Wenn es darum geht, Schmerzen, Berührungen oder Juckreiz zu verspüren, kommt es auf den Ort an

Wenn es darum geht, Schmerzen, Berührungen oder Juckreiz zu verspüren, kommt es auf den Ort an

Die Salk-Forschung ist die erste, die darlegt, wo sich verschiedene Zellen im Rückenmark befinden, die mit der Auslösung sensomotorischer Reflexe verbunden sind

LA JOLLA – Wenn Sie einen heißen Herd berühren, zieht sich Ihre Hand reflexartig zurück; Wenn man auf einer Leiter eine Sprosse übersieht, fängt man sich instinktiv ein. Beide Bewegungen dauern nur den Bruchteil einer Sekunde und erfordern keine Voraussicht. Jetzt haben Forscher am Salk Institute die physische Organisation von Zellen im Rückenmark kartiert, die dabei helfen, diese und ähnliche kritische „sensomotorische Reflexe“ zu vermitteln.

Der neue Entwurf dieses Aspekts des sensomotorischen Systems, online beschrieben in Neuron am 11. November 2020 könnte zu einem besseren Verständnis darüber führen, wie es sich entwickelt und bei Erkrankungen wie chronischem Juckreiz oder Schmerzen schiefgehen kann.

„An der Peripherie dieses Systems wurde viel geforscht und untersucht, wie Zellen in der Haut und den Muskeln Signale erzeugen. Wir wussten jedoch nicht, wie diese sensorischen Informationen weitergegeben und interpretiert werden, sobald sie das Rückenmark erreichen“, sagt er Martin Goulding, Professor am Salk Molecular Neurobiology Laboratory und Inhaber des Frederick W. and Joanna J. Mitchell Chair. „Diese neue Arbeit gibt uns ein grundlegendes Verständnis der Architektur unseres sensomotorischen Systems.“

Reflexive Verhaltensweisen – die bereits bei Neugeborenen beobachtet werden – gelten als einige der einfachsten Bausteine ​​für Bewegung. Aber Reflexe müssen Informationen schnell von sensorischen Neuronen, die Berührungen, Hitze und schmerzhafte Reize wahrnehmen, an Motoneuronen übertragen, die die Muskeln zum Handeln veranlassen. Bei den meisten Reflexen werden die Verbindungen zwischen den sensorischen Neuronen und den Motoneuronen durch Interneurone im Rückenmark vermittelt, die als eine Art „Mittelsmann“ fungieren und so Zeit sparen, indem sie das Gehirn umgehen. Wie diese Mittelsmänner organisiert sind, um reflexive Handlungen zu kodieren, ist kaum bekannt.

Goulding und seine Kollegen nutzten eine Reihe molekularer Engineering-Tools, die sie im letzten Jahrzehnt entwickelt hatten, um die Organisation dieser Wirbelsäulenreflexe bei Mäusen zu untersuchen. Zunächst kartierten sie, welche Interneurone aktiv waren, wenn Mäuse reflexartig auf Empfindungen wie Juckreiz, Schmerz oder Berührung reagierten. Anschließend untersuchten sie die Funktion von Interneuronen, indem sie diese einzeln ein- und ausschalteten und beobachteten, wie sich das daraus resultierende Reflexverhalten auswirkte.

„Wir fanden heraus, dass jeder sensomotorische Reflex durch Neuronen im selben physischen Raum definiert wurde“, sagt der Postdoktorand Graziana Gatto, der Erstautor des neuen Artikels. „Verschiedene Neuronen am selben Ort hatten die gleiche Funktion, auch wenn sie sehr unterschiedliche molekulare Signaturen hatten, während ähnlichere Neuronen in verschiedenen Bereichen des Rückenmarks für unterschiedliche Reflexe verantwortlich waren.“

Interneurone in der äußersten Schicht des Rückenmarks waren dafür verantwortlich, reflexive Botschaften im Zusammenhang mit Juckreiz zwischen sensorischen und motorischen Zellen zu transportieren. Tiefer gelegene Interneurone übermittelten Schmerzbotschaften und veranlassten beispielsweise eine Maus, einen Fuß zu bewegen, der von einer Nadel berührt wurde. Und der tiefste Satz von Interneuronen half Mäusen, reflexartig das Gleichgewicht zu halten und ihren Körper zu stabilisieren, um Stürze zu verhindern. Aber innerhalb jedes räumlichen Bereichs hatten Neuronen unterschiedliche molekulare Eigenschaften und Identitäten.

„Diese reflexiven Verhaltensweisen müssen sehr robust sein, um zu überleben“, sagt Goulding. „Wenn also in jedem Bereich unterschiedliche Klassen von Interneuronen vorhanden sind, die zu einem bestimmten Reflex beitragen, entsteht Redundanz im System.“

Durch den Nachweis, dass die Position jedes Interneurontyps im Rückenmark wichtiger ist als der Entwicklungsursprung oder die genetische Identität der Zelle, testete und bestätigte das Team eine bestehende Theorie darüber, wie diese Reflexsysteme organisiert sind.

Nachdem sie nun die physikalische Architektur der Interneuronschaltkreise kennen, aus denen diese verschiedenen Reflexwege bestehen, planen die Forscher zukünftige Studien, um aufzudecken, wie Nachrichten übermittelt werden und wie die Neuronen in jedem Raum miteinander interagieren. Dieses Wissen wird nun genutzt, um zu untersuchen, wie pathologische Veränderungen im somatosensorischen System zu chronischem Juckreiz oder Schmerzen führen. In einem (n BegleitpapierGatto und Goulding arbeiteten mit Rebecca Seal von der University of Pittsburgh zusammen, um die Organisation von Neuronen zu kartieren, die verschiedene Formen chronischer Schmerzen erzeugen.

Weitere Autoren waren Steeve Bourane, Xiangyu Ren, Stefania Di Constanzo und Peter Fenton vom Salk Institute; und Priyabrata Halder und Rebecca Seal von der University of Pittsburgh School of Medicine.

Die Arbeit wurde durch Zuschüsse der National Institutes of Health, EMBO, des HA and Mary K. Chapman Charitable Trust und der David Scaife Foundation unterstützt.

DOI: 10.1016 / j.neuron.2020.10.003