Download La célula pilosa, una célula epitelial muy modificada.

Sistema Somato sensorial
Nocicepción y Tacto
Dra. Gabriela Hermitte
Biología Sensorial
Animal 2017
Aspectos generales del SISTEMA SOMATO
SENSORIAL o “sentido del cuerpo”.
Función exteroceptiva e interoceptiva
Tres submodalidades principales: tacto o hapsis,
propiocepción y nocicepción.
 identificar la presión, el estiramiento, la vibración, la
forma, tamaño y textura de los objetos y manipularlos.
 controlar la acción de fuerzas internas y externas que
actúan sobre el cuerpo.
detectar el daño tisular, percibido como dolor o prurito.
2
Morfología de una Neurona Sensorial del Ganglio de
la raíz Dorsal (NSGD) de la médula o del ganglio
trigémino.
Fibra primaria aferente
3
2m2
¿Cómo se preserva la
organización topográfica de los
receptores en la piel?
Dermatoma
El área de la
piel inervada
por las fibras
nerviosas que
comprenden
una raíz
dorsal
4
Potencial de acción
¿Cómo se codifican la cualidad y la intensidad del estímulo?5
Sensación somática: epicrítica (tacto
fino)
Topognosis (localización del estímulo
sobre la piel)
Estereognosis (reconocimiento de la
forma del objeto)
Resolver textura, espaciamiento, discernir
amplitud y frecuencia de una vibración
Sensación
somática
protopática
(nocicepción)
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Clasificación (mamíferos)
MR de bajo umbral (LTMR) (tacto) y
MR de alto umbral (HTMR) (nocicepción)
•Las fibras nerviosas asociadas con LTMR y HTMR se clasifican en: Aβ-,
Aδ-, o C- basándose en la velocidad de conducción del PA.
•Las fibras C son no mielinizadas y tienen la más baja velocidad de
conducción (~2 m/s), mientras que las fibras Aδ y Aβ son ligera y
densamente mielinizadas y con >Ø por lo que exhiben velocidad de
conducción intermedia (~12 m/s) y rápida (~20 m/s) respectivamente.
•Los LTMR se clasifican según sus respuestas de adaptación en MR de
adaptación lenta (AL) o rápida (AR) según como decline su respuesta
frente a los estímulos mecánicos sostenidos.
•Los LTMR se distinguen por el órgano cutáneo que inervan y por el
estímulo preferido.
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Adaptación sensorial (LTMR)
AL- Tónicos
AR- Fásicos
Los MR
proporcionan
información
acerca de las
cualidades
estáticas o
dinámicas de un
estímulo.
La duración de
una sensación
está
determinada en
parte por la tasa
de adaptación
de los
receptores. 8
Campo receptivo
El campo receptivo
de un MR para
tacto es la región
de la piel
directamente
inervada por los
terminales de una
neurona receptora
1. localizar el
estímulo
2. discriminar el
tamaño y la forma
3. resolver el detalle
fino
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Cada cuadrado o
píxel es un CR
Resolución (campos receptivos)
tronco
brazo
palmas
dedos
En el sistema
somatosensorial/
visual la densidad
de los CR de las
neuronas
sensoriales en una
parte del cuerpo
definen la resolución
del estímulo.
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TOPOGRAFIA GENERAL DE LA PIEL (ratón)
Organización y proyecciones de los MR cutáneos
(LTMR & HTMR)
Touch sense. Roudaut et al, 2012
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Tacto inocuo.
LTMR-Aβ, Aδ y C asociados a
los folículos pilosos y aferentes
del tacto placentero. MR de AR
Generalmente, las
terminaciones libres de
fibras C presentes en la
piel son HTMR, pero
una subpoblación de
fibras C (CT) no
responden al tacto
nocivo, sino que son
aferentes del tacto
placentero y son LTMR
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Lishi Li et al., 2011
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Tacto inocuo
LTMR en la piel lampiña
Touch sense. Roudaut et al, 2012
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AL
Merkel
cell
AR
20-50 Hz
25%
40%
AR
AL
Ruffini
20%
250- 300Hz
15%
15
Campos receptivos
MR AL
MR AR
Capa
superficial
Merkel
Resuelven detalle!!!
Meisner
Los CR de
los MR en
las capas
superficial
y profunda
de la piel
difieren en
forma,
tamaño y
estructura
Capa
profunda
Ruffini
Paccini
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Campos receptivos
puntas de los dedos 300 fibras/cm2
falanges proximales:120/cm2
palma: 50/cm2
Merkel/al
Meisner/ar
El área de la piel
comprendida dentro
del CR para cada tipo
de MR, varía a lo
largo del cuerpo
Ruffini/al
Paccini/ar
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El umbral de dos puntos
El umbral de
dos puntos
mide la
distancia
mínima a la
cual dos puntos
se resuelven
como distintos.
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Merkel/AL
Curvatura
La forma y el
tamaño de los
objetos que tocan
la mano son
codificados por
poblaciones de
receptores de
Merkel.
Tasa de disparo
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Merkel & Meisner
Patrones Braile sobre el tambor
Merkel
Meisner
Un mono que lee
Braille…
Merkel y Meissner
diferencian entre
puntos y espacios
cuando el
espaciamiento
entre puntos
excede el
diámetro del CR
Paccini
Connor et al. 1990
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La vibración es la sensación
producida por la oscilación de
un objeto ubicado sobre la
piel.
Los MR difieren en
su umbral de
sensibilidad a la
vibración
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¿Por qué cada capa de la piel está dotada con 2 sets
de MR diferentes con campos receptivos similares?
Permite resolver
características
estáticas y
dinámicas en los
dos niveles
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Proyecciones de LTMR en la médula espinal y mas allá
fibras LTMR-Aβ
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Tacto nocivo.
HTMR en la piel lampiña y pilosa
Touch sense. Roudaut et al, 2012
•Sensibilidad mecánica de
los keratinocitos
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Las vías
ascendentes
a los centros
superiores
Corteza SSS:
Giro
poscentral
Cerebro medio
Pons
Sistema
medial
Medulla oblongata
lemniscal de
la columna
dorsal. Medulla oblongata
Sistema
anterolateral
Núcleo grácil
Núcleo cuneado
Medula espinal
25
26
Adaptación
Propiedades de los canales
La morfología del
receptor influye sobre
la adaptación en los
R-AR
La cápsula filtra los
componentes
constantes
Sensibilidad a la vibración.
Los movimientos rápidos se
transmiten a través de las
lamelas hasta el terminal
nervioso, generando un PR y
un PA para cada ciclo
vibratorio.
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A nose that looks like a hand and acts like an
eye: the unusual mechanosensory system of the
star-nosed mole.
Kenneth C. Catania. (1999-2014)
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Somatosensory Fovea in the Star-Nosed
Mole: Behavioral Use of the Star in
Relation to Innervation Patterns and
Cortical Representation.
J C Neurology , 2007.Catania & Kaas.
Los rayos se mueven en grupos e
independientemente cada grupo.
Contacta 10 lugares
por segundo!
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Comportamiento focalizado o de tipo “fóvea”
todo en
menos
de
400ms!
Nro de toques en 10 E
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COAST MOLE
¿Refleja la anatomía
de la estrella el rol
que juega el rayo 11
en el
comportamiento?
Porción distal de la nariz
Unos pocos
órganos de
Eimer rodeando
las narinas
STAR NOSE MOLE
+ de 25.000 OE
sólo en la
estrella ! 31
SC Estrato córneo
CC-FNE columna central epitelial asociada con terminaciones nerviosas
libres intraepidérmicas
P-FNE terminales nerviosas libres periféricas
MC complejo de célula de Merkel-neurita
LC corpúsculo lamelado
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Los registros realizados en la corteza cerebral revelan que la
estrella es altamente sensible a la fina estimulación táctil…
¿el rayo 11 presenta más órganos de Eimer?
NO!
El rayo 11 presenta
900 órganos de
Eimer sobre su
superficie mientras
que algunos de los
rayos laterales
presentan hasta
1500!
33
En lugar de presentar más órganos sensoriales…
Existen cerca de 100.000 fibras
mielinizadas inervando una estrella…
¿El rayo 11 tiene más fibras
mielinizadas?
Si!
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¿el rayo 11 tiene más fibras mielinizadas por
órgano de Eimer?
Si!
El rayo 11 tiene
una densidad
mayor de
inervación por
órgano de
Eimer.
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El homúnculo y el topúnculo !!!
Se estudio el % del área aproximada de la
corteza SS que responde a cada parte del
cuerpo
A pesar de que la nariz
es una porción
relativamente pequeña
del cuerpo, su
representación cortical
domina la corteza SS
(Magnificación
cortical)
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El rayo 11 ocupó el 25 % de la
representación cortical de la estrella en
S1 a pesar de su pequeño tamaño
Magnificación de los aferentes!
Rata: se halló una relación
directa lineal entre el
tamaño del barrel cortex
en la corteza SS de los
roedores y el numero de
aferentes que inervan el
bigote correspondiente en
la cara. (Magnificación
cortical)
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El rayo 11 contenía cerca del 7%
(900) de los órganos de Eimer de
la estrella, recibía cerca del 11%
(6.000) de las fibras nerviosas que
inervan la estrella, lo que explica
la mayor densidad de inervación
por órgano, pero ocupaba cerca
del 25% de la representación de
la estrella en la corteza.
38
Magnificación cortical
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Magnificación de los aferentes
Aspectos comparados de la mecanotransducción
Base molecular de la
transducción
mecánica
Supone que la fuerza
externa se transmite
mediante moléculas de la
matriz extracelular y
proteínas del citoesqueleto
al canal
mecanotransductor,
determinando el flujo de
una corriente iónica a
través del canal abierto.
Molecular basis of mechanosensory
transduction
Gillespie and Walker, Nature 2001.
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Mecanorecepción en C. elegans.
Ambiente: vida libre en el suelo
Diversidad de neuronas mecanosensoriales
Estímulos mecánicos externos y autogenerados
Neuronas MS con dendritas ciliadas o no ciliadas
Localización especifica de las NMS
El tacto inicia ≠ comportamientos incluso la cópula
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Mecanorecepción
en C. elegans.
Mechanosensory transduction in C. elegans. (A) Mechanosensory neurons of C. elegans include gentle body touch neurons (blue), multidendritic
harsh-touch neurons (red), ciliated neurons (green) required for nose-touch (ASH, FLP, and OLQ) or proper foraging behaviors (CEP, ADE, and
PDE [not indicated]), and ciliated male-specific neurons (orange). For paired neurons, only one is shown.
Figura 42 a y c. Vista de la ubicación de los mecanoreceptores. AVM, la célula del microtúbulo anterior ventral; ALML/R la célula del
microtubulo anterior lateral I/D: PVM, la célula del microtúbulo posterior ventral; PLML/R la célula del microtubulo posterior lateral I/D. B.
micrografía electrónica del proceso neuronal del receptor del tacto. La mecanotransducción puede resultar de la deflexión neta del arreglo de
microtúbulos relativo a la posición del manto, una deflexión detectada por el canal de transducción. Se observan 15 protofilamentos de los
microtúbulos; las ECM, la hipodermis y la cutícula de una PLM. C. Modelo propuesto para un receptor del tacto. Ubicación hipotética de las
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proteínas mec.
Los genes MEC y los canales Deg/ENaC sensibles a
amiloride
También canales
TRP & Piezo
The cell biology of touch.
Lumpkin et al, 2010
El modelo
molecular del
tacto, el complejo
MEC-4
Modelo molecular del tacto, el complejo MEC-4. Muchos de los genes MEC han sido identificados molecularmente y varios codifican
proteínas que se postula forman el complejo transductor del tacto. El complejo MEC-4 de las neuronas del tacto en el cuerpo de C. elegans ha
sido foco de estudio durante 3 décadas. Los elementos centrales de este complejo mecanosensorial son las subunidades DEG/ENaC MEC-4 y
MEC-10. MEC-4 and MEC-10 son isoformas Deg/ENaC que sirven como unidades que se ensamblan formando el poro. Los canales
funcionales tienen dos subunidades MEC-4 y una MEC-10. Los dominios extracelulares de MEC-4 y MEC-10 se postulan que se linkean a la
matriz extracelular especializada (el manto) de la célula de tacto, quizás mediante la asociación directa con MEC-5, una isoforma de
colágeno y/o las proteínas MEC-1 y MEC-9. Los dominios intracelulares de MEC-4 y MEC-10 se hipotetizan que están unidos a los
microtúbulos de 15-protofilamentos hechos de α- tubulina MEC-12 y β-tubulina MEC-7 mediante MEC-2, una proteína localizada en la parte
interna de la membrana tipo estomatina que se une a la membrana. MEC-2 y MEC-6, una proteína de transmembrana, son subunidades
accesorias que permiten la actividad del canal. El anclado de las subunidades del canal a la matriz extracelular y al esqueleto intracelular se
postula que confiere al canal la tensión de apertura. En este modelo, la mínima deflexión mecánica producida por el tacto suave causan
un
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cambio conformacional del canal que se estira entre los dos puntos de adhesión y abre directamente el canal permitiendo el flujo iónico.
Mecanorecepción en Drosophila
NMS para el tacto, el oído y la gravedad, la tensión
y propiocepción.
Órganos sensoriales externos: cerdas
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Mecano recepción en Drosophila
Studies of mechanosensation using the fly (Andrew P. Jarman, 2002)
NMSs ciliadas tipo I
NMSs no ciliadas tipo II
Neurona MS tipo II: multidendrítica
A) Adulto Drosophila melanogaster, en el cual se ven las cerdas sensoriales (órganos sensoriales externos); también se indica la ubicación de
los órganos internos cordotonales y de Johnston, el órgano auditivo. (B y C) son esquemas de un órgano externo sensorial y un órgano
cordotonal mostrando características estructurales importantes y enfatizando sus similitudes. La deflexión de la cerca o el estiramiento del
órgano cordotonal imprimen un efecto sobre la dendrita ciliada de la neurona sensorial.
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Mecanotransducción en Drosophila
•Los genes nompC y los canales TRPN1.
•Los genes nompA y la matriz EC
Cap dendrítico
Punta dendrita
46 lados
Modelo del resorte de apertura o gating-spring adaptado para Drosophila. Representa el movimiento y apertura del canal anclado a ambos
de la membrana por el cap dendrítico y alguna estructura intracelular del citoesqueleto.
A. Modelo molecular de transducción propuesto para los MR ciliados de los insectos con la localización de NompC y NompA indicadas.
B. El movimiento de la cerda hacia la cutícula de la mosca desplaza la dendrita y desencadena una respuesta excitatoria en la neurona
mecanosensorial.
C, Micrografía electrónica de transmisión de la cerca de un insecto mostrando el lugar de inserción de la dendrita en la base de la cerda. La
cerda contacta la dendrita (cabeza de flecha) de manera que el movimiento de la vaina de la cerda va a ser detectado por la neurona.
Mecanotransducción en el oído interno
Aparato de transducción en
células pilosas y vestibulares.
Los canales de MT estan
compuestos de subunidades de
TRPA1 o TRPN1.
Fishing for key players in
Mecano transduction.
Nicolson, 2005. Trends in NS
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Evidence for a protein tether involved in somatic touch.
The EMBO Journal. Hu, Chiang, Koch, and Lewin, 2010
Co-cultivos de fibroblastos y neuronas sensoriales
que sugieren un mecanismo por tiplinks.
A. micrografía de campo claro (izquierda) y micrografía
de fluorescencia (derecha) de una neurona registrada
sobre fibroblastos y llena de Lucifer yellow desde la
pipeta de registro (RE). El estímulo mecánico (MS, con
una amplitud de 750 nm) fue aplicado tanto a la neurita
directamente como al fibroblasto adyacente (indicado
con una flecha blanca).
Co-cultivos de fibroblastos y neuronas sensoriales que sugieren un mecanismo por tiplinks. (B) Ejemplo de una corriente
mecanosensible de AR en la neurona sensorial evocada por el desplazamiento de 750 nm del fibroblasto adyacente a la neurita. Los
gráficos de barra muestran la latencia media y el tiempo de activación de la corriente evocada en la neurita sobre laminina-111 (gris),
en la neurita sobre el fibroblasto (azul) y en el fibroblasto por debajo de la neurita (rojo). (C) una micrografía de filamentos
electrodensos que se observan entre las neuritas y los fibroblastos en el co-cultivo e neuronas DRG y fibroblastos.
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Subtilisina
y
blisterasa
selectivamente
eliminan
la
corriente MS AR. A) ejemplos de
corrientes MS AR, AL y AI
evocadas por la estimulación de las
neuritas de neuronas sensoriales.
Los
histogramas
estaqueados
muestran la proporción de tres
tipos de corrientes observadas en
controles (laminin and laminin-111)
comparados con aquellos en
cultivos tratados con agentes que
disrumpen las interacciones MECcélula. El número de neuronas
registradas se indica encima de
cada histograma. Las barras vacías
indican las neuronas en las cuales
no se pudo medir ninguna corriente
MS.
Subtilisina y blisterasa selectivamente eliminan la corriente MS AR. C) El potencia de membrana de reposo (RMP) y el umbral para
la iniciación de un AP, se midió luego de 0-3 hs después del tratamiento con subtilisina (rojo) o blisterasa (gris). Los datos se
analizaron se separadamente para grandes y pequeñas neuronas. No se observaron diferencias con los controles.
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El tratamiento con proteasa no
afecta otros canales iónicos. A)
Ejemplos de corrientes en células
enteras evocados por una serie de
pasos de depolarizacion desde un
potencial pre pulso de -120 mV en
pasos 10-mV hasta +50mV. Los
trazos negras pertenecen a neuronas
antes del tratamiento con subtilisina y
los trazos rojos se obtuvieron
después del tratamiento; no se
observaron cambios en la cinética
o en las amplitudes de las
corrientes entrantes ni salientes.
B) Corrientes entrantes y salientes en
células enteras medidos a diferentes
potenciales para los controles (negro)
y las células tratadas (rojo) de
manera aguda con subtilisina o
blisterasa (azul) . A cada potencial
test se midió el pico de corriente
entrante. Las neuronas tratadas con
subtilisina mostraron un pequeño
pero significativo shift en el pico de
activación de la corriente entrante.
No se observó cambio en las células
tratadas con blisterasa comparadas
con los controles.
C, D. Las corrientes gatilladas por protones no se ven alteradas luego del tratamiento con subitilisa y blisterasa. El pico sostenido
(ejemplo del trazo exhibido en panel C) y el pico transciente (ejemplo en el panel D) Las amplitudes de las corrientes gatilladas por
protones medidas con estímulos de pH 6.5 y 4 no fueron diferentes entre controles y tratamientos. El número de células medidas
en cada grupo se indica en paréntesis arriba de cada columna.
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Los mecanoreceptores pero no los nociceptores requieren de una proteína sensible a la subtilisina. A) Representación
esquemática del set up de registro utilizado en la preparación piel nervio in vitro y un ejemplo del registro a partir de un
mecanoreceptor antes (trazo negro) y después de la aplicación de subtilisina localmente sobre el campo receptivo. Notar que la
espiga evocada eléctricamente no se ve afectada por el tratamiento pero la mecanosensibilidad fue abolida completamente.
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