有这么一位科学家，他就像一位“大脑侦探”，专门研究那些让人上瘾的药物是怎么“勾引”我们的大脑的。这位科学家就是EricJ.Nestler，他是神经科学界的“大神”级人物，专门研究成瘾的神经生物学机制。他就像一位拿着放大镜的福尔摩斯，不放过大脑里任何一个小小的细节，努力揭开成瘾背后的秘密。

　　

　　EricJ.Nestler教授在神经科学领域已经摸爬滚打了几十年，他的研究就像一部精彩的侦探小说，充满了悬念和惊喜。他的实验室里，每天都在上演着“大脑与药物”的斗智斗勇，而他就是那个指挥官，带领着团队一步步解开谜团。

　　

　　

　　成瘾对人类社会的影响简直是“灾难级”的。想象一下，成瘾就像一个隐形的“怪兽”，悄无声息地潜入我们的生活，然后把很多人搞得家破人亡。在美国，药物过量死亡的人数比新冠疫情期间还多，这简直让人不寒而栗。而且，这些死亡只是冰山一角，成瘾还让无数家庭陷入痛苦，每年造成的经济损失高达数千亿美元。

　　

　　现代遗传学和神经生物学工具推动了研究的复兴，加深了我们对药物成瘾病理生理学的理解。我们知道，一个人成瘾的风险是由遗传和环境之间的相互作用决定的，只有极小一部分化学药剂能够利用这种脆弱性来诱发成瘾状态。反复接触这些药物会导致成瘾，因为大脑中的多巴胺能传递（以及许多其他作用）会反复激活，从而在分子、细胞和突触水平上引起变化，随着时间的推移，整个边缘系统的回路会重新连接。在这篇评论中，我讨论了我们如何更清楚地了解这种药物诱导的可塑性——其中一些是所有成瘾药物所共有的，而其他方面则特定于某些药物类别——以及这些适应性如何调节定义成瘾状态的一系列行为异常。尽管面临挑战，但我们有理由乐观地将这种丰富的生物学成瘾理解转化为对世界各地许多受这种疾病困扰的人的更好治疗。

　　

　　吸毒成瘾对人类的影响怎么强调都不为过。它是全球十大疾病负担之一。仅举一个指标，美国因吸毒过量死亡的人数在COVID-19大流行之前约为70,000人，到2023年增长到110,000多人。此外，这些死亡只是冰山一角；更多人及其家人的生活因吸毒成瘾而遭受重创，仅在美国每年就花费超过5000亿美元。尽管影响巨大，但对大多数人来说，成瘾治疗仍然效果不佳。作为一名在越南战争时期成长起来的人，令人震惊的是，在那场震撼了我这一代人的15年战争中，有58,000名美国军人丧生，而现在我们每年因吸毒成瘾而失去的美国人数量几乎是这个数字的两倍。这应该是全国性的号召，让我们做得更好。

　　

　　这一挑战与过去30年来在理解成瘾的生物学基础方面取得的令人瞩目的进展形成了鲜明对比。药物成瘾与如此强烈的心理、社会和文化特征有关，但其遗传性却非常高。对多种成瘾药物的遗传性估计表明，成瘾的遗传风险约为50%。然而，与许多常见疾病一样，这种遗传风险由数百种基因组变异组成，其中大多数变异本身的影响微乎其微。成瘾风险的另一半被认为是环境因素，反映了一生中不良生活事件和压力的演变，以及社会因素（如同龄人压力）和药物可用性，其中独特的遗传和环境因素有助于避免成瘾的能力，即所谓的适应力。药物作用于脆弱的大脑，在这些遗传和环境因素的共同作用下，导致成瘾。然而，人类成瘾的总体风险被认为约为10%。也就是说，据我们所知，大多数尝试过毒品的人不会上瘾，但随着压力水平的增加和药物使用量的增加，成瘾的风险也会增加。

　　

　　大约50年前，研究人员发现，动物（啮齿动物和非人类灵长类动物）会努力服用与人类相同种类的药物，而自然环境中的一小部分动物（如人类）会失去对自我给药的控制；也就是说，它们会上瘾。这些具有明确病因和表面效度的动物模型的出现开启了成瘾研究的现代时代，因为这些模型使得人们能够识别导致他们自我给药的药物特性以及介导其效果的大脑区域。这项研究得到了平行研究的支持，这些研究表明，动物也会努力向这些所谓的“大脑奖励区域”输送电流。成瘾研究中的这些行为范式与所有其他精神综合症形成了鲜明对比，由于这些其他疾病的核心症状相对难以接近，动物模型的难度要大得多：幻觉、妄想、内疚、悔恨、自杀倾向、抑郁或焦虑情绪、强迫症和扩张性，仅举几例。

　　

　　成瘾领域的初步研究成功确定了可导致成瘾的极少量化学物质的基本特征。不同类别的成瘾药物在化学结构上没有任何相似之处，因此，每类药物都会与大脑中不同的初始蛋白质靶标结合。相比之下，人们很早就发现（大约40年前），所有成瘾药物都会对中脑边缘多巴胺回路产生共同的功能影响，该回路描述了中脑腹侧被盖区(VTA)中含有多巴胺的神经元以及这些神经元向腹侧纹状体区域伏隔核(NAc)的密集投射。所有成瘾药物在急性暴露后都会增加该回路中的多巴胺能神经传递（已在动物身上得到证实，最近通过脑成像在人类身上也得到了证实），而不产生这种影响的药物不会引起典型的成瘾综合征，无论是在人类还是动物模型中。

　　

　　现代药物成瘾研究以这些基本发现为基础，逐步、渐进地描述了反复接触成瘾药物所导致的成瘾状态的后果。除了增加多巴胺能神经传递外，这项研究还确定了药物暴露的许多其他急性作用，其中大多数作用是每种药物所独有的，并有助于成瘾过程。这项研究还揭示了边缘大脑区域在成瘾发展中至关重要的重要性，这些区域远远超出了中脑边缘多巴胺回路，但在功能上与之紧密交织。总体而言，这项研究毫不奇怪地确定了成瘾药物的共同慢性作用和不同药物类别之间的其他慢性作用。本综述简要介绍了药物在分子、细胞和突触水平上引起的变化，重点关注NAc和VTA，这些变化共同驱动了边缘大脑的回路变化，而这些变化是药物成瘾行为异常的基础。必须强调的是，由于缺乏客观的实验室测试，人类的成瘾综合征至今仍仅通过行为异常来诊断，即对药物使用的失去控制以及尽管对身体和社会健康产生不利影响，但仍强迫性地寻求和服用药物。我强调了需要进一步研究的领域，以进一步了解药物成瘾的新兴知识，重点是可卡因和阿片类药物，以及我们的领域最终如何将这些进展转化为针对患有物质使用障碍的个人的改进的诊断测试和治疗方法。

　　

　　

　　早期技术的组合，包括脑电刺激和损伤与药物自我给药和动物相关检测相结合，导致确定了边缘大脑的多个区域（所有这些区域都从VTA接受多巴胺神经支配），这些区域在成瘾的发展中很重要（图1A）。初步估计，这些区域不仅包括NAc，还包括背侧纹状体（尾状核-壳核）、海马、杏仁核、前额皮质(PFC)的几个区域、丘脑、缰核等。

　　

　　在过去的十几二十年里，随着光遗传学和化学遗传学的出现，以及基因突变小鼠和病毒介导的基因转移，这些早期的推论得到了非常令人印象深刻的改进，以探究高度定义的微电路对一系列范式中行为的离散方面的影响，包括自我给药和复发、条件性位置偏好等等。与此同时，钙成像（在单细胞和细胞群水平上）的出现使得记录药物在药物暴露过程中对已识别神经元细胞类型的体内活动的影响成为可能。

　　

　　一个例子是描述NAc中两种主要类型的中棘投射神经元(MSN)（它们占所有NAc神经元的90%至95%）在介导成瘾药物的急性和慢性作用方面的不同作用。根据这些MSN主要表达的多巴胺受体，将它们分为D1型和D2型。一小部分(~10%到15%)的MSN表达这两种受体。根据纤维光度测定记录，初步估计可卡因和其他兴奋剂会激活D1MSN并抑制D2MSN，而光遗传学或化学遗传学激活D1MSN会促进对可卡因的行为反应，而激活D2MSN会抑制这些反应(图1，B和C)。反复接触后，可卡因的影响似乎对D1MSN占主导地位，尽管D2MSN显然也参与其中。阿片类药物表现出不同的模式：急性和慢性接触阿片类药物都会激活更相等数量的D2MSN(图1C)。这些药物特异性模式与转录组学研究相吻合，如下所示。当前研究的主要重点是超越D1和D2NAcMSN对药物奖励产生相反影响的过于简单的观点，通过描述这些细胞类型对更复杂的行为结果的贡献以及解释正在发现的D1和D2MSN的几种亚型。同样值得注意的是，这些原则中的大多数都是通过涉及实验者给药的行为范式建立的；将这项工作逐渐扩展到药物自我给药程序至关重要，因为与钙成像相结合时会出现相当大的技术障碍。

　　

　　这项最新研究的一个有趣特点是，证明可卡因和阿片类药物这两类成瘾性药物都会急性激活大部分相同的D1和D2MSN，这些MSN也会被自然奖励激活（饥饿动物的食物和口渴动物的水），并且这种对自然奖励的反应在长期接触这两种药物的过程中会减弱，而对药物本身的神经元反应会增加（图1C）。这些发现为长期描述的原理提供了可能的神经生物学基础，即成瘾性药物“劫持”大脑奖励区域，在脆弱个体中，会降低对自然奖励的反应，同时增加对药物奖励的反应。

　　

　　还有许多其他例子，这些现代方法提供了对介导成瘾性药物作用的神经回路的精妙解剖。一个令人惊讶的发现是VTA内多巴胺神经元的显着微观异质性。尽管几十年来人们都知道腹侧被盖区多巴胺神经元支配大脑的边缘区域，但直到最近才发现，多巴胺神经元中大部分不同的亚群各自支配着一个特定的目标区域。当前的研究正在描述每种神经元在药物暴露背景下的贡献。研究还描述了前额叶皮层的特定亚区（例如边缘下区、前边缘区和眶额皮质）对药物摄入的影响，以及长期药物暴露如何改变这种回路，从而导致成瘾的特定特征，例如行为控制力下降、冲动性和强迫性增加。另一项进展是发现缰核中一组谷氨酸能神经元发挥着重要作用，它们支配腹侧被盖区后部的GABA能神经元，而后者又抑制腹侧被盖区多巴胺神经元。研究表明，成瘾性药物可以激活缰核神经元，从而引发许多个体在接触药物后出现的厌恶性副作用，这引发了人们提出通过促进该回路活动作为一种新治疗方法的想法。

　　

　　与学习和记忆领域类似，过去十年，人们对在NAc和整个边缘脑中识别所谓的“药物集合”的兴趣日益浓厚。此类集合已在携带转基因的啮齿动物中得到识别，其中Fos、Arc或Npas4等立即早期基因(IEG)的启动子驱动报告基因的表达。在这些IEG定义的神经元集合研究中，一个令人惊讶的发现是，通过急性药物暴露激活的NAcMSN数量非常少(<10%)。这与基于钙成像表现出药物激活的神经元数量多出数倍形成鲜明对比。这种差异在学习和记忆领域也有所体现，可能是因为IEG启动子的激活需要比GCaMP等钙依赖性荧光蛋白更大的钙信号。NAc中IEG定义的集合似乎显示出与钙成像中可卡因和阿片类药物相同的一般模式：可卡因激活的集合主要由D1MSN组成，但阿片类药物激活的集合包括两种MSN类型。迄今为止，大多数研究都集中在由初始药物暴露激活的IEG定义的集合上，但开始出现关于慢性暴露和组成集合的单个神经元的分子分析的研究（下文将进一步讨论）。这项工作的一个关键方面是使用光遗传学和化学遗传学来表征这些小的急性和慢性集合在介导成瘾药物的行为特征方面所起的作用。这类工作正在进行中；然而，该领域的主要需求是开发方法来捕获钙成像识别的更大的集合，目前无法探索这些集合的分子特征或功能作用。

　　

　　

　　大量文献表明，大脑边缘区域内几种形式的药物诱导突触可塑性与啮齿动物模型中的药物成瘾行为特征有关。大部分研究都集中在NAc和VTA中的谷氨酸能突触上。仅举一个例子，慢性可卡因暴露已被证明会引起NAcMSN上谷氨酸能突触的突触效能的复杂时间依赖性变化，这涉及在戒毒期间诱导沉默突触，在此期间，一部分突触成熟并稳定下来。沉默突触的诱导是由NMDA2B亚基募集到N-甲基-d-天冬氨酸(NMDA)谷氨酸受体(NMDAR)介导的，而突触的成熟则由切换到含有NMDA2A的NMDAR介导。这些过程还涉及将GLUA2亚基募集到AMPA谷氨酸受体(AMPAR)中，从而阻断这些受体的Ca2+通透性，以及AMPAR的细胞内运输(图1D)。这些突触适应与可卡因相关记忆和药物复发有关。突触的功能变化与形态变化相关，静默突触以细或粗短的树突棘为代表，成熟、稳定的突触以蘑菇形棘为代表。与此同时，人们付出了相当大的努力来了解慢性可卡因诱导这些树突棘变化的分子机制，有证据表明小鸟苷三磷酸酶结合蛋白和下游调节树突棘内的肌动蛋白和微管细胞骨架参与其中。

　　

　　目前的研究正在以多种方式扩展这项工作。首先，人们正在努力确定可卡因对NAc中谷氨酸能突触的上述影响是否涉及D1和D2MSN以及各种类型的NAc中间神经元。人们还在努力确定这些突触变化的输入特异性——换句话说，它们是否选择性地发生在来自NAc的几个主要传入区域的突触上，包括PFC的几个亚区域以及海马、杏仁核和丘脑。其次，这种关于兴奋性突触可塑性的研究必须扩展到抑制性突触可塑性，这涉及D1和D2MSN相互或由GABAergic中间神经元支配，这在药物作用中也可能很重要。第三，尽管迄今为止的大多数焦点都集中在NAc和VTA上，但该领域必须研究药物暴露如何影响与药物成瘾有关的许多其他边缘区域的突触功能。第四，迄今为止，大多数研究都集中在可卡因上，对阿片类药物或其他类别的成瘾性药物的关注较少。第五，随着对这些特异性的多层理解，将有必要直接将特定细胞类型和大脑区域的突触可塑性的个别形式与成瘾病理行为的特定方面联系起来。关于这些文献的最后一点评论是，在过去十年中，对成瘾中详细突触机制的研究已基本让位于体内光和化学遗传学以及钙成像研究。后一种工具非常强大，但有局限性，因为它们不能识别药物诱导可塑性的细胞机制：需要更多地关注这些潜在的细胞机制，以弥合分子和电路对复杂行为的控制之间的差距。

　　

　　同样重要的是，该领域需要回归非突触、全细胞（稳态）可塑性的不同机制，即整个神经元的兴奋性在药物暴露后会上调或下调。事实上，有许多例子表明，药物诱导的分子适应会影响兴奋性，例如D1或D2MSN或VTADA神经元的兴奋性，但没有证据表明存在突触特异性效应。全细胞可塑性的这种变化似乎与药物依赖、耐受性或致敏等现象特别相关，这些现象是对反复接触药物的主要行为适应，值得在该领域引起更多关注。

　　

　　

　　下一代测序和蛋白质组学方法的出现，结合基因突变小鼠和病毒介导的基因转移，使人们对成瘾药物在大脑奖励区域诱导的分子变化有了深入的了解，从而导致成瘾状态。特别是RNA测序(RNA-seq)提供了越来越完整的解释，说明药物诱导的基因表达变化是药物自我给药、长期戒断(禁欲)和复发的结果。最初的研究必然侧重于“批量”测序，即对离散脑区的完整提取物进行RNA测序，这提供了组织中多种细胞类型的信息，但无法完全确定细胞类型特异性调控。

　　

　　已发现可卡因和阿片类药物在几个边缘脑区存在有趣的基因启动和脱敏模式（图2A）。重要的是，与可卡因或阿片类药物使用障碍的人类相比，小鼠模型中的这种转录调控表现出很强的趋同性。

　　

　　早期对批量测序的关注正在让位于使用基因编码标签从特定脑区分离的单个神经元细胞类型的RNA测序。仅举一个例子，对已分类的D1或D2NAcMSN群体进行测序表明，可卡因诱导的基因启动和脱敏在D1MSN中占主导地位（图2B），而阿片类药物的基因启动和脱敏在两种细胞类型中均有发生，这与前面提到的神经激活模式一致。与此同时，该领域越来越多地使用单细胞RNA测序，通常将其作为单核测序（snRNA测序）来实施，因为这种方法具有技术优势。snRNA-seq具有识别多种细胞亚型（例如D1或D2MSN的不同亚群）以及捕获特定脑区内非神经元细胞范围的独特功能，这些细胞也有助于成瘾药物的持久作用。当前snRNA-seq方法的一个主要限制是它们只能捕获细胞转录组的一小部分，但此类方法和相关的空间转录组学方法正在迅速发展，预计未来几年会有重大改进。

　　

　　snRNA-seq开始深入了解由IEG诱导定义的药物激活神经元集合的身份（见上文）（图2C）。这种最新方法也推动了前面提出的观点，即将NAcMSN区分为D1或D2过于简单。例如，尽管小鼠中急性或慢性可卡因诱导的细胞群主要代表D1MSN，但细胞群（无论是D1还是D2）在某种程度上都具有该细胞群特有的转录组模式（图2C）。此外，snRNA-seq还可用于识别超出基于IEG的方法检测到的一小部分的细胞群。例如，对已分类的D1和已分类的D2MSN进行snRNA-seq揭示了与特定药物暴露阶段特异性相关的每种细胞类型的大量“细胞群”（图2D）。考虑NAc中IEG诱导的细胞类型特异性时，最后一个复杂因素是，响应可卡因或其他兴奋剂而显示FOS诱导的D1与D2MSN的比例因给药环境（家笼与新环境）以及大鼠和小鼠之间的不同而不同。需要进一步研究以了解这些差异的功能含义。

　　

　　这些最近的实验凸显了神经科学家面临的艰巨挑战：需要表征与成瘾有关的众多边缘大脑区域中的众多神经元和非神经元细胞类型，并将这些分析细化为成瘾药物在成瘾的复杂生命周期（从急性药物暴露到慢性暴露、戒断和复发）中招募的集合，包括可卡因、阿片类药物和其他药物类别。这是一项令人望而生畏的工作量，它与正在进行的其他器官系统（心脏、癌症和新陈代谢）的研究相似，只不过大脑在区域和细胞异质性方面要复杂几个数量级。

　　

　　随着这些研究的进展，人们在理解长期接触成瘾性药物诱导转录调控的分子机制方面取得了重要进展。一些转录因子（以序列特异性方式与DNA结合从而增加或减少靶基因表达的蛋白质）已被证明可以介导可卡因或阿片类药物调节基因表达的能力。研究最深入的例子包括?FOSB（FBJ骨肉瘤致癌基因B）、CREB（cAMP反应元件结合蛋白）、EGR1（表皮生长因子受体1）、E2F3（E2F转录因子3）、RXRA（NR2B1，类视黄酸X受体α）、NPAS4（神经元PAS结构域蛋白4）、MEF2（肌细胞增强因子2）、FOXO3A（叉头框O3A）和NF-κB（核因子κB）等。迄今为止，研究工作主要集中在识别出转录因子被成瘾药物诱导或激活的细胞类型，然后通过过度表达或敲低将该因子直接与下游靶基因的调节（例如通过RNA测序）、相关细胞的活动以及行为结果测量联系起来[例如，参见(32)]。然而，总的来说，该领域现在才刚刚开始在这些分析层面上建立精确的因果关系：识别出导致细胞或突触活动改变的靶基因，然后将这些靶基因的调节和改变的细胞或突触活动直接与给定的行为变化联系起来。通过引入CUT&RUN（在靶标下切割并使用核酸酶释放）测序，实现这一目标的能力得到了显着增强，与染色质免疫沉淀测序相比，其灵敏度更高，不仅可以在离散的大脑区域而且可以在分离的神经元群体中绘制转录因子结合图谱。

　　

　　与此同时，人们越来越有兴趣识别染色质修饰（所谓的表观遗传机制），这些修饰与转录因子协同作用，在长期药物暴露过程中对基因表达进行长期控制。我们引入了“染色质疤痕”的概念，即特定基因组区域周围表观遗传结构的持久变化，有助于这种持久的转录调控，例如上述基因启动和脱敏（图2B）。最近确定的药物诱导染色质疤痕的一个例子是D1NAcMSN中染色质中组蛋白变体H2A.Z的消耗，这种消耗在长期戒断慢性可卡因暴露后仍然存在，从而介导基因表达的启动和药物自我给药的复发（图3）。反过来，H2A.Z的消耗又是由可卡因诱导D1MSN中的组蛋白伴侣ANP32E（酸性核磷蛋白32家族成员E）介导的，这会将H2A.Z从核小体中移除。我们预计，阐明将基因转录和表观遗传调控与药物自我给药和复发行为联系起来的详细机制将带来治疗药物滥用障碍的新方法。

　　

　　当然，转录调控只是控制组织中蛋白质类型和数量的一个层面，这凸显了对蛋白质组学方法的需求。蛋白质组学工具正在改进，但仍然远远落后于转录组学和表观基因组学，因为蛋白质组学只能检测组织或细胞中的数千种分子，而不是数万种分子。尽管如此，蛋白质组学的强大功能仍体现在最近发现的NAc中的H2A.Z耗竭和ANP32E诱导，这是通过蛋白质组学实现的：单靠转录数据无法实现这一进步。

　　

　　

　　这份简短的进度报告介绍了为了解成瘾药物如何改变大脑以诱发持久成瘾状态而做出的努力，并强调了未来研究的几个关键领域。该领域必须继续在药物自我给药和复发行为的背景下迭代表征大量分子、细胞、突触和回路机制。我们还远远不知道该如何停止这一研究的发现阶段。生物医学研究到临床转化的弧线非常长；从发现致癌基因和检查点蛋白到我们今天看到的最近引入的癌症治疗方法，已经花了几十年的时间。只有通过艰苦的实证研究，科学家才能确定最适合治疗发现努力的药物成瘾机制。

　　

　　与所有神经科学一样，人们一直短视地关注药物成瘾中的神经元，而忽略了大脑中其他50%的细胞，包括星形胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞和内皮细胞。大量和snRNA-seq以及蛋白质组学研究正在提供越来越多的证据，证明这些非神经元细胞类型在介导对成瘾药物的持久适应方面发挥着重要作用。同样，人们越来越关注外周功能（代谢、肠道微生物组和免疫系统，仅举几例）在药物成瘾综合征中的作用。更好地了解非神经元和外周机制可能会带来新的治疗方法。

　　

　　尽管在理解成瘾药物如何诱发成瘾状态方面取得了惊人的进展，但我们尚未看到在治疗物质使用障碍方面取得相应进展。最大的因素是时间：将实验室发现推进到治疗癌症需要几十年的时间，而考虑到大脑的复杂性，将成瘾转化为治疗需要更长的时间。治疗成瘾的另一个主要挑战是针对慢性药物暴露引起的病理机制进行治疗，而不会影响大脑奖励回路的正常功能，这对于动机、奖励、认知和幸福感至关重要。随着成瘾分子、细胞、突触和回路基础的不断增加，这一领域也迎来了一系列机遇。这些努力包括传统方法，例如开发针对特定蛋白质的小分子，以及一系列基因治疗方法（反义寡核苷酸、运送mRNA货物的脂质纳米颗粒或病毒介导的基因传递），这些方法目前正在开发用于治疗其他脑部疾病。在操纵大脑特定回路方面取得的进展，包括深部脑刺激和经颅磁刺激，提供了针对介导病理性成瘾相关行为的大脑回路的平行方法。要开发出一系列药物成瘾治疗方法，就需要越来越全面地阐明其遗传和神经生物学机制。

　　

　　EricJ.Nestler,Thebiologyofaddiction.