Une paire d’études révèle de nouveaux rôles surprenants pour la moelle épinière et le tronc cérébral en contact

Pourtant, les aspects clés du toucher – y compris la façon dont la moelle épinière et le tronc cérébral sont impliqués dans la réception, le traitement et la transmission des signaux – sont restés mal compris.

Maintenant, une paire d’articles rédigés par des scientifiques de la Harvard Medical School révèle de nouvelles informations essentielles sur la façon dont la moelle épinière et le tronc cérébral contribuent au sens du toucher.

Plus précisément, la recherche montre que la moelle épinière et le tronc cérébral, auparavant considérés comme de simples centres de relais pour les informations tactiles, sont activement impliqués dans le traitement des signaux tactiles lorsqu’ils se déplacent vers les régions cérébrales d’ordre supérieur.

Une étude, publiée le 4 novembre dans Cellule, montre que les neurones spécialisés de la moelle épinière forment un réseau complexe qui traite le toucher léger – pensez au pinceau d’une main ou à un bisou sur la joue – et envoie cette information au tronc cérébral.

Dans une autre étude, publiée le 23 novembre dans La natureles chercheurs ont établi que les voies tactiles directes et indirectes fonctionnent ensemble, convergeant dans le tronc cérébral pour façonner la façon dont le toucher est traité.

“Ces études mettent l’accent sur la moelle épinière et le tronc cérébral en tant que sites où les informations tactiles sont intégrées et traitées pour transmettre différents types de toucher. Nous n’avions pas encore pleinement compris comment ces zones contribuent à la représentation cérébrale des vibrations, de la pression et d’autres caractéristiques des stimuli tactiles », a déclaré David Ginty, professeur de neurobiologie Edward R. et Anne G. Lefler à l’Institut Blavatnik du HMS et auteur principal des deux articles.

Bien que les études aient été menées sur des souris, les mécanismes du toucher sont largement conservés dans toutes les espèces, y compris les humains, ce qui signifie que les bases du traitement tactile pourraient être utiles aux scientifiques qui étudient des conditions humaines telles que la douleur neuropathique caractérisée par un dysfonctionnement du toucher.

“Cette compréhension détaillée de la sensation tactile – c’est-à-dire ressentir le monde par contact avec la peau – peut avoir de profondes implications pour comprendre comment la maladie, les troubles et les blessures peuvent affecter notre capacité à interagir avec l’environnement qui nous entoure”, a déclaré James. Gnadt, directeur de programme à l’Institut national des troubles neurologiques et des accidents vasculaires cérébraux (NINDS), qui a fourni une partie du financement des études.

Négligé et sous-estimé

La vision historique du toucher est que les neurones sensoriels de la peau rencontrent un stimulus tactile tel que la pression ou les vibrations et envoient ces informations sous la forme d’impulsions électriques qui se déplacent directement de la peau au tronc cérébral. Là, d’autres neurones transmettent les informations tactiles au cortex somatosensoriel primaire du cerveau – le plus haut niveau de la hiérarchie tactile – où elles sont transformées en sensation.

Cependant, Ginty et son équipe se sont demandé si et comment la moelle épinière et le tronc cérébral sont impliqués dans le traitement des informations tactiles. Ces zones occupent le niveau le plus bas de la hiérarchie tactile et se combinent pour former une voie tactile plus indirecte dans le cerveau.

“Les gens dans le domaine pensaient que la diversité et la richesse du toucher provenaient uniquement des neurones sensoriels de la peau, mais que la pensée contourne la moelle épinière et le tronc cérébral”, a déclaré Josef Turecek, stagiaire postdoctoral au laboratoire Ginty et premier auteur du La nature papier.

De nombreux neuroscientifiques ne sont pas familiers avec les neurones de la moelle épinière, appelés neurones de la colonne dorsale post-synaptique (PSDC), qui se projettent de la moelle épinière dans le tronc cérébral – et les manuels ont tendance à laisser les neurones PSDC en dehors des diagrammes décrivant les détails du toucher, a expliqué Turecek.

Pour Ginty, la façon dont la moelle épinière et le tronc cérébral ont été négligés dans le toucher rappelle les premières recherches sur le système visuel. Au départ, les scientifiques qui étudiaient la vision pensaient que tous les traitements se produisaient dans le cortex visuel du cerveau. Or, il s’est avéré que la rétine, qui reçoit les informations visuelles bien avant qu’elles n’atteignent le cortex, est fortement impliquée dans le traitement de ces informations.

“Semblable à la recherche sur le système visuel, ces deux articles traitent de la façon dont les informations tactiles provenant de la peau sont traitées dans la moelle épinière et le tronc cérébral avant de remonter la hiérarchie tactile vers des régions cérébrales plus complexes”, a déclaré Ginty.

Joindre les points

Dans le Cellule article, les chercheurs ont utilisé une technique qu’ils ont développée pour enregistrer simultanément l’activité de nombreux neurones différents dans la moelle épinière lorsque les souris ont expérimenté différents types de toucher. Ils ont découvert que plus de 90 % des neurones de la corne dorsale – la zone de traitement sensoriel de la moelle épinière – réagissaient au toucher léger.

“C’était surprenant car on pensait classiquement que les neurones de la corne dorsale dans les couches superficielles de la moelle épinière réagissaient principalement à la température et aux stimuli douloureux. Nous n’avions pas apprécié la façon dont les informations tactiles légères sont distribuées dans la moelle épinière”, a déclaré Anda Chirila. , chercheur au laboratoire Ginty et co-auteur principal de l’article avec l’étudiante diplômée Genelle Rankin.

De plus, ces réponses au toucher léger variaient considérablement selon les populations génétiquement différentes de neurones de la corne dorsale, qui formaient un réseau neuronal hautement interconnecté et complexe. Cette variation des réponses, à son tour, a donné lieu à une diversité d’informations tactiles transportées de la corne dorsale au tronc cérébral par les neurones PSDC. En fait, lorsque les chercheurs ont réduit au silence divers neurones de la corne dorsale, ils ont constaté une réduction de la diversité des informations tactiles légères véhiculées par les neurones PSDC.

“Nous pensons que ces informations sur la façon dont le toucher est encodé dans la moelle épinière, qui est le premier site de la hiérarchie tactile, sont importantes pour comprendre les aspects fondamentaux du traitement tactile”, a déclaré Chirila.

Dans leur autre étude, publiée dans La nature, les scientifiques se sont concentrés sur la prochaine étape de la hiérarchie tactile : le tronc cérébral. Ils ont exploré la relation entre la voie directe des neurones sensoriels de la peau au tronc cérébral et la voie indirecte qui envoie des informations tactiles à travers la moelle épinière, comme décrit dans le Cellule papier.

“Les neurones du tronc cérébral reçoivent des entrées directes et indirectes, et nous étions vraiment curieux de savoir quels aspects du toucher chaque voie apporte au tronc cérébral”, a déclaré Turecek.

Pour analyser cette question, les chercheurs ont alternativement réduit au silence chaque voie et enregistré la réponse des neurones dans le tronc cérébral de la souris. Les expériences ont montré que la voie directe est importante pour communiquer les vibrations à haute fréquence, tandis que la voie indirecte est nécessaire pour coder l’intensité de la pression sur la peau.

“L’idée est que ces deux voies convergent dans le tronc cérébral avec des neurones capables de coder à la fois la vibration et l’intensité, de sorte que vous pouvez façonner les réponses de ces neurones en fonction de la quantité d’entrées directes et indirectes que vous avez”, a expliqué Turecek. En d’autres termes, si les neurones du tronc cérébral ont plus d’entrées directes qu’indirectes, ils communiquent plus de vibrations que d’intensité, et vice versa.

De plus, l’équipe a découvert que les deux voies peuvent transmettre des informations tactiles à partir de la même petite zone de peau, avec des informations sur l’intensité déviant à travers la moelle épinière avant de rejoindre les informations sur les vibrations qui se rendent directement au tronc cérébral. De cette façon, les voies directes et indirectes fonctionnent ensemble, permettant au tronc cérébral de former une représentation spatiale de différents types de stimuli tactiles provenant de la même zone.

Enfin sur la carte

Jusqu’à présent, “la plupart des gens considéraient le tronc cérébral comme une station relais pour le toucher, et ils n’avaient même pas du tout la moelle épinière sur la carte”, a déclaré Ginty. Pour lui, les nouvelles études “démontrent qu’il y a une énorme quantité de traitement de l’information se produisant dans la moelle épinière et le tronc cérébral – et ce traitement est essentiel pour la façon dont le cerveau représente le monde tactile”.

Un tel traitement, a-t-il ajouté, contribue probablement à la complexité et à la diversité des informations tactiles que le tronc cérébral envoie au cortex somatosensoriel.

Ensuite, Ginty et son équipe prévoient de répéter les expériences sur des souris éveillées et se comportant, pour tester les résultats dans des conditions plus naturelles. Ils souhaitent également étendre les expériences pour inclure davantage de types de stimuli tactiles réels, tels que la texture et le mouvement.

Les chercheurs s’intéressent également à la façon dont les informations provenant du cerveau – par exemple, sur le niveau de stress, la faim ou l’épuisement d’un animal – affectent la façon dont les informations tactiles sont traitées dans la moelle épinière et le tronc cérébral. Étant donné que les mécanismes du toucher semblent être conservés d’une espèce à l’autre, ces informations peuvent être particulièrement pertinentes pour les conditions humaines telles que les troubles du spectre autistique ou la douleur neuropathique, dans lesquelles un dysfonctionnement neuronal provoque une hypersensibilité au toucher léger.

“Grâce à ces études, nous avons jeté les bases fondamentales du fonctionnement de ces circuits et de leur importance”, a déclaré Rankin. “Nous avons maintenant les outils pour disséquer ces circuits afin de comprendre comment ils fonctionnent normalement et ce qui change lorsque quelque chose ne va pas.”

Paternité et financement

D’autres auteurs sur le Cellule article incluent Shih-Yi Tseng, Alan Emanuel, Carmine Chavez-Martinez, Dawei Zhang et Christopher Harvey du HMS. D’autres auteurs sur le La nature article incluent Brendan Lehnert du HMS.

Soutien pour le Cellule l’article a été fourni par le Harvard Mahoney Neuroscience Institute, le Ellen R. and Melvin J. Gordon Center for the Cure and Treatment of Paralysis, la National Science Foundation (GRFP DG1745303), une bourse Stuart HQ & Victoria Quan, les National Institutes of Health (MH125776 ; NS089521 ; NS119739 ; NS097344 ; AT011447), le Hock E. Tan and K. Lisa Yang Center for Autism Research et le Edward R. and Anne G. Lefler Center for the Study of Neurodegenerative Disorders.

Soutien pour le La nature l’article a été fourni par le Harvard Mahoney Neuroscience Institute, le Ellen R. and Melvin J. Gordon Center for the Cure and Treatment of Paralysis, les National Institutes of Health (NS097344; AT011447), le Hock E. Tan and K. Lisa Yang Center pour la recherche sur l’autisme et le Centre Edward R. et Anne G. Lefler pour l’étude des troubles neurodégénératifs.