abstract: Globally, addiction to stimulants such as methamphetamine (METH) remains a significant public health problem. Despite decades of research, no approved anti-relapse medications for METH or any illicit stimulant exist, and current treatment approaches suffer from high relapse rates. Recently, synthetic cathinones have also emerged as popular abused stimulants, leading to numerous incidences of toxicity and death. However, contrary to traditional illicit stimulants, very little is known about their addiction potential. Given the high relapse rates and lack of approved medications for METH addiction, chapters 2 and 3 of this dissertation assessed three different glutamate receptor ligands as potential anti-relapse medications following METH intravenous self-administration (IVSA) in rats. In chapters 4 through 7, using both IVSA and intracranial self-stimulation (ICSS) procedures, experiments assessed abuse liability of the popular synthetic cathinones 3,4-Methylenedioxypyrovalerone (MDPV) , methylone, α-pyrrolidinovalerophenone (α-PVP) and 4-methylethylcathinone (4-MEC). Results from these seminal studies suggest that these drugs possess similar abuse potential to traditional illicit stimulants such as METH, cocaine, and 3,4-methylenedioxymethamphetamine (MDMA). Finally, studies outlined in chapter 8 assessed the potential neurotoxic or adverse cognitive effects of METH and MDPV following IVSA procedures for the purpose of identifying potential novel pharmacotherapeutic targets. However, results of these final studies did not reveal neurotoxic or adverse cognitive effects when using similar IVSA procedural parameters that were sufficient for establishing addiction potential, suggesting that these parameters do not allow for sufficient drug intake to produce similar neurotoxicity or cognitive deficits reported in humans. Thus, these models may be inadequate for fully modeling the adverse neural and psychological consequences of stimulant addiction. Together, these studies support the notion for continued research into the abuse liability and toxicity of METH and synthetic cathinones and suggest that refinements to traditional IVSA models are needed for both more effective assessment of potential cognitive and neural deficits induced by these drugs and screening of potentially clinically efficacious pharmacotherapeutics. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Psychology 2014

Le système endocannabinoïde (SEC) est composé : de deux neurotransmetteurs principaux qui sont l’anandamide (AEA) et le 2-arachidonoylglycerol (2-AG), de deux enzymes de catabolisme associées, respectivement la Fatty Acid Amide Hydrolase (FAAH) et la Monoacylglycerol Lipase (MAGL); et de deux récepteurs principaux qui sont les récepteurs cannabinoïdes de type 1 (CB1) et de type 2 (CB2). Le SEC exerce un rôle critique dans le contrôle des propriétés récompensantes des substances addictives, dont la nicotine. Cependant, le SEC possède un mode de fonctionnement biphasique et complexe. Par exemple, alors que les propriétés renforçantes et incitatrices de la nicotine sont diminuées par le blocage aigu des récepteurs CB1, le comportement de recherche de nicotine peut également être bloqué par l’augmentation aigüe du tonus endocannabinoïde (eCB). Par ailleurs, les essais cliniques suggèrent que le traitement chronique avec l’antagoniste des récepteurs CB1 produit des effets secondaires liés à l’état émotionnel des fumeurs abstinents. Ces résultats indiquent clairement, que l’utilisation optimale de la pharmacologie cannabinoïde pour le traitement chronique du sevrage tabagique reste compliquée et encore mal maitrisée. Le but de ce travail de thèse était d’abord de préciser le rôle des récepteurs CB1 dans le contrôle aigu des propriétés addictives de la nicotine, puis de déterminer le rôle de l’AEA dans le contrôle à long terme des propriétés incitatives de la nicotine. L’hypothèse générale était que la prise volontaire de nicotine, puis le traitement chronique avec un inhibiteur de la FAAH, produiraient une augmentation de l’AEA persistante chez le rat abstinent. Celle-ci aurait 2 conséquences : d’une part la réduction du comportement de recherche de nicotine, et d’autre part le développement d’un état anxieux généralisé indépendant de la transmission via les récepteurs CB1. Pour tester cette hypothèse, des rats ont été exposés à l’auto-administration intraveineuse de nicotine pendant 8 semaines puis mis en abstinence pendant 8 semaines. Pendant cette seconde période, les animaux ont été injectés quotidiennement avec un inhibiteur de la FAAH et nous avons caractérisé le comportement de recherche de nicotine et l’état émotionnel de ces rats. Les résultats ont d’abord montré une grande variabilité inter-individuelle dans la prise volontaire de nicotine, nous avons pu identifier des rats à faible consommation (« low consumers ») et des rats à forte consommation (« high consumers »). Il semble que l’inhibition chronique de la FAAH bloque significativement la rechute induite par la drogue et par les stimuli environnementaux chez les « low consumers » abstinents, et reste sans conséquence sur l’état émotionnel des rats. En revanche chez les « high consumers », l’inhibition de la FAAH bloque uniquement la rechute induite par la nicotine et ces animaux restent sensibles aux effets précipitants des stimuli environnementaux. Par ailleurs, ils développent un état anxieux modéré qui n’est pas bloqué par le traitement avec un antagoniste des récepteurs CB1. Ces données suggèrent donc que chez les « high consumers » abstinents, il existe un excès d’AEA qui cible des circuits différents pour moduler les propriétés incitatrices de la nicotine et l’anxiété. En conclusion, cette étude montre que l’inhibiteur de FAAH pourrait être un outil thérapeutique adapté au traitement de l’addiction à la nicotine si l’on prend en compte la variabilité inter-individuelle rencontrée dans la consommation abusive de nicotine. / The endogenous cannabinoid system, also called the endocannabinoid system (ECS), comprises two principal neurotransmitters: anandamide (AEA) and 2-arachidonoylglycerol (2-AG), whose specific degradation enzymes are fatty acid amide hydrolase (FAAH) and monoacylglycerol lipase (MAGL), respectively. Both AEA and 2-AG bind to cannabinoid type 1 (CB1) and cannabinoid type 2 (CB2) receptors. The ECS is a key element for the expression of both natural and pharmacological reward processes, including nicotine reward. However, the biphasic and complex nature of the ECS renders it a difficult system to study. For example, although acute blockade of CB1 receptors reduces the reinforcing and incentive properties of nicotine, it has also been demonstrated that an acute increase of AEA (CB1 agonist) blocks nicotine-seeking behavior. The aim of the present work is twofold: first, to better characterize the neural substrates through which CB1 receptors regulate the voluntary intake of nicotine; and second, to determine the effect of a chronic increase of AEA tone in nicotine-abstinent rats on i) their persistent motivation for nicotine and ii) their affective phenotype. The hypothesis tested here is that chronic treatment with a FAAH inhibitor after chronic exposure to nicotine will induce a large and persistent increase of AEA during a period of nicotine abstinence. Subsequently, high levels of AEA would reduce the incentive properties of nicotine and nicotine-related stimuli, thus reducing nicotine seeking, and it would also promote high levels of anxiety which might be CB1-independent. In order to test this hypothesis, rats were exposed to nicotine (60 µg/kg/0.1 ml) intravenous self-administration (IVSA) for 8 weeks, after which they remained nicotine-free until the end of the experiment. During the period of abstinence, animals were injected daily with a FAAH inhibitor for 8 weeks (URB597, 0.3 mg/kg i.p.), and both their motivation for nicotine and their affective profile were assessed. Animals were classified into “low consumers” and “high consumers” since a high degree of inter-individual variability was observed in the total amount of nicotine taken over the 8-week IVSA period. We show that in the “low consumers”, chronic FAAH inhibition dramatically reduces nicotine seeking behavior and cue-related incentive salience, and does not induce anxiety-related side-effects during abstinence. In the “high consumers”, however, chronic FAAH inhibition reduces nicotine seeking but not cue-related incentive salience, and causes an increase in anxiety-like behaviors that are not blocked by a CB1 receptor antagonist. These data suggest that in the population of “high consumers”, the effects of increased AEA tone on motivation and anxiety might be mediated by different neuronal circuits. In conclusion, this study demonstrates the potential of chronic FAAH inhibition as an important therapeutic tool for the treatment of nicotine addiction in subjects with a moderate nicotine intake.

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La prise volontaire de nicotine augmente l'excitabilité de la voie ILCx-BNST, entraînant une hyperactivité des neurones DA de l’ATV. Dans une première partie, l'objectif était d’étudier les neuroadaptations de la voie ILCx-BNST induites par l'auto-administration intraveineuse (AAIV) de nicotine. Les récepteurs cannabinoides CB1 contrôlent les propriétés renforçantes de la nicotine. Par conséquent, nous avons examiné le rôle des récepteurs CB1 du BNST. Nous montrons que l'acquisition de l’AAIV de nicotine est associée à une facilitation persistante de l'induction d’une potentialisation à long terme (LTP) CB1-dépendantes des synapses ILCx-BNST. La stimulation électrique du ILCx favorise également la persistance du comportement de recherche de nicotine pendant les périodes où la drogue n'est pas disponible. En outre, en utilisant la pharmacologie intra-BNST, nous montrons que la stimulation des récepteurs CB1 du BNST au cours de l’acquisition de lAAIV augmente la sensibilité aux stimuli associés à la nicotine. L’idée qu’il existe un appétit incontrôlable pour les aliments palatables, en dépit des conséquences négatives. Dans une seconde partie, notre projet a porté sur le rôle des neurones dopaminergiques (DA) de l’ATV dans la perception d’un stimulus aversif chez l’animal exposé au sucrose. Nos résultats indiquent que le sucrose augmente l'activité spontanée des neurones DA de la VTA. En outre, si un choc électrique provoque une inhibition presque complète de l'activité de VTA neurones DA chez les rats témoins, le sucrose perturbe la signalisation d'un stimulus aversif, indépendamment de l’état calorique du rat. / Learning mechanisms associated with active responding for nicotine enhanced the excitability of the ILCx-BNST pathway. The objective of this project was to better understand the involvement of the ILCx-BNST pathway in nicotine self-administration. Since the endocannabinoid system controls nicotine reinforcement and nicotine-induced synaptic modifications, we examined the role of CB1 receptors in the BNST. We showed that acquisition of nicotine IVSA was associated with a persistent facilitation of LTP induction at ILCx-BNST synapses. Behaviorally, electrical stimulation temporarily increased excessive responding to nicotine when nicotine was not available. Moreover, using intra-BNST pharmacology, we revealed that stimulation of BNST CB1 receptors enhanced sensitivity to nicotine-paired cue. In contrast, after a prolonged history of nicotine intake, it blocked drug-seeking in a reinstatement model of relapse. Drug addiction is partly due to the inability to stop using despite negative consequences. The hypothesis that palatable food induces similar uncontrolled consumption is becoming more widespread. As drug addiction is known to increases activity of VTA DA neurons, we aimed to examine whether exposure to sucrose would induce similar neuronal modifications and impair the capacity to respond to an aversive stimulus. We found that sucrose enhanced spontaneous activity of DA VTA neurons. In addition, while a footshock caused a nearly complete inhibition of activity of VTA DA neurons in control rats, sucrose disrupted signaling of an aversive stimulus. These modifications were independent from the caloric state of the rats.