Chronic pain is a debilitating disease with a very important socio-economic burden. The objective of this thesis was to contribute to our understanding of the normal organization of the dorsal horn of the spinal cord and its changes in chronic neuropathic pain, a form of chronic pain that sometimes follows lesions of the nervous system. Our studies focused on two important components of spinal cord pain-related circuitry, the projection neurons and their innervation by the small diameter nociceptive afferents. Spinal lamina I projection neurons have been classified, based on their morphology into fusiform, multipolar and pyramidal neurons. The two former types have been shown to respond to noxious stimuli and express the substance P receptor (NK-1r), while pyramidal neurons seldom express the NK-1r and respond to innocuous cooling only. The two main populations of small diameter nociceptive afferents are the peptidergic, which expresses the neuropeptides substance P (SP) and calcitonin gene-related peptide (CGRP), and the non-peptidergic, which is mostly devoid of neuropeptides but binds the plan lectin IB4. In the first experimental chapter, we investigated the changes that occur at the level of the spinal dorsal horn in an animal model of chronic neuropathic pain. We demonstrated a de novo expression of NK-1r by pyramidal neurons, similar to that previously observed in our laboratory in a chronic arthritis model. This phenotypic switch was associated with a dramatic increase in the peptidergic (SP-immunoreactive) innervation of this cell population, which normally is sparsely innervated by these fibers. To assess whether pyramidal neurons responded to noxious stimuli in neuropathic animals, we injected capsaicin in the hind paw, which induced a massive internalization of NK-1r on these neurons, an indication of cell activation. To assess whether a chronic pain state was needed to trigger the expression of NK-1r by pyramidal neurons, in the second experimental chapter of this thesis we used a model in which there is no chronic pain but in which previous work from our laboratory had revealed a marked increase in NK-1r in the dorsal horn. In this model, the non-peptidergic population of nociceptive afferents is specifically ablated by the injection of the neurotoxin saporin conjugated to the lectin IB4 (IB4-SAP) into the sciatic nerve. The animals did not display any pain-related behavioral changes. However, we observed a significant upregulation of NK-1r in lamina I, in neuronal types that normally expressed it (i.e. fusiform and multipolar cells), with no de novo expression by pyramidal neurons. In the third experimental chapter, we addressed the issue of whether lamina I projection neurons which express the NK-1r are innervated by non-peptidergic nociceptive afferents, as a study in a transgenic mouse model had provided data suggesting that non-peptidergic afferents had connections with deep dorsal horn neurons but not with lamina I NK-1r-expressing cells. We performed a systematic study aimed at identifying the normal connections of the non-peptidergic nociceptive fibers with lamina I neurons using both confocal and electron microscopy and we found a considerable innervation by non-peptidergic afferents on all three types of lamina I projection neurons. The results of this thesis, taken together with previous data from our lab, suggest that a chronic pain state, such as neuropathic pain, seems necessary to trigger a de novo expression of NK-1r in pyramidal neurons and their increased innervation by peptidergic afferents. Further studies are required to clarify the role, in normal nociception and chronic pain states, of the significant direct innervation of lamina I projection neurons by non-peptidergic afferents which we revealed for the first time. / La douleur chronique est une condition débilitante ayant de sérieuses répercussions socio-économiques. L'objectif de cette thèse était de mieux comprendre l'organisation de la corne dorsale de la moelle épinière et les changements qui s'y produisent dans les cas de douleurs chronique neuropathique suite à une lésion du système nerveux. Nos études se sont concentrées sur deux composantes importantes des circuits de la douleur: les neurones de projection et leur innervation par les afférents nociceptifs de petit diamètre. Les neurones de projection de la couche 1 de la moelle épinière sont classées selon leur morphologie en 3 types: les neurones fusiformes, multipolaires et pyramidaux. Les deux premiers répondent aux stimuli douloureux et expriment le récepteur de la substance P (NK-1r), alors que les neurones pyramidaux n'expriment ce récepteur qu'occasionellent et répondent au froid non-douloureux. Les deux populations d'afférents principales sont les fibres de petit diamètre peptidergiques, qui expriment la substance P et le "calcitonin gene-related peptide" (CGRP), et les non-peptidergiques, qui sont dépourvues de neuropeptides et qui s'associent avec la lectine IB4. Lors du premier chapitre expérimental, nous avons étudié les changement qui se produisent dans la corne dorsale de la moelle épinière dans un modèle de douleur neuropathique chronique. Nous avons démontré une expression de novo du NK-1r sur les neurones pyramidales, un changement similaire à celui se produisant dans un modèle d'arthrite chronique. Ce changement de phénotype était associé à une augmentation significative du nombre d'appositions peptidergiques faites sur cette population neuronale, qui reçoit habituellement très peu de ces entrées. Afin de vérifier si ces récepteurs sont fonctionnels et répondent aux stimuli douloureux, nous avons injecté de la capsaicine dans la patte arrière, ce qui a mené à une internalisation du récepteur, marquant l'activation de celui-ci. Le deuxième chapitre de cette thèse vérifie si un état de douleur chronique est nécéssaire pour ce changement phénotypique, utilisant une lésion non douloureuse qui cause une augmentation signnificative du NK-1r dans la corne dorsale. Dans ce modèle, une population de nocicepteurs non peptidergiques est excise par une injection dans le nerf sciatique de la toxine saporine conjuguée à la lectine IB4 (IB4-SAP). En absence de symptômes douloureux, la couche 1 de la corne dorsale des animaux lésés a subi une augmentation générale du NK-1r mais sa distribution cellulaire est restée normale, sans expression de novo sur les cellules pyramidales.Lors du troisième chapitre de cette thèse, nous avons vérifié si les neurones de projection de la couche 1 exprimant le NK-1r recevaient des entrées des fibres nociceptives non peptidergiques, comme ce sujet était controversé suite à une publication utilisant des souris transgéniques démontrant une absence de connections de la sorte. Nous avons fait une étude systématique utilisant la microscopie confocale et électronique et avons démontré que les 3 types morphologiques de cellules de projection reçoivent des entrées non peptidergiques directes.Pris ensembles, les résultats de cette thèse suggèrent qu'une condition de douleur chronique est nécessaire pour l'expression du NK-1r sur les neurones pyramidaux et l'augmentation des entrées peptidergiques faites sur celles-ci. D'autres études seront nécessaires pour clarifier l'implication des entrées non peptidergiques faites sur les neurones de projection dans la nociception normale et dans la douleur chronique.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.110356 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Saeed, Abeer Wael |
| Contributors | Alfredo Ribeiro Da Silva (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Pharmacology & Therapeutics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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