Lo studio identifica un singolo tipo di neurone del midollo spinale che coordina la locomozione / Study Identifies Single Type of Spinal Cord Neuron That Coordinates Locomotion

Lo studio identifica un singolo tipo di neurone del midollo spinale che coordina la locomozione / Study Identifies Single Type of Spinal Cord Neuron That Coordinates Locomotion

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Da più di un secolo gli scienziati sanno che mentre i comandi che avviano il movimento provengono dal cervello, i neuroni che controllano la locomozione una volta che il movimento è in corso risiedono all'interno del midollo spinale. Gli studi sui topi condotti da scienziati della Columbia University hanno ora scoperto che un tipo di neurone, chiamato neuroni del tratto spinocerebellare ventrale (VSCT), è sia necessario che sufficiente per regolare questo tipo di movimento.

I ricercatori hanno scoperto che quando solo queste cellule venivano silenziate chimicamente in topi adulti che si muovevano liberamente, gli animali non potevano più muoversi correttamente. Una volta che gli effetti dei farmaci si erano esauriti, i topi potevano muoversi di nuovo normalmente. I ricercatori suggeriscono che i risultati del loro studio potrebbero aiutare a indicare nuove strategie terapeutiche per il trattamento di traumi o malattie che influiscono sul movimento.

"Ci auguriamo che i nostri risultati aprano nuove strade verso la comprensione di come si verificano comportamenti complessi come la locomozione e ci forniscano nuove informazioni sui meccanismi e sui principi biologici che controllano questo comportamento essenziale", ha affermato George Mentis, PhD, professore associato di patologia e cellula biologia nel dipartimento di neurologia della Columbia University. "È anche possibile che i nostri risultati portino a nuove idee per vie terapeutiche, sia che si tratti di trattamenti per lesioni del midollo spinale o malattie neurodegenerative che influenzano il movimento e il controllo motorio".

Mentis, insieme ai colleghi e ai collaboratori della Columbia University presso l'University College di Londra, ha riportato i loro risultati in Cell , in un documento intitolato "Control of mammalian locomotion by ventral spinocerebellar tract neurons".

La locomozione è un comportamento animale essenziale che è fondamentale per la sopravvivenza, hanno scritto gli autori. "La locomozione in superficie è definita come l'attività motoria ritmica alternata tra arti opposti, nonché tra muscoli antagonisti dello stesso arto". Camminare è generalmente un movimento naturale. Non dobbiamo pensare prima di mettere un piede davanti all'altro. Ma come è coordinato?

"Come ci si potrebbe aspettare, è il cervello che avvia la locomozione", ha commentato Mentis, che studia i circuiti che controllano il camminare con un occhio per trovare nuovi trattamenti per i pazienti con SLA, SMA e lesioni del midollo spinale. "Ma non lo coordina."

Invece, la coordinazione dei nostri numerosi muscoli che camminano è gestita dai neuroni nel midollo spinale. È un lavoro complesso: con un tempismo preciso, questi neuroni devono inviare segnali in modo che la gamba sinistra e quella destra alternino la loro attività - sinistra, destra, sinistra, destra - e quindi i muscoli flessori ed estensori di ciascuna gamba si contraggano in modo alternato.

La maggior parte degli scienziati pensava che un compito così complesso potesse essere gestito solo da circuiti neuronali complessi, con il contributo di diversi tipi di neuroni. Questo insieme di circuiti, chiamato generatore di pattern centrale, sembrava dirigere lo spettacolo. "Sebbene il feedback sensoriale ed i comandi sopraspinali siano importanti per modulare la locomozione, si ritiene che una rete di interneuroni spinali, nota come generatore di pattern centrale (CPG), sia responsabile della genesi dell'attività locomotoria senza fare affidamento su input sensoriali o discendenti", i ricercatori hanno continuato. Tuttavia, hanno sottolineato: "Non è noto se più o un singolo tipo neuronale sia responsabile del controllo della locomozione dei mammiferi".

I VSCT sono stati scoperti negli anni '40, ma i ricercatori hanno creduto a lungo che la loro funzione principale fosse quella di trasmettere messaggi sull'attività neuronale dal midollo spinale al cervelletto. Lo studio appena riportato ha mostrato che, invece, controllano il comportamento locomotore sia durante lo sviluppo che nell'età adulta.

"Questi risultati sono stati un'enorme sorpresa", ha detto Mentis. "Una delle scoperte chiave nel nostro studio è stata che, a parte la loro connessione con il cervelletto, questi neuroni creano connessioni con altri neuroni spinali che sono anche coinvolti nel comportamento locomotore attraverso i loro collaterali assonici".

Neuroni del tratto spinocerebellare nei topi. / Spinocerebellar tract neurons in mice. [Chalif et al/Cell] [Chalif et al/Cell]

Mentis e colleghi hanno condotto diversi nuovi approcci sperimentali. Il gruppo ha applicato l'optogenetica, utilizzando la luce LED per regolare alcune proteine ​​che sono state espresse selettivamente nei VSCT, per attivare o sopprimere l'attività neuronale. Un'altra serie di esperimenti ha utilizzato tecniche chemogenetiche per attivare o sopprimere ligandi sintetici espressi artificialmente in questi neuroni, controllandone l'attività.

Sfruttando la capacità del midollo spinale intatto dei topi appena nati di funzionare in un piatto, i ricercatori hanno dimostrato che l'attivazione dei VSCT dal comportamento locomotore indotto dalla luce. Quando l'attività VSCT è stata soppressa dalla luce o da farmaci, il comportamento locomotore in corso è stato interrotto. “... mostriamo che i VSCT vengono contattati dai collaterali dell'assone MN durante lo sviluppo iniziale tramite sinapsi sia chimiche che elettriche. La natura di questi contatti è sia chimica tramite sinapsi eccitatorie, sia elettrica tramite giunzioni gap.

Studi in vivo hanno inoltre confermato che i topi adulti che si muovevano liberamente smettevano di muoversi quando l'attività del VSCT veniva soppressa iniettando un farmaco inibitorio. Il movimento normale è poi tornato quando l'attività del farmaco si è interrotta. Il comportamento locomotore è stato anche testato dalla capacità dei topi di nuotare. I topi non erano in grado di nuotare e semplicemente galleggiavano nell'acqua quando i VSCT sono stati silenziati. In tutti questi modelli ed esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato che i VSCT da soli erano sia necessari che sufficienti per controllare l'attività locomotoria: attivarli era sufficiente per indurre l'attività mentre sopprimerli era sufficiente per fermarla. "Questi risultati identificano i VSCT come componenti critici per la locomozione dei mammiferi e forniscono un cambio di paradigma nella nostra comprensione del controllo neurale dei comportamenti complessi", ha commentato il team.

Mentis riconosce che ci sono limitazioni alla conduzione di questo tipo di ricerca sui topi, incluso il fatto che mentre gli esseri umani sono bipedi, i topi sono quadrupedi; quindi, la loro locomozione potrebbe essere regolata in modo diverso. Ma osserva che altre ricerche sulle malattie neurodegenerative e sui processi nei topi hanno portato a studi clinici su pazienti umani, suggerendo che è probabile che i risultati murini siano applicabili anche agli esseri umani.

I risultati dello studio potrebbero avere importanti implicazioni per lo sviluppo di nuove terapie per le persone con lesioni del midollo spinale o disturbi motori. "Ad esempio, potrebbe non essere sufficiente ricollegare il cervello ed il midollo spinale nelle persone con midollo spinale reciso", ha commentato Mentis. “I nostri risultati suggeriscono che dovresti anche ripristinare la corretta attività nei neuroni del tratto spinocerebellare ventrale per garantire che il generatore di pattern centrale funzioni correttamente. Tutto deve essere strettamente bilanciato tra l'eccitazione di alcuni neuroni e l'inibizione di altri. Se questo equilibrio è compromesso, non avrai movimenti coordinati”.

Per i prossimi passi, il gruppo prevede di identificare e mappare con precisione i circuiti neuronali che i VSCT creano con i motoneuroni e altri neuroni spinali. Vorrebbero anche identificare marcatori genetici selezionati e scoprire potenziali sottopopolazioni di VSCT ed esplorare il loro ruolo in diverse modalità di locomozione. Infine, intendono esplorare come la funzione dei VSCT è alterata nel contesto della patologia e delle malattie neurodegenerative.

"I nostri risultati identificano una funzione inaspettata per i VSCT come controllori chiave della locomozione dei mammiferi e dimostrano che un singolo tipo neuronale è essenziale per tale comportamento, cambiando radicalmente il modo in cui pensiamo che vengano prodotti comportamenti complessi", ha affermato il team. Affermano la scoperta che questi VSCT sono necessari e sufficienti per il comportamento locomotore e rappresentano i componenti principali del CPG locomotore "... fornisce le basi concettuali per lo sviluppo di approcci terapeutici per i pazienti che soffrono di lesioni del midollo spinale e disturbi motori".

ENGLISH

For more than a century, scientists have known that while the commands that initiate movement come from the brain, the neurons that control locomotion once movement is underway reside within the spinal cord. Studies in mice by scientists at Columbia University have now found that one type of neuron, called ventral spinocerebellar tract neurons (VSCTs), is both necessary and sufficient for regulating this type of movement.

The researchers found that when just these cells were chemically silenced in freely moving adult mice, the animals could no longer move properly. Once the effects of the drugs had worn off, the mice could move normally again. The investigators suggest that their study results could help point to new therapeutic strategies for treating trauma or diseases that impact movement.

“We hope that our findings will open up new avenues toward understanding how complex behaviors like locomotion come about and give us new insight into the mechanisms and biological principles that control this essential behavior,” said George Mentis, PhD, associate professor of pathology and cell biology in the department of neurology at Columbia University. “It’s also possible that our findings will lead to new ideas for therapeutic avenues, whether they involve treatments for spinal cord injury or neurodegenerative diseases that affect movement and motor control.”

Mentis, together with Columbia University colleagues and collaborators at University College London, reported on their findings in Cell, in a paper titled, “Control of mammalian locomotion by ventral spinocerebellar tract neurons.”

Locomotion is an essential animal behavior that is critical for survival, the authors wrote. “Overground locomotion is defined as the alternating, rhythmic motor activity between opposing limbs, as well as between antagonistic muscles of the same limb.” Walking is generally a natural movement. We don’t have to think before putting one foot in front of the other. But how is this coordinated?

“As one might expect, it’s the brain that initiates locomotion,” commented Mentis, who investigates the circuits that control walking with an eye toward finding new treatments for patients with ALS, SMA, and spinal cord injuries.  “But it doesn’t coordinate it.”

Instead, coordination of our many walking muscles is handled by neurons in the spinal cord. It’s a complex job: With precise timing, these neurons must send signals so the left and right leg alternate their activity—left, right, left, right—and so flexor and extensor muscles in each leg contract in an alternating fashion.

Most scientists thought that such a complex task could only be handled by complex neuronal circuits, with contributions from different types of neurons. This assembly of circuits, called the central pattern generator, seemed to run the show. “Although sensory feedback and supraspinal commands are important for modulating locomotion, a network of spinal interneurons—known as the central pattern generator (CPG)—is thought to be responsible for the genesis of locomotor activity without relying on sensory or descending inputs,” the researchers continued. However, they pointed out, “It is unknown whether multiple or a single neuronal type is responsible for the control of mammalian locomotion.”

VSCTs were discovered in the 1940s, but researchers have long believed that their main function was to relay messages about neuronal activity from the spinal cord to the cerebellum. The newly reported study showed that instead, they control locomotor behavior both during development and in adulthood.

“These findings were a huge surprise,” Mentis said. “One of the key discoveries in our study was that apart from their connection to the cerebellum, these neurons make connections with other spinal neurons that are also involved in locomotor behavior via their axon collaterals.”

Mentis and colleagues carried out several novel experimental approaches. The team applied optogenetics, using LED light to regulate certain proteins that were expressed selectively in VSCTs, to either activate or suppress the neuronal activity. Another set of experiments used chemogenetic techniques to activate or suppress synthetic ligands expressed artificially in these neurons, controlling their activity.

Leveraging the ability of intact spinal cords from newborn mice to function in a dish, the researchers showed that activation of VSCTs by light induced locomotor behavior. When VSCT activity was suppressed by light or by drugs, ongoing locomotor behavior was halted. “… we show that VSCTs are contacted by MN axon collaterals during early development via both chemical and electrical synapses. The nature of these contacts is both chemical via excitatory synapses, as well as electrical through gap junctions.”

In vivo studies in addition confirmed that freely moving adult mice stopped moving when the activity of VSCT was suppressed by injecting an inhibitory drug. Normal movement then returned when drug activity stopped. Locomotor behavior was also tested by the ability of mice to swim. Mice were unable to swim and simply floated in the water when VSCTs were silenced. In all of these models and experiments, the researchers demonstrated that VSCTs alone were both necessary and sufficient for controlling locomotor activity—activating them was enough to induce activity while suppressing them was enough to stop it. “These findings identify VSCTs as critical components for mammalian locomotion and provide a paradigm shift in our understanding of neural control of complex behaviors,” the team commented.

Mentis acknowledges that there are limitations to conducting this type of research in mice, including the fact that while humans are bipedal, mice are quadrupedal; thus, their locomotion could be regulated in a different way. But he notes that other research on neurodegenerative diseases and processes in mice has led to clinical trials in human patients, suggesting that the murine findings are also likely to be applicable to humans.

The study results may have important implications for the development of new therapies for people with spinal cord injuries or motor disorders. “For example, it may not be enough to reconnect the brain and the spinal cord in people with severed spinal cords,” Mentis commented. “Our findings suggest that you would also have to restore proper activity in the ventral spinocerebellar tract neurons to ensure that the central pattern generator is working properly. Everything has to be tightly balanced between exciting certain neurons and inhibiting others. If this balance is compromised, you won’t have coordinated movement.”

For their next steps, the team plans to identify and map precisely the neuronal circuits that VSCTs make with motor neurons and other spinal neurons. They also would like to identify select genetic markers and uncover potential subpopulations of VSCTs and explore their role in different modes of locomotion. Finally, they plan to explore how the function of VSCTs is altered in the context of pathology and neurodegenerative diseases.

“Our findings identify an unexpected function for VSCTs as key controllers of mammalian locomotion and demonstrate that a single neuronal type is essential for such behavior, fundamentally changing the way we think complex behaviors are produced,” the team stated. They claim the discovery that these VSCTs are necessary and sufficient for locomotor behavior, and represent core components of the locomotor CPG “… provides the conceptual foundation for developing therapeutic approaches for patients suffering from spinal cord injury and motor disorders.”

Da:

https://www.genengnews.com/neuroscience/study-identifies-single-type-of-spinal-cord-neuron-that-coordinates-locomotion/