The retrotrapezoid nucleus neurons expressing Atoh1 and Phox2b are essential for the respiratory response to CO2

Abstract

Maintaining constant CO2 and H+ concentrations in the arterial blood is critical for life. The principal mechanism through which this is achieved in mammals is the respiratory chemoreflex whose circuitry is still elusive. A candidate element of this circuitry is the retrotrapezoid nucleus (RTN), a collection of neurons at the ventral medullary surface that are activated by increased CO2 or low pH and project to the respiratory rhythm generator. Here, we use intersectional genetic strategies to lesion the RTN neurons defined by Atoh1 and Phox2b expression and to block or activate their synaptic output. Photostimulation of these neurons entrains the respiratory rhythm. Conversely, abrogating expression of Atoh1 or Phox2b or glutamatergic transmission in these cells curtails the phrenic nerve response to low pH in embryonic preparations and abolishes the respiratory chemoreflex in behaving animals. Thus, the RTN neurons expressing Atoh1 and Phox2b are a necessary component of the chemoreflex circuitry.DOI: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.07051.001

Neural Control of Breathing and CO2 Homeostasis

“…For central respiratory chemoreception, the most compelling argument against the notion of a highly distributed brain property is that genetic lesion of a very small cluster of lower brainstem neurons, the retrotrapezoid nucleus (RTN), or mere deletion of two proton detectors expressed by RTN neurons (TASK-2 and GPR4) nearly eliminates the hypercapnic ventilatory reflex (Guyenet, 2014; Kumar et al, 2015; Ruffault et al, 2015). This review’s leitmotif will be that, contrary to prevalent opinion, the breathing stimulation elicited by low level hypercapnia is probably largely mediated by a direct effect of protons on the carotid bodies and very few brainstem structures, among which the RTN and a subset of serotonergic neurons are preeminent.…”

Neural Control of Respiration by the Retrotrapezoid Nucleus.

“…RTN stimulation or hyperoxic hypercapnia (to activate preferentially central chemoreceptors) produce large increases in breathing frequency in quietly awake rats and mice habituated to their environment or even asleep (Abbott et al, 2011;Holloway et al, 2015;Kumar et al, 2015). Indeed, before birth, selective stimulation of RTN neurons increases breathing frequency in preparations that are devoid of carotid body input (Onimaru & Homma, 2003;Ruffault et al, 2015). Furthermore, even in the absence of carotid body input, breathing frequency is still robustly increased by hypercapnia in rats, optogenetic inhibition of RTN neurons continues to reduce breathing frequency and, more importantly, this frequency reduction is still proportional to arterial pH or arterial PCO 2 (this study).…”

O bloqueio purinérgico no núcleo retrotrapezóide (RTN) atenua as respostas respiratórias promovidas pela ativação dos quimiorreflexos central e periférico em ratos.

“…A segunda hipótese é chamada de "teoria quimiorreceptora especializada", GUYENET, BAYLISS, et al, 2008; LOESCHCKE, 1982; (DUBREUIL et al, 2009;RAMANANTSOA;GALLEGO, 2013;RUFFAULT et al, 2015).…”

“…A Síndrome da Hipoventilação Congênita Central (SHCC) é uma patologia de desenvolvimento causada pela mutação no fator de transcrição Phox2b, fenótipo presente nos neurônios do RTN (AMIEL et al, 2003;DUBREUIL et al, 2009). Ela é caracterizada por uma completa perda da quimiorrecepção central, mas com a manutenção da respiração voluntária e também durante situações de exercício físico leve (AMIEL et al, 2003;RAMANANTSOA;GALLEGO, 2013;RUFFAULT et al, 2015;SPENGLER et al, 2001 (DUBREUIL et al, 2009;RAMANANTSOA;GALLEGO, 2013;RUFFAULT et al, 2015).…”

“…Atualmente parecem existir três teorias que buscam esclarecer os mecanismos neurais envolvidos na quimiorrecepção central 21 WENKER, 2011; NATTIE, 2011; (BAYLISS et al, 2001;FELDMAN et al, 2003; NATTIE, 2011; LI, 2012a, b;RICHERSON, 2004 (BAYLISS et al, 2001;FELDMAN et al, 2003; KAWAI et al, 2006;RICHERSON, 2004), sendo uma importante evidência da distribuição dos quimiorreceptores no SNC, em especial no bulbo. Entretanto, essa interpretação tem sido difícil de ser comprovada experimentalmente, pois os diferentes grupos de "candidatos" a quimiorreceptores (neurônios serotonérgicos, adrenérgicos, orexinérgicos, entre outros) produzem efeitos na excitabilidade neuronal, em especial nos neurônios responsáveis pelo ritmo ventilatório.A segunda hipótese é chamada de "teoria quimiorreceptora especializada", GUYENET, BAYLISS, et al, 2008; LOESCHCKE, 1982; (DUBREUIL et al, 2009;RAMANANTSOA;GALLEGO, 2013;RUFFAULT et al, 2015).Ademais, existem inúmeras evidências a favor da teoria dos quimiorreceptores especializados e como principal sítio quimiorreceptor, o núcleo retrotrapezóide (RTN), pois esta região do encéfalo apresenta as seguintes características: a) o RTN possui projeções para a coluna respiratória (CONNELLY et al., 1990;; b) tem atividade intrínseca e população neural glutamatérgica STORNETTA et al, 2006;; c) responde à mudanças no pH in vitro e mudanças no CO 2 in vivo KUMAR et al, 2015;; d) expressa o fator de transcrição Phox2b, que quando sofre mutação, leva a Síndrome da Hipoventilação Congênita Central (SHCC) (AMIEL et al, 2003); e) região de elevada expressão de células gliais, em especial os astrócitos ; f) possui alta imunorreatividade para a proteína Fos após a exposição ao CO 2 e g) ativação seletiva dos neurônios Phox2b promove um aumento da atividade respiratória (ABBOTT et al, 2011; . …”