In Vivo Imaging del calcio dei neuroni sensoriali nel ganglio trigeminale del ratto

La somatosensazione, la codifica neurale di stimoli meccanici, termici e chimici che colpiscono la pelle o altre strutture corporee, inclusi muscoli, ossa e visceri, inizia con l’attività nei neuroni afferenti primari che innervano queste strutture¹. Gli approcci elettrofisiologici basati su singole unità hanno fornito una grande quantità di informazioni sui sottotipi afferenti coinvolti in questo processo e su come le loro proprietà stimolo-risposta possono cambiare nel tempo ^1,2,3. Tuttavia, mentre rimangono forti prove a sostegno della teoria della linea marcata, che suggerisce che specifiche modalità sensoriali sono veicolate da specifiche sottopopolazioni di neuroni, la capacità di molte sottopopolazioni di neuroni di rispondere agli stessi tipi di stimoli meccanici, termici e chimici suggerisce che la maggior parte degli stimoli somatosensoriali sono codificati da più sottopopolazioni di neuroni^{4, 5}. Introduzione Pertanto, una migliore comprensione della somatosensazione arriverà solo con la capacità di studiare l’attività di 10, se non centinaia, di neuroni contemporaneamente.

I progressi negli approcci ottici con l’avvento relativamente recente delle tecniche di imaging confocale e, successivamente, multifotone e digitale hanno facilitato la capacità di eseguire analisi relativamente non invasive a livello di popolazione dell’attività neuronale ^6,7. Uno degli ultimi ostacoli nell’applicazione di questa tecnologia è stato lo sviluppo di strumenti per consentire la valutazione ottica dell’attività neurale. Data la velocità di un potenziale d’azione che può iniziare e finire in meno di un millisecondo, un colorante sensibile al voltaggio con la capacità di seguire le variazioni del potenziale di membrana alla velocità di un potenziale d’azione sarebbe lo strumento ideale per questo scopo. Ma mentre ci sono stati enormi progressi in quest’area 7,8,9,10, il rapporto segnale-rumore per molti di questi coloranti non è ancora abbastanza alto da consentire un’analisi della popolazione di centinaia di neuroni a livello di singola cellula. Come approccio alternativo, i ricercatori si sono rivolti al monitoraggio dei cambiamenti nella concentrazione intracellulare di Ca²⁺ ([Ca²⁺]_i). I limiti di questa strategia sono stati chiari fin dall’inizio e includono il fatto che un aumento di [Ca²⁺]_i è una misura indiretta dell’attività neurale¹¹; che un aumento di [Ca²⁺]_i può verificarsi indipendentemente dall’afflusso di Ca²⁺ associato all’attivazione dei canali Ca²⁺ voltaggio-dipendenti (VGCC)^12,13; che l’entità e la durata di un transitorio di Ca²⁺ possono essere controllate da processi indipendenti dall’attività del VGCC 11,12,14; e che il decorso temporale dei transitori di Ca²⁺ supera di gran lunga quello di un potenziale d’azione¹⁵. Tuttavia, ci sono una serie di vantaggi significativi associati all’uso di Ca²⁺ come misura indiretta dell’attività neurale. Non ultimo di questi è il rapporto segnale-rumore associato alla maggior parte degli indicatori di Ca²⁺, che riflette sia l’entità del cambiamento nel Ca²⁺ intracellulare che il fatto che il segnale proviene dallo spazio tridimensionale del citosol piuttosto che dallo spazio bidimensionale della membrana cellulare. Inoltre, con lo sviluppo di indicatori di Ca²⁺ geneticamente codificati (GECI), è possibile sfruttare strategie genetiche per guidare l’espressione degli indicatori di Ca²⁺ in specifiche sottopopolazioni di cellule, facilitando le analisi a livello di popolazione in preparati intatti (ad esempio, vedi¹⁶).

Dato il numero di strumenti genetici ora disponibili nei topi, non dovrebbe sorprendere che i GECI siano stati utilizzati più ampiamente in questa specie. Sono state sviluppate linee murine con espressione GECI costitutiva in sottopopolazioni di neuroni sensoriali ^7,16,17. Con lo sviluppo di linee murine che esprimono ricombinasi in specifici tipi di cellule, è possibile utilizzare strategie ancora più sofisticate per controllare l’espressione di GECI¹⁵. Tuttavia, mentre questi strumenti sono sempre più potenti, ci sono una serie di ragioni per cui altre specie, come i ratti, potrebbero essere più appropriate per alcune domande sperimentali. Questi includono le dimensioni maggiori, che facilitano una serie di manipolazioni sperimentali che sono difficili, se non impossibili, nel topo più piccolo; la facilità di addestrare i ratti in compiti comportamentali relativamente complessi; e almeno alcune prove che le proprietà biofisiche e i modelli di espressione di diversi canali ionici nei neuroni sensoriali di ratto possono essere più simili a quelli osservati nei neuroni sensoriali umani di quanto non lo siano gli stessi canali nel topo rispetto a quelli umani¹⁸.

Mentre la trasduzione degli stimoli somatosensoriali avviene generalmente nei terminali periferici delle afferenze primarie, il potenziale d’azione avviato in periferia deve passare attraverso la struttura che ospita i somati afferenti primari, denominati gangli della radice dorsale (DRG) o trigemino (TG) prima di raggiungere il sistema nervoso centrale¹⁹. Mentre ci sono prove che non tutti i potenziali d’azione che si propagano lungo un assone afferente primario invaderanno il corpo cellulare²⁰, una conseguenza del fatto che i somati afferenti primari sono collegati all’assone afferente principale tramite una giunzione a T¹⁹, la maggior parte dei potenziali d’azione iniziati nella periferia sembrano invadere il soma²¹. Ciò conferisce tre vantaggi sperimentali quando si utilizzano GECI per valutare la codifica di popolazione nelle afferenze primarie: le grandi dimensioni del corpo cellulare rispetto agli assoni aumentano ulteriormente il rapporto segnale/rumore quando si utilizza [Ca²⁺]_i come misura indiretta dell’attività afferente; i DRG sono generalmente di facile accesso; E la valutazione dell’attività in un sito spazialmente lontano dai terminali afferenti riduce al minimo il potenziale impatto dell’intervento chirurgico necessario per esporre i gangli sulle proprietà stimolo-risposta dei terminali afferenti. Tuttavia, poiché i TG si trovano sotto il cervello (o sopra la tavolozza), sono molto più difficili da accedere rispetto ai DRG. Inoltre, mentre ci sono molte somiglianze tra i neuroni DRG e TG, c’è anche un elenco crescente di differenze. Ciò include l’organizzazione approssimativamente somatotopica dei neuroni nel TG²², strutture uniche innervate, diversi modelli di terminazione terminale centrale 23,24,25,26 e ora un elenco crescente di differenze sia nell’espressione genica^27,28 che nell’espressione funzionale del recettore²⁹. Inoltre, poiché siamo interessati all’identificazione dei meccanismi periferici del dolore, il numero relativamente elevato di sindromi dolorose che sembrano essere uniche per il sistema trigemino (ad esempio, emicrania, nevralgia del trigemino, sindrome della bocca urente) che sembrano coinvolgere un’attività aberrante nelle afferenze primarie 30,31,32, suggerisce che la TG deve essere studiata direttamente.

Così, mentre le proprietà stimolo-risposta dei neuroni TG sono state studiate con GECI nel topo¹⁶, perché le ragioni sopra elencate suggeriscono che il ratto potrebbe essere una specie più appropriata per affrontare una varietà di domande sperimentali, lo scopo del presente studio è stato quello di sviluppare un approccio per utilizzare i GECI per studiare i neuroni TG nel ratto. Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo utilizzato un approccio virale per guidare l’espressione dei GECI GCaMP6 nel sistema nervoso periferico. Abbiamo quindi rimosso il prosencefalo per consentire l’accesso al TG. Infine, sono stati applicati stimoli meccanici e termici al viso mentre le risposte neuronali sono state valutate al microscopio a fluorescenza. Insieme, questi dati supportano un ruolo per l’utilizzo del ratto per studiare i cambiamenti nel TG in molti stati, ampliando il kit di strumenti per i ricercatori interessati alla codifica sensoriale nel sistema trigemino.