La codifica del tatto mediante suddivisioni della colonna dorsale allineate somatotopicamente

May 21, 2023

Natura volume 612, pagine 310–315 (2022)Citare questo articolo

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Il sistema somatosensoriale decodifica una serie di stimoli tattili per generare un senso del tatto coerente. Il tocco discriminativo del corpo dipende dai segnali trasmessi dai meccanorecettori periferici al cervello attraverso la colonna dorsale del midollo spinale e il suo bersaglio nel tronco encefalico, i nuclei della colonna dorsale (DCN)1,2. I modelli di somatosensazione sottolineano che i meccanorecettori a bassa soglia (LTMR) a conduzione rapida che innervano la pelle guidano il DCN3,4. Tuttavia, i neuroni della colonna dorsale postsinaptica (PSDC) all'interno del corno dorsale del midollo spinale raccolgono anche i segnali dei meccanorecettori e formano un secondo input principale al DCN5,6,7. Il significato dei neuroni PSDC e il loro contributo alla codifica del tatto sono rimasti poco chiari sin dalla loro scoperta. Qui mostriamo che l'input diretto LTMR al DCN trasmette stimoli vibrotattili con elevata precisione temporale. Al contrario, i neuroni PSDC codificano principalmente l’inizio del tocco e l’intensità del contatto prolungato nella gamma della forza elevata. I segnali LTMR e PSDC si riallineano topograficamente nella DCN per preservare dettagli spaziali precisi. Diversi sottotipi di neuroni DCN hanno risposte specializzate generate da combinazioni distinte di input LTMR e PSDC. Pertanto, le suddivisioni LTMR e PSDC della colonna dorsale codificano diverse caratteristiche tattili e convergono differenzialmente nel DCN per generare specifici flussi di elaborazione sensoriale ascendente.

Gli LTMR a conduzione rapida (Aβ-LTMR) rilevano le forze meccaniche leggere che agiscono sulla pelle e mediano il tocco discriminativo8,9,10,11. I segnali Aβ-LTMR vengono rapidamente trasportati dalla periferia e i loro assoni salgono lungo la colonna dorsale del midollo spinale e contattano direttamente il DCN del tronco encefalico. Dal DCN, le informazioni meccanosensoriali vengono trasmesse a più target nelle regioni cerebrali superiori. La maggior parte delle informazioni sensoriali viene trasmessa dal DCN alla corteccia somatosensoriale attraverso una proiezione prominente al talamo somatosensoriale ventrale posterolaterale (VPL) per la percezione cosciente del tatto. Una popolazione separata e meno conosciuta di neuroni DCN trasmette informazioni tattili alla corteccia esterna del collicolo inferiore (IC)12,13. In questa regione del cervello l'informazione viene integrata e contestualizzata con l'informazione uditiva. Altre popolazioni di neuroni DCN proiettano al sistema olivocerebellare14,15 per coordinare l'adattamento motorio. I neuroni DCN possono anche proiettare ai nuclei talamici secondari16 coinvolti nello stato affettivo, al midollo spinale e al grigio periacqueduttale14,16. Pertanto, il DCN è un condotto di segnali meccanosensoriali in entrata e collega ampiamente i meccanorecettori nella periferia a diverse aree principali del cervello17.

La codifica somatosensoriale nei neuroni DCN è eterogenea18,19,20,21, ma il modo in cui i segnali tattili sono organizzati all'interno del DCN e distribuiti ai bersagli a valle rimane sconosciuto. Utilizzando i topi, abbiamo cercato di determinare come le rappresentazioni sensoriali degli arti posteriori siano codificate in questa fase iniziale della gerarchia somatosensoriale. Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo registrato selettivamente i sottotipi di neuroni nel DCN (il nucleo gracile; Dati estesi Fig. 1) nei topi utilizzando l'attivazione antidromica e il tagging optogenetico.

Diversi tipi di neuroni DCN codificavano aspetti distinti degli stimoli meccanosensoriali adatti ai loro obiettivi di proiezione. I neuroni di proiezione VPL (VPL-PN) sono il tipo cellulare più abbondante nella DCN, superando in numero i neuroni di proiezione IC (IC-PN) e gli interneuroni inibitori locali (VGAT-IN) con una proporzione stimata di VPL-PN:IC-PN:VGAT -IN di 2:1:1 (rif. 13). I VPL-PN avevano piccoli campi recettivi eccitatori con ampie regioni di soppressione surround (Fig. 1a-c,pq). Questi VPL-PN potrebbero sottoporre il loro fuoco a vibrazioni meccaniche; tuttavia, per la maggior parte, questo trascinamento era limitato a una gamma ristretta di frequenze inferiori a 150 Hz (Fig. 1c,d). I neuroni DCN che proiettano all'IC potrebbero essere classificati in diversi sottogruppi (Dati estesi, Fig. 2), ma più comunemente avevano campi recettivi ampi ed esclusivamente eccitatori che includevano l'intero arto posteriore (Fig. 1f-h, p). A differenza dei VPL-PN, la maggior parte degli IC-PN potrebbe trasmettere la propria accensione alla vibrazione meccanica attraverso un'ampia gamma di frequenze (Fig. 1h-i). La vibrazione degli arti posteriori evocava potenziali d'azione temporizzati con precisione che erano trascinati e bloccati in fase in vibrazioni che variavano da 10 Hz fino a 500 Hz, la frequenza più alta testata. Pertanto, i neuroni che proiettano al VPL sono sintonizzati per trasmettere informazioni spaziali finemente dettagliate. Al contrario, i neuroni che proiettano all’IC codificano scarsamente i dettagli spaziali e sono più adatti a codificare un’ampia gamma di vibrazioni meccaniche che possono essere correlate con gli stimoli uditivi. I VGAT-IN avevano un'ampia gamma di dimensioni del campo recettivo, mancavano di bordi inibitori e, a differenza dei PN, in genere mancavano di attivazione spontanea (Fig. 1k-n,p-r). Tutti e tre i tipi di cellule DCN si sono rapidamente adattati alle rientranze dei gradini a basse forze (Fig. 1e,j,o). In contrasto con altri tipi di cellule, i VPL-PN codificavano in modo più affidabile la fase statica di indentazione sostenuta ad alta forza, sostanzialmente al di sopra delle forze alle quali gli Aβ-LTMR ad adattamento rapido e ad adattamento lento si stabilizzano22,23,24,25 (Fig. 1e).