The cellular and synaptic architecture of the mechanosensory dorsal horn

The deep dorsal horn is a poorly characterized spinal cord region implicated in processing low-threshold mechanoreceptor (LTMR) information. We report an array of mouse genetic tools for defining neuronal components and functions of the dorsal horn LTMR-recipient zone (LTMR-RZ), a role for LTMR-RZ processing in tactile perception, and the basic logic of LTMR-RZ organization. We found an unexpectedly high degree of neuronal diversity in the LTMR-RZ: seven excitatory and four inhibitory subtypes of interneurons exhibiting unique morphological, physiological, and synaptic properties. Remarkably, LTMRs form synapses on between four and 11 LTMR-RZ interneuron subtypes, while each LTMR-RZ interneuron subtype samples inputs from at least one to three LTMR classes, as well as spinal cord interneurons and corticospinal neurons. Thus, the LTMR-RZ is a somatosensory processing region endowed with a neuronal complexity that rivals the retina and functions to pattern the activity of ascending touch pathways that underlie tactile perception

Markovian analysis of the sequential behavior of the spontaneous spinal cord dorsum potentials induced by acute nociceptive stimulation in the anesthetized cat

In a previous study we developed a Machine Learning procedure for the automatic identification and classification of spontaneous cord dorsum potentials (CDPs). This study further supported the proposal that in the anesthetized cat, the spontaneous CDPs recorded from different lumbar spinal segments are generated by a distributed network of dorsal horn neurons with structured (non-random) patterns of functional connectivity and that these configurations can be changed to other non-random and stable configurations after the noceptive stimulation produced by the intradermic injection of capsaicin in the anesthetized cat. Here we present a study showing that the sequence of identified forms of the spontaneous CDPs follows a Markov chain of at least order one. That is, the system has memory in the sense that the spontaneous activation of dorsal horn neuronal ensembles producing the CDPs is not independent of the most recent activity. We used this markovian property to build a procedure to identify portions of signals as belonging to a specific functional state of connectivity among the neuronal networks involved in the generation of the CDPs. We have tested this procedure during acute nociceptive stimulation produced by the intradermic injection of capsaicin in intact as well as spinalized preparations. Altogether, our results indicate that CDP sequences cannot be generated by a renewal stochastic process. Moreover, it is possible to describe some functional features of activity in the cord dorsum by modeling the CDP sequences as generated by a Markov order one stochastic process. Finally, these Markov models make possible to determine the functional state which produced a CDP sequence. The proposed identification procedures appear to be useful for the analysis of the sequential behavior of the ongoing CDPs recorded from different spinal segments in response to a variety of experimental procedures including the changes produced by acute nociceptive stimulation. They are envisaged as a useful tool to examine alterations of the patterns of functional connectivity between dorsal horn neurons under normal and different pathological conditions, an issue of potential clinical concern.Peer ReviewedPostprint (published version

Local GABAergic signaling within sensory ganglia controls peripheral nociceptive transmission

The integration of somatosensory information is generally assumed to be a function of the central nervous system (CNS). Here we describe fully functional GABAergic communication within rodent peripheral sensory ganglia and show that it can modulate transmission of pain-related signals from the peripheral sensory nerves to the CNS. We found that sensory neurons express major proteins necessary for GABA synthesis and release and that sensory neurons released GABA in response to depolarization. In vivo focal infusion of GABA or GABA reuptake inhibitor to sensory ganglia dramatically reduced acute peripherally induced nociception and alleviated neuropathic and inflammatory pain. In addition, focal application of GABA receptor antagonists to sensory ganglia triggered or exacerbated peripherally induced nociception. We also demonstrated that chemogenetic or optogenetic depolarization of GABAergic dorsal root ganglion neurons in vivo reduced acute and chronic peripherally induced nociception. Mechanistically, GABA depolarized the majority of sensory neuron somata, yet produced a net inhibitory effect on the nociceptive transmission due to the filtering effect at nociceptive fiber T-junctions. Our findings indicate that peripheral somatosensory ganglia represent a hitherto underappreciated site of somatosensory signal integration and offer a potential target for therapeutic intervention

Origin and classification of spontaneous discharges in mouse superficial dorsal horn neurons

Superfcial laminae of the spinal cord possess a considerable number of neurons with spontaneous activity as reported in vivo and in vitro preparations of several species. Such neurons may play a role in the development of the nociceptive system and/or in the spinal coding of somatosensory signals. We have used electrophysiological techniques in a horizontal spinal cord slice preparation from adult mice to investigate how this activity is generated and what are the main patterns of activity that can be found. The results show the existence of neurons that fre regularly and irregularly. Within each of these main types, it was possible to distinguish patterns of spontaneous activity formed by single action potentials and diferent types of bursts according to intra-burst fring frequency. Activity in neurons with irregular patterns was blocked by a mixture of antagonists of the main neurotransmitter receptors present in the cord. Approximately 82% of neurons with a regular fring pattern were insensitive to synaptic antagonists but their activity was inhibited by specifc ion channel blockers. It is suggested that these neurons generate endogenous activity due to the functional expression of hyperpolarisation activated and persistent sodium currents driving the activity of irregular neuronsMinisterio de Economía y Competitivida

Decoding gait phases from neural activity in rat

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2017Introdução. A assistência médica prevista em casos de traumatismo na medula espinhal é escassa, o que em conjunto com a incapacidade de autorregeneração do sistema nervoso central, implica que a recuperação após trauma seja lenta e muitas vezes impossível. O conceito de uma interface cérebro-espinhal aparece quando exploramos o potencial da estimulação elétrica epidural como técnica de restauração da locomoção após trauma na medula espinhal. Esta técnica já provou ser eficaz em macacos, porém não em ratos. O modelo do rato é significativamente diferente, especialmente quando consideramos a complexidade da sua organização neuronal. Partindo desta problemática procurámos descobrir se é possível decodificar fases da marcha a partir da atividade neuronal em ratos. Este projeto foi desenvolvido durante um estágio de seis meses no laboratório de Gregoire Courtine, localizado no EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne), Suíça. Este laboratório especializa-se em neuro-reabilitação e neuro-regeneração. Ao longo desta dissertação será feita a análise e discussão deste projeto. Revisão da literatura. A marcha humana é produzida por uma série de contrações de músculos extensores e flexores a um ritmo predeterminado. Duas fases podem ser identificadas, uma fase de apoio seguida de uma fase de balanço. Os mecanismos que controlam a locomoção ainda não são completamente conhecidos, e a maioria da evidência encontrada surge de estudos realizados em modelos animais. No entanto, podem fornecer alguma orientação. Atualmente, sabe-se que não é necessário controlo supra-espinhal para produzir o ritmo básico da marcha, e que este padrão pode ser gerado por circuitos neuronais que existem na medula espinhal. Porém, várias estruturas do cérebro controlam e regulam as variantes da marcha em situações que envolvem uma marcha mais precisa e criteriosa. Os propriocetores musculares também têm um papel importante neste processo. Contudo considera-se que a marcha de um ser humano está mais dependente de um controlo cerebral. O córtex motor tem um papel de supervisão durante o decorrer da marcha e é a estrutura com o maior nível de abstração em termos da sua atividade elétrica, comparativamente a outras estruturas envolvidas na marcha. Apresenta muita atividade, especialmente quando um movimento requer a ativação de vários grupos musculares. Aquando de uma lesão espinhal, técnicas de reabilitação como a fisioterapia e a estimulação elétrica são utlizadas com algum grau de sucesso. Geralmente, o foco da reabilitação encontra-se em readquirir alguma qualidade de vida e destreza motora por parte do doente. No entanto nos casos em que a gravidade da lesão é tal que não existem células neuronais que mantenham qualquer ligação da espinhal medula as perspetivas de reabilitação tornam-se significativamente inferiores. Técnicas que potenciem a plasticidade neuronal e técnicas que viabilizem a regeneração neuronal devem ser então exploradas. A interface cérebro-espinhal utiliza a estimulação elétrica neuronal, controlando o seu ritmo, recorrendo a primitivas descodificadas de atividade neuronal que identificam momentos específicos do ciclo da marcha. Procuramos então obter uma prova de conceito, de que é possível obter variáveis discretas de locomoção a partir de atividade neuronal usando o modelo do rato. Métodos. A área que é conhecida por codificar informações sobre a locomoção no rato é o córtex sensoriomotor primário. Esta informação é transmitida através do caminho descendente do córtex sensoriomotor através da medula para os nervos eferentes que acionam os grupos musculares necessários na locomoção, garantindo a flexão e a extensão faseadas dos membros inferiores. Nos casos onde há uma lesão na medula espinhal e subsequente paralisia dos membros inferiores, a gravidade dos danos neuronais impedem a transmissão do sinal. O objetivo da interface cérebroespinal é capturar a atividade neuronal relacionada com a locomoção implantando uma matriz de microeléctrodos de 32 canais no córtex sensorimotor primário direito e usando métodos de classificação para prever momentos específicos do ciclo da marcha, que neste caso foram: o aplanamento e o impulso do pé. A nomenclatura usada para estes dois momentos foi de foot strike e foot off , respetivamente. Dois ratos fêmeas da raça Lewis designados por r263 e r328 receberam o implante cortical. Após o tempo de recuperação recomendado pós-cirurgia, prosseguimos com os ensaios, que consistiam na execução de aproximadamente um metro e meio de caminhada quadrupede. Um sistema de captura e análise de movimentos tridimensionais (Vicon Motion Systems®) foi utilizado para gravar as variáveis cinemáticas e o vídeo. No total, considerámos vinte e quatro sessões para r263 e trinta e uma sessão para r328. Após a análise das variáveis obtidas pelo sistema Vicon, extraímos o tempo real dos dois momentos do ciclo da marcha: foot strike e foot off. Os potenciais de campo locais (LFPs) obtidos durante os ensaios foram processados de modo a obter três componentes diferentes do signal: uma no domínio do tempo (LPC), e outras duas no domínio das frequências (TRFT-low and TRFT-high). Primeiramente, o sinal sofreu common average re-referencing e os ensaios e canais anormais foram removidos. Depois, para obtermos a LPC aplicamos um filtro Savitzky-Golay de segunda ordem. As outras duas componentes foram obtidas através da utilização de uma transformada de Fourier. A identificação da banda de frequência de TRFT-high e TRFT-low foi feita olhando para os valores de SNR ( Signal-to-noise ratio ). Para r263 TRFT-high estava entre os 3 e 15 Hz e TRFT-low entre os 39 e os 747 Hz. Para r328 TRFT-high estava entre os 3 e 21 Hz e TRFT-low entre os 105 e os 693 Hz. No final, para cada evento (foot strike, foot off e baseline) um total de 93 características foram extraídas sendo usadas para treinar um classificador de análise discriminante regularizado. Usando o método de validação cruzada, treinamos diferentes classificadores com diferentes combinações de parâmetros e selecionámos os valores de informação mútua como preditor do modelo que seria o ótimo. Toda a análise relativa à atividade neuronal foi feita com o auxílio do software Matlab®. Resultados & Discussão. Dos três componentes de sinal extraídos, TRFT-low demonstrou possuir a informação mais relevante em torno do momento de cada evento. O valor mais alto de informação mútua obtido para eventos relativos ao lado esquerdo da marcha foi de 0,617, considerando 1 o máximo. Relativamente aos eventos do lado direito, o desempenho do algoritmo foi 25-30% mais baixo, comparativamente. Facto este que pode ser justificado visto que o implante foi colocado no córtex sensório-motor direito. A continuação deste trabalho, requer mais ensaios e se possível num maior número de ratos. Conjuntamente, um algoritmo mais sofisticado e com uma maior precisão deve ser estudado. Também é importante continuar os esforços no sentido de perceber a dinâmica neuronal e de que maneira todos os sistemas se integram para garantir funções motoras num estado saudável de modo a otimizar a abordagem terapêutica em patologias que comprometem estes sistemas. Conclui-se dizendo que a ideia de uma interface cérebroespinal revela-se viável usando o modelo do rato, uma vez que é possível descodificar primitivas de marcha utilizando a atividade neuronal registada a partir do córtex sensório-motor. No entanto, isto foi apenas o primeiro passo no desenvolvimento de uma interface cérebroespinal completamente funcional.Introduction. Clinical assistance when it comes to nerve damage and spinal cord trauma falls short, and rehabilitation and recovery can sometimes be impossible due to the inability to self-regenerating. The brain spinal interface (BSI) is a concept that arises when exploring epidural electrical stimulation as a potential technique that is able to restore locomotion after a spinal cord injury. BSI’s in monkeys and humans have already been proven successful, however not in rats. The rat model is significantly different from the other ones, especially when it comes to its neural organization and complexity. For this reason we searched for proof that it is also possible to decode gait phases from neural activity in rat. This thesis was originated from the work done in a six month internship in Gregoire Courtine laboratory, based in Switzerland. Background. In rats the area that is known to encode information about movement is the primary sensorimotor cortex. This information is passed on through the descending neural pathway in the medulla and then on to the efferent nerves that trigger the necessary muscle groups that enforce motion and ensure time specific flexion and extension. In case of a spinal cord injury and subsequent lower limbs paralyses, the nerves are severed in such a way that this signal is lost. The BSI aims to capture gait related neural activity by implanting a 32-channel microelectrode array (Tucker-Davis Technologies (TDT), Alachua, FL, USA) in the right sensorimotor cortex and use classification methods to obtain quantitative prediction outputs. For the purposes of this thesis these outputs were the conditions of foot strike and foot off. Methods. We implanted two female Lewis rats designated by r263 and r328 and used a dedicated motion capture system (Vicon Motion Systems®) to record 3D kinematics and video. After sufficient recovery time after the surgery we proceeded to do the overground recordings. Each recording session consisted of one rat performing a full length runway walk walking quadrupely. We had 24 sessions for r263 and 31 for r328. From the Vicon files we extracted the real time of left foot off and left foot strike. The data sets containing the neural activity were pre-processed, and at the end we preserved 31 channels and extracted three different signal components (LPC, TRFT-low, TRFT-high). For each event (left foot off, left foot strike and baseline) we had a total of 93 extracted features that were used to train a regularized discriminant analysis classifier. Using cross-validation we trained different classifiers using different combinations of model parameters and choose the mutual information values to be our predictor for the optimum detection model. Results & Discussion. From the three extracted signal components, the TRFT-low showed the most information around the time of the event. The highest mutual information value found was of 0.617, considering that 1 was the highest possible number. We also built a decoder for predicting right side events, however it had a performance around 25-30 percent lower, comparatively to the left side prediction. This is justified by the fact that the implant was placed on the right sensorimotor cortex. The idea of a BSI, proves to be feasible on the rat model since it is possible to decode gait primitives using neural activity recorded from the sensorimotor cortex