Intra-modal plasticity of somatosensory maps during early mouse development

Abstract

The precise mapping of sensory inputs onto cortical regions is critical for accurate sensory processing, as illustrated in the rodent primary somatosensory cortex (S1), where mystacial and upper lip whiskers are represented into distinct cortical maps: the postero-medial barrel subfield (PMBSF) and the antero-lateral barrel subfield (ALBSF). While the developmental timeline of PMBSF maps across somatosensory pathways is well-characterized, the mechanisms underlying the intra-modal positioning and dedicated cortical territories of these barrel-field patterns remain elusive. Our findings reveal that as early as embryonic day 18 to postnatal day 0, S1 barrel-field territories can be distinguished by facial stimulation-evoked responses and exhibit region-specific transcriptional profiles in the thalamus. To explore the processes driving this segregation, we developed a mouse model in which the mystacial whisker pad was unilaterally ablated during embryonic development. This model uncovered a critical prenatal window during which cortical maps are established, revealing a profound remapping of barrel-field territories. Specifically, ALBSF barrels, typically smaller and less distinct than the large, sharply defined PMBSF barrels, exhibited enhanced size and definition. These differences, traditionally attributed to variations in receptor density and input type, are instead driven by prenatal mechanisms regulating cortical development and spatial resolution independently of sensory experience. Notably, this reorganization is mediated by transcriptional programs in the thalamus, with neurons receiving upper lip inputs adopting a mystacial-like transcriptional profile. Furthermore, spontaneous activity patterns in the thalamic region corresponding to upper lip mimic mystacial-like frequencies, potentially contributing to the improved spatial resolution of this map. However, ALBSF reorganization occurs independently of this activity. These findings highlight the developmental plasticity of the somatosensory system, providing insights into the intrinsic molecular mechanisms shaping sensory maps and advancing our understanding of cortical development and plasticity in both normal and injury contexts. La representación precisa de los estímulos sensoriales en la corteza es fundamental para un procesamiento sensorial correcto, como se ilustra en la corteza somatosensorial primaria (S1) de los roedores, donde los bigotes principales y los del labio superior están representados en mapas corticales distintos: el territorio de barriles postero-medial (PMBSF) y el antero-lateral (ALBSF). Si bien se conoce el desarrollo del mapa PMBSF en el sistema somatosensorial, los mecanismos que subyacen al posicionamiento intra-modal y de las regiones corticales dedicadas a estos territorios siguen siendo desconocidos. Nuestros datos revelan que, entre el día embrionario 18 y el nacimiento, estos mapas se distinguen en la S1 mediante respuestas evocadas por estimulación facial y en el tálamo exhiben perfiles transcripcionales específicos. Para explorar los procesos que impulsan esta segregación, desarrollamos un modelo de ratón al que se privó unilateralmente de los bigotes principales durante el desarrollo embrionario. Este modelo permitió identificar una ventana de tiempo prenatal durante la cual se establecen los mapas corticales y se pueden reorganizar profundamente. Específicamente, los barriles del ALBSF, típicamente más pequeños y menos definidos que los del PMBSF, aumentaron su tamaño y definición. Estas diferencias, tradicionalmente atribuidas a variaciones en la densidad y el tipo de receptores sensoriales, están definidas, en cambio, por mecanismos prenatales que controlan el desarrollo cortical y la resolución espacial, independientemente de la experiencia sensorial. Esta reorganización está mediada por programas transcripcionales talámicos, donde las neuronas del labio superior adoptan un perfil similar al de las que reciben información de los bigotes principales. Además, los patrones de actividad espontánea en el tálamo del labio superior imitan las frecuencias del territorio talámico que corresponde con los bigotes principales, posiblemente mejorando su resolución espacial. Sin embargo, la reorganización del ALBSF no depende de esta actividad. Estos hallazgos destacan la plasticidad del sistema somatosensorial durante el desarrollo, aportando información sobre los mecanismos moleculares intrínsecos que moldean los mapas sensoriales y mejorando nuestra comprensión del desarrollo cortical y la plasticidad en contextos normales y de lesión.