При прикосновении к горячей плите рука рефлекторно отдергивается; если вы пропустите ступеньку на лестнице, вы инстинктивно поймаете себя. Оба движения занимают доли секунды и не требуют предусмотрительности. Теперь исследователи из Института Солка составили карту физической организации клеток спинного мозга, которые помогают опосредовать эти и аналогичные критические "сенсомоторные рефлексы."
Новый план этого аспекта сенсомоторной системы, описанный в сети Neuron 11 ноября 2020 года, может привести к лучшему пониманию того, как он развивается и может идти наперекосяк при таких состояниях, как хронический зуд или боль.
"На периферии этой системы было проведено множество исследований, посвященных тому, как клетки кожи и мышц генерируют сигналы, но мы не знали, как эта сенсорная информация передается и интерпретируется, когда она достигает спинного мозга," говорит Мартин Гулдинг, профессор лаборатории молекулярной нейробиологии Солка и обладатель награды Фредерика В. и Джоанна Дж. Стул Митчелла. "Эта новая работа дает нам фундаментальное понимание архитектуры нашей сенсомоторной системы."
Рефлексивное поведение, которое наблюдается даже у новорожденных детей, считается одним из самых простых строительных блоков для движения. Но рефлексы должны быстро передавать информацию от сенсорных нейронов, которые обнаруживают прикосновение, тепло и болезненные стимулы, к двигательным нейронам, которые заставляют мышцы действовать. Для большинства рефлексов связи между сенсорными нейронами и двигательными нейронами опосредуются интернейронами в спинном мозге, которые служат своего рода "посредники," тем самым экономя время, обходя мозг. Как эти посредники организованы для кодирования рефлексивных действий, плохо изучено.
Гулдинг и его коллеги обратились к набору инструментов молекулярной инженерии, которые они разработали за последнее десятилетие, чтобы изучить организацию этих спинномозговых рефлексов у мышей. Во-первых, они составили карту, какие интернейроны активны, когда мыши рефлекторно реагируют на такие ощущения, как зуд, боль или прикосновение. Затем они исследовали функцию интернейронов, включая и выключая их индивидуально и наблюдая, как это влияет на результирующее рефлекторное поведение.
"Мы обнаружили, что каждый сенсомоторный рефлекс определялся нейронами в одном и том же физическом пространстве," говорит постдокторант Грациана Гатто, первый автор новой статьи. "Различные нейроны в одном и том же месте, даже если у них были очень разные молекулярные сигнатуры, выполняли одну и ту же функцию, в то время как более похожие нейроны, расположенные в разных областях спинного мозга, отвечали за разные рефлексы."
Интернейроны во внешнем слое спинного мозга отвечали за передачу рефлексивных сообщений, связанных с зудом, между сенсорными и моторными клетками. Более глубокие интернейроны передают сообщения о боли – например, заставляя мышь перемещать ногу, затронутую булавкой. А самый глубокий набор интернейронов помогал мышам рефлекторно сохранять равновесие, стабилизируя их тело и предотвращая падение. Но в каждой пространственной области нейроны обладали разными молекулярными свойствами и идентичностями.
"Такое рефлексивное поведение должно быть очень устойчивым для выживания," говорит Гулдинг. "Таким образом, наличие разных классов интернейронов в каждой области, которые вносят вклад в определенный рефлекс, создает избыточность в системе."
Демонстрируя, что расположение каждого типа интернейронов в спинном мозге имеет большее значение, чем происхождение клетки или генетическая идентичность, команда проверила и подтвердила существующую теорию о том, как организованы эти рефлекторные системы.
Теперь, когда они знают физическую архитектуру цепей интернейронов, составляющих эти различные рефлекторные пути, исследователи планируют будущие исследования, чтобы выявить, как передаются сообщения и как нейроны в каждом пространстве взаимодействуют друг с другом. Эти знания в настоящее время используются для исследования того, как патологические изменения соматосенсорной системы приводят к хроническому зуду или боли. В сопроводительном документе Гатто и Гулдинг совместно с Ребеккой Сил из Университета Питтсбурга составили карту организации нейронов, которые генерируют различные формы хронической боли.