Pesquisa de Harvard revela novos papéis surpreendentes para a medula espinhal e o tronco cerebral

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Cérebro Corpo Sistema Nervoso

Os estudos têm implicações para certas condições humanas caracterizadas pela disfunção do toque.

De acordo com pesquisas recentes, o tronco cerebral e a medula espinhal desempenham um papel crucial no processamento de sinais de toque à medida que viajam para o cérebro.

Quase tudo o que fazemos depende do nosso tato, desde tarefas domésticas simples até navegar em terrenos potencialmente perigosos. Os cientistas há muito estão curiosos sobre como as informações de toque que obtemos com nossas mãos e outras partes de nossos corpos chegam ao cérebro para gerar as sensações que sentimos.

No entanto, os principais aspectos do toque, como a forma como a medula espinhal e o tronco cerebral estão envolvidos na recepção, processamento e transmissão de sinais, permanecem desconhecidos.

Agora, dois estudos de Escola de Medicina de Harvard pesquisadores fornecem novos entendimentos significativos de como a medula espinhal e o tronco cerebral contribuem para o sentido do tato.

O estudo descobriu que a medula espinhal e o tronco cerebral, que antes eram considerados apenas centros de retransmissão de informações de toque, estão ativamente envolvidos no processamento de sinais de toque à medida que viajam para regiões cerebrais de ordem superior.

Um estudo, publicado recentemente na revista Célulamostra que os neurônios especializados na medula espinhal formam uma rede complexa que processa o toque leve – pense no toque de uma mão ou um beijo na bochecha – e envia essa informação para o tronco cerebral.

Em outro estudo, publicado na revista Naturezaos pesquisadores estabeleceram que as vias de toque diretas e indiretas trabalham juntas, convergindo no tronco cerebral para moldar como o toque é processado.

“Esses estudos concentram os holofotes na medula espinhal e no tronco cerebral como locais onde as informações de toque são integradas e processadas para transmitir diferentes tipos de toque. Não havíamos apreciado totalmente como essas áreas contribuem para a representação cerebral de vibração, pressão e outras características de estímulos táteis”, disse David Ginty, professor de neurobiologia de Edward R. e Anne G. Lefler no Blavatnik Institute em HMS. e o autor sênior em ambos os artigos.

Embora os estudos tenham sido conduzidos em camundongos, os mecanismos de toque são amplamente conservados entre as espécies, incluindo humanos, o que significa que os fundamentos do processamento do toque podem ser úteis para cientistas que estudam condições humanas, como dor neuropática caracterizada por disfunção do toque.

“Essa compreensão detalhada da sensação tátil – isto é, sentir o mundo através do contato com a pele – pode ter profundas implicações para a compreensão de como doenças, distúrbios e lesões podem afetar nossa capacidade de interagir com o ambiente ao nosso redor”, disse James Gnadt, diretor do programa do Instituto Nacional de Distúrbios Neurológicos e Derrame (NINDS), que forneceu parte do financiamento para os estudos.

Negligenciado e subestimado

A visão histórica do toque é que os neurônios sensoriais na pele encontram um estímulo de toque, como pressão ou vibração, e enviam essa informação na forma de impulsos elétricos que viajam diretamente da pele para o tronco cerebral. Lá, outros neurônios retransmitem informações de toque para o córtex somatossensorial primário do cérebro – o nível mais alto da hierarquia de toque – onde é processado em sensação.

No entanto, Ginty e sua equipe se perguntaram se e como a medula espinhal e o tronco cerebral estão envolvidos no processamento de informações de toque. Essas áreas ocupam o nível mais baixo da hierarquia do toque e se combinam para formar um caminho de toque mais indireto até o cérebro.

“As pessoas no campo pensavam que a diversidade e a riqueza do toque vinham apenas dos neurônios sensoriais da pele, mas que o pensamento contorna a medula espinhal e o tronco cerebral”, disse Josef Turecek, pós-doutorando no laboratório de Ginty e primeiro autor do estudo. Natureza papel.

Muitos neurocientistas não estão familiarizados com os neurônios da medula espinhal, chamados neurônios pós-sinápticos da coluna dorsal (PSDC), que se projetam da medula espinhal para o tronco cerebral – e os livros didáticos tendem a deixar os neurônios PSDC fora dos diagramas que descrevem os detalhes do toque, explicou Turecek.

Para Ginty, a maneira como a medula espinhal e o tronco cerebral foram negligenciados no contato traz à mente as primeiras pesquisas sobre o sistema visual. Inicialmente, os cientistas que estudavam a visão pensavam que todo o processamento ocorria no córtex visual do cérebro. No entanto, descobriu-se que a retina, que recebe informações visuais muito antes de chegar ao córtex, está fortemente envolvida no processamento dessas informações.

“Análogo à pesquisa sobre o sistema visual, esses dois artigos abordam como as informações de toque vindas da pele são processadas na medula espinhal e no tronco cerebral antes de subir na hierarquia do toque para regiões cerebrais mais complexas”, disse Ginty.

Ligando os pontos

No Célula No artigo, os pesquisadores usaram uma técnica que desenvolveram para registrar simultaneamente a atividade de muitos neurônios diferentes na medula espinhal enquanto os camundongos experimentavam vários tipos de toque. Eles descobriram que mais de 90% dos neurônios no corno dorsal – a área de processamento sensorial da medula espinhal – responderam ao toque leve.

“Isso foi surpreendente porque classicamente se pensava que os neurônios do corno dorsal nas camadas superficiais da medula espinhal respondem principalmente à temperatura e a estímulos dolorosos. Não havíamos apreciado como as informações de toque leve são distribuídas na medula espinhal”, disse Anda Chirila, pesquisadora do laboratório Ginty e coautora principal do artigo com a estudante de pós-graduação Genelle Rankin.

Além disso, essas respostas ao toque leve variaram consideravelmente entre populações geneticamente diferentes de neurônios no corno dorsal, que formaram uma rede neural altamente interconectada e complexa. Essa variação nas respostas, por sua vez, deu origem a uma diversidade de informações de toque transportadas do corno dorsal ao tronco cerebral pelos neurônios do PSDC. De fato, quando os pesquisadores silenciaram vários neurônios do corno dorsal, eles observaram uma redução na diversidade de informações de toque leve transmitidas pelos neurônios PSDC.

“Achamos que essa informação sobre como o toque é codificado na medula espinhal, que é o primeiro local na hierarquia do toque, é importante para entender os aspectos fundamentais do processamento do toque”, disse Chirila.

Em seu outro estudo, publicado em Natureza, os cientistas se concentraram no próximo passo na hierarquia do toque: o tronco cerebral. Eles exploraram a relação entre o caminho direto dos neurônios sensoriais da pele para o tronco cerebral e o caminho indireto que envia informações de toque através da medula espinhal, conforme descrito no Célula papel.

“Os neurônios do tronco cerebral recebem informações diretas e indiretas, e estávamos realmente curiosos sobre quais aspectos do toque cada via traz para o tronco cerebral”, disse Turecek.

Para analisar essa questão, os pesquisadores silenciaram alternadamente cada via e registraram a resposta dos neurônios no tronco cerebral do camundongo. Os experimentos mostraram que o caminho direto é importante para comunicar a vibração de alta frequência, enquanto o caminho indireto é necessário para codificar a intensidade da pressão na pele.

“A ideia é que esses dois caminhos convergem no tronco cerebral com neurônios que podem codificar vibração e intensidade, para que você possa moldar as respostas desses neurônios com base em quanta entrada direta e indireta você tem”, explicou Turecek. Em outras palavras, se os neurônios do tronco cerebral tiverem mais informações diretas do que indiretas, eles comunicarão mais vibração do que intensidade e vice-versa.

Além disso, a equipe descobriu que ambos os caminhos podem transmitir informações de toque da mesma pequena área da pele, com informações sobre intensidade desviando pela medula espinhal antes de juntar informações sobre vibração que viajam diretamente para o tronco cerebral. Dessa forma, as vias direta e indireta trabalham juntas, permitindo que o tronco cerebral forme uma representação espacial de diferentes tipos de estímulos de toque da mesma área.

Finalmente no mapa

Até agora, “a maioria das pessoas via o tronco cerebral como uma estação retransmissora para o tato, e nem sequer tinha a medula espinhal no mapa”, disse Ginty. Para ele, os novos estudos “demonstram que há uma quantidade enorme de processamento de informações ocorrendo na medula espinhal e no tronco cerebral – e esse processamento é crítico para a forma como o cérebro representa o mundo tátil”.

Esse processamento, acrescentou, provavelmente contribui para a complexidade e diversidade das informações de toque que o tronco cerebral envia ao córtex somatossensorial.

Em seguida, Ginty e a equipe planejam repetir os experimentos em camundongos acordados e se comportando, para testar as descobertas em condições mais naturais. Eles também querem expandir os experimentos para incluir mais tipos de estímulos de toque do mundo real, como textura e movimento.

Os pesquisadores também estão interessados ​​em como as informações do cérebro – por exemplo, sobre o nível de estresse, fome ou exaustão de um animal – afetam como as informações de toque são processadas na medula espinhal e no tronco cerebral. Dado que os mecanismos de toque parecem ser conservados entre as espécies, essas informações podem ser especialmente relevantes para condições humanas, como distúrbios do espectro do autismo ou dor neuropática, nas quais a disfunção neural causa hipersensibilidade ao toque leve.

“Com esses estudos, estabelecemos os blocos de construção fundamentais de como esses circuitos funcionam e qual é a sua importância”, disse Rankin. “Agora temos as ferramentas para dissecar esses circuitos para entender como eles funcionam normalmente e o que muda quando algo dá errado.”

Referências: “A convergência e a transformação do sinal do mecanorreceptor no corno dorsal moldam de forma flexível uma diversidade de saídas para o cérebro” por Anda M. Chirila, Genelle Rankin, Shih-Yi Tseng, Alan J. Emanuel, Carmine L. Chavez-Martinez, Dawei Zhang , Christopher D. Harvey e David D. Ginty, 4 de novembro de 2022, Célula.
DOI: 10.1016/j.cell.2022.10.012

“A codificação do toque por subdivisões da coluna dorsal alinhadas somatotopicamente” por Josef Turecek, Brendan P. Lehnert e David D. Ginty, 23 de novembro de 2022, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-022-05470-x

O suporte para o artigo sobre Cell foi fornecido pelo Harvard Mahoney Neuroscience Institute, o Ellen R. e Melvin J. Gordon Center for the Cure and Treatment of Paralysis, a National Science Foundation, um Stuart HQ & Victoria Quan Fellowship, os National Institutes of Health , o Centro Hock E. Tan e K. Lisa Yang para Pesquisa do Autismo, e o Centro Edward R. e Anne G. Lefler para o Estudo de Distúrbios Neurodegenerativos.

O suporte para o artigo da Nature foi fornecido pelo Harvard Mahoney Neuroscience Institute, o Ellen R. e Melvin J. Gordon Center for the Cure and Treatment of Paralysis, o National Institutes of Health (NS097344; AT011447), o Hock E. Tan e K Centro Lisa Yang para Pesquisa do Autismo e Centro Edward R. e Anne G. Lefler para o Estudo de Distúrbios Neurodegenerativos.





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