La microscopía holográfica ilumina los cambios provocados por el dolor en la actividad de la red neuronal
Normalmente, la actividad neuronal en la corteza somatosensorial primaria está dispersa. Sin embargo, hay un aumento en la actividad neuronal sincronizada cuando se experimenta un dolor agudo. Crédito: Takuya Okada
Por primera vez en el mundo, una colaboración de investigación interinstitucional ha utilizado un microscopio de dos fotones con una combinación de imágenes de calcio y estimulación holográfica para revelar que la conectividad funcional entre las neuronas ubicadas en la corteza somatosensorial primaria aumenta en respuesta al dolor agudo.
El dolor se produce como resultado de una lesión, como el daño de las neuronas periféricas o la inflamación derivada de la violación del tejido periférico. Se han publicado resultados de investigaciones sobre la implicación de anomalías del sistema nervioso central en la aparición del dolor y el dolor sostenido. La corteza somatosensorial primaria en la corteza cerebral juega un papel importante en la identificación de la fuerza y la ubicación del dolor. La investigación realizada con resonancia magnética funcional y microscopía de dos fotones ha demostrado que la actividad en esta parte del cerebro se acelera cuando se experimenta un dolor agudo. Sin embargo, aún no se ha revelado cómo cambia la conectividad funcional y la sincronización entre las neuronas con el tiempo, y qué tipo de efecto tienen estas alteraciones sobre el dolor.
Los investigadores realizaron experimentos con ratones modelo de dolor inflamatorio y los resultados reveló que tanto la actividad espontánea de la población neuronal como la actividad sincronizada entre neuronas en la corteza somatosensorial primaria aumentaban durante el dolor agudo. Además, descubrieron que cuando se estimulaba una sola neurona con luz holográfica, aumentaba la respuesta de las neuronas circundantes. A medida que mejoraba el dolor, las neuronas volvían gradualmente a su estado original. Los investigadores también demostraron que los niveles de expresión en los canales de iones de calcio de tipo N están involucrados en este mecanismo, lo que reveló que el umbral del dolor podría restaurarse cuando se administraron inhibidores que bloquearon estos canales. Se espera que estos descubrimientos puedan contribuir a tratamientos para pacientes con dolor crónico.
Los hallazgos de esta investigación se publicarán en Science Advances el 19 de marzo de 2021.
Antecedentes de la investigación
El dolor se produce como resultado de una lesión, como el daño de las neuronas periféricas o la inflamación derivada de la violación del tejido periférico. Es una sensación inevitable que todo el mundo ha experimentado, pero el mecanismo detallado para el inicio y el mantenimiento del dolor aún no se ha aclarado. Se han realizado investigaciones vitales sobre el dolor que se centran en la activación de las neuronas y las células gliales en el asta dorsal de la médula espinal. Con el desarrollo de las tecnologías de imágenes, se ha incrementado la investigación sobre la relación entre el dolor y las regiones del cerebro en los últimos años.
Normalmente, la conectividad funcional entre las neuronas en la corteza somatosensorial primaria es débil, pero esta conectividad se fortalece en respuesta. al dolor agudo. Crédito: Takuya Okada
La corteza somatosensorial primaria (S1) de la corteza cerebral es un área del cerebro que juega un papel importante en distinguir el dolor. Las investigaciones realizadas con tecnologías de imágenes como fMRI y microscopía de dos fotones han demostrado que la población neuronal en S1 se agrava durante el dolor agudo; sin embargo, las redes neuronales subyacentes detalladas en S1 que están involucradas en generar y mantener el dolor no se han aclarado.
El equipo de investigación usó un microscopio de dos fotones para realizar imágenes de calcio para rastrear las neuronas identificadas, iluminando los aumentos en tanto la actividad neuronal espontánea como la sincronización entre las neuronas S1 durante el dolor agudo. Además, revelaron que cuando se estimulaba una sola neurona con luz holográfica, aumentaba la respuesta de las neuronas circundantes y, a medida que disminuía el dolor, las neuronas volvían gradualmente a su estado original. Además, se descubrió que la expresión de los canales de iones de calcio de tipo N desempeña un papel en este mecanismo, y los investigadores demostraron que cuando se corrigía esta expresión, el umbral del dolor podía restaurarse de manera efectiva.
Metodología de investigación y Hallazgos
Los investigadores realizaron imágenes de calcio utilizando un microscopio de dos fotones. Este método les permitió monitorear la actividad de las neuronas en un cerebro vivo. Se desarrollaron ratones modelo de dolor inflamatorio inyectando adyuvante completo de Freund (CFA) en las patas traseras. Durante el dolor agudo, aumenta la actividad espontánea de las neuronas en la capa 2/3 de S1, al igual que la sincronización entre neuronas. El grupo de investigación también mostró que las neuronas volvieron a su estado original una vez que se mejoró el dolor. Además, descubrieron que cuanto mayor es el nivel de sincronización entre las neuronas, menor es el umbral del dolor.
Para verificar los resultados anteriores, se realizó un experimento utilizando una combinación de imágenes de calcio con microscopio de dos fotones y estimulación holográfica. . Se descubrió que cuando se estimulaba una sola neurona S1 en un modelo de ratón con dolor inflamatorio, la respuesta de las neuronas circundantes aumentaba durante el dolor agudo. Por el contrario, cuando se mejoró el dolor, la respuesta de las neuronas circundantes disminuyó. En resumen, se demostró que la sincronización entre neuronas aumentó como resultado de una conectividad funcional fortalecida entre las neuronas en S1 durante el dolor agudo, y que cuando este dolor mejoró, esta sincronización disminuyó.
Para verificar la relación entre el aumento de la actividad espontánea de las neuronas en la capa S1 2/3 y el umbral del dolor, se utilizó un receptor muscarínico humano modificado (hM3Dq) activado por N-óxido de clozapina (CNO) para inducir artificialmente el aumento de la actividad neuronal en el S1 de los ratones. Luego, los investigadores compararon la actividad neuronal y el umbral del dolor en los ratones antes y después de la administración de CNO (usando quimiogenética). Estos resultados mostraron que cuando la actividad neuronal S1 se inducía artificialmente en ratones, la sincronización entre neuronas aumentaba mientras que el umbral del dolor disminuía.
Se utilizó citometría de flujo para investigar el mecanismo molecular relacionado con estos resultados. Los niveles de expresión de cada canal iónico en las neuronas S1 de ratones modelo de dolor inflamatorio que habían experimentado dolor agudo se compararon con los de ratones de tipo salvaje que no habían estado expuestos al dolor. Los resultados mostraron que en los ratones modelo de dolor inflamatorio, hubo una mayor expresión en los canales de calcio tipo N, y que al administrar inhibidores de los canales de calcio (ya sea como una inyección intraventricular o como un ungüento en la superficie de S1), el dolor podría restablecerse el umbral.
Más investigaciones
La corteza somatosensorial primaria (S1) es un área del cerebro que juega un papel importante en distinguir el dolor, y las investigaciones hasta ahora han demostrado que la actividad de la población neuronal en S1 se acelera cuando se induce dolor agudo. El estudio de investigación actual reveló que no solo se aceleró esta actividad en respuesta al dolor agudo, sino que también hubo un aumento en la conectividad funcional y la actividad sincronizada entre las neuronas.
A continuación, el equipo de investigación debe examinar la relación causal entre la actividad neuronal y el dolor, utilizando estimulación holográfica. Lo harán identificando y determinando primero las características de las neuronas S1 que juegan un papel importante en el dolor, y luego aplicando estimulación holográfica a las células identificadas para investigar la relación causal. Además, los investigadores planean buscar posibles opciones de tratamiento para el dolor agudo, como prevenir el aumento de la conectividad funcional entre las neuronas.
Explore más
Analizando el diferente papel de la dopamina en la sensibilidad al dolor en hombres y mujeres Más información: «El dolor induce microcircuitos estables y activos en la corteza somatosensorial que proporcionan un nuevo objetivo terapéutico» Science Advances ( 2021). advances.sciencemag.org/lookup … .1126/sciadv.abd8261 Información de la revista: Science Advances
Proporcionado por la Universidad de Kobe Cita: La microscopía holográfica ilumina los cambios provocados por el dolor en la actividad de la red neuronal (marzo de 2021 19) recuperado el 30 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-03-holographic-microscopy-illuminates-pain-driven-neuronal.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.