Sistema Somato sensorial Nocicepción y Tacto · Aspectos generales del SISTEMA SOMATO SENSORIAL o...
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Sistema Somato sensorial Nocicepción y Tacto Dra. Gabriela Hermitte Biología Sensorial Animal 2018
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Sistema Somato sensorial
Nocicepción y Tacto
Dra. Gabriela Hermitte
Biología Sensorial
Animal 2018
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Función exteroceptiva e interoceptiva
Aspectos generales del SISTEMA SOMATO
SENSORIAL o “sentido del cuerpo”.
identificar la presión, el estiramiento, la vibración, la
forma, tamaño y textura de los objetos y manipularlos.
controlar la acción de fuerzas internas y externas que
actúan sobre el cuerpo.
detectar el daño tisular, percibido como dolor o prurito.
Tres submodalidades principales: tacto o hapsis,
propiocepción y nocicepción.
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Morfología de una Neurona Sensorial del Ganglio de
la raíz Dorsal (NSGD) de la médula o del ganglio
trigémino.
Fibra primaria aferente
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¿Cómo se preserva la
organización topográfica de los
receptores en la piel?
Dermatoma
El área de la
piel inervada
por las fibras
nerviosas que
comprenden
una raíz
dorsal
2m2
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Potencial de acción
¿Cómo se codifican la cualidad y la intensidad del estímulo?
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Sensación somática: epicrítica (tacto fino)
Topognosis (localización del estímulo sobre la piel)
Estereognosis (reconocimiento de la forma del objeto)
Sensación somática protopática (nocicepción)
Resolver textura, espaciamiento, discernir amplitud y frecuencia de una vibración
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•Las fibras nerviosas asociadas con LTMR y HTMR se clasifican en: Aβ-,
Aδ-, o C- basándose en la velocidad de conducción del PA.
Clasificación (mamíferos)
MR de bajo umbral (LTMR) (tacto) y
MR de alto umbral (HTMR) (nocicepción)
•Los LTMR se clasifican según sus respuestas de adaptación en MR de
adaptación lenta (AL) o rápida (AR) según como decline su respuesta
frente a los estímulos mecánicos sostenidos.
•Las fibras C son no mielinizadas y tienen la más baja velocidad de
conducción (~2 m/s), mientras que las fibras Aδ y Aβ son ligera y
densamente mielinizadas y con >Ø por lo que exhiben velocidad de
conducción intermedia (~12 m/s) y rápida (~20 m/s) respectivamente.
•Los LTMR se distinguen por el órgano cutáneo que inervan y por el
estímulo preferido.
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Adaptación sensorial (LTMR) Los MR
proporcionan
información
acerca de las
cualidades
estáticas o
dinámicas de un
estímulo.
AL- Tónicos AR- Fásicos
La duración de
una sensación
está
determinada en
parte por la tasa
de adaptación
de los
receptores.
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Campo receptivo El campo receptivo
de un MR para
tacto es la región
de la piel
directamente
inervada por los
terminales de una
neurona receptora
1. localizar el
estímulo
2. discriminar el
tamaño y la forma
3. resolver el detalle
fino
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Resolución (campos receptivos)
En el sistema
somatosensorial/
visual la densidad
de los CR de las
neuronas
sensoriales en una
parte del cuerpo
definen la resolución
del estímulo.
Cada cuadrado o
píxel es un CR
tronco
dedos
brazo
palmas
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TOPOGRAFIA GENERAL DE LA PIEL (ratón)
Organización y proyecciones de los MR cutáneos
(LTMR & HTMR)
Touch sense. Roudaut et al, 2012
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Tacto inocuo. LTMR-Aβ, Aδ y C asociados a los folículos pilosos y aferentes del tacto placentero. MR de AR
Generalmente, las
terminaciones libres de
fibras C presentes en la
piel son HTMR, pero
una subpoblación de
fibras C (CT) no
responden al tacto
nocivo, sino que son
aferentes del tacto
placentero y son LTMR
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Lishi Li et al., 2011
14 Touch sense. Roudaut et al, 2012
Tacto inocuo LTMR en la piel lampiña
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AL Merkel
cell
AR
Ruffini
AL
25%
20% 15%
AR
40%
20-50 Hz
250- 300Hz
Paccini Ruffini
Meisner
MR AL MR AR
Capa superficial
Capa profunda
Merkel
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Los CR de
los MR en
las capas
superficial
y profunda
de la piel
difieren en
forma,
tamaño y
estructura
Campos receptivos Resuelven detalle!!!
puntas de los dedos 300 fibras/cm2
falanges proximales:120/cm2
palma: 50/cm2
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El área de la piel
comprendida dentro
del CR para cada tipo
de MR, varía a lo
largo del cuerpo
Campos receptivos
Merkel/al Paccini/ar Ruffini/al Meisner/ar
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El umbral de
dos puntos
mide la
distancia
mínima a la
cual dos puntos
se resuelven
como distintos.
El umbral de dos puntos
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La forma y el
tamaño de los
objetos que tocan
la mano son
codificados por
poblaciones de
receptores de
Merkel.
Merkel/AL
Curvatura Tasa de disparo
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Un mono que lee
Braille…
Connor et al. 1990
Merkel y Meissner
diferencian entre
puntos y espacios
cuando el
espaciamiento
entre puntos
excede el
diámetro del CR
Merkel & Meisner
Patrones Braile sobre el tambor
Merkel
Meisner
Paccini
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La vibración es la sensación
producida por la oscilación de
un objeto ubicado sobre la
piel.
Los MR difieren en
su umbral de
sensibilidad a la
vibración
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¿Por qué cada capa de la piel está dotada con 2 sets
de MR diferentes con campos receptivos similares?
Permite resolver
características
estáticas y
dinámicas en los
dos niveles
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fibras LTMR-Aβ
Proyecciones de LTMR en la médula espinal y mas allá
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Tacto nocivo. HTMR en la piel lampiña y pilosa
Touch sense. Roudaut et al, 2012
•Sensibilidad mecánica de
los keratinocitos
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Las vías
ascendentes
a los centros
superiores
Sistema
medial
lemniscal de
la columna
dorsal.
Sistema
anterolateral
Medula espinal
Cerebro medio
Pons
Medulla oblongata
Corteza SSS:
Giro
poscentral
Medulla oblongata Núcleo cuneado Núcleo grácil
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Sensibilidad a la vibración. Los movimientos rápidos se transmiten a través de las lamelas hasta el terminal nervioso, generando un PR y un PA para cada ciclo vibratorio.
La cápsula filtra los
componentes
constantes
La morfología del
receptor influye sobre
la adaptación en los
R-AR
Adaptación Propiedades de los canales
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A nose that looks like a hand and acts like an
eye: the unusual mechanosensory system of the
star-nosed mole.
Kenneth C. Catania. (1999-2014)
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Los rayos se mueven en grupos e
independientemente cada grupo.
Contacta 10 lugares
por segundo!
Somatosensory Fovea in the Star-Nosed
Mole: Behavioral Use of the Star in
Relation to Innervation Patterns and
Cortical Representation.
J C Neurology , 2007.Catania & Kaas.
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Comportamiento focalizado o de tipo “fóvea” todo en
menos
de
400ms!
Nro de toques en 10 E
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COAST MOLE
STAR NOSE MOLE
+ de 25.000 OE sólo en la estrella !
Unos pocos
órganos de
Eimer rodeando
las narinas
¿Refleja la anatomía
de la estrella el rol
que juega el rayo 11
en el
comportamiento?
Porción distal de la nariz
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CC-FNE columna central epitelial asociada con terminaciones nerviosas
libres intraepidérmicas
P-FNE terminales nerviosas libres periféricas
MC complejo de célula de Merkel-neurita
LC corpúsculo lamelado
SC Estrato córneo
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¿el rayo 11 presenta más órganos de Eimer?
NO!
El rayo 11 presenta
900 órganos de
Eimer sobre su
superficie mientras
que algunos de los
rayos laterales
presentan hasta
1500!
Los registros realizados en la corteza cerebral revelan que la
estrella es altamente sensible a la fina estimulación táctil…
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¿El rayo 11 tiene más fibras
mielinizadas?
Existen cerca de 100.000 fibras
mielinizadas inervando una estrella…
En lugar de presentar más órganos sensoriales…
Si!
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¿el rayo 11 tiene más fibras mielinizadas por
órgano de Eimer?
Si!
El rayo 11 tiene
una densidad
mayor de
inervación por
órgano de
Eimer.
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El homúnculo y el topúnculo !!!
Se estudio el % del área aproximada de la
corteza SS que responde a cada parte del
cuerpo
A pesar de que la nariz
es una porción
relativamente pequeña
del cuerpo, su
representación cortical
domina la corteza SS
(Magnificación
cortical)
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El rayo 11 ocupó el 25 % de la
representación cortical de la estrella en
S1 a pesar de su pequeño tamaño
Rata: se halló una relación directa lineal entre el tamaño del barrel cortex en la corteza SS de los roedores y el numero de aferentes que inervan el bigote correspondiente en la cara. (Magnificación
cortical) Magnificación de los aferentes!
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El rayo 11 contenía cerca del 7%
(900) de los órganos de Eimer de
la estrella, recibía cerca del 11%
(6.000) de las fibras nerviosas que
inervan la estrella, lo que explica
la mayor densidad de inervación
por órgano, pero ocupaba cerca
del 25% de la representación de
la estrella en la corteza.
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Magnificación cortical
Magnificación de los aferentes
Molecular basis of mechanosensory
transduction Gillespie and Walker, Nature 2001.
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Base molecular de la
transducción
mecánica
Supone que la fuerza
externa se transmite
mediante moléculas de la
matriz extracelular y
proteínas del citoesqueleto
al canal
mecanotransductor,
determinando el flujo de
una corriente iónica a
través del canal abierto.
Aspectos comparados de la mecanotransducción
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Ambiente: vida libre en el suelo
Diversidad de neuronas mecanosensoriales
Estímulos mecánicos externos y autogenerados
Neuronas MS con dendritas ciliadas o no ciliadas
Localización especifica de las NMS
El tacto inicia ≠ comportamientos incluso la cópula
Mecanorecepción en C. elegans.
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Mecanorecepción
en C. elegans.
Mechanosensory transduction in C. elegans. (A) Mechanosensory neurons of C. elegans include gentle body touch neurons (blue), multidendritic
harsh-touch neurons (red), ciliated neurons (green) required for nose-touch (ASH, FLP, and OLQ) or proper foraging behaviors (CEP, ADE, and
PDE [not indicated]), and ciliated male-specific neurons (orange). For paired neurons, only one is shown.
Figura 42 a y c. Vista de la ubicación de los mecanoreceptores. AVM, la célula del microtúbulo anterior ventral; ALML/R la célula del
microtubulo anterior lateral I/D: PVM, la célula del microtúbulo posterior ventral; PLML/R la célula del microtubulo posterior lateral I/D. B.
micrografía electrónica del proceso neuronal del receptor del tacto. La mecanotransducción puede resultar de la deflexión neta del arreglo de
microtúbulos relativo a la posición del manto, una deflexión detectada por el canal de transducción. Se observan 15 protofilamentos de los
microtúbulos; las ECM, la hipodermis y la cutícula de una PLM. C. Modelo propuesto para un receptor del tacto. Ubicación hipotética de las
proteínas mec.
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Los genes MEC y los canales Deg/ENaC sensibles a
amiloride
The cell biology of touch. Lumpkin et al, 2010
El modelo
molecular del
tacto, el complejo
MEC-4
También canales TRP & Piezo
Modelo molecular del tacto, el complejo MEC-4. Muchos de los genes MEC han sido identificados molecularmente y varios codifican
proteínas que se postula forman el complejo transductor del tacto. El complejo MEC-4 de las neuronas del tacto en el cuerpo de C. elegans ha
sido foco de estudio durante 3 décadas. Los elementos centrales de este complejo mecanosensorial son las subunidades DEG/ENaC MEC-4 y
MEC-10. MEC-4 and MEC-10 son isoformas Deg/ENaC que sirven como unidades que se ensamblan formando el poro. Los canales
funcionales tienen dos subunidades MEC-4 y una MEC-10. Los dominios extracelulares de MEC-4 y MEC-10 se postulan que se linkean a la
matriz extracelular especializada (el manto) de la célula de tacto, quizás mediante la asociación directa con MEC-5, una isoforma de
colágeno y/o las proteínas MEC-1 y MEC-9. Los dominios intracelulares de MEC-4 y MEC-10 se hipotetizan que están unidos a los
microtúbulos de 15-protofilamentos hechos de α- tubulina MEC-12 y β-tubulina MEC-7 mediante MEC-2, una proteína localizada en la parte
interna de la membrana tipo estomatina que se une a la membrana. MEC-2 y MEC-6, una proteína de transmembrana, son subunidades
accesorias que permiten la actividad del canal. El anclado de las subunidades del canal a la matriz extracelular y al esqueleto intracelular se
postula que confiere al canal la tensión de apertura. En este modelo, la mínima deflexión mecánica producida por el tacto suave causan un
cambio conformacional del canal que se estira entre los dos puntos de adhesión y abre directamente el canal permitiendo el flujo iónico.
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NMS para el tacto, el oído y la gravedad, la tensión
y propiocepción.
Órganos sensoriales externos: cerdas
Mecanorecepción en Drosophila
Studies of mechanosensation using the fly (Andrew P. Jarman, 2002)
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Mecano recepción en Drosophila
Neurona MS tipo II: multidendrítica
NMSs ciliadas tipo I
NMSs no ciliadas tipo II
A) Adulto Drosophila melanogaster, en el cual se ven las cerdas sensoriales (órganos sensoriales externos); también se indica la ubicación de
los órganos internos cordotonales y de Johnston, el órgano auditivo. (B y C) son esquemas de un órgano externo sensorial y un órgano
cordotonal mostrando características estructurales importantes y enfatizando sus similitudes. La deflexión de la cerca o el estiramiento del
órgano cordotonal imprimen un efecto sobre la dendrita ciliada de la neurona sensorial.
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Mecanotransducción en Drosophila •Los genes nompC y los canales TRPN1.
•Los genes nompA y la matriz EC
Cap dendrítico
Punta dendrita
Modelo del resorte de apertura o gating-spring adaptado para Drosophila. Representa el movimiento y apertura del canal anclado a ambos lados
de la membrana por el cap dendrítico y alguna estructura intracelular del citoesqueleto.
A. Modelo molecular de transducción propuesto para los MR ciliados de los insectos con la localización de NompC y NompA indicadas.
B. El movimiento de la cerda hacia la cutícula de la mosca desplaza la dendrita y desencadena una respuesta excitatoria en la neurona
mecanosensorial.
C, Micrografía electrónica de transmisión de la cerca de un insecto mostrando el lugar de inserción de la dendrita en la base de la cerda. La
cerda contacta la dendrita (cabeza de flecha) de manera que el movimiento de la vaina de la cerda va a ser detectado por la neurona.
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Mecanotransducción en el oído interno
Fishing for key players in
Mecano transduction. Nicolson, 2005. Trends in NS
Aparato de transducción en
células pilosas y vestibulares.
Los canales de MT estan
compuestos de subunidades de
TRPA1 o TRPN1.
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Evidence for a protein tether involved in somatic touch. The EMBO Journal. Hu, Chiang, Koch, and Lewin, 2010
Co-cultivos de fibroblastos y neuronas sensoriales que sugieren un mecanismo por tiplinks. (B) Ejemplo de una corriente
mecanosensible de AR en la neurona sensorial evocada por el desplazamiento de 750 nm del fibroblasto adyacente a la neurita. Los
gráficos de barra muestran la latencia media y el tiempo de activación de la corriente evocada en la neurita sobre laminina-111 (gris),
en la neurita sobre el fibroblasto (azul) y en el fibroblasto por debajo de la neurita (rojo). (C) una micrografía de filamentos
electrodensos que se observan entre las neuritas y los fibroblastos en el co-cultivo e neuronas DRG y fibroblastos.
Co-cultivos de fibroblastos y neuronas sensoriales
que sugieren un mecanismo por tiplinks.
A. micrografía de campo claro (izquierda) y micrografía
de fluorescencia (derecha) de una neurona registrada
sobre fibroblastos y llena de Lucifer yellow desde la
pipeta de registro (RE). El estímulo mecánico (MS, con
una amplitud de 750 nm) fue aplicado tanto a la neurita
directamente como al fibroblasto adyacente (indicado
con una flecha blanca).
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Subtilisina y blisterasa selectivamente eliminan la corriente MS AR. C) El potencia de membrana de reposo (RMP) y el umbral para
la iniciación de un AP, se midió luego de 0-3 hs después del tratamiento con subtilisina (rojo) o blisterasa (gris). Los datos se
analizaron se separadamente para grandes y pequeñas neuronas. No se observaron diferencias con los controles.
Subtilisina y blisterasa
selectivamente eliminan la
corriente MS AR. A) ejemplos de
corrientes MS AR, AL y AI
evocadas por la estimulación de las
neuritas de neuronas sensoriales.
Los histogramas estaqueados
muestran la proporción de tres
tipos de corrientes observadas en
controles (laminin and laminin-111)
comparados con aquellos en
cultivos tratados con agentes que
disrumpen las interacciones MEC-
célula. El número de neuronas
registradas se indica encima de
cada histograma. Las barras vacías
indican las neuronas en las cuales
no se pudo medir ninguna corriente
MS.
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C, D. Las corrientes gatilladas por protones no se ven alteradas luego del tratamiento con subitilisa y blisterasa. El pico sostenido
(ejemplo del trazo exhibido en panel C) y el pico transciente (ejemplo en el panel D) Las amplitudes de las corrientes gatilladas por
protones medidas con estímulos de pH 6.5 y 4 no fueron diferentes entre controles y tratamientos. El número de células medidas
en cada grupo se indica en paréntesis arriba de cada columna.
El tratamiento con proteasa no
afecta otros canales iónicos. A)
Ejemplos de corrientes en células
enteras evocados por una serie de
pasos de depolarizacion desde un
potencial pre pulso de -120 mV en
pasos 10-mV hasta +50mV. Los
trazos negras pertenecen a neuronas
antes del tratamiento con subtilisina y
los trazos rojos se obtuvieron
después del tratamiento; no se
observaron cambios en la cinética
o en las amplitudes de las
corrientes entrantes ni salientes.
B) Corrientes entrantes y salientes en
células enteras medidos a diferentes
potenciales para los controles (negro)
y las células tratadas (rojo) de
manera aguda con subtilisina o
blisterasa (azul) . A cada potencial
test se midió el pico de corriente
entrante. Las neuronas tratadas con
subtilisina mostraron un pequeño
pero significativo shift en el pico de
activación de la corriente entrante.
No se observó cambio en las células
tratadas con blisterasa comparadas
con los controles.
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Los mecanoreceptores pero no los nociceptores requieren de una proteína sensible a la subtilisina. A) Representación
esquemática del set up de registro utilizado en la preparación piel nervio in vitro y un ejemplo del registro a partir de un
mecanoreceptor antes (trazo negro) y después de la aplicación de subtilisina localmente sobre el campo receptivo. Notar que la
espiga evocada eléctricamente no se ve afectada por el tratamiento pero la mecanosensibilidad fue abolida completamente.
