Una via eccitatoria monosinaptica del tronco cerebrale che guida le attività locomotorie e le risposte cardiovascolari simpatiche

Nature Communications volume 13, numero articolo: 5079 (2022) Citare questo articolo

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L’esercizio che include la locomozione richiede adeguati aggiustamenti cardiovascolari autonomici per soddisfare le richieste metaboliche dei muscoli in contrazione, tuttavia l’architettura funzionale del cervello alla base di questi aggiustamenti rimane sconosciuta. Qui, dimostriamo i circuiti del tronco encefalico che svolgono un ruolo essenziale nella trasmissione dei segnali motori volitivi, cioè il comando centrale, per guidare le attività locomotorie e le risposte cardiovascolari simpatiche. I neuroni locomotori mesencefalici nei ratti trasmettono segnali eccitatori guidati dal comando centrale sul midollo ventrolaterale rostrale almeno parzialmente attraverso processi glutammatergici, per attivare sia il sistema nervoso somatomotorio che quello simpatico. L’eccitazione optogenetica di questa via monosinaptica suscita risposte locomotorie e cardiovascolari come osservato durante l’esercizio di corsa, mentre l’inibizione della via sopprime le attività locomotorie e l’aumento della pressione sanguigna durante la corsa volontaria senza influenzare l’omeostasi cardiovascolare basale. Questi risultati dimostrano un importante percorso sottocorticale che trasmette segnali di comando centrali, fornendo una visione chiave del meccanismo del circuito centrale richiesto per il condizionamento fisiologico essenziale per massimizzare la prestazione fisica.

L’esercizio, inclusa la locomozione, che fa parte del comportamento fondamentale nei vertebrati, compreso l’uomo, è accompagnato da aggiustamenti cardiovascolari autonomici che forniscono le risorse metaboliche, come carburante e ossigeno, richieste dalla contrazione dei muscoli scheletrici e quindi aumentano le prestazioni fisiche. Il contributo di un segnale motorio discendente feedforward dal prosencefalo al controllo cardiovascolare è stato suggerito da più di un secolo1,2. Attualmente, questo segnale di feedforward è stato chiamato comando centrale e postulato come attivazione parallela dei sistemi motori somatico e autonomo nel cervello per aumentare contemporaneamente l'attività muscolare insieme alla pressione arteriosa e alla contrattilità cardiaca3. Questo concetto è emerso per la prima volta da uno studio sull'uomo che ha dimostrato che l'entità delle risposte cardiovascolari durante l'esercizio isometrico volontario a tensione muscolare costante era correlata positivamente con la quantità di attivazione del comando centrale che veniva modificata dalle contrazioni riflessive dovute alla vibrazione del tendine sul muscolo agonista o antagonista4. Il comando centrale è accoppiato all'attivazione del sistema nervoso simpatico indipendentemente dal feedback del movimento, come dimostrato dall'aumento delle variabili cardiovascolari durante la locomozione fittizia nei gatti decorticati e paralizzati5 e dalle risposte cardiovascolari esagerate alla contrazione muscolare volontaria nei soggetti umani dopo la paralisi6,7.

La posizione precisa della fonte del comando centrale rimane poco chiara perché il meccanismo del circuito centrale attraverso il quale i segnali di comando centrale suscitano aggiustamenti cardiovascolari autonomici durante l’esercizio deve ancora essere completamente chiarito. Le regioni cerebrali autonome attivate in risposta all'esercizio volontario8,9,10,11,12 o le regioni la cui stimolazione suscita risposte autonomiche o somatomotorie13,14,15,16,17,18 possono essere coinvolte nel comando centrale di controllo della circolazione. Ad esempio, studi sull'uomo che utilizzano tecniche neurochirurgiche hanno suggerito che i circuiti mesencefalici compreso il nucleo subtalamico (STN) e il grigio periacqueduttale (PAG), le cui attività neuronali sono elevate durante l'esercizio volitivo11, configurano i circuiti sottocorticali per trasmettere segnali di comando centrali19 come evidenziato dall'effetto pressorio di stimolazione elettrica del STN17 o del PAG18 dorsale/laterale in pazienti svegli con malattia di Parkinson o dolore cronico. Tuttavia, non sono stati dimostrati i ruoli causali di queste regioni del cervello nei cambiamenti autonomici durante l’esercizio, così come le connessioni funzionali con altre regioni. Anche il substrato cerebrale del comando centrale ha acquisito importanza clinica. L'anomala regolazione cardiovascolare durante l'esercizio in condizioni patologiche, come l'insufficienza cardiaca, aumenta l'intolleranza all'esercizio e il rischio di eventi cardiaci fatali come l'aritmia20. Ciò è causato almeno in parte da una disfunzione del comando centrale21,22, mentre i programmi di esercizi terapeutici per i pazienti migliorano il loro stato funzionale e i loro risultati23.

6 weeks old) anesthetized with 1–5% isoflurane in oxygen, intubated, and artificially ventilated (SN480–7, Shinano) were positioned in a stereotaxic head unit (900LOS from David Kopf Instruments, Inc., or SR-6R from Narishige). CTb or given AAV solution was injected into the brain site of interest by using a calibrated pressure-microinjection system (Nanoject II, Drummond Scientific Co.). For injections to the RVLM, the dorsal surface of the medulla was exposed by a midline incision made through the skin covering the back of the head, followed by dissection of the muscles overlaying the base of the skull, and then an incision made through the atlanto-occipital membrane. The coordinates for the RVLM injections (1.0 mm rostral and 1.8 mm lateral to the calamus scriptorius; 3.5–3.7 mm ventral to the dorsal surface of the medulla) corresponded to those located approximately caudally to the caudal pole of the facial nuclei. For injections to the MLR (8.0 mm caudal, 2.0 mm lateral, and 6.3–6.9 mm ventral to the bregma), the skull was exposed by a midline incision of the skin and two burr holes were made in the skull. The solutions injected into the brain were as follows: Alexa-555-conjugated CTb (1.0 mg/1 mL PBS, C34776, Thermo Fisher Scientific) (23.0 nL × 4, RVLM), AAV-CMV-ChIEF-tdTomato (46.0 nL × 4, MLR), AAV-CMV-palGFP (46.0 nL × 4, MLR), AAV-Ef1α-DIO-iChloC-mCherry (46.0 nL × 4, MLR), AAV- Ef1α-DIO-EYFP (46.0 nL × 4, MLR), AAV-Ef1α-DIO-ChR2-eYFP (46.0 nL × 4, MLR), a mixture of AAV-Ef1α-DIO-ChR2-eYFP and AAV-Ef1α-DIO-iChloC-mCherry (1:1, 46.0 nL × 4, MLR), AAVrg-hsyn-EGFP (23.0 nL × 3, RVLM), AAVrg-Syn-ChR2(H134R)-GFP (23.0 nL x 3, RVLM), and AAVrg-pgk-Cre (23.0 nL × 3, RVLM). After injections, the micropipette remained inserted for 5 min before it was withdrawn./p> 1 s after optogenetic interventions (e.g., Fig. 4f), the data were included in the analyses. In each rat on an experimental day, 2–6 trials were conducted in random order, and intervals of at least 10 min were allowed between trials. Experimental days were at least 2 days apart./p>9 weeks old), these rats received bilateral injections into the MLR with AAV-Ef1α-DIO-iChloC-mCherry or AAV-Ef1a-DIO-EYFP and into the RVLM with AAVrg-pgk-Cre, and they were implanted with fiber-optic cannulas and a telemetry transmitter (as described above). The experiment was conducted during the dark phase. On the experimental day, the fiber-optic cannulas were connected to the laser via the patch cords and rotary joint, and the power output for MLR illumination was preset at 10 mW./p>