Divergent Sensitivities to Drugs of Abuse: Neurochemical and Neuroanatomical Characterization of the Roman Rats

Abstract

Només un petit percentatge d'entre tots els individus que experimenten amb drogues d'abús esdevenen addictes. La vulnerabilitat per a desenvolupar un trastorn addictiu està relacionada amb trets de personalitat impulsiva o amb apetència per la novetat. Les soques de rata Romanes, genèticament seleccionades per alta (RHA) o baixa (RLA) adquisició de l'evitació activa en dos sentits, són un model de laboratori vàlid de les divergències en apetència per la novetat i substàncies gratificants que s'observen en humans. A més a més, aquestes soques de rata difereixen en la funcionalitat del sistema dopaminèrgic. Se sap que les rates RHA beuen etanol voluntàriament mentre que les rates RLA mostren aversió. En aquesta tesis, les rates Romanes s'empren com a model de vulnerabilitat addictiva. L'objectiu de la tesis ha consistit en entendre els mecanismes neurobiològics que sustenten les diferències de vulnerabilitat addictiva entre les dues soques de rata Romanes.<br/>El treball s'ha dividit en 3 fases experimentals. En primer lloc, es va avaluar la resposta conductual de les rates Romanes a la injecció d'una dosi baixa d'etanol. Tal i com s'observa en humans amb elevat risc d'esdevenir alcohòlics, les rates RHA van ser menys sensibles als efectes conductuals d'aquesta dosi. En la segona fase, es varen estudiar els cervells de rates Romanes naïve per tal de caracteritzar vàries dianes moleculars del sistema dopaminèrgic i neuropèptids relacionats: es van quantificar diferents subtipus de receptor de dopamina per mitjà de la tècnica d'autoradiografia de receptors així com els nivells d'expressió d'ARNm per diferents neuropèptids mitjançant la tècnica d'hibridació in situ. Comparades amb les rates RLA, les rates RHA presenten majors nivells de receptors D1 i D3 així com també d'ARNm per la DYN a nivell de l'escorça del nucli accumbens (NAc). En canvi, presenten menors nivells d'expressió del receptor D3 a nivell de les illes de Calleja. A més a més, quan s'administra un agonista D3, les rates RLA mostren major inhibició de l'activitat locomotora i supressió de l'expressió del gen NGFI-A a la Calleja magna (mesurat per mitjà de tècniques d'hibridació in situ) que les rates RHA. Aquests resultats afegeixen noves evidències de les diferències en la funcionalitat del sistema dopaminèrgic i potser representen l'eix central de l'entramat neurobiològic subjacent a les diferències en apetència per la novetat i preferència per a les drogues d'abús com l'etanol entre les dues soques. En la tercera fase, es va estudiar el fenomen de sensibilització conductual induït per amfetamina en les rates Romanes i es van elaborar mapes d'activitat neuronal per mitjà de tècniques d'hibridació in situ amb cinc gens d'expressió immediata. La sensibilització conductual és un model de plasticitat conductual i neuronal induïda per l'ús crònic de drogues. Les rates RHA que van rebre un tractament crònic amb amfetamina van mostrar sensibilització conductual i un augment en l'expressió dels gens de secretogranina i PSD95 al corus del NAc. Aquestes troballes es discuteixen en el context d'altres models de laboratori d'ús crònic de drogues. D'altra banda, les rates RLA no van mostrar sensibilització conductual però en canvi van mostrar adaptacions neuronals que poden estar relacionades amb la manca de sensibilització. A més a més, les rates RLA que van rebre amfetamina per primer cop van mostrar activació del nucli central de l'amígdala (CeA). També es va detectar activació del CeA en ratolins que van rebre un tractament amb etanol i naltrexona, fàrmac que s'empra a la pràctica clínica per tal de prevenir les recaigudes en alcohòlics. Aquesta troballa suggereix que el CeA pot ser una estructura del cervell rellevant per tal de frenar el desenvolupament dels trastorns addictius.

Hundreds of millions of people experiment with drugs of abuse, but only a small percentage of them become addicted. Vulnerability to develop addiction has been associated with impulsivity or novelty-seeking. The Roman rats, genetically selected for high (RHA) or low (RLA) active avoidance acquisition in the two-way shuttle box, appear to be a valid laboratory model of divergent novelty and substance-seeking profiles and differ in the functionality of the dopaminergic system. So far, it is known that RHA rats drink ethanol voluntarily whereas RLA rats show aversion to it. In the present thesis, the Roman rats have been used as a model of differences in vulnerability to addiction. The aim of the thesis was to understand the neurobiological mechanisms that underlie such differences in vulnerability between the two Roman rat strains. <br/>The work has been divided in 3 experimental blocks. First, we studied the behavioral response to an injection of a low dose of ethanol in the Roman rats. Like those humans that have higher risk to develop alcoholism, RHA rats were less sensitive to the effects of low-dose of ethanol. Second, brains of naïve Roman rats were studied in order to characterize several molecular targets of the dopaminergic system and related neuropeptides: dopamine receptor subtypes were quantified by means of receptor autoradiography and mRNA coding for neuropeptides were quantified using in situ hybridization histochemistry. When compared to RLA rats, RHA showed higher binding of D1 and D3 dopamine receptor subtypes and DYN mRNA expression in the nucleus accumbens (NAc) shell, although they showed lower basal binding of D3 receptors in the Calleja islands. Moreover, a challenge with a D3 agonist resulted in greater inhibition of locomotor activity as well as supression of NGFI-A mRNA as measured with in situ hybridization in the Calleja magna in RLA rats when compared to RHA rats. These results provide further evidences of the differences in dopamine function between the Roman strains and may represent the neurobiological core of the divergences in novelty-seeking and preference for addictive drugs such as ethanol. Third, behavioral sensitization, a model of behavioral and neuronal plasticity secondary to chronic drug use, was also studied in the Roman rats. Neuronal activity maps with 5 different immediate early genes were made by means of in situ hybridization. Amphetamine pre-treated RHA rats showed behavioral sensitization and increased secretogranin and PSD-95 in the NAc core which is suggestive of increased glutamatergic activity at this site. These findings are discussed in the context of the laboratory models of chronic drug use. Pretreatment with amphetamine in RLA rats did not result in behavioral sensitization but induced neuronal adaptations that may be related to the lack of this phenomenon. Moreover, RLA rats that experienced amphetamine for the first time showed activation of the central nucleus of the amygdala (CeA). Activation of the CeA was also seen in mice receiving ethanol and naltrexone, a drug used to prevent relapse in alcoholics. These findings suggest that the CeA may be a relevant brain structure in preventing drug addiction.