변화들은 NR2C 아형으로의 대체와 AMPA 수용체의 유입이 관여하고 있었으며 이들을 기여를 차단함으로써 정상으로 회복 할 수 있었다. 이러한 결과 (파트1)는 코카인 노출 중 침묵 시냅스 생성에 NR2B가 절대적으로 중요한 것은 아니지만 관련 기억 형성 및 획득에 대한 글루탐성 신경전달 변화에 기여하고 있음을 제안한다. NAc에 대한 다양한 글루탐성 신호 유입은 보상 기반 학습 및 기억에 중요하다. 이들 중, 복측 피기 덮개 (VTA)의 글루탐성 신경세포 중 도파민(DA)-글루탐산(Glu)을 공동 분비하는 신경세포 아 집단이 최근 발견되었다. 그러나 이 유형의 신경세포에 적합한 표지자가 아직 없어서 직접적으로 접근하지 못하고 있다. 이러한 이유로 후보 표지자를 찾기 위해 체계적이고 효율적인 게놈 와이드 접근 방식을 개발하였다. 3D 복셀을 기반으로 하여 유전자의 mRNA 발현 수준을 표시 해놓은 알렌 뇌 지도 데이터 (ABA data)를 상관 관계에 기초하여 VTA에서 통상적으로 이용하는 표지자들의 발현과 비교 하였다. 이 방법으로부터, 통상적인 표지자 뿐만 아니라 VTA에서 DA-Glu 공동 분비 신경세포 타입에 대한 적절한 신규 표지자를 선정하고 특정 항체를 통해 실제 발현을 검증 하였다. 이러한 결과 (파트2)는 대상 뇌 영역에서 특정 세포 유형 및 신경세포 아 집단 군집의 발현 시그니쳐를 통한 접근 방식의 효용성을 잘 보여준다. 이러한 연구들을 통해 도파민과 글루탐성 신호 유입이 NAc에서 수렴함으로써 발생하는 구조적, 생리학적 변화와 관련하여 더 많은 통찰력을 제공하고자 한다.

After exposure to addictive drugs, various cellular and molecular mechanisms take place dynamically in the brain. Glutamatergic inputs to the medium spiny neurons (MSNs) of the nucleus accumbens (NAc), which is a critical area for behavioral responses to addictive drugs, are dramatically changed after repeated exposure to addictive drugs, including cocaine. The generation of silent synapses, which only have an N-methyl D-aspartate receptor subtype 2B (NR2B) subunit containing N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs) without α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptors (AMPARs), is the most prominent plastic effect of glutamatergic transmission to the dopamine receptor type 1 expressing (D1R)-MSNs in the NAc after chronic cocaine exposure. In addition, silent synapses highly correlate with locomotor sensitization and conditioned place preference (CPP). However, there is little information on the role of NR2B subunits for silent synapses and behavioral changes in cocaine addiction. Using the viral-mediated conditional knockdown (cKD) technique, electron microscopic imaging, and optogenetics, this study assesses whether the cKD of the NR2B subunit alters the behavioral, physiological, and structural aspects in the D1R-MSNs of the NAc shell area. After 5 days of non-contingent cocaine exposure, NR2B cKD virus-injected mice showed locomotor hyperactivity with sensitization. By contrast, the percentage of silent synapses was reduced. Moreover, the cocaine-CPP was impaired with the NR2B cKD in D1R-MSNs. These behavioral alterations were contributed to by the replacement of the NR2C subunits of NMDARs and GluA2 containing AMPARs incorporation and could be reversed by GluA2 containing AMPARs blocking these involvements. Together, these results (summarized in Part I) suggest that NR2B is not critical for the generation of silent synapses but contributes to glutamatergic changes for the acquisition of associated memory formation during cocaine exposure. Diverse glutamatergic inputs to the nucleus accumbens (NAc) are critical for reward-based learning and memory. Among these inputs is the ventral tegmental area (VTA) glutamatergic projection, by which the dopamine (DA)-glutamate (Glu) co-releasing neuronal subtype was revealed recently. However, it was not accessible directly since there are no suitable markers for this type of neuron. For this reason, this study developed a systematical genome-wide in silico high-efficiency approach to finding candidate markers. The three-dimensional (3D) voxel-based annotated mRNA levels of the gene expression data of the Allen Brain Atlas were compared with a conventional marker gene expression at the VTA based on the correlation. From this method, the study found not only additional markers, including conventional markers, but also an appropriate novel marker for the DA–Glu co-releasing neuronal subtype in the VTA and validated these practical expressions with specific antibodies. The results (summarized in Part II) demonstrate the utility of this analytical approach for uncovering expression signatures representing specific cell types and neuronal subpopulations enrichment in a target brain area. These studies would contribute additional insight related to structural and physiological changes involving glutamate and dopamine converging in the NAc.