Una mappa del tronco encefalico per le sensazioni viscerali

Natura volume 609, pagine 320–326 (2022) Citare questo articolo

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Il sistema nervoso utilizza varie strategie di codifica per elaborare gli input sensoriali. Ad esempio, il sistema olfattivo utilizza ampi repertori di recettori ed è predisposto per riconoscere odori diversi, mentre il sistema visivo fornisce un'elevata acutezza della posizione, della forma e del movimento dell'oggetto1,2,3,4,5. Rispetto ai sistemi sensoriali esterni, i principi che sono alla base dell’elaborazione sensoriale da parte del sistema nervoso interocettivo rimangono scarsamente definiti. Qui abbiamo sviluppato una preparazione per l’imaging del calcio a due fotoni per comprendere le rappresentazioni degli organi interni nel nucleo del tratto solitario (NTS), un gateway sensoriale nel tronco cerebrale che riceve input vagali e altri input dal corpo. Concentrandoci sugli stimoli dell’intestino e delle vie aeree superiori, abbiamo osservato che i singoli neuroni NTS sono sintonizzati per rilevare segnali provenienti da particolari organi e sono organizzati topograficamente sulla base della posizione del corpo. Inoltre, alcuni input meccanosensoriali e chemiosensoriali provenienti dallo stesso organo convergono centralmente. Gli input sensoriali coinvolgono domini NTS specifici con posizioni definite, ciascuno contenente tipi di cellule eterogenee. Le rappresentazioni spaziali di diversi organi sono ulteriormente affinate nell'NTS oltre ciò che si ottiene con il solo ordinamento degli assoni vagali, poiché il blocco dell'inibizione del tronco encefalico amplia la sintonizzazione neurale e disorganizza le rappresentazioni viscerali. Questi risultati rivelano le caratteristiche organizzative di base utilizzate dal cervello per elaborare gli input interocettivi.

I circuiti sensoriali trasformano gli input fisici di base – fotoni di luce, onde sonore, forze chimiche e meccaniche – in rappresentazioni e percezioni complesse di stimoli. Scoperte fondamentali hanno fornito informazioni su come i circuiti neuronali ottengono queste trasformazioni per i nostri sistemi sensoriali esterni. Gli esempi includono la mappa guidata dai recettori olfattivi nel bulbo olfattivo1,2, l'omuncolo corticale nel sistema somatosensoriale6 e le mappe del sistema visivo che estraggono caratteristiche di stimolo sempre più complesse man mano che le informazioni salgono3,4,5. Al contrario, si sa meno su come vengono elaborati i segnali interocettivi.

Il cervello riceve informazioni sensoriali vitali dagli organi interni del corpo e utilizza queste informazioni per orchestrare funzioni autonomiche cruciali come la respirazione, la frequenza cardiaca, la pressione sanguigna e la motilità intestinale, per garantire l'integrità delle vie aeree e per modulare i comportamenti di alimentazione, consumo di alcol e nausea7,8, 9,10,11,12,13,14,15. I principali segnali respiratori, cardiovascolari e digestivi vengono trasmessi principalmente al cervello dal nervo vago, che contiene dozzine di tipi di neuroni sensoriali mescolati spazialmente nei gangli sensoriali11,12,14,15,16. Ad esempio, i neuroni sensoriali nell’intestino rilevano le sostanze chimiche e si allungano per informare sulla qualità e quantità del cibo ingerito, forniscono segnali di ricompensa dei nutrienti, orchestrano il metabolismo sistemico e contribuiscono alla sensazione di sazietà dopo un pasto9,10,13,15,17 . I neuroni sensoriali vagali che innervano la laringe rilevano segnali chimici e meccanici simili e avviano riflessi protettivi che proteggono le vie aeree dall'aspirazione12,18. Stimoli identici applicati alla laringe o al tratto gastrointestinale inducono risposte fisiologiche e comportamentali distinte. Ciò suggerisce che la posizione di uno stimolo all’interno del corpo è una caratteristica chiave che deve essere decodificata dai circuiti neurali a valle.

Gli assoni sensoriali vagali attraversano il cranio e prendono di mira principalmente l'NTS, un grande hub sensoriale nel tronco encefalico per le informazioni interocettive e gustative19,20. Gli assoni centrali delle afferenze vagali e di altre afferenze craniche mostrano una certa topografia nelle loro proiezioni NTS, come visualizzate mediante tecniche genetiche o iniezione di colorante mirata ai tessuti7,8,9,14,15,21,22. Ad esempio, le informazioni gustative vengono elaborate rostralmente, mentre le informazioni interocettive vengono elaborate caudalmente19. Tuttavia, il tracciamento dei tratti degli assoni vagali non rivela le proprietà di risposta e le trasformazioni di input che possono verificarsi nei neuroni NTS, che hanno elaborati pergolati dendritici e potenzialmente contattano gli assoni sensoriali a distanza20,23,24. Altri approcci classici come l'elettrofisiologia in vivo e l'immunoistochimica cFos hanno fornito importanti informazioni sulle risposte NTS20,23,24,25,26,27. Tuttavia, a causa di limitazioni tecniche, questi studi hanno prodotto conclusioni contrastanti sull'organizzazione dei neuroni NTS che rispondono a diversi segnali interocettivi20,24,28. Qui ci concentriamo sugli input sensoriali classici e ben definiti dal tratto gastrointestinale e dalle vie aeree superiori per rivelare le caratteristiche di base della codifica sensoriale viscerale.