American scientists conducted a series of experiments and found that low-threshold mechanoreceptors with unmyelinated C-fibers are responsible for shaking mammals (for example, dogs) after their fur gets wet. These fibers are activated when, for example, water or oil hits the receptors, and then the signal from them is transmitted to the parabrachial nucleus of the pons, which triggers rapid body movements. The results are published in the journal Science.
Shaking is an evolutionarily conserved behavior common in furred mammals. It consists of rapid head and upper body shaking after exposure to water and other irritants on the skin of the back. Despite the prevalence of this behavior, the neurobiological mechanisms underlying it remain largely unknown.
Mammalian skin is innervated by more than 12 physiologically and morphologically distinct subtypes of primary somatosensory neurons. These cutaneous sensory neurons collectively detect and encode a range of environmental stimuli, with individual subtypes exhibiting distinct stimulus response profiles. Even simple mechanical stimuli (e.g., stroking the skin) can activate multiple mechanosensory receptor subtypes with different response properties. And how stimulus input encoded into somatosensory signals is translated into motor commands in the central nervous system remains an open question.
To investigate this issue, a research team led by David Ginty of Harvard Medical School conducted a series of genetic, physiological, and behavioral tests on mice, since shaking is common across mammalian species in response to a variety of stimuli. The scientists used a drop of oil as the primary stimulus because of its reliability, ease of application, and precise spatiotemporal control. Mice were more sensitive to oil drops applied to the back of the neck, and shook and scratched more than when oil drops were applied to the lower back. This behavior may reflect a response to mechanical or thermal stimuli.
Чтобы проверить, насколько механосенсорные рецепторы могут быть ответственны за наблюдаемое поведение, ученые удалили механочувствительный ионный канал Piezo2 во всех нейронах дорсального корневого ганглия под верхней частью шейного отдела тела мышей. После этого мыши без ионных каналов не встряхивались при нанесении капли масла или воды, но холодовая имитация все же запускала тряску.
Затем исследователи попытались идентифицировать первичные механосенсорные нейроны, которые отвечают за запуск такогой реакции. Эксперименты с кальциевой визуализацией спинальных ганглиев показали, что три низкопороговых механорецепторных нейронов, в том числе нейроны с низкопороговыми механорецепторами и немиелинизированными С-волоконами (C-LTMR). Чтобы определить, достаточно ли стимулировать только один из низкопороговых механорецепторов, ученые экспрессировали активируемый светом катионный канал в этих нейронах. Оптогенетическая стимуляция нейронов показала, что именно C-LTMR приводили к встряхиванию. Генетическое удаление C-LTMR приводило к снижению активности тряски.
После этого ученые предположили, что сигналы от C-LTMR передаются от поверхностного дорсального рога спинного позга к латеральному парабрахиальному ядру в мосту продолговатого мозга через спинопарабрахиальные нейроны. Исследователи убедились, что при оптогенетической стимуляции C-LTMR в спинопарабрахиальных нейронах возникает постсинаптическая реакция. Ингибирование этих нейронов приводило к отмене тряски. Оптогенетическая стимуляция парабрахиального ядра также приводила к тряске мышей, а его отключение — к снижению активности тряски.
По мнению команды Джинти, эти результаты убедительно показывают нейросенсорный путь рефлекса встряхивания. Однако в дальнейшем этот путь предстоит подтвердить у других млекопитающих, а также необходимо описать нейронные сети парабрахиального ядра.
О том, какую роль парабрахиальное ядро играет в формировании зуда, можно прочитать в нашем блоге. А узнать, сколько зудов различает наука, можно из материала «Почему чешется».