A codificação do toque por subdivisões da coluna dorsal alinhadas somatotopicamente

Nature volume 612, páginas 310–315 (2022) Citar este artigo

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O sistema somatossensorial decodifica uma gama de estímulos táteis para gerar uma sensação coerente de toque. O toque discriminativo do corpo depende de sinais transmitidos de mecanorreceptores periféricos para o cérebro através da coluna dorsal da medula espinhal e seu alvo no tronco cerebral, os núcleos da coluna dorsal (DCN)1,2. Modelos de somatosensação enfatizam que mecanorreceptores de baixo limiar (LTMRs) de condução rápida que inervam a pele conduzem o DCN3,4. No entanto, os neurônios da coluna dorsal pós-sináptica (PSDC) dentro do corno dorsal da medula espinhal também coletam sinais de mecanorreceptores e formam uma segunda entrada principal para o DCN5,6,7. O significado dos neurônios PSDC e suas contribuições para a codificação do toque permaneceram incertos desde sua descoberta. Aqui mostramos que a entrada direta de LTMR para o DCN transmite estímulos vibrotáteis com alta precisão temporal. Por outro lado, os neurônios PSDC codificam principalmente o início do toque e a intensidade do contato sustentado na faixa de alta força. Os sinais LTMR e PSDC realinham-se topograficamente no DCN para preservar detalhes espaciais precisos. Diferentes subtipos de neurônios DCN têm respostas especializadas que são geradas por combinações distintas de entradas LTMR e PSDC. Assim, as subdivisões LTMR e PSDC da coluna dorsal codificam diferentes características táteis e convergem diferencialmente no DCN para gerar fluxos de processamento sensorial ascendente específicos.

Os LTMRs de condução rápida (Aβ-LTMRs) detectam forças mecânicas leves atuando na pele e medeiam o toque discriminativo8,9,10,11. Os sinais de Aβ-LTMR são rapidamente transmitidos da periferia e seus axônios sobem a coluna dorsal da medula espinhal e entram em contato direto com o DCN do tronco cerebral. A partir do DCN, as informações mecanossensoriais são retransmitidas para vários alvos nas regiões superiores do cérebro. A maioria das informações sensoriais é transmitida do DCN para o córtex somatossensorial por meio de uma projeção proeminente para o tálamo póstero-lateral ventral somatossensorial (VPL) para a percepção consciente do toque. Uma população separada e menos conhecida de neurônios DCN transmite informações táteis ao córtex externo do colículo inferior (IC)12,13. Nessa região do cérebro, a informação é integrada e contextualizada com a informação auditiva. Outras populações de neurônios DCN se projetam para o sistema olivocerebelar14,15 para coordenar a adaptação motora. Os neurônios DCN também podem se projetar para núcleos talâmicos secundários16 envolvidos no estado afetivo e para a medula espinhal e substância cinzenta periaquedutal14,16. Assim, o DCN é um canal de entrada de sinais mecanossensoriais e amplamente conecta mecanorreceptores na periferia a várias áreas principais do cérebro17.

A codificação somatossensorial em neurônios DCN é heterogênea18,19,20,21, mas como os sinais táteis são organizados dentro do DCN e distribuídos para alvos a jusante permanece desconhecido. Usando camundongos, procuramos determinar como as representações sensoriais do membro posterior são codificadas nesse estágio inicial da hierarquia somatossensorial. Para conseguir isso, registramos seletivamente subtipos de neurônios no DCN (o núcleo grácil; dados estendidos Fig. 1) em camundongos usando ativação antidrômica e marcação optogenética.

Diferentes tipos de neurônios DCN codificaram aspectos distintos de estímulos mecanossensoriais adequados aos seus alvos de projeção. Os neurônios de projeção VPL (VPL-PNs) são o tipo de célula mais abundante no DCN, superando os neurônios de projeção IC (IC-PNs) e os interneurônios inibitórios locais (VGAT-INs) com uma proporção estimada de VPL-PN:IC-PN:VGAT -IN de 2:1:1 (ref. 13). VPL-PNs tinham pequenos campos receptivos excitatórios com grandes regiões de supressão surround (Fig. 1a-c,pq). Esses VPL-PNs podem levar seu disparo à vibração mecânica; no entanto, para a maioria, esse arrastamento foi restrito a uma faixa estreita de frequências abaixo de 150 Hz (Fig. 1c,d). Os neurônios DCN que se projetam para o IC podem ser classificados em vários subgrupos (Dados Estendidos Fig. 2), mas mais comumente tinham campos receptivos grandes e exclusivamente excitatórios que incluíam todo o membro posterior (Fig. 1f-h,p). Ao contrário dos VPL-PNs, a maioria dos IC-PNs poderia levar seu disparo à vibração mecânica em uma ampla faixa de frequências (Fig. 1h-i). A vibração do membro posterior evocou potenciais de ação sincronizados com precisão que foram arrastados e travados em fase para vibrações que variaram de 10 Hz a 500 Hz, a frequência mais alta testada. Assim, os neurônios que se projetam para o VPL são sintonizados para transmitir informações espaciais finamente detalhadas. Por outro lado, os neurônios que se projetam para o IC codificam mal os detalhes espaciais e são mais adequados para codificar uma ampla gama de vibrações mecânicas que podem ser correlacionadas com estímulos auditivos. Os VGAT-INs tinham uma ampla gama de tamanhos de campo receptivo, careciam de contornos inibitórios e, ao contrário dos PNs, geralmente careciam de disparo espontâneo (Fig. 1k–n,p–r). Todos os três tipos de células DCN se adaptaram rapidamente a indentações em degraus com forças baixas (Fig. 1e,j,o). Em contraste com outros tipos de células, os VPL-PNs codificaram de forma mais confiável a fase estática da indentação sustentada de alta força, substancialmente acima das forças nas quais os Aβ-LTMRs de adaptação rápida e adaptação lenta atingem o platô22,23,24,25 (Fig. 1e).