Spinal Cord Processing of Sensory Information: Spatial Organization and Adaptive Mechanisms.

Abstract

Principles for sensorimotor transformation and plasticity in the spinal cord and functional repair in the root-avulsed spinal cord were studied. A comparative study confirmed that the nociceptive withdrawal reflex (NWR) system is composed of reflex modules, with each performing a finely tuned transformation of skin sensory input to activity in one muscle. This suggests that modularity of the NWR system is a general organizational principle. The sensorimotor transformation in the reflex modules was adapted to species-specific specializations of the biomechanics of the motor plant, such as digitigrade or plantigrade stance. During postnatal development, the NWR modules undergo profound experience dependent changes from an unadapted to a functionally well-tuned system. This tuning was abolished after neonatal spinal transection, which indicates that input from supraspinal systems is needed for the formation of spinal memory engrams that specify input-output relations of NWRs. To further clarify principles for spinal sensorimotor transformation, a comprehensive morphological and electrophysiological mapping of the nociceptive and tactile cutaneous inputs to the spinal cord and their relation to the NWR network was made. The cutaneous somatotopy in the dorsal horn was found to be complex, exhibiting a high degree of representational overlap. The weight distribution of the monosynaptic tactile input to laminae III–IV was similar to that of ‘reflex encoder’ neurons in the deep dorsal horn. Therefore, it is suggested that the organization of input to the spinal cord reflects the demands of spinal motor systems rather than being primarily a body representation used for sensory discriminative functions. Furthermore, because the weight distribution of the cutaneous tactile input is similar to that of the tuned cutaneous input to reflex networks in the adult, it is conceivable that it is subject to a significant tuning during development. In a parallel study, transplanted human embryonic sensory neurons were shown to grow into the spinal cord and form functional connections with the recipient rat dorsal horn neurons. Although only weak activity could be evoked in the dorsal horn, the transplants had the capacity to evoke large amplitude motor reflexes, indicating compensatory mechanisms further downstream in the reflex connections. The bearing of spinal plasticity on the normal function of the spinal cord and on repair strategies after cord injuries are discussed.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Nervsignaler som förmedlar känsel från huden och kommandon till kroppsmuskulaturen passerar genom ryggmärgen eller dess motsvarighet i hjärnstammen. Kunskap om hur ryggmärgens nervkretsar är uppbyggda och hur de bearbetar nervsignaler är därför av fundamental betydelse för att kunna förstå och behandla exempelvis smärta och ryggmärgskador. I detta avhandlingsarbete studerades hur känselsignaler bearbetas i ryggmärgens nervkretsar och hur dessa kretsar kan modifieras vid skador på ryggmärgen.



Bortdragningsreflexer har ofta använts som modellsystem för att undersöka signalbearbetning i ryggmärgens nervkretsar, särskilt de kretsar som är inblandade i smärta. Dessa reflexer åstadkommer bortdragning av kroppsdelar som utsätts för smärtsam stimulering; typexemplet är bortdragning av handen från en brännhet spisplatta. Tidigare studier på råtta tyder på att nervkretsarna i ryggmärgen som styr dessa reflexer har en modulär uppbyggnad där varje modul styr aktiviteten i en enskild muskel. Smärtsam stimulering av ett hudområde kommer endast att aktivera moduler som styr muskler som bidrar till en bortdragande rörelse. Genom att registrera reflexaktivitet i enskilda muskler i katt påvisades en liknande organisation också hos denna djurart. Detta innebär att den modulära organisationen sannolikt är en allmän organisationsprincip, något som tidigare ifrågasatts. Studien kunde också visa att de skillnader i reflexmönster som finns mellan katt och råtta återspeglar inlärda mönster anpassade till djurens anatomi.



Tidigare studier tyder på att bortdragningsreflexsystemet finslipas under uppväxttiden. Reflexmönstret är initialt tämligen oorganiserat och leder ofta till felaktiga rörelser riktade mot en smärtsam stimulering, istället för den ändamålsenliga bortdragande rörelsen. Hos råttor sker finslipningen av systemet under de tre första levnadsveckorna. Felaktiga förbindelser mellan smärtinflöde och reflexaktivering undertrycks, medan korrekta förbindelser förstärks. På så vis etableras i ryggmärgen minnesspår som omvandlar inflöde i smärtnervfibrer till en välavvägd reflexmässig aktivering av relevanta muskler. Det var dock inte känt huruvida minnesspåren i ryggmärgen kunde bildas utan hjälp från andra delar av nervsystemet. I avhandlingen visas att råttor, som sedan födseln växt upp med en ryggmärg utan kontakt med hjärnan, inte utvecklar ett funktionellt anpassat reflexsystem. Smärtstimulering av svansen, vilket normalt ger en reflexrörelse riktad bort från stimuleringen, resulterade till exempel lika ofta i en felaktig reflex, riktad rakt mot stimuleringen. Detta betyder att även om själva nervkretsarna som sköter bortdragningsreflexerna finns i ryggmärgen, behövs styrning från hjärnan för att dessa kretsar ska utvecklas normalt och lära in från vilka hudområden reflexförbindelser ska förstärkas eller försvagas.



Med hjälp av spårämnen som tas upp av nervfibrer i huden och sedan transporteras till ryggmärgen kunde vi synliggöra var känselnervfibrer från olika delar av tassen omkopplas i ryggmärgen. Den anatomiska informationen jämfördes med den aktivitet nervfibrer från huden kunde utlösa i ryggmärgens nervceller. Denna ”avbildning” eller ”karta” över råttans tass som finns i ryggmärgen kunde på så vis karakteriseras. Tassens avbildning i ryggmärgen visade sig vara mer komplex än vad som tidigare antagits och troligen relaterad till vilken information olika reflexkretsar behöver. Detta utgör en ny princip för avbildning av känselinformation, som troligen är giltig på fler ställen i centrala nervsystemet.



Känselnervfibrerna har sina cellkroppar i speciella anhopningar, kallade ganglier, som ligger mellan ryggkotorna. Sjäva nervfibrerna utgörs av utskott från dessa cellkroppar. Från varje cellkropp finns ett utskott till kroppen (många utskott bildar en perifer nerv) och ett till ryggmärgen (många utskott bildar en s.k. dorsalrot). Skador på en nervfiber i en perifer nerv kan ofta läka helt eller delvis genom att fibern växer ut igen. Vissa traumatiska skador, t ex förlossningskador eller motorcykelolyckor, kan ge skador på nervfibrerna i dorsalrötterna. I motsats till skador i de perifera nerverna sker då ingen återväxt av fibrerna. Detta ger en permanent förlust av känsel i berörda kroppsdelar (vanligen en arm), samt ofta ett mycket svårbehandlat smärttillstånd. I en experimentell studie på råtta ersattes djurets egna känselceller, vars utskott alltså utgör känselnervfibrerna, med mänskliga fosterkänselceller. Fostercellerna visade sig inte bli hindrade av de stoppsignaler i ryggmärgen som normalt blockerar återinväxt av nervfibrer, utan nya utskott växte in och etablerade fungerande kontakter med råttans ryggmärgsceller. Dessutom växte nervfibrer ut i de perifera nerverna. Vidare kunde visas att trots det begränsade antalet känselfibrer som växte in i ryggmärgen, kunde reflexer av relativt normal storlek utlösas. Detta resultat kan tolkas som att de befintliga kretsarna i ryggmärgen hade förstärkt sin känslighet för att kompensera för ett minskat antal känselfibrer. Transplantation av nya känselceller är alltså en tänkbar framtida strategi för behandling av skador på dorsalrötter.



Att kunna kontrollera mekanismer för känslighetsreglering i olika nervkretsar kan antas bli mycket viktigt vid framtida strategier för behandling av skador på ryggmärg eller dorsalrötter. När man vid sådana skador lyckas få nervfibrer att växa ut igen kan man nämligen förvänta sig både bristfällig och felaktig återväxt av skadade nervfibrer. Vid felaktiga förbindelser behöver känsligheten nedregleras och vid bristfällig återväxt behövs en kompensatorisk uppreglering av känsligheten. Även vid behandling av kronisk smärta, som i många fall anses bero på en uppreglerad känslighet i ryggmärgskretsar, kan en fördjupad kunskap om hur känslighetsreglering i nervkretsar styrs, ge upphov till nya behandlingsprinciper.

• author: Levinsson, Anders
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Kiehn, Ole, Copenhagen University
• organization: Radiology Diagnostics, Malmö (research group)
• publishing date: 2000
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurosciences
• keywords: Neurologi, neurophysiology, neuropsychology, Neurology, transplantatioin, pain, sensorimotor, plasticity, reflex, neuropsykologi, neurofysiologi
• pages: 86 pages
• defense location: N/A
• defense date: 2000-12-16 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEFN--30--SE
• ISBN: 91-628-4557-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: c9739f75-3e92-46c4-aee7-a91aa725c6f5 (old id 41048)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:38:36
• date last changed: 2018-11-21 20:59:56