체세포 정렬 등쪽 기둥 세분에 의한 촉각 인코딩

Nature 612권, 310~315페이지(2022)이 기사 인용

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체성 감각 시스템은 다양한 촉각 자극을 해독하여 일관된 촉감을 생성합니다. 신체의 식별 가능한 촉각은 말초 기계 수용체에서 척수 등주와 뇌간 표적인 등주 핵(DCN)을 통해 뇌로 전달되는 신호에 따라 달라집니다. 체성 감각 모델은 피부에 분포하는 빠른 전도성 저역치 기계 수용체(LTMR)가 DCN3,4를 구동한다는 점을 강조합니다. 그러나 척수 등쪽뿔 내의 시냅스후 등쪽 기둥(PSDC) 뉴런도 기계 수용체 신호를 수집하여 DCN5,6,7에 대한 두 번째 주요 입력을 형성합니다. PSDC 뉴런의 중요성과 촉각 코딩에 대한 기여는 발견 이후 불분명하게 남아 있습니다. 여기서 우리는 DCN에 대한 직접적인 LTMR 입력이 높은 시간적 정밀도로 진동촉각 자극을 전달한다는 것을 보여줍니다. 반대로 PSDC 뉴런은 주로 터치 시작과 지속적인 접촉 강도를 높은 힘 범위로 인코딩합니다. LTMR 및 PSDC 신호는 DCN에서 지형적으로 재정렬되어 정확한 공간 세부 정보를 보존합니다. 다양한 DCN 뉴런 하위 유형에는 LTMR 및 PSDC 입력의 고유한 조합에 의해 생성되는 특수한 반응이 있습니다. 따라서 등쪽 기둥의 LTMR 및 PSDC 세분화는 서로 다른 촉각 특징을 인코딩하고 DCN에서 차별적으로 수렴하여 특정 오름차순 감각 처리 스트림을 생성합니다.

고속 전도성 LTMR(Aβ-LTMR)은 피부에 작용하는 가벼운 기계적 힘을 감지하고 차별적인 터치를 중재합니다8,9,10,11. Aβ-LTMR 신호는 말초에서 빠르게 전달되며, 축삭은 척수의 등쪽 기둥으로 올라가 뇌간의 DCN과 직접 접촉합니다. DCN에서 기계감각 정보는 뇌의 상위 영역에 있는 여러 대상으로 전달됩니다. 대부분의 감각 정보는 촉각의 의식적 인식을 위해 체성 감각 복부 후외측 시상(VPL)에 대한 탁월한 투영을 통해 DCN에서 체성 감각 피질로 전달됩니다. 별도의 잘 알려지지 않은 DCN 뉴런 집단은 하구(IC)12,13의 외부 피질에 촉각 정보를 전달합니다. 이 뇌 영역에서 정보는 청각 정보와 통합되고 맥락화됩니다. DCN 뉴런의 다른 개체군은 올리브소뇌계14,15에 투영되어 운동 적응을 조정합니다. DCN 뉴런은 또한 정동 상태와 관련된 이차 시상 핵16과 척수 및 수도관 주위 회색14,16으로 투사할 수 있습니다. 따라서 DCN은 들어오는 기계 감각 신호의 도관이며 주변의 기계 수용체를 여러 주요 뇌 영역에 광범위하게 연결합니다.

DCN 뉴런의 체성감각 코딩은 이질적이지만 촉각 신호가 DCN 내에서 어떻게 구성되고 다운스트림 표적에 배포되는지는 아직 알려지지 않았습니다. 쥐를 사용하여 우리는 뒷다리의 감각 표현이 체성 감각 계층의 초기 단계에서 어떻게 인코딩되는지 확인하려고 했습니다. 이를 달성하기 위해 우리는 항염증 활성화 및 광유전학적 태깅을 사용하여 생쥐의 DCN(우아한 핵, 확장 데이터 그림 1)에서 뉴런 하위 유형을 선택적으로 기록했습니다.

다양한 DCN 뉴런 유형은 투영 대상에 적합한 기계 감각 자극의 고유한 측면을 인코딩합니다. VPL 투영 뉴런(VPL-PN)은 DCN에서 가장 풍부한 세포 유형으로, VPL-PN:IC-PN:VGAT의 비율이 추정되는 IC 투영 뉴런(IC-PN) 및 국소 억제 인터뉴런(VGAT-IN)보다 많습니다. -IN 2:1:1(참조 13). VPL-PN은 서라운드 억제 영역이 넓은 작은 흥분성 수용 필드를 가졌습니다 (그림 1a-c, pq). 이러한 VPL-PN은 기계적 진동에 대한 발사를 동반할 수 있습니다. 그러나 대부분의 경우 이러한 동반은 150Hz 미만의 좁은 주파수 범위로 제한되었습니다 (그림 1c, d). IC에 투영되는 DCN 뉴런은 여러 하위 그룹으로 분류될 수 있지만(확장 데이터 그림 2), 가장 일반적으로 전체 뒷다리를 포함하는 크고 독점적인 흥분성 수용 필드를 가졌습니다(그림 1f-h, p). VPL-PN과 달리 대부분의 IC-PN은 광범위한 주파수에 걸쳐 기계적 진동에 대한 발사를 동반할 수 있습니다(그림 1h-i). 뒷다리의 진동은 테스트된 가장 높은 주파수인 10Hz에서 500Hz 범위의 진동에 동반되고 위상 고정된 정확한 시간에 맞춰진 활동 전위를 불러일으켰습니다. 따라서 VPL에 투사된 뉴런은 매우 상세한 공간 정보를 전달하도록 조정됩니다. 대조적으로, IC에 투사된 뉴런은 공간적 세부 사항을 제대로 인코딩하지 않으며 청각 자극과 연관될 수 있는 광범위한 기계적 진동을 인코딩하는 데 더 적합합니다. VGAT-IN은 수용 필드 크기가 넓고 억제 주변이 부족하며 PN과 달리 일반적으로 자발적 발사가 부족합니다(그림 1k–n, p–r). 세 가지 DCN 셀 유형 모두 낮은 힘에서 들여쓰기 단계에 빠르게 적응했습니다(그림 1e,j,o). 다른 세포 유형과 달리 VPL-PN은 Aβ-LTMR 고원을 빠르게 적응하고 천천히 적응시키는 힘보다 실질적으로 지속적인 고력 압입의 정적 단계를 보다 안정적으로 인코딩했습니다(그림 1e).

5 weeks) of both sexes. The following mouse lines were used: C57Bl/J6; Cdx2cre (ref. 48); Calca-FlpE (ref. 49); AvilFlpO (ref. 49); Avilcre (ref. 50); Rosa26LSL-Acr1 (ref. 51); and Rosa26FSF-ReaChR (derived from ref. 52). Animals were maintained on mixed C57Bl/J6 and 129S1/SvImJ backgrounds. C57Bl/J6 mice were obtained from The Jackson Laboratory./p>5 weeks) animals were anaesthetized with urethane (1.5 g kg–1) and placed on a heating pad. The head and neck were shaved and local anaesthesia (lidocaine HCl, 2%) was administered to the scalp and neck. An incision was made in the skin, and the muscle of the dorsal aspect of the neck was cut and moved aside to expose the brainstem. A head plate was attached to the skull using dental cement and the head was fixed to a custom-built frame. The dura overlying the brainstem was cut and small fragments of the occipital bone were removed. In some cases in which optical access to the DCN was required, small amounts of the posterior vermis of the cerebellum were aspirated to expose the DCN. A glass electrode filled with saline (2–3 MΩ) was put in place 200–300 µm above the gracile nucleus. The area was then flooded with low-melting point agarose dissolved in saline. After the agarose hardened, the electrode was advanced into the gracile. The electrode was guided to individual units and positioned to maximize the signal of a single unit. Recording quality and unit discrimination were continuously assessed using an audio monitor and online analysis of amplitude and spike waveforms. All recordings in the DCN were made in the hindlimb representation region of the gracile nucleus, and only units with receptive fields in the hindlimb were recorded. Recordings were targeted to the rostral–caudal level approximately where the gracile diverges bilaterally (see example in Extended Data Fig. 1) where units receiving input from the hindlimb digits and pads were most abundant. Although it has been reported that the gracile in rats, cats and primates is subdivided into ‘core’ and ‘shell’ regions, we were unable to detect clear organization in the mouse through electrophysiology experiments. Signals from single units were amplified using the ×100 AC differential amplification mode of a Multiclamp 700B instrument and sampled at 20 kHz using a Digidata 1550B controlled by Clampex 11 software (Molecular Devices). Signals were collected with an additional 20× gain, a 0.3 kHz high-pass filter and a 3 kHz Bessel filter./p>10 mN) at baseline and became mechanically insensitive following DCN lesion were not included for analysis because the stimulus may have been off the centre of the receptive field./p>

300 Hz and often up to 500 Hz), and do not have inhibitory surrounds. The broad receptive field and entrainment to high frequencies suggest that they receive strong input from Pacinian corpuscles. Spatially-tuned (ST) units have small receptive fields, typically consisting of 1-2 digits or pads, or a small portion of the heel. They often have inhibitory surrounds, and can entrain their firing to modest vibration frequencies (up to 100–200 Hz). These units cannot entrain their firing to vibration frequencies > 300 Hz, even at high forces. Contact-tuned (CT) units have receptive field sizes similar to spatially-tuned units, but are poorly activated by vibration. They are very sensitive and almost exclusively responsive to the initial contact of a stimulus. a, Example receptive field of a vibration-tuned IC-PN. Color scale of normalized firing rate shown at bottom. b, Example rasters of a vibration-tuned IC-PN unit in response to 50 (top) or 500 Hz (bottom) vibration. c, Responsiveness of vibration-tuned IC-PN units to different vibration frequencies (10–20 mN). Data is shown for individual units (gray) and average across units (black). d–g, Vibration-tuned units had different sensitivities to different frequencies of vibration. When reducing the force of vibrations to near-threshold (<10 mN), 300 Hz vibrations evoked more robust responses in the heel, whereas 10 Hz vibrations typically only evoked responses when stimulating the digits. d, Receptive field map of near-threshold 300 Hz vibration for an identified vibration-tuned IC-PN (left). Example trials from the heel (top right) and digits (top left) are shown. Color scale of normalized firing rate shown at bottom. e, Same as in d, but for 10 Hz near-threshold vibration. Color scale of normalized firing rate shown at bottom. f, Average histograms for individual units of near-threshold 300 Hz vibration delivered to the heel (top) or digits (bottom). Color scale of Z-scores shown at right. g, Average histograms for individual units of near-threshold 10 Hz vibration delivered to the heel (top) or digits (bottom). Color scale of Z-scores shown at right. h–j, Same as a-c, but for spatially-tuned units. k–m, Same as a–c, but for contact-tuned units. n, Distribution of functional types for units antidromically activated from the IC. o, Functional types were generalized to classify VPL-PNs. Units antidromically activated from the VPL were almost all spatially-tuned. Their receptive fields were small and did not phase-lock to high frequency vibration (>300 Hz), even when increasing the amplitude. These units also typically did not elevate their firing in response to high-frequency vibration. 1/39 units were found to be vibration-tuned. p, Receptive field area for spatially-tuned units antidromically activated from the IC or VPL. Distributions are significantly different (p = 0.031, Kolmogorov-Smirnov test). Individual units (gray) and mean ± s.e.m. (black). q, Proportion of units with inhibitory surrounds for each functional type. All data shown as n units in N animals (n/N)./p>

300 Hz) vibration, even at high forces. a, Top: Traces of single control and silencing trials. A 100 ms, 50 Hz, 10 mN vibration was applied. Timing of light delivery is denoted by a green ramp. Middle: Raster of trials for 50 Hz vibration. Control and light trials are separated by a dashed green line. Bottom: Average histogram for this unit when light was off (Control) or on (+Light). Time 0 is the onset of vibration. Bins are 1 ms. b, Same unit as in a, but for a 200 ms 10 Hz 10 mN vibration. c, Same unit as in a and b, but for a 200 ms 10 mN indentation. d-f, A DCN unit that was antidromically activated from the IC. This unit entrained to 300 Hz vibratory stimuli and had a large receptive field. d, Top: Traces of single control and silencing trials. A 100 ms, 300 Hz, 10 mN vibration was applied. Middle: Raster of trials for 300 Hz vibration. Control and light trials are separated by a dashed green line. Bottom: Average histogram for this unit when light was off (Control) or on (+Light). Time 0 is the onset of vibration. Bins are 1 ms. e, Same unit as in d, but for a 200 ms 10 Hz 10 mN vibration. f, Same unit as in d and e, but for a 200 ms 10 mN indentation./p>

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