Anatomia del nucleo rostrale del tratto solitario (Parte 1)

Il nucleo del tratto solitario (NST) è uno dei principali nuclei sensitivi del bulbo dorsale, che riceve informazioni cardiovascolari, viscerali, respiratorie, gustative e oro tattili. Inizia a livello della decussazione delle piramidi, vicino al midollo cervicale e si estende in alto fino al terzo caudale del nucleo cocleare dorsale. Caudalmente, l’NST attraversa la linea mediana formando i sub nuclei commissurali. Rostalmente all’area postrema, l’NST si divide in due metà che circondano la linea mediana e la sommità ventrolaterale del IV ventricolo. Il limite anatomico tradizionale del nucleo rostrale (rNST) è il punto in cui le punte mediali dei nuclei non sono più in contatto con il IV ventricolo. L’rNST inizialmente è separato lateralmente dal ventricolo mediante i nuclei vestibolare mediale e preposito dell’ipogrosso e il suo estremo rostrale è adiacente ai nuclei spinale del trigemino e vestibolari.

Pur contiguo con la parte caudale del nucleo, l’rNST è funzionalmente distinto poiché riceve afferenze gustative e oro sensoriali primarie. Infatti campi terminali oro sensoriali dei nervi cranici si estendono per varie centinaia di micron casualmente rispetto al punto in cui l’NST si porta lateralmente al IV ventricolo, funzionalmente quindi l’rNST si estende caudalmente al suo limite tradizionale. 

Sul piano orizzontale, l’NST appare a forma di V, la cui punta corrisponde alla porzione commissurale e gli apici all’rNST. Su questo piano, il tratto solitario è chiaramente visibile insieme alla parte laterale del nucleo. Nelle sezioni coronali, l’rNST è situato subito lateralmente e ventralmente ai nuclei mediale e spinale vestiblolare, medialmente al nucleo spinale del trigemino e dorsalmente alla formazione reticolare parvocellulare.

Istologicamente, l’rNST è distinto dalla regione circostante per via della dimensione relativamente piccola dei pirenofori. Tale distinzione è particolarmente evidente lungo i margini mediale e dorsale. Sono comunque presenti alcuni neuroni giganti, particolarmente nella metà ventrale, simili a quelli dell’adiacente formazione reticolare (rendendo quindi difficile delineare i margini).  Il bordo laterale è maggiormente distinto nel tessuto decolorato dalle fibre mieliniche per via dell’abbondanza di queste appena lateralmente al rNST.

La regione ventrale dell’rNST contiene fascicoli che decorrono dall’alto in basso, distinti da quelli più regolari della formazione reticolare mediante preparazioni Weil-stain. Molte altre tecniche sono state utilizzate per definire chiaramente i bordi, ma con limitato successo. Ad esempio, decolorazioni per gli enzimi mitocondriali come NADH deidrogenasi, citocromo ossidasi e succinato deidrogenasi identificano preferenzialmente il neuropilo all’interno della corda del timpano durante marcatura immunoistochimica per neurotrasmettitori, neurotropine e loro recettori.

I neuroni dell’rNST non sono omogenei né disposti in maniera ordinata: il nucleo è stato suddiviso in regioni per differenze istologiche, citoarchitettoniche e di connettività. Studi recenti, utilizzando una combinazione di varie tecniche come impregnazione di Nills, argento ridotto, metodo di Golgi e tract tracing, hanno consentito di designare quattro suddivisioni nel topo. Tali suddivisioni corrispondono anche a distinzioni funzionali: di conseguenza, tale suddivisione può essere importante per chiarire i meccanismi di processamento sensoriale all’interno del nucleo.  Recentemente alcuni ricercatori hanno diviso l’rNST in 6 campi che non riflettono specifiche caratteristiche anatomiche ma facilitano la discussione sulle differenze funzionali delle varie popolazioni. La suddivisione mediale (M) è la più piccola, lateralmente al nucleo vestibolare mediale: contiene neuroni piccoli senza neuropili e alcuni neuroni parasimpatici pregangliari nella porzione ventromediale, che andrebbero esclusi dal nucleo per la loro funzione motoria. I neuroni M non ricevono fibre dirette craniali, ma sono connessi all’NST caudale, probabilmente per collegare informazioni gustative e viscerosensitive. Il campo rostrale centrale (RC) è immediatamente laterale a M, medialmente al tratto solitario: contiene neuroni piccoli e medi densamente impacchettati e poche fibre mielinizzate lo attraversano scavalcando i nuclei vestibolari. L’RC riceve le maggiori afferenze dai nervi cranici e contiene la maggioranza dei neuroni che contribuiscono alle vie gustative ascendenti. La suddivisione rostrale laterale (RL) circonda il tratto solitario all’estremità laterale del rNST: contiene neuroni simili per dimensioni a quelli di RC ma meno impacchettati. Vi è un significativo aumento delle fibre mieliniche che la attraversano in direzione dorso-ventrale I neuroni RL ricevono fibre afferenti dai nervi cranici, la maggioranza delle quali trasmettono informazioni orotattili. RL contiene anche alcuni neuroni che proiettano al nucleo parabrachiale (PBN) nel ponte. La suddivisione ventrale (V) si trova davanti a RC e RL, facilmente distinguibile per neuroni sparsi intorno a molte fibre che decorrono in senso rostro-caudale. V contiene la maggioranza dei neuroni che proiettano ai centri oromotori del tronco encefalico e altri che proiettano rostralmente al PBN.  Infine la divisione dorsale (D) descritta nel criceto, una sottile striscia situata dorsalmente al RC: contiene neuroni molto piccoli e sparsi. 

In base alla forma e dimensioni del soma, al numero di dendriti primari e alla morfologia dell’albero dendritico sono presenti 3 principali popolazioni neuronali: ovoidali, multipolari e allungati, identificati con iniezioni di rafano-perossidasi e aggiungendo biocitina all’ago per valutazione elettrofisiologica.

Le cellule più piccole hanno soma sferici od ovoidali e tipicamente due o tre sottili dendriti primari, di solito corti (180 μm), confinati all’interno della sostanza grigia e GABAergici (quindi considerati interneuroni). I neuroni multipolari (o stellati) hanno un soma relativamente ampio, poligonale, e da 3 a 5 dendriti primari, che possono essere anche lunghi (in media 650 μm) tra una suddivisione e l’altra dell’rNST, solitamente dalla regione V alla RC o alla formazione reticolare.  Essi sono ricchi di spine (quindi riceverebbero afferenze primarie) e principalmente orientati lungo il piano orizzontale, quindi perpendicolari alla fibre afferenti del tratto solitario, in modo tale da poter ricevere impulsi convergenti. I neuroni allungati (o fusiformi) hanno un distintivo corpo cellulare con due sottili dendriti primari che si proiettano dai poli opposti della cellula, tipicamente lunghi (mediamente 800 μm) privi di spine con un orientamento predominante in senso medio-laterale. Essi sono presenti nei siti di risposta sensoriali in RC e RL: similmente ai multipolari, essi possiedono connessioni con il nucleo parabrachiale e la formazione reticolare. La loro abbondanza nell’RL suggerisce un ruolo giocato da questa cellula nel processamento di informazioni non gustative oro sensoriali.  La popolazione più abbondante è quella dei neuroni ovoidali (quasi il 50%) ma i 3 tipi, pur essendo morfologicamente distinti, non si presentano in gruppi distinti di cellule nel nucleo, non possedendo differenti proprietà biofisiche né diverse risposte ai neurotrasmettitori. Comunque vi è una netta distinzione funzionale: I neuroni ovoidali sono interneuroni, le altre due popolazioni sono neuroni di proiezione. 

References:

King MS. PMID: 21204466

Proprietà morfologiche ed elettrofisiologiche degli interneuroni colinergici dei gangli della base

I gangli della base includono differenti nuclei subcorticali interconnessi coinvolti nella carica motivazionale, nella pianificazione del movimento e nell’apprendimento.  Lo striato rappresenta il principale nucleo di ingresso per la circuiteria dei gangli della base. Riceve afferenze eccitatorie (glutammatergiche) dalla corteccia e dal talamo ed è densamente innervato da neuroni dopaminergici del mesencefalo. La maggioranza dei neuroni striatali è GABAergica, molti di questi sono appunto neuroni GABAergici di proiezione di medie dimensioni e coperti di spine dendritiche.  Sono stati poi identificati almeno tre tipi di interneuroni GABAergici in base alle loro proprietà elettrofisiologiche e neurochimiche.  Questi interneuroni possono presentare proteine leganti calcio come la parvalbumina, la calretinina e il neuropeptide Y, oppure la somatostatina o la NADH diaforasi. Di conseguenza sono stati classificati rispettivamente come neuroni fast-spiking (FS), neuroni con spike persistente e a bassa soglia (PLTS) e neuroni con spike a bassa soglia (LTS). Uno studio relativamente recente ha identificato un nuovo gruppo di neuroni GABAergici  che esprimono la Tirosina Idrossilasi (TH+). Oltre alla popolazione numericamente superiore di neuroni GABAergici , lo striato contiene anche una piccola percentuale di neuroni che procura per quest’area uno dei più alti livelli di acetilcolina (ACh) del cervello. Sono questi i grandi interneuroni colinergici sprovvisti di spine dendritiche (ChIs) caratterizzati da una densa arborizzazione assonica locale e un’attività di scarica tonificante. E’ ormai risaputa la centralità dei ChIs striatali nella circuiteria dei gangli della base sia per il controllo del movimento volontario che nella patogenesi di malattie quali il morbo di Parkinson (PD) e la distonia, tant’è che i farmaci anticolinergici sono stati a lungo la prima scelta per la terapia di queste malattie.

I grandi interneuroni colinergici sprovvisti di spine dendritiche rappresentano meno del 2 % di tutta la popolazione neuronale dello striato. La loro identificazione neurochimica è data dall’espressione di ChAT, l’enzima biosintetico per l’ACh. Morfologicamente sono caratterizzati da un grande soma poligonale (Ø 20-50 micron), arborizzazioni dendritica e assonale diffuse e una peculiare distribuzione nella matrice dello striato (PMID: 9706390), caratteristiche che suggeriscono il coinvolgimento degli interneuroni colinergici nell’integrazione delle afferenze in aree relativamente ampie, nonché una loro funzione associativa all’interno dello striato. Registrazioni elettrofisiologiche in vitro hanno registrato le peculiarità della membrana dei ChIs che differenziano questi ultimi dagli altri sottogruppi neuronali dello striato: un potenziale di membrana a riposo relativamente basso (depolarizzato, minore in valore assoluto), un potenziale d’azione a lunga durata, alta resistenza d’input, una notevole iperpolarizzazione successiva al potenziale d’azione e una notevole corrente cationica attivata dall’iperpolarizzazione. Queste cellule si attivano autonomamente, presentano modelli di attivazione tonica, da un singolo spike irregolare a schemi ritmici, anche in assenza di input sinaptici, suggerendo la natura intrinseca della loro origine. La prevalenza di un modello di attivazione in ogni singolo neurone è dipendente dalla conduttanza del K+ attivata dal calcio. In particolare, lo spike singolo dipende da un’iperpolarizzazione successiva al potenziale d’azione di media durata generata da rapide correnti SK (Apamin-Sensitive Calcium-Activated Potassium Currents) che sono associate a canali del calcio attivati ad alto voltaggio (HVA), CaV2.2 . D’altro canto, i modelli d’attivazione periodici sono dovuti da una graduale e lenta iperpolarizzazione successiva al potenziale d’azione associata a canali del calcio CaV1. La specifica associazione tra i sottotipi dei canali del calcio HVA e le correnti del K sottostanti alle mAHP e sAHP è generata dalle dinamiche della distribuzione del calcio a livello dei siti con differente cinetica di legame nel citoplasma. Agli interneuroni colinergici giungono le proiezioni glutammatergiche dalla corteccia e dai nuclei centromediano e parafascicolare del talamo nonché un’estesa proiezione dopaminergica dalla substantia nigra pars compatta. 

L’effetto predominante della dopamina sui ChIs è mediato dai recettori D2 che inibiscono l’efflusso di Ach striatale, riducendo sia l’attivazione autonoma del potenziale d’azione che gli input sinaptici sui ChIs. Il primo si ottiene migliorando la lenta inattivazione dei canali per il Na+ voltaggio-dipendenti e modulando la corrente Ih, il secondo attraverso l’inibizione dei canali del calcio HVA. In più, i ChIs  esprimono i recettori D1-like e D5 che si collocano soprattutto a livello del soma e dei dendriti e che depolarizzano la cellula promuovendo l’apertura non selettiva dei canali per cationi e la chiusura dei canali per il K+ , quindi, a sua volta, favorisce il rilascio di ACh.  Un ulteriore livello di controllo del rilascio si ACh è rappresentato dagli autorecettori muscarinici M2/M4. L’attivazione degli auto recettori riduce il rilascio di ACh grazie alla chiusura dei canali del calcio Ca_v2 che mediano l’esocitosi e favorendo l’apertura dei canali del K⁺ Kir3 che iperpolarizzano le estremità terminali della membrana e quindi riducono l’apertura dei canali del Ca²⁺. Inoltre gli ChIs ricevono proiezioni estrinseche serotoninergiche  e noradrenergiche eccitatorie e una innervazione intrinseca GABAergica inibitoria sia dai neuroni di proiezione che dagli interneuroni. Potenziali postsinaptici evocati da stimolazione elettrica delle fibre che innervano gli ChIs sono mediati dai recettori ionotropici NMDA, AMPA e GABA_A . Su completa inibizione delle componenti sinaptiche glutammatergiche e della proiezione GABAergica , è rivelato un lento potenziale sinaptico inibitorio che è mediato da una conduttanza al K⁺ attivata da recettori M2-like. L'attività dei ChIs è quindi altamente regolata tramite una complessa interazione tra le proprietà intrinseche e il controllo neuromodulatorio esercitato da più trasmettitori.

References

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Il nucleo spinale del Trigemino

Si ringrazia Vobberto per l'articolo.

"Ogni dolore viene scritto su lastre di una sostanza misteriosa al paragone della quale il granito è burro. E non basta un'eternità a cancellarlo."        Dino Buzzati 

La radice suprema del nervo trigemino, arrivata a livello del ponte, piega inferiormente formando il fascio spinale del trigemino: esso manda assoni fino al terzo mielomero cervicale ricevendo varie afferenze dai nervi faciale, vago e glossofaringeo, cruciali per riflessi vari (starnuto, riflesso lacrimale, corneale ecc). La maggioranza degli assoni (sensitivi primari) però restano nel tronco encefalico terminando nel nucleo spinale del trigemino, localizzato nel bulbo davanti ai nuclei vestibolari, medialmente al fascio omonimo. Anche in questo caso sono presenti numerosi collaterali provenienti dai nervi faciale glossofaringeo e vago: si tratta di un omologo funzionale del fascicolo dorso laterale del Lissauer presente nel midollo spinale. Esso è tradizionalmente diviso in tre parti: caudalis(dal midollo fino all’obex), interpolaris(fino alla giunzione pontobulbare) e oralis(fino al nucleo pontino del trigemino). La pars caudalis ha una struttura lamellare simile a quella del corno dorsale del midollo: la lamina I riceve afferenze somatiche generali accoppiate a rilascio di sostanza P, la lamina II presenta enkefaline e funzionalmente è assimilabile alla sostanza gelatinosa, le lamine III e IV sono magno cellulari. Si tratta del sottonucleo maggiormente coinvolto nella trasmissione del dolore. E’ presente una somatotopia caudo rostrale che corrisponde ad una rappresentazione somatica sempre più profonda (pertanto la pars oralis è relativa al dolore buccale, mentre la interpolaris a quello cutaneo).

I neuroni sensitivi secondari formano il fascicolo tegmentale dorsale (noto anche come fascio trigemino-talamico ventrale) che passa vicino alla formazione reticolare decussando la linea mediana e terminando a livello della divisione mediale del nucleo ventrale posteriore del talamo. Il nucleo spinale proietta inoltre anche direttamente alla formazione reticolare, collaborando alla via spinoreticolotalamica per la regione della testa. Numerosi studi recenti sono stati compiuti per descrivere la presenza di un vasto repertorio di molecole(soprattutto cotrasmettitori) all’interno di questo nucleo.

In uno di questi sono state valutate le concentrazioni extracellulari di GABA nel nucleo spinale del trigemino durante il formalin test, su campioni di 30 microlitri ognuno, ottenuti da microdialisi e studi farmacologici su due gruppi di 6 ratti, valutando la risposta comportamentale all’iniezione di formalina (gruppo1) o soluzione salina (gruppo 2). Successivamente ad altri 3 gruppi di ratti sono stati iniettati soluzione salina, muscimolo (agonista del recettore del GABA) o bicullina (antagonista dello stesso recettore) sempre a livello del nucleo spinale, prima di iniziare il formalin test. L’iniezione di formaldeide induce una risposta comportamentale bifasica e incrementa i livelli di GABA dopo 15-45 minuti. L’iniezione di bicullina (e non muscimolo o soluzione salina) diminuisce notevolmente la risposta comportamentale al formalin test. Tali risultati suggeriscono che i neuroni gabaergici del nucleo spinale del trigemino siano coinvolti nella trasmissione di informazioni nocicettive.

Altri esperimenti sono stati condotti per investigare il possibile coinvolgimento delle specie reattive dell’ossigeno nella nocicezione nel sub nucleo caudalis del nucleo spinale trigeminale. Nel primo il livello extracellulare di perossido di idrogeno è stato valutato tramite microdialisi del sub nucleo di due gruppi di sei ratti prima di iniezione al labbro superiore di soluzione salina (gruppo 2) o formalina (gruppo 1). Nel secondo esperimento il formalin test è stato condotto su 3 gruppi di 6 ratti dopo microiniezione rispettivamente di 2-ME (2metossiestradiolo, un inibitore della superossido-dismutasi) o NAC (Nacetilcisteina, uno scavenger degli intermedi dell’ossigeno) o soluzione salina. Nel terzo esperimento è stato effettuato un saggio istochimico per l’attività della superossido dismutasi su 2 gruppi di 4 ratti dopo 2h dal’iniezione (rispettivamente di formalina o soluzione salina). I risultati mostrano che i livelli di perossido di idrogeno aumentano all’interno del sub nucleo durante il dolore facciale (134% rispetto ai livelli base); l’inibizione della superossido dismutasi o la rimozione di intermedi dell’ossigeno diminuiscono la sensibilità a stimoli di dolore facciale; stimoli persistenti di dolore facciale diminuiscono l’attività del superossido (fino al 90% del nucleo contro laterale). Tali dati suggeriscono che specie reattive dell’ossigeno siano prodotte dal sub nucleo caudalis durante dolore trigeminale persistente e sono necessari per la trasmissione del dolore. L’anione superossido è stato rilevato anche dopo un sovraccarico meccanico funzionale dei denti dovuto alla preferenza per la masticazione su un solo lato indotta nei ratti tramite piccola abrasione di un molare, in modo tale che la lateralizzazione della masticazione venisse confermata per elettromiografia. La produzione di superossido è stata valutata tramite microscopia a fluorescenza dopo iniezione di diidroetidio. I risultati mostrano che vi è un aumento della sua produzione a livello del sub nucleo oralis del nucleo spinale del trigemino nello stesso lato in cui la masticazione viene preferita. Questo dimostra che un’aumentata attività di neuroni sensitivi non-nocicettivi può stimolare la produzione di specie reattive dell’ossigeno all’interno dei neuroni di secondo ordine di tale nucleo. Tramite ulteriori esperimenti è però stato chiarito che un significativo incremento della produzione di superossido nei nuclei omolaterali avviene dopo 45 minuti e l’attività di SOD (superossido dismutasi) non ha significative differenze tra i nuclei dei due lati. Pertanto lo ione superossido è coinvolto nei processi dolorifici indotti dall’infiammazione, e non dal dolore acuto.

Un’altra analisi ha riguardato neuroni enkefalinergici, proposti come aventi ruoli cruciali nella modulazione del dolore nella pars caudalis. Le enkefaline fanno parte del sistema degli oppiati endogeni, tutti accoppiati a G protein di tipo inibitorio, il cui effetto è spesso quello di inibire la sensibilità elettrica dei neuroni adiacenti, giocando quindi un ruolo importante nella modulazione della nocicezione. Per marchiare tale neurotrasmettitore è stata utilizzata proenkephalina-gree fluorescent protein (PPE.GFP) in topi transgenici. E’ stata applicata una FISH combinata a tecniche di immunofluorescenza, quindi è stata esaminata la diversità fenotipica di neuroni PPE-GFP con immunostaining per vari marker che caratterizzano i sottotipi di neuroni ENKergici. Circa il 26% dei neuroni GFP positive erano contemporaneamente immunoreattivi per la GAD(acido glutammico decarbossilasi) e 15% positivi per il GABA. Le proporzioni di cellule positive a calbindina o calretinina tra i neuroni ENKergici sono 8% e 7%. Solamente 1% di tali neuroni è positivo per la parvalbumina, mentre nessuno coesprime l’ossido nitrico sintasi (NOS). E’ stato quindi iniettato un tracciante retrogrado nelle regioni talamiche,, osservando che un piccolo numero di neuroni ENKergici della pars caudalis restano marchiati dal tracciante. Tutti questi dati sperimentali dimostrano che il controllo delle vie dolorifiche è esercitato da molecole molto eterogenee, la cui conoscenza può essere cruciale per lo sviluppo di terapie efficaci contro malattie come la nevralgia del trigemino(in passato nota come “malattia del suicida”).

References:

Thomas C. Pritchard, Kevin Douglas, Alloway; Medical Neuroscience.

Viggiano A et al. PMID: 15288579

Viggiano A, PMID: 15979588

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