中腦邊緣獎賞系統參與阿片類藥物成癮的環路機制

孫國林，張詠梅

(徐州醫科大學江蘇省麻醉學重點實驗室，江蘇省麻醉與鎮痛應用技術重點實驗室，江蘇 徐州 221004)

阿片類藥物是一類強效鎮痛劑，對手術或創傷后急性中重度疼痛尤其有效。除此之外，很多遭受難治性疼痛、長期疼痛的患者，最后只能使用阿片類藥物來減輕疼痛[1]，但是阿片類藥物也帶來很多問題，如耐受、痛覺過敏、呼吸抑制、成癮等。其中阿片類藥物成癮發生率高，對個人、家庭及社會的危害極大。本文綜述了中腦邊緣獎賞系統參與阿片類藥物成癮的神經環路，以期為深入探索阿片類藥物成癮本質提供新的思路。

1 阿片類藥物成癮與中腦邊緣獎賞系統概述

1.1 阿片類藥物成癮定義阿片類物質包括嗎啡、海洛因、二氫埃托啡、哌替啶、美沙酮等。根據美國成癮醫學協會對成癮的定義，成癮具有以下特征：① 難以中斷；② 行為自制障礙；③ 對藥物的渴求；④ 人際關系淡化；⑤ 情緒失常[2]。

但是，目前成癮的定義仍不明確，與“依賴”“戒斷”等詞的界限不清?！俺砂a”側重強調對于阿片類藥物的渴求，其基礎是阿片類藥物引起的腦內與精神動機有關的適應性改變?！耙蕾嚒睆娬{對于阿片類藥物的需求難以抑制?！敖鋽唷敝傅氖浅砂a后停止藥物使用，機體出現的激烈的軀體和精神戒斷癥狀。

1.2 阿片成癮在動物實驗中的行為學評估在動物實驗中，成癮行為的評估通常采用條件性位置偏愛、自身給藥、自發或催促的戒斷反應、行為敏化等行為學指標。條件性位置偏愛實驗將藥物與環境線索配對，對動物進行訓練。當動物被給予阿片藥物時，動物將被放到特定環境中；當動物被給予空載劑時，動物將被放到另一個環境中，反復訓練多次。最后通過觀察動物對兩種環境的偏好來反映動物對阿片類藥物攝取的需要程度。自身給藥實驗是讓動物學習完成一定的動作或任務，當動物完成動作后，動物可以獲得由裝置提供的阿片類藥物；如動物未完成動作，則不會獲得藥物。實驗通過記錄動物完成規定動作的次數和頻率，反映動物對阿片藥物的需要程度。戒斷實驗是先給動物阿片類藥物，后終止給藥，觀察動物的戒斷反應。行為敏化實驗是記錄給予多次阿片類藥物后，動物出現的自發活動的增強，將其作為反映動物成癮狀態的一項指標[7,9,13]。

1.3 中腦邊緣獎賞系統的發現關于阿片類藥物成癮的機制，目前已經有了大量的研究，其中，中腦邊緣獎賞系統在阿片類藥物成癮中發揮重要作用。1954年，詹姆斯·奧爾茲和皮特·米爾納最先認識到腦內存在獎賞系統[3]。他們設計了與自身給藥實驗類似的裝置，當大鼠按壓按鈕時，大鼠會接受大腦中的特定部位短暫的電刺激。他們發現大鼠會反復按壓按鈕，這種現象被稱為顱內自我刺激或腦刺激獎勵。對于動物出現這樣行為的解釋是，這樣的刺激正在激活獎勵系統。后來，人們逐漸認識到，大腦內存在多個區域，相互聯系，構成一個復雜的系統，介導獎賞相關的行為和情緒反應。主要包括中腦腹側被蓋區(ventral tegmental area,VTA)、伏隔核(nucleus accumbens,NAc)、紋狀體、黑質、海馬、前額葉皮質、下丘腦、丘腦底核、腹側蒼白球、杏仁核等。

1.4 中腦邊緣獎賞系統參與阿片成癮阿片類藥物成癮后，中腦邊緣獎賞系統的多個腦區發生了明顯的細胞分子改變[4]。而通過多種方法調控這些區域的分子活動可以改變阿片類藥物成癮的表型，如嗎啡成癮狀態下，VTA多巴胺代謝活動增強，與多巴胺代謝及轉運相關的生化指標，如酪氨酸羥化酶、多巴胺、多巴胺轉運體表達增加。NAc注射N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid,NMDA)受體阻斷劑能夠抑制嗎啡成癮形成[5]。然而，這些廣泛但孤立的神經生物學變化使得我們對阿片類藥物成癮機制的認識趨于復雜化。因此，從環路水平研究阿片類物質引起的生物學變化，用相互聯系的觀點審視阿片類物質成癮的發生發展規律，將更有助于深入了解阿片類藥物成癮機制。以下綜述了近年來通過藥理學、神經示蹤、電生理、光遺傳學等技術揭示的中腦邊緣獎賞系統參與阿片類藥物成癮的神經環路(Fig 1)。

Fig 1 Schematic diagram of neurocircuitry inmesolimbic reward system involved in opioid addiction

VTA: ventral tegmental area; NAc: nucleus accumbens; mPFC: medial prefrontal cortex; LS: lateral septum; PVN: paraventricular nucleus; BNST: bed nucleus of the striaterminalis; LH: lateral hypothalamus.

2 中腦邊緣獎賞系統中參與阿片成癮的神經環路

2.1 VTA-NAc通路與阿片成癮VTA是一個異質性的腦結構，其細胞構成由65%多巴胺能神經元，30% γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)能神經元和5%谷氨酸能神經元組成。VTA向NAc投射密集的多巴胺能纖維。酪氨酸羥化酶是多巴胺生物合成中的一種關鍵酶，長期使用嗎啡后，VTA區酪氨酸羥化酶表達上調，NAc多巴胺含量增加，表明VTA-NAc通路中多巴胺的上調可能在嗎啡和其他阿片類藥物獎賞中起重要作用[6]。此外，戒斷狀態大鼠給予急性嗎啡，VTA多巴胺能神經元呈現爆發性放電，這被認為在編碼獎賞信息中起作用[7]。小鼠在體電生理記錄表明，慢性嗎啡增加了VTA多巴胺能神經元的基礎放電頻率和爆發性放電概率[8]。Stuber等[9]通過光遺傳技術，進一步證實了VTA多巴胺能神經元在阿片類藥物成癮中的作用，利用病毒注射方法將藍光敏感的光敏感蛋白選擇性表達在VTA區多巴胺能神經元。非連續、高頻激活VTA區多巴胺能神經元可以導致對配對環境的條件性位置偏愛，而且這樣的刺激可以引起NAc中多巴胺的含量明顯增加，提示可能只有引起NAc區多巴胺增加的VTA多巴胺能神經元激活才能引起獎賞行為。NAc中神經元根據表達的多巴胺受體不同，分為兩種神經元，主要表達多巴胺1型受體的神經元被稱為D1神經元，而主要表達多巴胺2型受體的神經元被稱為D2神經元。這兩種神經元都接受VTA的多巴胺能投射，但是兩種神經元介導的信號轉導過程卻有著明顯差異，在阿片類藥物成癮中發揮的作用也有明顯差別，甚至截然相反。

2.2 VTA-內側前額葉皮質(medial prefrontal cortex,mPFC)通路與阿片成癮mPFC參與多種認知功能，包括注意力、習慣形成、學習記憶等。mPFC主要分為前扣帶皮質、前皮質和下皮質。電刺激VTA神經元或VTA微量注射選擇性μ受體激動劑DAMGO，前扣帶皮質中多巴胺和主要代謝產物增加?；瘜W損傷前扣帶皮質中多巴胺能纖維末梢，能夠明顯減弱VTA注射DAMGO引起的條件性位置偏愛。這些結果提示，VTA-前扣帶皮質的信息傳遞可能在阿片誘導的位置偏愛的獲得和維持中起著至關重要的作用[10]。

2.3 mPFC-NAc通路與阿片成癮mPFC通過其與皮層下區域(如丘腦、紋狀體、杏仁核和海馬)的緊密互連，在厭惡和獎賞性刺激的處理中發揮重要作用。mPFC-NAc通路一直被認為介導獎賞相關的行為。生理狀態下，電刺激VTA引起的NAc多巴胺電流可以時間依賴性調節電刺激mPFC引起的伏隔核興奮性反應。在mPFC刺激前100 ms給予VTA刺激，mPFC-NAc傳遞抑制。在mPFC刺激的同時給予VTA刺激，mPFC-NAc傳遞增強。而在成癮藥物戒斷狀態下，這種調制作用減弱。因此，從mPFC到NAc的谷氨酸能投射可能在介導成癮行為中起著至關重要的作用[11]。早期研究表明，調控mPFC-NAc通路可使酒精成癮行為發生改變[12]。近期有光遺傳學研究發現，盡管以20 Hz的頻率激活mPFC-NAc通路，能夠使NAc產生興奮性突觸后電位，但是不能增強小鼠的操作性自身光刺激行為。當以30 Hz頻率進行刺激時，小鼠的自身刺激行為增加，提示mPFC-NAc通路激活需要達到一定強度，才能對獎賞和成癮行為產生影響[13]。

2.4 mPFC-VTA通路與阿片成癮前皮質內注射NMDA受體阻斷劑AP-5，可以增強嗎啡引起的條件性位置偏愛，VTA內多巴胺能神經元放電活動明顯增加，同時抑制非多巴胺能的GABA能神經元放電[14]。前皮質內大麻素1型受體(cannabinoid type 1 receptor, CB1 receptor)激活可使嗎啡獎勵信號變成厭惡刺激，阻斷CB1受體的正常傳遞，增強了亞獎賞閾值劑量嗎啡的獎勵效應。前皮質內CB1受體介導的嗎啡獎賞減弱由VTA中κ阿片受體介導，而前皮質內CB1受體介導的嗎啡獎賞增強由VTA中μ阿片受體介導[15]。此外，mPFC還投射到腳腦橋被蓋核和側向被蓋核，它們又分別向VTA投射谷氨酸能和膽堿能傳出纖維。mPFC注射多巴胺受體激動劑SKF-81297,使成癮行為增加。此外，腳腦橋被蓋核/側向被蓋核注射離子型谷氨酸受體拮抗劑CNQX，可減輕成癮行為。VTA注射CNQX、煙堿受體拮抗劑美加霉胺或毒蕈堿受體拮抗劑東莨菪堿，也可以抑制成癮行為。這些結果表明，包括mPFC、腳腦橋被蓋核/側向被蓋核和VTA的多突觸環路介導了成癮行為的發生[16]。

2.5 CA3-外側隔(lateral septum,LS)-VTA通路與阿片成癮Lisman等[17]提出了海馬-VTA環的概念。新接收的信息首先到達海馬，所產生的信號通過海馬下托、NAc和腹側蒼白球等結構傳遞給VTA。反過來，多巴胺在海馬內釋放，產生長時程增強(long-term potentiation,LTP)和學習記憶的增強。海馬-VTA環路參與短時記憶向長時記憶轉換這一過程。而阿片類藥物成癮過程包含了對阿片藥物的效應、服藥所處環境的學習記憶過程。Luo等[18]確定了CA3-LS-VTA通路參與阿片藥物成癮。CA3給予θ頻率的電刺激，VTA多巴胺神經元興奮，而非多巴胺能神經元受到抑制。多巴胺能神經元興奮可能是通過去抑制介導的，因為局部拮抗GABA受體阻斷了對CA3刺激的反應。抑制CA3-LS-VTA通路中的任意環節，都可以阻斷電刺激誘發的VTA反應。海馬和VTA之間的這種跨突觸連接似乎是環境線索調節目標導向行為的重要基礎。有研究支持這一觀點，當大鼠再次暴露于嗎啡配對環境時，海馬CA3區神經元活性增強，外側隔中GABA能神經元興奮性增加，進而使VTA中GABA能神經元抑制，導致多巴胺能神經元的去抑制激活[19]。這在嗎啡配對環境暴露引起的位置偏愛中發揮重要作用。

2.6 基底外側杏仁核(basolateral amygdala,BLA)-NAc通路與阿片成癮另有研究發現，在線索誘發獎賞行為的過程中，BLA神經元對線索的應答反應先于NAc神經元，并且NAc神經元的反應依賴于BLA傳入。這些結果表明，BLA輸入是NAc神經元對線索的應答所必需的，并且是環境線索促進獎勵尋求行為的基礎[20]。BLA接收來源于VTA的多巴胺能神經支配，D1和D2受體在BLA都有表達。在正常大鼠，BLA給予D1受體阻斷劑或激動劑，阻斷或者增強聯想性阿片獎勵記憶的獲取[21]。而在阿片依賴和戒斷狀態大鼠，BLA給予D1受體阻斷劑或激動劑不起作用，給予D2受體阻斷劑或激動劑阻斷或增強阿片獎勵記憶。體內單細胞記錄證實了BLA多巴胺受體調控可以調節NAc神經元對嗎啡的應答模式[22]。

2.7 下丘腦室旁核(paraventricular nucleus,PVN)-NAc通路與阿片成癮有研究證明，PVN-NAc通路活動增強對于引起戒斷行為是必要的，選擇性沉默該通路可以消除小鼠阿片戒斷癥狀。慢性嗎啡暴露選擇性地增強PVN和NAc中D2型中型棘突神經元之間的興奮性傳遞，通過光遺傳技術抑制這條通路，可以恢復突觸間的正常傳遞，并明顯減輕嗎啡戒斷癥狀[23]。

2.8 終紋床核(bed nucleus of the striaterminalis,BNST)-VTA通路與阿片成癮厭惡性環境暴露使投射到VTA的BNST不同類型神經元產生不同的放電模式改變，谷氨酸能神經元活性增強，而GABA能神經元放電頻率被抑制。BNST谷氨酸能和GABA能投射纖維優先支配VTA區非多巴胺能神經元，光激活BNST投射至VTA的谷氨酸能神經元導致厭惡和焦慮行為表型。相反，激活BNST投射至VTA的GABA能神經元產生獎賞和焦慮消退表型[24]。

2.9 外側下丘腦(lateral hypothalamus,LH)-VTA通路與阿片成癮下丘腦是產生食欲素的中樞區域，其到VTA的投射在獎賞和成癮行為中起著重要的作用。有研究將逆行示蹤劑WGA注射到VTA或藍斑，結果發現投射到VTA的下丘腦食欲素神經元Fos激活的百分比在嗎啡依賴大鼠中明顯增加，并且Fos激活集中在外側下丘腦，而不在背側區或穹窿周區。并且Fos激活的百分比與條件性位置偏愛評分呈正相關，而投射到藍斑的下丘腦食欲素神經元Fos激活與條件性位置偏愛評分無相關性。這些結果表明，VTA是下丘腦食欲素神經元介導嗎啡依賴的一個特異靶區[25]。有研究發現，LH聯合給藥卡巴膽堿和亞成癮劑量的嗎啡，可以明顯誘導條件性位置偏愛。此外，VTA注射選擇性食欲素受體拮抗劑SB334867，可以減弱條件性位置偏愛評分。這表明VTA中食欲素-食欲素受體系統在大鼠嗎啡成癮中的重要作用[26]。

3 結語與展望

綜上所述，VTA-NAc通路可能是介導阿片類藥物成癮的最終通路，其他腦區如海馬、杏仁核、下丘腦、前額葉皮質等，可向VTA和NAc投射不同類型的神經纖維，調節VTA-NAc的活動，從而在阿片類藥物成癮中發揮作用。目前，關于阿片類藥物成癮環路機制方面的研究大多數還是通過藥理學方法，缺乏位點和時間特異性。光遺傳學、化學遺傳學技術可以實現對特定投射環路的精確調控，幫助我們探索不同神經環路在阿片類藥物成癮中的作用。本文對中腦邊緣獎賞系統中參與阿片類藥物成癮的神經環路進行了綜述，有助于從環路角度了解阿片類藥物成癮機制，同時也為臨床阿片類藥物成癮問題的管理提供了新的思路。