कोकेन औषधगतिकी में न्यूरोट्रांसमीटर के जटिल संबंध शामिल हैं (चूहों में मोनोअमिन सेवन को सेरोटोनिन:डोपामिन = 2:3, सेरोटोनिन:नोरेपिनेफ्राइन = 2:5 के अनुपात के साथ सीमित करते हुए) कोकेन का केंद्रीय तंत्रिका तंत्र पर सबसे अधिक गहन अध्ययन किया गया असर है डोपामिन ट्रांसपोर्टर प्रोटीन की रुकावट. तंत्रिका संकेत के दौरान जारी डोपामिन ट्रांसमिटर आमतौर पर ट्रांसपोर्टर के माध्यम से नवीनीकृत होता है, यानी, ट्रांसपोर्टर ट्रांसमिटर को बांधता है और उसे सिनेप्टिक फांक से बाहर करते हुए वापस प्रीसिनेप्टिक न्यूरॉन में भेज देता देता है, जहां इसे भंडारण पुटिका में ले लिया जाता है। कोकेन, डोपामिन ट्रांसपोर्टर पर कसकर बांधता है और एक संकुल बनाता है जो ट्रांसपोर्टर के कार्यों को ब्लॉक करता है। डोपामिन ट्रांसपोर्टर अब पुनः सेवन का अपना कार्य नहीं कर सकता और इस तरह डोपामिन, सिनेप्टिक फांक में जमा हो जाता है। इससे प्राप्त होते न्यूरॉन पर डोपामिन रिसेप्टर्स पर डोपामिनर्जिक संकेतन के सिनेप्टिक पश्चात के प्रभाव बढ़ते हैं और लंबे समय तक रहते हैं। लंबे समय तक कोकेन का संपर्क, जैसा कि आदी हो जाने के मामले में होता है, डोपामिन रिसेप्टर्स और वर्धित संकेत ट्रांसडक्शन के डाउन-रेग्युलेशन के माध्यम से, सामान्य डोपामिनर्जिक संकेतन के होमियोस्टैटिक डिसरेग्युलेशन (अर्थात कोकेन के बिना) को प्रेरित करता है। कोकेन इस्तेमाल की पुरानी लत के बाद न्यून डोपामिनर्जिक संकेत, अवसादग्रस्तता जैसे विकारों को उत्पन्न कर सकते हैं और कोकेन के इस मजबूत प्रभाव के प्रति मस्तिष्क के इस महत्वपूर्ण इनाम सर्किट को संवेदनशील बना सकते हैं (उदाहरण के लिए, वर्धित डोपामिनर्जिक संकेतन सिर्फ तभी जब कोकेन स्वयं लिया गया हो)। यह संवेदनशीलता, लत की दुःसाध्य प्रकृति और पुनः पतन को प्रेरित करती है।

डोपामिन संपन्न मस्तिष्क क्षेत्र, जैसे वेंट्रल टेगमेंटल क्षेत्र, नाभिक एकम्बेंस और अग्र प्रांतस्था, कोकेन लत के अनुसंधान के अक्सर लक्ष्य रहे हैं। वह मार्ग खास रुचि का है जो वेंट्रल टेगमेंटल क्षेत्र में उत्पन्न डोपामिनर्जिक न्यूरॉन्स से बना है और जो नाभिक एकम्बेंस में समाप्त हो जाता है। यह प्रक्षेपण "इनाम सेंटर" के रूप में कार्य कर सकता है, इस मायने में कि यह भोजन या मैथुन जैसे प्राकृतिक पुरस्कार के अलावा कोकेन जैसे बुरे ड्रग की प्रतिक्रिया में सक्रियता दिखाता है। जबकि इनाम के व्यक्तिपरक अनुभव में डोपामिन की सटीक भूमिका तंत्रिका वैज्ञानिकों के बीच बेहद विवादास्पद है, नाभिक एकम्बेंस में डोपामिन के निकलने को व्यापक रूप से कोकेन के शानदार प्रभावों के लिए कम से कम आंशिक रूप से जिम्मेदार माना जाता है। यह परिकल्पना मुख्यतः प्रयोगशाला के आंकड़ों पर आधारित हैं जिसमें कोकेन का खुद सेवन करने वाले प्रशिक्षित चूहे शामिल हैं। यदि डोपामिन प्रतिरोधी को सीधे नाभिक एकम्बेंस में संचारित किया जाता है तो अच्छी तरह से प्रशिक्षित चूहे जो स्वयं कोकेन खाते हैं, विलुप्त हो जायेंगे (अर्थात् शुरू में प्रतिक्रिया में वृद्धि सिर्फ पूरी तरह से रुकने के लिए) इस प्रकार यह संकेत देते हैं कि कोकेन, ड्रग-मांग के व्यवहार को सहारा (यानी पुरस्कृत) नहीं देता है।

सेरोटोनिन पर कोकेन प्रभाव (5-हाइड्रोक्सीट्रिप्टामिन, 5-HT) एकाधिक सेरोटोनिन रिसेप्टर्स दिखाता है और इसे 5-HT3 के पुनः सेवन को रोकते हुए दिखाया गया है, विशेष रूप से कोकेन के प्रभावों में एक महत्वपूर्ण योगदानकर्ता के रूप में. कोकेन में 5-HT3 रिसेप्टर्स की अधिकता ने चूहों को इस विशेषता का प्रदर्शन करने के लिए अनुकूलित किया, तथापि इस प्रक्रिया में 5-HT3 का सही प्रभाव अस्पष्ट है। 5-HT2 रिसेप्टर (विशेष रूप से उप-प्रकार 5-HT2AR, 5-HT2BR और 5-HT2CR) कोकेन सेवन में प्रदर्शित अति-सक्रियता को उत्पन्न करने में प्रभाव दिखाते हैं।

ऊपर चार्ट में प्रदर्शित क्रियाविधि के अलावा, कोकेन को खुली बाह्य-अभिमुख संरचना पर DAT ट्रांसपोर्टर को सीधे स्थिर करते हुए बांधते हुए दिखाया गया है जबकि दूसरे उत्तेजक (यानी फेनीथाइलअमीन) बंद संरचना को स्थिर करते हैं। इसके अलावा, कोकेन इस तरह से बांधता है ताकि DAT में अन्तर्जात हाइड्रोजन बन्धन को रोका जा सके, जो अन्यथा तब भी बनता है जब एम्फ़ैटेमिन और इसी प्रकार के अणु बद्ध होते हैं। कोकेन का बाध्यकारी गुण ऐसा है कि यह जुड़ जाता है ताकि यह हाइड्रोजन बांड ना हो और इसे कोकेन अणु के कसकर बंद उन्मुखीकरण के कारण निर्माण से अवरुद्ध कर दिया जाता है। अनुसंधान अध्ययनों से पता चलता है कि ट्रांसपोर्टर के लिए संबंध वह नहीं है जो पदार्थ के आदि हो जाने में शामिल है, बल्कि संरचना और बाध्य गुण हैं कि कब और कहां ट्रांसपोर्टर पर अणु बंधते हैं।

सिग्मा रिसेप्टर कोकेन से प्रभावित होते हैं, चूंकि कोकीन, सिग्मा लिगेंड प्रचालक पेशी के रूप में कार्य करता है। इसके अलावा विशिष्ट रिसेप्टर्स जिन पर इसे कार्य करते हुए दिखाया गया है, NMDA और D1 डोपामिन रिसेप्टर हैं।

कोकेन सोडियम चैनल को भी ब्लॉक करता है, जिससे कार्य क्षमता के प्रचार के साथ हस्तक्षेप करता है; इस प्रकार, लिग्नोकेन और नोवोकेन की तरह, यह एक स्थानीय चेतनाशून्य करनेवाली औषधि के रूप में कार्य करता है। यह डोपामिन और सिरोटोनिन सोडियम आधारित वाहक क्षेत्रों को लक्ष्य बनाते हुए, उन वाहकों के पुनः उद्ग्रहण से अलग तंत्र के रूप में योजक स्थलों पर क्रिया करता है; अपने स्थानीय चेतनाशून्य करनेवाली औषधि की अद्वितीय उपयोगिता के कारण, वह अपनी ही व्युत्पत्ति फ़ीनाइलट्रोपेन्स अनुरूप, जिसमें उन्हें हटा दिया जाता है, तथा एम्फ़ैटमीन वर्ग के उत्तेजक, जहां उनका पूरा अभाव है, दोनों से अलग कार्यशीलता की श्रेणी में है। इसके अलावा, कोकेन के, कप्पा-ओपीओड ग्राही स्थल पर भी कुछ बाध्यकारी लक्ष्य हैं। कोकेन, वाहिकासंकीर्णन का भी कारण बनता है, इस प्रकार लघु शल्यचिकित्सा की प्रक्रियाओं के दौरान रक्त बहाव को कम करता है। गति को बढ़ाने के कोकेन के गुणों का श्रेय इसके सब्सटानशिया नाइग्रा से डोपामिनर्जिक संचरण की वृद्धि को दिया जा सकता है। हाल के शोध कोकेन के प्रभावों में सर्कैडियन तंत्र और क्लॉक जीन की एक महत्वपूर्ण भूमिका को इंगित करते हैं।

चूंकि निकोटीन दिमाग में डोपामिन के स्तर को बढ़ा देता है, कोकेन का सेवन करने वाले कई लोग यह महसूस करते हैं कि कोकीन प्रयोग के समय तंबाकू उत्पादों का उपयोग उन्मादोत्साह को बढ़ाता है। इस तरीके के तथापि, अवांछनीय परिणाम हो सकते हैं, जैसे कोकेन के इस्तेमाल के दौरान बेकाबू सतत धूम्रपान (जो उपयोगकर्ता सामान्य रूप से सिगरेट नहीं पीते हैं वे भी कोकेन के उपयोग के दौरान सतत धूम्रपान करने के लिए जाने जाते हैं), जो तंबाकू की वजह से स्वास्थ्य पर हानिकारक प्रभावों और हृदय प्रणाली पर अतिरिक्त ज़ोर के अलावा होता है।

चिड़चिड़ेपन, मूड गड़बड़ी, बेचैनी, व्यामोह और श्रवण मतिभ्रम के अलावा, कोकेन का सेवन कई खतरनाक शारीरिक स्थितियों को जन्म दे सकता है। यह हृदय गति और दिल के दौरे में गड़बड़ी पैदा कर सकता है और साथ ही साथ सीने में दर्द या सांस को तोड़ सकता है। इसके अलावा, भारी उपयोगकर्ताओं में पक्षाघात, दौरा और सिर दर्द आम है।

कोकेन अक्सर भोजन की खुराक को कम कर देता है, कई पुराने उपयोगकर्ताओं की भूख खो जाती है और गंभीर कुपोषण और वजन में घटाव का अनुभव कर सकते हैं। इसके अलावा कोकेन के प्रभाव में, उपयोगकर्ता के लिए वृद्धि देखी जाती है, जब नए परिवेश और उत्तेजनाओं के साथ संयोजित रूप से इस्तेमाल किया जाता है, दूसरे शब्दों में नए माहौल में.

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