Elaborazione nocicettiva distinta nelle regioni disgranulari e a botte della corteccia somatosensoriale del topo

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3622 (2022) Citare questo articolo

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La nocicezione, un aspetto somatico discriminativo del dolore, è, come il tatto, rappresentato nella corteccia somatosensoriale primaria (S1), ma la separazione e l'interazione delle due modalità all'interno di S1 ​​rimangono poco chiare. Qui, mostriamo un'elaborazione tattile e nocicettiva spazialmente distinta nel campo del barile granulare (BF) e nella regione disgranulare adiacente (Dys) nel topo S1. Registrazioni simultanee dell'attività multiunità attraverso le sottoregioni hanno rivelato che i neuroni Dys sono più reattivi agli input nocivi, mentre i neuroni BF preferiscono l'input tattile. A livello del singolo neurone, l'informazione nocicettiva è rappresentata separatamente dall'informazione tattile nello strato Dys 2/3. Al contrario, entrambe le modalità sembrano convergere sui singoli neuroni dello strato 5 di ciascuna regione, ma in misura diversa. Nel complesso, questi risultati mostrano un'elaborazione specifica dello strato delle informazioni nocicettive e tattili tra Dys e BF. Abbiamo inoltre dimostrato che l'attività di Dys, ma non l'attività di BF, è coinvolta in modo critico nel comportamento simile al dolore. Questi risultati forniscono nuove informazioni sul ruolo dell’elaborazione del dolore in S1.

La corteccia somatosensoriale primaria (S1) svolge un ruolo centrale nell'elaborazione delle informazioni tattili1. La rappresentazione tattile in S1 è organizzata in modo ordinato in modo somatotopico2. D'altra parte, S1 è responsabile degli aspetti somatici discriminativi dell'elaborazione del dolore, come la localizzazione, l'intensità e la qualità del dolore3,4,5,6,7,8,9,10. S1 riceve informazioni nocicettive talamocorticali11 e le trasmette ad altre aree corticali correlate al dolore, come la corteccia cingolata anteriore, che è responsabile degli aspetti affettivi del dolore12,13. S1 modula anche gli input nocivi attraverso le vie corticotrigeminale14 e corticospinale15 in condizioni di dolore sia acuto che cronico. Pertanto, S1 può essere visto come un hub della rete di elaborazione del dolore e un obiettivo per gli interventi per il controllo del dolore. Tuttavia, non è chiaro come S1 elabori distintamente le informazioni nocicettive e le informazioni tattili somatiche.

Il topo S1 è diviso in due sottoregioni in base alla sua citoarchitettura: la regione granulare nota come campo barile (BF), identificata da gruppi unici di neuroni dello strato (L4), e la regione disgranulare adiacente (Dys), che ha caratteristiche scarsamente definite. L46,16. Si ritiene che le due sottoregioni siano funzionalmente diverse. Ad esempio, BF è il centro per l'elaborazione degli input tattili provenienti dai baffi17,18,19, mentre Dys riceve input propriocettivi da stimolazioni muscolari profonde o rotazioni articolari20,21. Nella nocicezione, i neuroni del BF negli strati più profondi ricevono input nocivi11,22,23. Allo stesso modo, i neuroni Dys negli strati più profondi rispondono a pizzicotti nocivi e input pruriginosi24,25. Tuttavia, il modo in cui ciascuna sottoregione elabora le informazioni nocicettive con/senza informazioni tattili rimane sconosciuto perché manca un confronto diretto tra le due sottoregioni.

Qui, abbiamo scoperto che le informazioni nocicettive e tattili tendono ad essere rappresentate separatamente rispettivamente in Dys e BF, registrando simultaneamente entrambe le sottoregioni. Dys veniva attivato prevalentemente anche in condizioni di dolore neuropatico prodotto da lesioni dei nervi periferici. Riflettendo la rappresentazione spazialmente distinta della nocicezione, l'inibizione optogenetica dell'attività neuronale di Dys, ma non di BF, ha ridotto il comportamento simile al dolore indotto da input nocivi. Pertanto, abbiamo chiarito un ruolo funzionale distinto nell’elaborazione del dolore nella Disordine, che genera un corretto comportamento di fuga da input nocivi.

Innanzitutto, abbiamo confrontato le proprietà di risposta tra Dys e BF durante stimoli termici nocivi (noxH; 45–50 ° C) applicati a un cuscinetto per baffi (Fig. 1a). Sebbene i setti all'interno di BF appartengano alla regione disgranulare in termini di citoarchitettura, abbiamo designato la zona disgranulare che circonda BF come Dys. Abbiamo registrato attività multiunità (MUA) simultaneamente dai neuroni Dys e BF in L2/3, L4, L5a e L5b. La MUA in Dys aumentava in tutti gli strati registrati quando la temperatura del dispositivo Peltier raggiungeva un intervallo nocivo (45–50 °C), mentre le risposte differivano tra gli strati in BF: la MUA a noxH non aumentava in L2/3 o L4 ma aumentato leggermente in L5a (Fig. 1b). Per valutare la preferenza per noxH, è stato calcolato il rapporto segnale-rumore (S/N; vedere Metodi). La risposta a noxH (etichettata S, regione ombreggiata in beige in Fig. 1b) è stata utilizzata come segnale e la risposta a un intervallo di calore innocuo (33–45 ° C, etichettato N, regione ombreggiata in grigio in Fig. 1b) è stato utilizzato come rumore. I confronti di coppie neurali registrate simultaneamente hanno mostrato che i neuroni Dys sono più reattivi a noxH rispetto ai neuroni BF (Fig. 1c, P = 0,0056 per L2 / 3, 0,0056 per L4 e 0,049 per L5a, n = 8 animali). Confrontando i valori S/N per gli stessi strati tra Dys e BF, il S/N in Dys era significativamente più alto che in BF in L2/3 (P = 0,89 × 10−4, test di confronti multipli, Fig. 1d). All'interno di BF, il S/N era significativamente più alto in L5a che in L2/3 (P = 0,03, Fig. 1d). Questa differenza tra i livelli per le risposte noxH nell'allattamento al seno è coerente con studi precedenti22,23,26. Questa tendenza è stata osservata anche quando la risposta del dispositivo Peltier a temperatura stazionaria (intorno a 30 °C) è stata utilizzata come segnale di rumore per calcolare il rapporto S/N. Insieme, il MUA di Dys ha mostrato una maggiore sensibilità a noxH rispetto a BF (Fig. 1e). Abbiamo anche esaminato l'espressione di c-Fos, un marcatore dell'attività neuronale, nell'area all'interno di S1 ​​che risponde all'input nocivo dopo l'iniezione di capsaicina nel cuscinetto dei baffi (Figura 1a supplementare). Per differenziare tra Dys e BF, abbiamo co-immunocolorato con NeuN e VGluT2, marcatori rispettivamente per neuroni e terminali talamocorticali (Figura 1b supplementare). Il numero di neuroni c-Fos-positivi è aumentato significativamente in L4 di Dys (P = 0,0027) e L5a di BF (P = 0,0249, Figura 1c supplementare). Pertanto, abbiamo confermato che gli input nocivi attivavano gli strati superficiali in Dys e L5a in BF.