Characterization of neuronal circuits processing specific sensory modalities in the spinal cord

Abstract

Somatosensory information is first detected by specialized sensory neurons in the periphery and then transmitted to the central nervous system (CNS) where sensory perception is formed in order to generate appropriate behavioral responses. The projections of afferents in defined layers of the spinal cord provide access to distinct neuronal pathway in the CNS, where spinal interneurons represent the first relay station controlling the coding of sensory stimuli. Despite its importance, little is known about the organization of spinal circuits involved in the integration of distinct sensory information. Here, we took advantage of the ability of the rabies virus to move from sensory neurons in the anterograde direction to directly link sensory modalities with its output connectivity (Zampieri et al., 2014). We used mouse genetic to conditionally express histone-tagged GFP, TVA receptor and rabies glycoprotein G (Rosa-HTB: Yan Li et al., 2013) under the control of Cre-recombinase activity. As proof of principle we focused on proprioception using the PV::cre mouse line to target proprioceptive sensory neurons (Hippenmeyer et al., 2005) and we performed stereotactic rabies injections (RVDG-mCherry/EnvA) in the spinal cord of PV::cre +/- ; Rosa-HTB f/f mice. We successfully obtained highly reproducible distribution patterns of connected neurons consistent with the known trajectory and termination of proprioceptive afferents in the spinal cord. In addition, we used this method to trace from a different sensory modality, focusing on Trpv1::cre mouse line known to label nociceptive/thermosensitive sensory neurons (Mishra et al., 2011). Comparing those sensory modalities, we observed a distinct laminar distribution pattern of second order neurons involved in proprioception and nociception reflecting the specific termination pattern of the sensory afferents in the spinal cord.

Somatosensorische Informationen werden in der Peripherie durch spezielle sensorische Nervenzellen wahrgenommen und an das zentrale Nervensystem (ZNS) weitergeleitet. Im ZNS werden diese Informationen zu einer bewussten sensorischen Wahrnehmung verarbeitet, die schließlich zur Generierung einer Verhaltensantwort führt. Die afferenten Nervenfasern projizieren zu spinalen Interneuronen in definierten Schichten des Rückenmarks, die den Zugang zu verschiedenen neuronalen Leitungsbahnen zum ZNS gewähren. Spinale Interneurone stellen damit die erste Relaisstation dar, die die Kodierung von sensorischen Reizen kontrollieren. Dennoch ist nur wenig über die Organisation von spinalen Netzwerken, die bei der Integration von verschiedenen sensorischen Informationen involviert sind, bekannt. Basierend auf der wissenschaftlichen Publikation von Zampieri et al., 2014 wurde in der vorliegenden Dissertation ein genetisch modifizierter Rabies Virus verwendet, das ermöglicht anterograd Nervenzellen zu visualisieren, die direkt mit spezifischen sensorischen Nervenzellen verbunden sind. Um die initiale sowie die transsynaptische Infektion des Rabies Virus zu realisieren, wurde eine Mauslinie verwendet, die konditional unter der Kontrolle der Cre-Rekombinase nukleäres-GFP, den TVA-Rezeptor sowie das Rabies Glykoprotein G (Rosa-HTB: Yan Li et al., 2013) exprimiert. Zur Etablierung und Validierung der Methode wurde zunächst eine PV::cre Mauslinie (Hippenmeyer et al., 2005) verwendet um spezifisch propriozeptive sensorische Nervenzellen zu transduzieren und deren direkt verbundenen Nervenzellen im Rückenmark zu detektieren. Hierfür wurden stereotaktische Rabies Virus (RVDG-mCherry/EnvA) Injektionen in das Rückenmark von PV::cre +/- ; Rosa-HTB f/f Mäusen durchgeführt. Die analysierten Verteilungsmuster von infizierten Neuronen im Rückenmark war hoch reproduzierbar und übereinstimmend mit den Projektionsmustern von propriozeptiven Afferenzen. Anschließend wurden die gleichen tracing Experimente mit der Trpv1::cre Mauslinie durchgeführt, die spezifisch thermosensitive/nozizeptive sensorische Neurone (Mishra et al., 2011) markiert. Beim Vergleich der Positionen der infizierten Neurone im Rückenmark, nach initialer Infektion der sensorischen Neurone beider Modalitäten, konnte eine differenzierte laminare Organisation, die ebenfalls den Projektionsmustern der Afferenzen beider Modalitäten im Rückenmark entspricht, nachgewiesen werden.