German Title: Rückenmarkskreisläufe, die der dynamischen und punktuellen Allodynie bei entzündlichen Schmerzen zugrunde liegen & Zelluläre Grundlagen der präfrontalen Modulation von entzündlichen Schmerzen durch Angst

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Abstract

One of the characteristics of inflammatory pain is mechanical allodynia, which occurs in distinct forms, including dynamic and punctate mechanical allodynia. Although the spinal cord circuitry of mechanical allodynia is well understood in terms of postsynaptic inhibition, the contribution of presynaptic inhibition to these distinct forms is not clear. Here, we used an IEG-based dual epoch method to simultaneously visualize the population correlates and the circuitry involved in these two contrasting types of mechanical allodynia in the spinal cord dorsal horn at a single-cell resolution. To investigate the role of presynaptic inhibition in these circuits, we also generated mice conditionally lacking GABAA receptors in DRG sensory neurons (Advillin-GABAAβ3-/-) or nociceptive neurons (SNS-GABAAβ3-/-). In conditions of inflammatory pain induced by paw inflammation, SNS-GABAAβ3-/- mice did not develop punctate mechanical allodynia, while dynamic mechanical allodynia was still preserved. We observed that punctate and dynamic mechanical stimuli shape distinct activation patterns of intermingled neurons in the spinal cord dorsal horn under inflammatory pain conditions. Only the neuronal population activated by punctate mechanical stimuli was significantly reduced in SNS-GABAAβ3-/- mice as compared to control littermates. The activation of spinal neurons expressing Calretinin and Parvalbumin activated by punctate mechanical stimuli was significantly reduced in SNS-GABAAβ3-/- mice. Collectively with previous studies, these results support the hypothesis that presynaptic GABAergic inhibition switches to excitation in nociceptors under inflammatory pain conditions, and particularly modulates punctate mechanical allodynia. Moreover, this study is amongst the first to visualize the circuit population of these two distinct forms of mechanical allodynia and demonstrates the distinct, but intermingled, patterns shared between them. This work has significant impact on the current consideration of GABA-modulating drugs as analgesics and suggests that the switch from inhibition to excitation may be a hindrance.

Fear has a significant impact on one's subjective perception of pain and is involved in the development of chronic pain. However, mechanistic understanding and causal investigation of the underlying cellular substrates are lacking. Formerly, we observed silencing the remote fear retrieval engram specifically inhibited subsequent tonic pain without eliciting a generalized impairment of associative learning or aversion. Here, to further address whether directly activating prefrontal fear memory engrams after fear conditioning can facilitate tonic pain perception, we employed activity-based cell-tagging and optogenetic approaches to activates the neuronal assemblies for remote fear recall. Furthermore, to investigate whether established chronic inflammatory pain perception can be reduced by inhibition of these prefrontal cellular substrates of fear memory, we performed similar approaches to identify and inhibit the neuronal assemblies for remote fear recall in the mouse prefrontal cortex under chronic inflammatory pain conditions. We report that cell assemblies representing long-term fear retrieval and inflammatory heat pain are largely distinct, but a smaller overlapping subset also exists in the prefrontal cortex. Activation of the remote fear retrieval engram specifically promoted subsequent tonic pain perception and pain-related behavior. Under inflammatory pain conditions, suppression of remote fear engram reduced inflammatory heat hypersensitivity, without causing an associative avoidance or aversion deficiency. These findings provide a further understanding about how long-term fear prospectively shapes the experience of tonic pain and inflammatory pain. Moreover, our data reveal the fundamental cellular mechanism in the prefrontal cortex causally mediating this synergistic interaction, thereby laying a basis for future interventional therapies in patients with chronic pain and fear.

Translation of abstract (German)

Eines der Merkmale entzündlicher Schmerzen ist die mechanische Allodynie, die in verschiedenen Formen auftritt, darunter die dynamische und punktuelle mechanische Allodynie. Obwohl die spinalen Schaltkreise, die an der mechanischen Allodynie beteiligt sind, im Hinblick auf die postsynaptische Hemmung bereits weitgehend untersucht sind, ist der Beitrag der präsynaptischen Hemmung zu diesen unterschiedlichen Formen noch nicht eindeutig geklärt. Hier haben wir eine IEG-basierte duale Methode verwendet, um die Populationskorrelate und die Schaltkreise, die an diesen beiden unterschiedlichen Arten mechanischer Allodynie im dorsalen Horn des Rückenmarks beteiligt sind, gleichzeitig auf der Ebene einzelner Zellen darzustellen. Um die Rolle der präsynaptischen Hemmung in diesen Schaltkreisen zu untersuchen, haben wir Mäuse gezüchtet, denen GABAA-Rezeptoren in sensorischen Neuronen des DRG (Advillin-GABAAβ3-/-) oder in nozizeptiven Neuronen (SNS-GABAAβ3-/-) fehlen. Unter den Bedingungen inflammatorischer Schmerzen, die durch eine Entzündung der Pfote ausgelöst wurden, entwickelten SNS-GABAAβ3-/- Mäuse keine punktuelle mechanische Allodynie, während die dynamische mechanische Allodynie weiterhin auftrat. Nur die Neuronenpopulation, die durch punktuelle mechanische Reize aktiviert wurde, war in SNS-GABAAβ3-/- Mäusen im Vergleich zu Kontrollmäusen signifikant reduziert. Die Aktivierung von spinalen Neuronen, die Calretinin und Parvalbumin exprimieren, die durch punktuelle mechanische Reize aktiviert werden, war bei SNS-GABAAβ3-/- Mäusen signifikant reduziert. Zusammen mit früheren Studien stützen diese Ergebnisse die Hypothese, dass präsynaptische GABAerge Hemmung in Nozizeptoren unter entzündlichen Schmerzbedingungen auf Erregung umschaltet und insbesondere punktuelle mechanische Allodynie moduliert. Darüber hinaus ist diese Studie eine der ersten, die die Schaltkreise dieser beiden unterschiedlichen Formen der mechanischen Allodynie aufzeigt und die individuellen, aber dennoch zusammenhängenden Muster aufzeigt, die zwischen ihnen bestehen. Diese Arbeit hat erhebliche Auswirkungen auf die derzeitige Betrachtung von GABA-modulierenden Medikamenten als Analgetika und legt nahe, dass die Umstellung von Hemmung auf Erregung ein Hindernis sein kann.

Angst hat einen erheblichen Einfluss auf das subjektive Schmerzempfinden und ist an der Entstehung chronischer Schmerzen beteiligt. Es fehlt jedoch ein mechanistisches Verständnis und eine kausale Untersuchung der zugrunde liegenden zellulären Substrate. In der Vergangenheit haben wir beobachtet, dass das Inhibition eines Angstgedächtnis-Engramms spezifisch den nachfolgenden tonischen Schmerz hemmt, ohne eine allgemeine Beeinträchtigung des assoziativen Lernens oder der Aversion hervorzurufen. Um herauszufinden, ob die direkte Aktivierung dieses Angstgedächtnisses die tonische Schmerzwahrnehmung verstärken kann, setzten wir aktivitätsbasierte Zellmarkierungen und optogenetische Ansätze ein, um die neuronalen Korrelate für ein Angstgedächtnisses zu aktivieren. Um zu untersuchen, ob die Wahrnehmung von chronisch entzündlichen Schmerzen durch die Hemmung dieser präfrontalen zellulären Substrate des Angstgedächtnisses reduziert werden kann, haben wir ähnliche Ansätze zur Identifizierung und Hemmung dieser Neurone im präfrontalen Kortex der Maus auch unter chronisch entzündlichen Schmerzbedingungen durchgeführt. Es zeigt sich, dass die Zellverbände, die für den langfristigen Furchtabruf und den entzündlichen Hitzeschmerz verantwortlich sind, weitgehend voneinander getrennt sind, aber darüber hinaus auch eine kleinere, sich überschneidende Untergruppe im präfrontalen Kortex existiert. Die Aktivierung des Engramms zum Abrufen von Angst förderte spezifisch die anschließende tonische Schmerzwahrnehmung und das schmerzassoziierte Verhalten. Unter entzündlichen Schmerzbedingungen verringerte die Unterdrückung des Angst-Engramms die entzündliche Hitzeüberempfindlichkeit, ohne dass es zu einem Mangel an assoziierter Vermeidung oder Aversion kam. Diese Ergebnisse liefern weitere Erkenntnisse darüber, wie langfristige Angst das Erleben von tonischem Schmerz und Entzündungsschmerz prospektiv prägt. Darüber hinaus enthüllen unsere Daten den grundlegenden zellulären Mechanismus im präfrontalen Kortex, der diese synergistische Interaktion kausal vermittelt, und schaffen damit eine Grundlage für künftige interventionelle Therapien bei Patienten mit chronischen Schmerzen und Angst.