Encoding strategies of primary somatosensory cortex for touch and pain in physiological and pathological conditions

Abstract

일차 체성감각 피질은 촉각과 통증을 지각하고 구별하는 데에 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 전통적으로, 일차 체성감각피질을 포함한 체성감각계의 신경세포는 브러쉬, 핀치와 같은 무해한 자극과 유해한 자극에 대한 그 세포의 전기생리학적 반응에 따라 저역치, 고역치 또는 광동적범위 신경세포로 분류되어 왔다. 브러쉬와 포셉을 이용한 이 자극은 유해성뿐만 아니라 브러쉬와 포셉의 촉감, 동적/정적인 역동성과 같은 다른 특성들도 포함하고 있다. 하지만 감각 자극의 이렇게 다양한 특성들을 일차 체성감각피질의 개별세포와 집단 수준에서 종합적으로 어떻게 부호화하고 있는 지에 대한 연구는 부족하다. 조직 및 신경 손상은 이질통, 통각 과민과 같은 과민증을 동반하는 염증성 또는 신경병성 통증을 초래한다. 하지만 통증 과민성일 때 무해하고 유해한 기계적 자극에 대한 일차 체성감각 피질 신경 세포의 반응 속성이 어떻게 달라지며, 이 변화가 통각 과민증과 어떻게 연관되어 있는 지에 대한 연구는 부족하다. 나는 일차 체성감각 피질 세포가 촉각과 통증에 대한 다양한 자극 특성을 동시다발적으로 어떻게 암호화 하고 있는 지 조사했다. 또한 촉각 및 통증 자극에 대한 그 세포들의 반응 속성이 통증 과민증 일 때 어떻게 달라지는 지 조사했다. 이 조사를 위해, 나는 이광자 칼슘 이미징을 통해 무해하고, 유해한 촉각 및 통증 자극을 생쥐의 발바닥에 가하면서 생쥐의 일차 체성감각 피질 신경세포의 칼슘 반응을 기록했다. 이 논문은 촉각 및 통증 자극에 대한 일차 체성감각 피질 세포의 반응 속성을 설명하는 두 가지 부분으로 구성되어 있다. 제 1장에서는, 일차 체성감각 피질 신경세포가 촉감이 다른 자극에 대해서 높은 선택적 반응을 보인 것을 확인했다. 하지만 역동성 또는 유해성 특성에 대해서는 낮은 선택성을 보였으며, 그 중 역동성에 약간 더 높은 선택성을 보인 것을 확인했다. 제 2장에서는, 통증 과민증 일 때, 유해-선호 신경세포가 무해한 촉각 자극에도 반응하는 것을 확인했다. 하지만, 촉각 및 통증 자극 모두에 반응한 세포 (광범위하게 조정된 세포)는 자극에 대한 튜닝 속성이 과민증일 때 유지됐고, 그 세포의 일부는 촉각 및 통증 자극에 대한 반응성이 증가했다. 이 논문은 일차 체성감각 피질 신경세포가 자극 특성-의존적 방식으로 특이성 부호화와 패턴 부호화의 혼합 된 전략을 사용하는 걸 제시했다. 또한, 통증 과민증 일 때, 일체 체성감각 피질은 자극에 대한 반응 속성이 바뀌고, 광범위하게 조정된 세포의 반응성이 전반적으로 증가하는 방식으로 과민증에 기여하고 있다는 것을 보여줬다. 본 논문은 생리 및 병리적 조건에서 촉각 및 통증 자극에 대한 일차 체성감각 피질의 암호화 전략과 반응 속성에 대해 이해하기 위한 중요한 정보를 제공한다.

Primary somatosensory cortex (S1) plays an important role in the perception and discrimination of touch and pain. Conventionally, neurons in the somatosensory system including S1 cortex have been classified by noxiousness feature with innocuous brush and noxious pinch stimuli. Besides this noxiousness feature, each stimulus also includes other stimulus features, such as different textures or dynamics. However, it remains unexplored how S1 neurons comprehensively encode such diverse features of cutaneous stimuli at single-cell and population levels. Tissue or nerve injury can lead to an inflammatory or neuropathic pain, in which hypersensitivity is accompanied. However, it is unclear how the response properties of S1 neurons towards mechanical stimuli are altered. It is also unknown how these S1 response changes are involved in pain hypersensitivity. I investigated how S1 neurons comprehensively encode multiple stimulus features for touch and pain in physiological conditions and how the response properties of S1 neurons are changed in pain hypersensitivity. To explore this, using in vivo two-photon Ca2+ imaging, I recorded neural activities of S1 neurons in mice while applying innocuous and noxious mechanical stimuli into hind paw. This thesis is composed of two research parts on response properties of S1 neurons to touch and pain. In chapter 1, it is shown that S1 neurons exhibited highly selective response to the difference in texture (specificity coding), but low selectivity to the difference in dynamics or noxiousness with slightly more specificity to dynamics (pattern coding). In chapter 2, I found some of the noxious-preferred neurons, which responded to noxious pinch stimuli at normal states, responded to innocuous touch stimuli in CFA-induced hypersensitivity. The majority of broadly tuned neurons, however, maintained their normal tuning properties during hypersensitivity, but some of those showed increased responses to both innocuous and noxious mechanical stimuli in CFA-induced hypersensitivity. This thesis demonstrates that S1 neurons use a mixed strategy of specificity coding and pattern coding for multiple stimulus features in a feature-dependent manner. In addition, it is also revealed how S1 cortex contributes to CFA-induced hypersensitivity in a way that tuning properties are changed and activities of broadly tuned neurons are generally increased in CFA-induced hypersensitivity. These findings would be important to understand the encoding rules and response properties of S1 to touch and pain in physiological and pathological conditions.