마우스 체성 감각 피질의 과립구 및 배럴 영역의 뚜렷한 통각 처리

Nature Communications 13권, 기사 번호: 3622(2022) 이 기사 인용

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통증의 신체적 구별 측면인 침해수용은 촉각과 마찬가지로 일차 체성감각 피질(S1)에서 표현되지만 S1 내 두 양식의 분리 및 상호 작용은 아직 명확하지 않습니다. 여기에서는 마우스 S1의 세분화된 배럴 필드(BF)와 인접한 과립상 영역(Dys)에서 공간적으로 구별되는 촉각 및 통각 처리를 보여줍니다. 하위 영역 전체에 걸쳐 다중 단위 활동을 동시에 기록하면 Dys 뉴런이 유해한 입력에 더 반응하는 반면 BF 뉴런은 촉각 입력을 선호하는 것으로 나타났습니다. 단일 뉴런 수준에서 통각 정보는 Dys 레이어 2/3의 촉각 정보와 별도로 표시됩니다. 대조적으로, 두 양식 모두 각 영역의 개별 계층 5 뉴런에 수렴하는 것으로 보이지만 그 정도는 다릅니다. 전반적으로, 이러한 발견은 Dys와 BF 사이의 통각 및 촉각 정보에 대한 계층별 처리를 보여줍니다. 우리는 BF 활동이 아닌 Dys 활동이 통증과 같은 행동에 결정적으로 관여한다는 것을 추가로 입증했습니다. 이러한 발견은 S1에서 통증 처리의 역할에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다.

일차 체성감각 피질(S1)은 촉각 정보 처리1에서 중심 역할을 합니다. S1의 촉각 표현은 체성형 방식으로 질서정연하게 배열되어 있습니다2. 반면, S1은 통증의 위치, 강도 및 품질과 같은 통증 처리의 신체적 차별적 측면을 담당합니다3,4,5,6,7,8,9,10. S1은 시상피질 통각 정보를 수신하고 이를 통증의 정서적 측면을 담당하는 전대상 피질과 같은 다른 통증 관련 피질 영역으로 전달합니다. S1은 또한 급성 및 만성 통증 상태에서 corticotrigeminal14 및 corticospinal15 경로를 통해 유해한 입력을 조절합니다. 따라서 S1은 통증 처리의 네트워크 허브이자 통증 조절을 위한 중재 대상으로 볼 수 있습니다. 그러나 S1이 통각 정보와 체세포 촉각 정보를 어떻게 뚜렷하게 처리하는지는 불분명합니다.

마우스 S1은 세포 구조를 기반으로 두 개의 하위 영역으로 나뉩니다. 즉, 층(L4) 뉴런의 고유한 클러스터로 식별되는 배럴 필드(BF)로 알려진 과립 영역과 제대로 정의되지 않은 인접한 과립상 영역(Dys)입니다. L46,16. 두 하위 지역은 기능적으로 서로 다른 것으로 생각됩니다. 예를 들어, BF는 수염17,18,19에서 촉각 입력을 처리하는 센터인 반면 Dys는 심부 근육 자극 또는 관절 회전20,21으로부터 고유 감각 입력을 받습니다. 통각에서 더 깊은 층의 BF 뉴런은 유해한 입력을 받습니다. 마찬가지로, 더 깊은 층의 Dys 뉴런은 유해한 꼬집음 및 자극적인 입력에 반응합니다. 그러나 두 하위 영역 간의 직접적인 비교가 부족하기 때문에 각 하위 영역이 촉각 정보가 있거나 없는 침해성 정보를 처리하는 방법은 아직 알려지지 않았습니다.

여기서 우리는 침해 수용 정보와 촉각 정보가 두 하위 영역을 동시에 기록하여 Dys와 BF에서 각각 별도로 표현되는 경향이 있음을 발견했습니다. Dys는 또한 말초 신경 손상으로 인한 신경병성 통증 상태 하에서 주로 활성화되었습니다. 통각의 공간적으로 뚜렷한 표현을 반영하여 BF가 아닌 Dys의 신경 활동에 대한 광유전학적 억제는 유해한 입력에 의해 유발된 통증과 같은 행동을 감소시켰습니다. 따라서 우리는 유해한 입력으로부터 적절한 탈출 행동을 생성하는 Dys의 통증 처리에서 뚜렷한 기능적 역할을 명확히 했습니다.

먼저 수염 패드에 유해한 열 자극(noxH; 45-50°C)을 가하는 동안 Dys와 BF 사이의 반응 특성을 비교했습니다(그림 1a). BF 내의 격막은 세포 구조 측면에서 과립상 영역에 속하지만 BF 주변의 과립상 영역을 Dys로 지정했습니다. 우리는 L2/3, L4, L5a 및 L5b의 Dys 및 BF 뉴런에서 다중 단위 활동(MUA)을 동시에 기록했습니다. Dys의 MUA는 Peltier 장치의 온도가 유해 범위(45-50°C)에 도달했을 때 기록된 모든 레이어에서 증가한 반면 BF의 레이어마다 응답이 달랐습니다. noxH에 대한 MUA는 L2/3 또는 L4에서는 증가하지 않았지만 L5a에서는 약간 증가했습니다 (그림 1b). noxH에 대한 선호도를 평가하기 위해 신호 대 잡음비(S/N, 방법 참조)를 계산했습니다. noxH에 대한 반응(그림 1b에서 S로 표시, 베이지색 음영 영역)이 신호로 사용되었으며, 무해한 열 범위(33~45°C, N으로 표시, 그림 1b에서 회색 음영 영역)에 대한 반응을 사용했습니다. 소음으로 사용되었습니다. 동시에 기록된 신경 쌍의 비교는 Dys 뉴런이 BF 뉴런보다 noxH에 더 반응한다는 것을 보여주었습니다(그림 1c, L2/3의 경우 P = 0.0056, L4의 경우 0.0056, L5a의 경우 0.049, n = 8 동물). Dys와 BF 사이의 동일한 레이어에 대한 S/N 값을 비교할 때 Dys의 S/N은 L2/3의 BF보다 훨씬 높았습니다(P = 0.89 × 10-4, 다중 비교 테스트, 그림 1d). BF 내에서 S/N은 L2/3보다 L5a에서 상당히 높았습니다(P = 0.03, 그림 1d). BF의 noxH 반응에 대한 레이어 간의 이러한 차이는 이전 연구와 일치합니다. 이러한 경향은 정상 상태 온도(약 30°C)에서 펠티에 장치의 응답을 잡음 신호로 사용하여 S/N을 계산할 때도 관찰되었습니다. 함께, Dys의 MUA는 BF보다 noxH에 대해 더 큰 민감도를 나타냈습니다(그림 1e). 우리는 또한 수염 패드에 캡사이신을 주입 한 후 유해한 입력에 반응하는 S1 내의 영역에서 신경 활동 마커 인 c-Fos의 발현을 조사했습니다 (보충 그림 1a). Dys와 BF를 구별하기 위해 우리는 뉴런과 시상 피질 말단의 마커 인 NeuN과 VGluT2를 각각 공동 면역 염색했습니다 (보충 그림 1b). c-Fos 양성 뉴런의 수는 Dys의 L4 (P = 0.0027)와 BF의 L5a (P = 0.0249, 보충 그림 1c)에서 크게 증가했습니다. 따라서 우리는 BF의 Dys 및 L5a에서 표면층을 활성화하는 유해한 입력을 확인했습니다.