Modulation of sensory processing by direct descending projections from the somatosensory cortex to the spinal dorsal horn

Les stimuli nociceptifs sont détectés par des neurones sensoriels spécialisés du système nerveux périphérique appelés nocicepteurs. L’information nociceptive est ensuite traitée dans la corne dorsale de la moelle épinière, qui contient des interneurones locaux et des neurones de projection qui envoient des axones vers le cerveau. Les aires supra-spinales projettent à leur tour vers la moelle épinière, où elles contribuent à la synchronisation des signaux nociceptifs. Une sensibilité à la douleur exagérée et anormale s'accompagne d'altérations du traitement de l’information dans la moelle épinière dans les systèmes de contrôle descendants de la douleur. La connexion entre le cortex somatosensoriel en particulier et la moelle épinière est conservée chez les mammifères, mais très peu de choses sont connues sur son rôle dans la modulation du traitement sensoriel dans la moelle épinière. Un défi majeur dans l’étude des circuits neuronaux est de de marquer et de cibler spécifiquement des groupes ou sous-groupes définis de neurones. Les approches classiques incluent le ciblage de populations neuronales définies génétiquement, i.e. sur la base de l'expression d'un gène marqueur. Cependant, cela ne suffit pas toujours pour définir des groupes de neurones fonctionnellement distincts. Ici, nous décrivons et utilisons des stratégies de marquage génétiques et virales basées sur la connectivité des neurones ainsi que sur l’expression d’un ou de deux gènes marqueurs. En particulier, nous avons utilisé une combinaison de lignées de souris transgéniques et d'injections intra-spinales et corticales de vecteurs viraux recombinants pour identifier et cibler des neurones spécifiques du cortex et de la moelle épinière lombaire. Nous avons identifié une population de neurones pyramidaux dans le cortex somatosensoriel qui projettent directement dans la corne dorsale (neurones S1-CST). Ces neurones établissent un contact direct avec les interneurones exprimant c-maf dans la corne dorsale profonde, qui reçoivent également des contacts directs d’afférents primaires mécano-sensoriels à bas seuil. De plus, la manipulation pharmacogénétique des neurones c-maf a entraîné des modifications dans le traitement des stimulations sensorielles mécaniques. Ces résultats identifient deux éléments d’un circuit qui intègre les informations descendantes du cortex avec des signaux sensoriels périphériques et contribue à la modulation de la perception somatosensorielle.Noxious stimuli are sensed by specialized sensory neurons of the peripheral nervous system called nociceptors. The nociceptive information is then processed in the spinal cord dorsal horn, which contains local interneurons and projection neurons that send axons to the brain. Supraspinal areas in turn project downwards to the spinal cord where they contribute to the gating of nociceptive signals. Exaggerated and abnormal pain sensitivity is accompanied by alterations in spinal processing and descending pain control systems. The connection between the somatosensory cortex in particular and the spinal cord is conserved in mammals, but very little is known about its role in modulating spinal sensory processing. A major challenge of studying neuronal circuits is to specifically label and target defined groups or subgroups of neurons. Classical approaches include targeting of genetically defined neuronal populations based on the expression of a marker gene. However, this is not always sufficient to define functionally distinct groups of neurons. Here, we describe and used genetic and viral tageting strategies based on the connectivity pattern of the neurons as well as the expression of one or two marker genes. In particular, we used a combination of transgenic mouse lines and intraspinal and cortical injections of recombinant viral vectors to identify and target specific neurons in the cortex and lumbar spinal cord. We identified a population of pyramidal neurons in the somatosensory cortex that project directly to the spinal dorsal horn (S1-CST neurons). These neurons make direct contacts onto c-maf expressing interneurons in the deep dorsal horn which also receive direct inputs from low threshold mechanosensory primary afferents. Additionnally, pharmacogenetic manipulation of c-maf neurons led to altered processing of mechanical stimuli. These results identify two elements of a circuit that integrates descending inputs from the cortex with peripheral sensory signals and contributes to the modulation of somatosensory perception