Plasticity in mice nociceptive spinal circuits -role of cell adhesion molecules.

Abstract

Introduction: To understand the function of the genes and their products in the pain system, studies will have to deal with complex issues related to intercellular communication, e.g. plasticity in neuronal networks. To provide a basis for such studies, the present thesis compares basic features of the nociceptive spinal systems including the organization of nociceptive withdrawal reflexes (NWR), laminar organization of the nociceptive C-fibre input to the spinal cord and plastic mechanisms in the mouse and rat. On this basis, the role of adhesion molecules, in particular L1 adhesion molecules, in the nociceptive system is analyzed for the first time by using mutated mice.



Results: It is confirmed that sensorimotor transformations performed by the NWR circuits abide the same principles as in the rat, at least for two of the wild-type mouse strains tested. This finding indicates that mice NWR has a modular organization as previously demonstrated in the rat. Interestingly, mouse strains with a deficit in LTP mechanisms also exhibit a deficient sensorimotor transformation, suggesting that LTP mechanisms are involved in the developmental mechanisms that fine-tune the NWR. Furthermore, basic features such as nociceptive C-fibre evoked field potentials and response characteristics like short term potentiation in deep dorsal horn neurones appear to be very similar in mouse and rat. By contrast, marked differences were found in the properties of nociceptive transmission in the superficial laminae. In particular, apparently normal wild type mice seem to lack both short and long term potentiation in the first order synapses, mechanisms that are powerful in the rat. These findings suggest that the current view on the locus of the central sensitization mechanisms needs to be reconsidered.



In the second part of the thesis, the role of the cell adhesion molecule L1 in the pain system was studied in mutated mice. Interestingly, these animals were found to be almost analgesic. This hypoalgesia is not due to a general lack of nociceptive input to the spinal cord as evidenced by a normal termination pattern of C fibres and C fibre evoked potentials in the superficial laminae in L1 deficient mice. Instead, a selective defect in the nociceptive transmission to the deeper laminae of the dorsal horn and a markedly reduced wind-up in the WDR neurones were found.



Conclusions: The present thesis demonstrates that there are important differences in plastic mechanisms in the spinal nociceptive pathways in the mouse and rat. In addition, it points to a key role of adhesion molecules in pain transmission.



This work was supported by grants from the Swedish Research Council (M) (Proj no 1013), Kocks Foundation, Medical Faculty of Lund.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Medan akut smärta ofta kan bemästras på ett framgångsrikt sätt saknas ofta adekvat behandling av kroniska smärttillstånd. Smärta är ett dominerande symptom vid en mängd sjukdomar såsom till exempel, reumatoid artrit, cancer, migrän, ryggskador, fibromyalgi och tillgängliga analgetika är ofta otillräckliga. Det finns därför ett stort behov att utveckla nya och effektiva analgetika. Ett stort problem har varit bristen på adekvata djurmodeller i arbetet med att utveckla nya läkemedel. En förutsättning för en sådan utveckling är i sin tur att smärtsystemets organisation och kanske i synnerhet dess inlärningsmekanismer, är känd hos de djur som testas.



Ett sätt att angripa problemet med smärta är att undersöka de gener som är aktiva under uppbyggnaden av ryggmärgens nätverk. För några år sedan kartlades alla musens gener och parallellt med denna kartläggning har massor av olika möss som är genetiskt modifierade tagits fram. Tyvärr har musen, pga. sin lilla storlek, inte använts särskilt ofta i fysiologiska studier. De flesta studierna på



smärtsystemets funktioner har i stället gjorts på andra djurarter som råtta, katt och apa. Det skiljer dock över 10 miljoner år av evolution mellan t.ex. mus och råtta och det går därför inte att direkt överföra data om t.ex. nervkretsars organisation och minnesfunktioner mellan dessa djurslag. Det finns således ett behov av en kartläggning av musens smärtsystem för att kunna undersöka genernas funktion i t.ex. nervkretsars inlärningsförmåga. En stor del av denna avhandling har därför ägnats åt att beskriva musens smärtsystem i ryggmärgen, både med avseende på dess grundstruktur och dess inlärningsförmåga.



Vår kropp är full med ?smärtreceptorer? om är specialiserade på olika typer av skadliga stimuli. Dessa receptorer förmedlar information genom perifera nerver till ryggmärgen. I ryggmärgen sker den första sorteringen av stimuli och smärta separeras i ryggmärgen för att snabbt kunna skydda individen från skada. Ryggmärgen har nätverk av nervceller som kan utföra snabba precisa rörelser som tar bort den del av kroppen som har utsatts för smärta. Detta fenomen kallas för smärtutlöst bortdragningsreflex och styrs av ryggmärgen. Smärtsignalerna skickas vidare från ryggmärg till strukturer i hjärnan och hjärnstam. Samtidigt står nätverken i ryggmärgen under kontroll från hjärna. Ryggmärgen har således en nyckelroll i smärtsystemet och det är därför av största vikt att i detalj förstå dess organisation och funktion för att kunna utveckla nya metoder för att lindra smärta.



Denna avhandling syftar till att öka förståelsen för hur nätverken i ryggmärgen fungerar och vad som krävs för att de ska utvecklas normalt. Vi har bland annat använt den smärtutlösta bortdragningsreflexen som modell system. Smärtsystemets basorganisation hos mus undersöktes också genom att kartlägga musens signalbearbetning i ryggmärgens smärtsystem med mikroelektroder. Medan den fundamentala organisation hos bortdragningsreflexen och nervcellsegenskaper i ryggmärgens bakhorn visade sig vara densamma hos mus och råtta fann vi klara skillnader när det gäller inlärningsmekanismer. Från studier på råtta har man tidigare dragit slutsatsen att sensitisering i smärtbanorna efter skada beror på ett ?smärtminne? i första omkopplingen mellan smärtreceptorer och ryggmärg. Musen verkar helt sakna samma mekanism men uppvisar ändå sensitisering. Detta talar för att den tidigare uppfattningen om var ?smärtminnet? sitter inte är korrekt. Avhandlingen visar också att det förekommer stora skillnader mellan olika musstammar när det gäller inlärningsförmåga i smärtsystemet. Möss som är dåliga på rumsinlärning på grund av bristande inlärningsmekanismer i hippocampus, visar sig ha försämrad förmågan att lära sig att utföra en funktionell bortdragning från ett smärtsamt stimuli. Det verkar därför som om det finns gemensamma mekanismer för att lära sig att orientera i en labyrint och att lära sig en funktionell bortdragnings reflex.



Avhandlingen har också syftat till att, mot denna bakgrundsinformation om musens smärtsystem, karakterisera betydelsen av de så kallade adhesionsmolekylerna för smärtsystemets inlärning. Det är känt att dessa molekyler är viktiga för anläggning av nervsystemet och även för inlärning hos vuxna. De har till uppgift att leda de olika nervbanorna rätt när de växer ut samt att stabilisera synapskontakterna mellan nervceller. En av dessa molekyler heter L1 och den har bland annat visat sig vara inblandad i inlärningsmekanismer. Vi har därför undersökt en musstam med en bristfällig L1 molekyl och jämfört med ?normala? möss. Intressant nog visade sig dessa möss ha en extremt hög smärttröskel. Genom en detaljerad analys kunde vi fastslå att orsaken till smärtfriheten ligger i att en viss grupp av smärtaktiverade nervceller inte aktiveras på ett normalt sätt av smärtsignalerna. I synnerhet uppvisar dessa nervceller inte en förstärkningsmekanism som kallas ?wind-up? (ett slags korttidsminne i smärtsystemet) och som innebär att smärtsvaret ökar i storlek vid upprepad smärtstimulering. Studien tyder därför också på att just denna mekanism är av största betydelse för smärtsignaleringen i ryggmärgen.



Sammanfattningsvis så ger avhandlingen en beskrivning av basala egenskaper i musens smärtsystem och visar att det finns klara skillnader beträffande inlärningmekanismer i detta system mellan mus och råtta som man bör ta hänsyn till när man studerar musens smärtsystem. Avhandlingen visar också på att de inlärningsmekanismer i hjärnan som har med rumsinlärning och orientering att göra verkar används i ryggmärgen för att lära in smärtkretsarnas funktion. Slutligen visar detta arbete för första gången att adhesionsmolekyler spelar en avgörande roll för att smärtnätverken ska fungera på ett korrekt sätt. Adhesionsmolekyler skulle därför kunna vara en intressant angreppspunkt för framtida smärtlindrande läkemedel.

• author: Thelin, Jonas
• supervisor: Jens Schouenborg
• opponent: Adjunct Professor Laird, Jennifer, Dept of Pharmacology and Experimental Therapeutics, Faculty of Medicine, McGill University, (Montrea
• organization: Neurophysiology (research group); Neuronano Research Center (NRC) (research group)
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Basic Medicine
• keywords: Long term-potentiation, Cell adhesion molecule, Pain, Somatosensory imprinting, Medicin (människa och djur), Medicine (human and vertebrates), Nociceptive withdrawal reflex, Species differences, Central sensitisation, Mouse strains, Spinal cord
• defense location: Segerfalks lecture hall Wallenberg Neurocentrum Sölvegatan 17 Lund
• defense date: 2005-11-04 09:00:00
• ISBN: 91-85439-95-9
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Jonas Thelin and Jens Schouenborg. 2005. Disturbed nociceptive processing in mice with deficient hippocampal LTP (submitted); Jonas Thelin, Alexandra Waldenström, Udo Bartsch, Melitta Schachner and Jens Schouenborg. 2003. H eat nociception is severely reduced in a mutant mouse deficient for the L1 adhesion molecule Brain Research, vol 965 pp 75-82.; Jonas Thelin, Melitta Schachner and Jens Schouenborg. . Intrasegmental transmission of nociceptive input in normal and L1 deficient mice (manuscript)
• id: 8613f8c9-1bb5-4ae3-8842-b88486e5bdac (old id 545514)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:58:36
• date last changed: 2018-11-21 20:37:48