Summarize this: Because atrophy of cortical neurons is believed to be a contributing factor to the development of mood and anxiety disorders (Christoffel et al., 2011, Duman and Aghajanian, 2012), we first treated cultured cortical neurons with psychedelics from a variety of structural classes (Figures 1A and S1A) and measured the resulting changes in various morphological features. Using Sholl analysis (Ristanović et al., 2006), we observed that several psychedelics increased dendritic arbor complexity comparably to ketamine, as measured by the area under the curve of the Sholl plots as well as the maximum number of crossings (Figures 1B–1E and S1B–S1E). This increase in arbor complexity appeared to result from large changes in both the number of dendritic branches and the total length of the arbors (Figures 1F, 1H, S1F, and S1H). Psychedelics had a limited effect on the number of primary dendrites and did not alter the length of the longest dendrite. Nearly all psychedelic compounds tested were capable of robustly promoting neuritogenesis, with comparable effects being produced by tryptamines (N,N-dimethyltryptamine [DMT] and psilocin), amphetamines (2,5-dimethoxy-4-iodoamphetamine [DOI] and MDMA), and ergolines (lysergic acid diethylamide [LSD]). As a positive control, we treated cells with 7,8-dihydroxyflavone (DHF), a psychoplastogen structurally dissimilar to classical psychedelics (Jang et al., 2010), and found that it also increased dendritic arbor complexity (Figure S2). This neurite outgrowth structural phenotype seems to only be induced by select compounds because serotonin and D-amphetamine, molecules that are chemically related to classical psychedelics and entactogens, exerted minimal to no effects on neuritogenesis (Figure S2).
To establish the relative potencies and efficacies of hallucinogens and entactogens for promoting neurite outgrowth, we conducted 8-point dose-response studies (Figure S3). We defined 100% and 0% efficacy as the maximum number of crossings induced by ketamine (10 μM) and vehicle (0.1% DMSO), respectively. We chose the 10 μM concentration of ketamine as the upper limit because this concentration of ketamine is reached in the brain following intraperitoneal administration of an antidepressant dose in rats (Yang et al., 2018). For consistency, we used this same concentration when testing the effects of psychedelics and entactogens, with DMT being the only exception. We used a maximum 90 μM concentration of DMT in our studies to more closely mimic the brain concentration of DMT in rats treated with an antidepressant dose (Cohen and Vogel, 1972, Cameron et al., 2018). In this neuritogenesis assay, ketamine’s half maximal effective concentration (EC50) value was 132 nM. Surprisingly, the majority of the psychedelics and entactogens we tested exhibited significantly greater potency than ketamine, with LSD being particularly potent (EC50 = 0.409 nM). In fact, LSD exhibited activity across 8 orders of magnitude into the low picomolar range (Figure S3).
Notably, the anti-addictive alkaloid ibogaine (Alper, 2001, Belgers et al., 2016) was the only psychedelic tested that had absolutely no effect (Figure S4). This was a surprising result because we hypothesized that ibogaine’s long-lasting anti-addictive properties might result from its psychoplastogenic properties. Previous work by He et al., 2005 clearly demonstrated that ibogaine increases the expression of glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) and that this plasticity-promoting protein is critical to ibogaine’s anti-addictive mechanism of action. Because several reports have suggested that noribogaine, a metabolite of ibogaine, might actually be the active compound in vivo (Zubaran et al., 1999, Baumann et al., 2000, Baumann et al., 2001), we decided to test its ability to promote neuritogenesis in cultured cortical neurons. Gratifyingly, noribogaine robustly increased dendritic arbor complexity with an EC50 value comparable to ketamine (Figure S3), providing additional evidence suggesting that it may be the active compound in vivo.
To assess the in vivo effects of classical psychedelics on neuritogenesis, we started treating Drosophila larvae during the first instar with LSD and DOI. As observed in rodent cortical cultures, both LSD and DOI significantly increased dendritic branching of class I sensory neurons; however, they did not increase the total length of the dendritic arbors (Figures 1J–1L). Because of the striking effects of psychedelics on the structures of immature neurons, we hypothesized that they might influence neurodevelopment. To test this, we chronically treated zebrafish embryos with compounds for 6 days immediately following dechorionation and assessed gross morphological changes and behavior. We did not observe any differences in head sizes between the treatment groups, nor did we detect any statistically significant differences in activity levels (Figure S5). Next we assessed the ability of psychedelics to promote neuritogenesis in more mature neurons by starting to treat Drosophila larvae during the late second instar. Again, psychedelics increased the branching of class I neurons, although the effect was less dramatic than that observed when treatment was started during the first instar (Figure 1M–1O). Although different developmental stages might be more or less susceptible to the effects of psychedelics, it is also possible that the smaller effect size observed after administering compounds starting at the later time point was simply the result of treating the larvae for a shorter period of time. Regardless, it was quite surprising to observe compound-induced changes in neuronal structure after initiating treatment during the late second instar because class I neurons are stereotyped and typically possess relatively few higher-order branches (Grueber et al., 2002). Moreover, our results demonstrate that psychedelics can promote changes in neuronal structure across vertebrate (rats) and invertebrate (Drosophila) species, suggesting that they act through an evolutionarily conserved mechanism.
이것을 요약합니다: 피질 뉴런의 위축은 기분 및 불안 장애의 발병에 기여하는 요인으로 여겨지기 때문에 (Christoffel et al., 2011, Duman and Aghajanian, 2012), 우리는 먼저 배양 된 피질 뉴런을 다양한 구조 클래스의 환각제로 처리하고 (그림 1A 및 S1A) 다양한 형태 학적 특징의 결과 변화를 측정했습니다. 숄 분석(Ristanović 외., 2006)을 사용하여 여러 환각제가 케타민에 비해 수지상 아버의 복잡성을 증가시키는 것을 관찰했는데, 이는 숄 플롯의 곡선 아래 면적과 최대 교차 횟수로 측정되었습니다(그림 1B-1E 및 S1B-S1E). 이러한 아버의 복잡성 증가는 수상돌기 가지의 수와 아버의 총 길이가 모두 크게 변화했기 때문인 것으로 보입니다(그림 1F, 1H, S1F 및 S1H). 환각제는 일차 수상돌기의 수에 제한적인 영향을 미쳤으며 가장 긴 수상돌기의 길이에는 영향을 미치지 않았습니다. 테스트한 거의 모든 환각 화합물은 신경 생성을 강력하게 촉진할 수 있었으며, 트립타민(N,N-디메틸트립타민[DMT] 및 실로신), 암페타민(2,5-디메톡시-4-아이오도암페타민[DOI] 및 MDMA), 에르고라인(리세르산 디에틸아마이드[LSD])이 비슷한 효과를 나타냈습니다. 양성 대조군으로 고전적인 환각제와 구조적으로 다른 향정신성 물질인 7,8-디하이드록시플라본(DHF)으로 세포를 처리한 결과(장 등, 2010), 이 물질도 수지상 수상돌기 복잡성을 증가시키는 것으로 나타났습니다(그림 S2). 이러한 신경돌기의 구조적 표현형은 고전적인 환각제 및 엔택토겐과 화학적으로 관련된 분자인 세로토닌과 D-암페타민이 신경 발생에 미치는 영향이 미미하거나 전혀 없었기 때문에 일부 화합물에 의해서만 유도되는 것으로 보입니다(그림 S2).신경세포의 성장을 촉진하는 환각제와 엔택토겐의 상대적인 효능과 효과를 확인하기 위해 8점 용량-반응 연구를 수행했습니다(그림 S3). 케타민(10μM)과 차량(0.1% DMSO)에 의해 유도된 최대 교차 횟수를 각각 100%와 0%의 효능으로 정의했습니다. 10 μM 농도의 케타민을 상한으로 선택한 이유는 이 농도의 케타민이 쥐의 복강 내 항우울제 투여 후 뇌에 도달하기 때문입니다(Yang et al., 2018). 일관성을 위해 환각제 및 엔택토겐의 효과를 테스트할 때도 동일한 농도를 사용했으며, DMT는 유일하게 예외였습니다. 항우울제를 투여한 쥐의 뇌 농도를 보다 유사하게 모방하기 위해 연구에서 최대 90μM 농도의 DMT를 사용했습니다(Cohen and Vogel, 1972, Cameron et al., 2018). 이 신경 생성 분석에서 케타민의 절반 최대 유효 농도(EC50) 값은 132 nM이었습니다. 놀랍게도 우리가 테스트한 대부분의 환각제 및 엔택토겐은 케타민보다 훨씬 더 강력한 효능을 보였으며, 특히 LSD가 가장 강력한 효능을 보였습니다(EC50 = 0.409 nM). 실제로 LSD는 낮은 피코몰라 범위까지 8배에 달하는 활성을 나타냈습니다(그림 S3).특히, 항중독성 알칼로이드인 이보가인(Alper, 2001, Belgers et al., 2016)은 테스트한 환각제 중 유일하게 효과가 전혀 없었습니다(그림 S4). 이보게인의 오래 지속되는 항중독 특성이 이보게인의 정신 형성 특성에서 비롯된 것일 수 있다는 가설을 세웠기 때문에 이는 놀라운 결과였습니다. He 등(2005)의 이전 연구에서는 이보게인이 아교세포주 유래 신경 영양 인자(GDNF)의 발현을 증가시키고 이 가소성 촉진 단백질이 이보게인의 항중독 작용 메커니즘에 중요하다는 것을 분명히 보여주었습니다. 이보게인의 대사산물인 노리보게인이 실제로 생체 내에서 활성 화합물일 수 있다는 여러 보고서(주바란 외, 1999, 바우만 외, 2000, 바우만 외, 2001)가 있기 때문에 배양된 피질 신경세포에서 신경 형성을 촉진하는 능력을 테스트하기로 결정했습니다. 다행히도 노리보게인은 케타민에 필적하는 EC50 값으로 수지상세포의 복잡성을 강력하게 증가시켰으며(그림 S3), 이는 생체 내 활성 화합물일 수 있음을 시사하는 추가적인 증거를 제공합니다.고전적인 환각제가 신경 형성에 미치는 생체 내 영향을 평가하기 위해, 우리는 초파리 유충을 첫 번째 유충기에 LSD와 DOI로 처리하기 시작했습니다. 설치류 피질 배양에서 관찰된 바와 같이, LSD와 DOI는 모두 1급 감각 뉴런의 수상돌기 분지를 유의하게 증가시켰지만, 수상돌기의 전체 길이를 증가시키지는 않았습니다(그림 1J-1L). 미성숙 뉴런의 구조에 대한 환각제의 놀라운 효과로 인해 우리는 환각제가 신경 발달에 영향을 미칠 수 있다는 가설을 세웠습니다. 이를 테스트하기 위해 제브라피쉬 배아에 탈분열 직후 6일 동안 화합물을 만성적으로 처리하고 총 형태학적 변화와 행동을 평가했습니다. 처리 그룹 간에 머리 크기에는 차이가 없었으며, 활동 수준에서도 통계적으로 유의미한 차이를 발견하지 못했습니다(그림 S5). 다음으로 우리는 p