Spinal Cord Processing of Sensory Information: Spatial Organization and Adaptive Mechanisms

Abstract: Popular Abstract in Swedish Nervsignaler som förmedlar känsel från huden och kommandon till kroppsmuskulaturen passerar genom ryggmärgen eller dess motsvarighet i hjärnstammen. Kunskap om hur ryggmärgens nervkretsar är uppbyggda och hur de bearbetar nervsignaler är därför av fundamental betydelse för att kunna förstå och behandla exempelvis smärta och ryggmärgskador. I detta avhandlingsarbete studerades hur känselsignaler bearbetas i ryggmärgens nervkretsar och hur dessa kretsar kan modifieras vid skador på ryggmärgen. Bortdragningsreflexer har ofta använts som modellsystem för att undersöka signalbearbetning i ryggmärgens nervkretsar, särskilt de kretsar som är inblandade i smärta. Dessa reflexer åstadkommer bortdragning av kroppsdelar som utsätts för smärtsam stimulering; typexemplet är bortdragning av handen från en brännhet spisplatta. Tidigare studier på råtta tyder på att nervkretsarna i ryggmärgen som styr dessa reflexer har en modulär uppbyggnad där varje modul styr aktiviteten i en enskild muskel. Smärtsam stimulering av ett hudområde kommer endast att aktivera moduler som styr muskler som bidrar till en bortdragande rörelse. Genom att registrera reflexaktivitet i enskilda muskler i katt påvisades en liknande organisation också hos denna djurart. Detta innebär att den modulära organisationen sannolikt är en allmän organisationsprincip, något som tidigare ifrågasatts. Studien kunde också visa att de skillnader i reflexmönster som finns mellan katt och råtta återspeglar inlärda mönster anpassade till djurens anatomi. Tidigare studier tyder på att bortdragningsreflexsystemet finslipas under uppväxttiden. Reflexmönstret är initialt tämligen oorganiserat och leder ofta till felaktiga rörelser riktade mot en smärtsam stimulering, istället för den ändamålsenliga bortdragande rörelsen. Hos råttor sker finslipningen av systemet under de tre första levnadsveckorna. Felaktiga förbindelser mellan smärtinflöde och reflexaktivering undertrycks, medan korrekta förbindelser förstärks. På så vis etableras i ryggmärgen minnesspår som omvandlar inflöde i smärtnervfibrer till en välavvägd reflexmässig aktivering av relevanta muskler. Det var dock inte känt huruvida minnesspåren i ryggmärgen kunde bildas utan hjälp från andra delar av nervsystemet. I avhandlingen visas att råttor, som sedan födseln växt upp med en ryggmärg utan kontakt med hjärnan, inte utvecklar ett funktionellt anpassat reflexsystem. Smärtstimulering av svansen, vilket normalt ger en reflexrörelse riktad bort från stimuleringen, resulterade till exempel lika ofta i en felaktig reflex, riktad rakt mot stimuleringen. Detta betyder att även om själva nervkretsarna som sköter bortdragningsreflexerna finns i ryggmärgen, behövs styrning från hjärnan för att dessa kretsar ska utvecklas normalt och lära in från vilka hudområden reflexförbindelser ska förstärkas eller försvagas. Med hjälp av spårämnen som tas upp av nervfibrer i huden och sedan transporteras till ryggmärgen kunde vi synliggöra var känselnervfibrer från olika delar av tassen omkopplas i ryggmärgen. Den anatomiska informationen jämfördes med den aktivitet nervfibrer från huden kunde utlösa i ryggmärgens nervceller. Denna ”avbildning” eller ”karta” över råttans tass som finns i ryggmärgen kunde på så vis karakteriseras. Tassens avbildning i ryggmärgen visade sig vara mer komplex än vad som tidigare antagits och troligen relaterad till vilken information olika reflexkretsar behöver. Detta utgör en ny princip för avbildning av känselinformation, som troligen är giltig på fler ställen i centrala nervsystemet. Känselnervfibrerna har sina cellkroppar i speciella anhopningar, kallade ganglier, som ligger mellan ryggkotorna. Sjäva nervfibrerna utgörs av utskott från dessa cellkroppar. Från varje cellkropp finns ett utskott till kroppen (många utskott bildar en perifer nerv) och ett till ryggmärgen (många utskott bildar en s.k. dorsalrot). Skador på en nervfiber i en perifer nerv kan ofta läka helt eller delvis genom att fibern växer ut igen. Vissa traumatiska skador, t ex förlossningskador eller motorcykelolyckor, kan ge skador på nervfibrerna i dorsalrötterna. I motsats till skador i de perifera nerverna sker då ingen återväxt av fibrerna. Detta ger en permanent förlust av känsel i berörda kroppsdelar (vanligen en arm), samt ofta ett mycket svårbehandlat smärttillstånd. I en experimentell studie på råtta ersattes djurets egna känselceller, vars utskott alltså utgör känselnervfibrerna, med mänskliga fosterkänselceller. Fostercellerna visade sig inte bli hindrade av de stoppsignaler i ryggmärgen som normalt blockerar återinväxt av nervfibrer, utan nya utskott växte in och etablerade fungerande kontakter med råttans ryggmärgsceller. Dessutom växte nervfibrer ut i de perifera nerverna. Vidare kunde visas att trots det begränsade antalet känselfibrer som växte in i ryggmärgen, kunde reflexer av relativt normal storlek utlösas. Detta resultat kan tolkas som att de befintliga kretsarna i ryggmärgen hade förstärkt sin känslighet för att kompensera för ett minskat antal känselfibrer. Transplantation av nya känselceller är alltså en tänkbar framtida strategi för behandling av skador på dorsalrötter. Att kunna kontrollera mekanismer för känslighetsreglering i olika nervkretsar kan antas bli mycket viktigt vid framtida strategier för behandling av skador på ryggmärg eller dorsalrötter. När man vid sådana skador lyckas få nervfibrer att växa ut igen kan man nämligen förvänta sig både bristfällig och felaktig återväxt av skadade nervfibrer. Vid felaktiga förbindelser behöver känsligheten nedregleras och vid bristfällig återväxt behövs en kompensatorisk uppreglering av känsligheten. Även vid behandling av kronisk smärta, som i många fall anses bero på en uppreglerad känslighet i ryggmärgskretsar, kan en fördjupad kunskap om hur känslighetsreglering i nervkretsar styrs, ge upphov till nya behandlingsprinciper.