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Abstract

Multiple brain regions are involved in pain processing, contributing to a complex pattern of neuronal activation in specific brain structures referred to as pain matrix. Activation of this system may lead to a specific pain signature which remains, however, to be identified. As a step towards this end, I recorded local field potentials from multiple brain regions of the mouse under different pain-inducing conditions to explore specific electrophysiological features of this state. In a first series of experiments, acute pain was induced by capsaicin, and neuronal network oscillations were recorded from different relevant brain regions: primary somatosensory cortex (S1), the anterior cingulate cortex (ACC), the ventral posterolateral thalamic nucleus (VPL), the posterior insula (Ins), the central nucleus of the amygdala (AMYG), the olfactory bulb (OB) and parietal cortex (PAC). Pain-specific alterations were most prominent in higher-order phenomena of neuronal network oscillations like interregional coherence. By selecting parameters from these multi-dimensional with logistic regression, acute pain states could be successfully classified in our data set. As a second, methodological step, I constructed an apparatus for sensory testing of evoked potentials in freely moving mice. Using this custom built apparatus, evoked laser-light and mechanical stimulations were performed in both naïve mice and in mice with inflammatory pain. Enhanced peak amplitudes of evoked potentials were observed in multiple brain regions in different pain conditions, with specific and different patterns. These results together reveal specific alterations of neuronal activity across brain regions, in different pain conditions. Although the mechanisms of pain processing in different types of pain may differ, they all share common sensory, affective and behavioral aspects. These lead to specific electrophysiological characteristics which may help shedding light on the mechanism study of pain, as well as to develop physiological markers for specific pain conditions.

Translation of abstract (German)

Mehrere Hirnregionen sind an der Schmerzverarbeitung beteiligt und führen so zu einem komplexen Muster der neuronalen Aktivierung bei Schmerzen. Diese „Schmerzmatrix“ kann zu einer spezifischen funktionellen Signatur von Schmerzen führen, die jedoch bisher nicht bekannt ist. Ich habe in meiner Arbeit lokale Feldpotenziale in mehreren Hirnregionen der Maus in verschiedenen Zuständen von Schmerzwahrnehmung gemessen, um solche spezifischen elektrophysiologischen Merkmale zu identifizieren. Im ersten Projekt habe ich veränderte Netzwerk-Aktivität bei akuten, durch Capsaicin induzierten Schmerzen gemessen, und dazu von folgenden Hirnregionen in vivo abgeleitet: Primärer somatosensorischer Kortex (S1), vorderer cingulärer cortex (ACC), ventraler posterolateraler thalamischer Kerns (VPL), hintere Insula (Ins), zentraler Kerns der Amygdala (AMYG), olfaktorischer Kortex (OB) und parietaler Kortex (PAC). Veränderungen zeigten sich vor Allem bei Phänomenen höherer Ordnung wie der interregionalen Kohärenz von Netzwerk-Oszillationen. Mittels logistischer Regression wurden systematisch Parameter ausgewählt, mit denen letztlich eine Klassifizierung der Aktivität bei Schmerz gegenüber Kontrolldaten gelang. In einem zweiten Projektteil habe ich einen Versuchsaufbau entwickelt und angewandt, mit dem evozierte Potenziale bei frei beweglichen Mäusen untersucht werden können. Dieses Gerät wurden angewandt, um elektrophysiologische und Verhaltens-Antworten auf Stimulation mit Laser (schmerzhaft) und mechanische Reizung (nicht schmerzhaft) zu untersuchen. Dabei ergaben sich klare Unterschiede zwischen beiden Reizen sowie zwischen naiven Mäusen und Mäusen mit entzündlichen Schmerzen, insbesondere erhöhte Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Reizung und erhöhte Amplituden der evozierten Potenziale als Ausdruck der Hyperalgesie. Diese Ergebnisse zeigen zusammen spezifische Veränderungen der neuronalen Aktivität unter verschiedenen Schmerzbedingungen, die in mehreren relevanten Hirnregionen verteilt auftreten.. Obwohl die Mechanismen der Schmerzverarbeitung bei verschiedenen Schmerzarten unterschiedlich sein können, umfassen sie gemeinsame sensorische, affektive und Verhalttens-Aspekte. Dies ermöglicht, spezifische elektrophysiologische Signaturen zu bestimmen. Damit können zugrunde liegende Mechanismen aufgeklärt und potenziell auch objektive Marker für bestimmte Schmerzzustände entwickelt werden.