Studies on pain and itch signal processing in the anterior cingulate cortex with head-mounted fluorescent microscope

Abstract

통증과 가려움은 서로 다른 정동감각이며 전달 경로와 두 감각을 처리하는 뇌 영역이 긴밀하게 관련되어 있으며, 그 중에서도 전두대상피질은 통증과 가려움 모두를 처리하는 것으로 잘 알려져 있다. 뇌가 여러 체감각들을 서로 다른 것으로 인지하는지에 관해 여러 가설들이 제시되었으나 지금까지 한 영역에서 두 체감각이 어떻게 처리되는지에 관해서는 연구된 바 없었다. 본 연구에서는 쥐에 6시간 간격으로 가려움과 통증 자극을 주었을 때 두 자극 모두에 반응하는 전두대상피질영역의 뉴런들의 비율이 72시간 간격으로 자극이 주어졌을 때보다 높은 것을 확인하였다. 또한 통증 또는 가려움 자극에 반응하는 뉴런 집단에 GiDREADD를 발현시킴으로써 억제하였을 때 통증 또는 가려움 관련 행동이 감소하는 것을 확인하였다. 머리탑재형 초소형 형광현미경인 미니스콥은 UCLA에서 개발되었으며, 움직이는 쥐에서 실시간으로 뉴런의 활성을 촬영하기 위해 사용된다. 본 연구에서는 미니스콥 부품들을 개선하고 수술 도구를 대체함으로써 촬영 시스템의 안정성을 높이고 수술로 인한 뇌조직의 염증을 줄임으로써 깨끗한 영상을 얻을 수 있었으며 최적화된 미니스콥의 촬영 시스템을 통해 뉴런 활성 영상의 질을 높이고 데이터의 신뢰도를 높였다. 또한, 새로운 칼슘 이미징 분석 프로그램인 CaImAn이 미니스콥으로 얻어진 데이터에 성공적으로 적용되는 것을 확인하였다. 이렇게 구축된 시스템을 이용하여 활성화된 뉴런 내부로 유입되는 칼슘과 결합했을 때 형광을 발현하는 단백질의 일종인 GCaMP6f 단백질의 형광 신호를 촬영하였다. 미니스콥을 통해 얻어진 결과 또한 면역조직화학법으로 얻어진 결과와 마찬가지로 6시간 간격으로 통증 또는 가려움 자극이 주어질 경우 두 자극 모두에 반응한 뉴런들의 수가 72시간 간격이었을 때 보다 많은 경향을 보이는 것을 확인하였다. 이러한 결과들은 일부 전두대상피질 뉴런들은 흥분성 주기에 영향을 받아 통증 또는 가려움에 반응하는 뉴런 집단에 속하는 경향이 있으며 다른 일부 전두대상피질 뉴런들은 통증 또는 가려움에 특이적으로 반응하는 고유의 뉴런 집단을 형성하여 통증 또는 가려움 행동 반응 유도에 필요하다는 것을 제시한다.

Pain and itch sensations are different affective modes, and their transmission pathways and the brain areas processing them are intimately related to each other. Anterior cingulate cortex (ACC) has been known for its role in processing both pain and itch sensation. There are hypotheses explaining how the somatosensory modalities can be perceived as different ones in brain. However, it was barely studied how these two somatosensory stimuli would be processed in the same brain area. In this study, I figured out the ACC neurons were highly co-activated when received the itch and pain stimuli with 6h interval than 72h interval. Additionally, when inhibiting the pain- or itch-responding population by expressing GiDREADD, the pain- or itch-related behavioral responses were reduced. Also, miniscope, a head-mounted fluorescent miniature-microscope invented by UCLA, has been used for imaging the in vivo real-time activities of neurons in freely moving mice. I optimized the imaging system of miniscope to improve the quality of recorded images and enhance the reliability of data. By using improved miniscope parts and replacing the surgical instrument, the imaging system got stable, and the images were cleared as inflammation was reduced. I also confirmed the new calcium imaging analysis program, CaImAn, was successfully applied to the miniscope data. Using the optimized miniscope imaging system, I recorded the fluorescent signals from GCaMP6f, one of the genetically encoded calcium indicators (GECIs). The results from miniscope also showed that the overlapping percentage of co-activated ACC neurons tended to be higher when the stimuli were given with 6h interval than 72h interval, which was consistent with the immunohistochemistry data. These results suggested that several ACC neurons were affected by their excitability cycle and tended to be allocated into the pain- or itch-responding populations. At the same time, other activated cells formed inherent ensembles, which were necessary to induce the pain or itch behavioral responses.