Als het gaat om het voelen van pijn, aanraking of jeuk, is de locatie van belang

Als het gaat om het voelen van pijn, aanraking of jeuk, is de locatie van belang

Het onderzoek van Salk is het eerste dat schetst waar verschillende cellen die geassocieerd zijn met het triggeren van sensomotorische reflexen zich in het ruggenmerg bevinden

LA JOLLA—Als je een hete kachel aanraakt, trekt je hand reflexmatig weg; als je een sport op een ladder mist, vang je jezelf instinctief op. Beide bewegingen nemen een fractie van een seconde in beslag en vereisen geen voorbedachtheid. Nu hebben onderzoekers van het Salk Institute de fysieke organisatie van cellen in het ruggenmerg in kaart gebracht die deze en soortgelijke kritieke "sensomotorische reflexen" helpen bemiddelen.

De nieuwe blauwdruk van dit aspect van het sensomotorische systeem, online beschreven in Neuron op 11 november 2020, zou kunnen leiden tot een beter begrip van hoe het zich ontwikkelt en mis kan gaan bij aandoeningen zoals chronische jeuk of pijn.

"Er is veel onderzoek gedaan aan de periferie van dit systeem, waarbij gekeken is naar hoe cellen in de huid en spieren signalen genereren, maar we wisten niet hoe die sensorische informatie wordt verhandeld en geïnterpreteerd zodra het het ruggenmerg bereikt", zegt Martijn Goulding, een professor in Salk's Molecular Neurobiology Laboratory en houder van de Frederick W. en Joanna J. Mitchell Chair. "Dit nieuwe werk geeft ons een fundamenteel begrip van de architectuur van ons sensomotorisch systeem."

Reflexief gedrag – zelfs waargenomen bij pasgeboren baby’s – wordt beschouwd als een van de eenvoudigste bouwstenen voor beweging. Maar reflexen moeten snel informatie vertalen van sensorische neuronen die aanraking, hitte en pijnlijke prikkels detecteren naar motorneuronen, die ervoor zorgen dat de spieren in actie komen. Voor de meeste reflexen worden de verbindingen tussen de sensorische neuronen en motorneuronen gemedieerd door interneuronen in het ruggenmerg, die dienen als een soort "tussenpersoon", waardoor tijd wordt bespaard door de hersenen te omzeilen. Hoe deze tussenpersonen zijn georganiseerd om reflexieve acties te coderen, is slecht begrepen.

Goulding en zijn collega's wendden zich tot een reeks moleculaire engineeringtools die ze de afgelopen tien jaar hebben ontwikkeld om de organisatie van deze spinale reflexen bij muizen te onderzoeken. Eerst brachten ze in kaart welke interneuronen actief waren wanneer muizen reflexmatig reageerden op gewaarwordingen, zoals jeuk, pijn of aanraking. Vervolgens onderzochten ze de functie van interneuronen door ze afzonderlijk aan en uit te zetten en te observeren hoe het resulterende reflexgedrag werd beïnvloed.

"Wat we ontdekten, is dat elke sensomotorische reflex werd gedefinieerd door neuronen in dezelfde fysieke ruimte", zegt postdoctoraal onderzoeker Graziana Gatto, de eerste auteur van het nieuwe artikel. "Verschillende neuronen op dezelfde plaats, zelfs als ze zeer verschillende moleculaire handtekeningen hadden, hadden dezelfde functie, terwijl meer vergelijkbare neuronen in verschillende delen van het ruggenmerg verantwoordelijk waren voor verschillende reflexen."

Interneuronen in de buitenste laag van het ruggenmerg waren verantwoordelijk voor het pendelen van reflexieve berichten met betrekking tot jeuk tussen sensorische en motorische cellen. Diepere interneuronen brachten berichten van pijn door, bijvoorbeeld door een muis een voet te laten bewegen die door een speld werd aangeraakt. En de diepste reeks interneuronen hielp muizen reflexmatig hun evenwicht te bewaren en hun lichaam te stabiliseren om vallen te voorkomen. Maar binnen elk ruimtelijk gebied hadden neuronen verschillende moleculaire eigenschappen en identiteiten.

"Dit reflexieve gedrag moet zeer robuust zijn om te overleven", zegt Goulding. "Dus het hebben van verschillende klassen interneuronen in elk gebied die bijdragen aan een bepaalde reflex, zorgt voor redundantie in het systeem."

Door aan te tonen dat de locatie van elk type interneuron in het ruggenmerg belangrijker is dan de ontwikkelingsoorsprong of genetische identiteit van de cel, testte en bevestigde het team een ​​bestaande theorie over hoe deze reflexsystemen zijn georganiseerd.

Nu ze de fysieke architectuur kennen van de interneuroncircuits waaruit deze verschillende reflexroutes bestaan, plannen de onderzoekers toekomstige studies om te onthullen hoe berichten worden overgebracht en hoe de neuronen in elke ruimte met elkaar omgaan. Deze kennis wordt nu gebruikt om te onderzoeken hoe pathologische veranderingen in het somatosensorische systeem leiden tot chronische jeuk of pijn. In een begeleidend papier, werkten Gatto en Goulding samen met Rebecca Seal van de Universiteit van Pittsburgh om de organisatie van neuronen die verschillende vormen van chronische pijn genereren in kaart te brengen.

Andere auteurs waren Steeve Bourane, Xiangyu Ren, Stefania Di Constanzo en Peter Fenton van het Salk Institute; en Priyabrata Halder en Rebecca Seal van de University of Pittsburgh School of Medicine.

Het werk werd ondersteund door subsidies van de National Institutes of Health, EMBO, de HA en Mary K. Chapman Charitable Trust en de David Scaife Foundation.

DOI: 10.1016 / j.neuron.2020.10.003