Following peripheral nerve injury, excessive nociceptive inputs result in diverse physiological alterations in the spinal cord substantia gelatinosa (SG), lamina II of the dorsal horn. Here, I report the alterations of excitatory or inhibitory transmission in the SG of a rat model for neuropathic pain ('spared nerve injury'). Results from whole-cell recordings of SG neurons show that the number of distinct primary afferent fibers, identified by graded intensity of stimulation, is increased at 2 weeks after spared nerve injury. In addition, short-term depression, recognized by paired-pulse ratio of excitatory postsynaptic currents, is significantly increased, indicating the increase of glutamate release probability at primary afferent terminals. The peripheral nerve injury also increases the amplitude, but not the frequency, of spontaneous inhibitory postsynaptic currents. These data support the hypothesis that peripheral nerve injury modifies spinal pain conduction and modulation systems to develop neuropathic pain.
The action of opioid on the hyperpolarization-activated cation current $(I_h)$ in substantia gelatinosa neurons were investigated by using whole-cell voltage-clamp recording in rat spinal brain slices. Hyperpolarizing voltage steps revealed slowly activating currents in a subgroup of neurons. The half-maximal activation and the reversal potential of the current were compatible to neuronal $I_h.$ DAMGO $(1\;{\mu}M),$ a selective- opioid agonist, reduced the amplitude of $I_h$ reversibly. This reduction was dose-dependent and was blocked by CTOP $(2\;{\mu}M),$ a selective ${\mu}-opioid$ antagonist. DAMGO shifted the voltage dependence of activation to more hyperpolarized potential. Cesium (1 mM) or ZD 7288 $(100\;{\mu}M)$ blocked $I_h$ and the currents inhibited by cesium, ZD 7288 and DAMGO shared a similar time and voltage dependence. These results suggest that activation of ${\mu}-opioid$ receptor by DAMGO can inhibit $I_h$ in a subgroup of rat substantia gelatinosa neurons.
The superficial dorsal horn, particularly substantia gelatinosa (SG) in the spinal cord, receives inputs from small-diameter primary afferents that predominantly convey noxious sensation. Reactive oxygen species (ROS) are toxic agents that may be involved in various neurodegenerative diseases. Recent studies indicate that ROS are also involved in persistent pain through a spinal mechanism. In the present study, whole cell patch clamp recordings were carried out on SG neurons in spinal cord slice of young rats to investigate the effects of hydrogen peroxide on neuronal excitability and excitatory synaptic transmission. In current clamp condition, tert-buthyl hydroperoxide (t-BuOOH), an ROS donor, depolarized membrane potential of SG neurons and increased the neuronal firing frequencies evoked by depolarizing current pulses. When slices were pretreated with phenyl-N-tert-buthylnitrone (PBN) or ascorbate, ROS scavengers, t-BuOOH did not induce hyperexcitability. In voltage clamp condition, t-BuOOH increased the frequency and amplitude of spontaneous excitatory postsynaptic currents (sEPSCs), and monosynaptically evoked excitatory postsynaptic currents (eEPSCs) by electrical stimulation of the ipsilateral dorsal root. These data suggest that ROS generated by peripheral nerve injury can modulate the excitability of the SG neurons via pre- and postsynaptic actions.
Nitric Oxide (NO) is an important signaling molecule in the nociceptive process. Our previous study suggested that high concentrations of sodium nitroprusside (SNP), a NO donor, induce a membrane hyperpolarization and outward current through large conductances calcium-activated potassium ($BK_{ca}$) channels in substantia gelatinosa (SG) neurons. In this study, patch clamp recording in spinal slices was used to investigate the sources of $Ca^{2+}$ that induces $Ca^{2+}$-activated potassium currents. Application of SNP induced a membrane hyperpolarization, which was significantly inhibited by hemoglobin and 2-(4-carboxyphenyl) -4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide potassium salt (c-PTIO), NO scavengers. SNP-induced hyperpolarization was decreased in the presence of charybdotoxin, a selective $BK_{Ca}$ channel blocker. In addition, SNP-induced response was significantly blocked by pretreatment of thapsigargin which can remove $Ca^{2+}$ in endoplasmic reticulum, and decreased by pretreatment of dentrolene, a ryanodine receptors (RyR) blocker. These data suggested that NO induces a membrane hyperpolarization through $BK_{ca}$ channels, which are activated by intracellular $Ca^{2+}$ increase via activation of RyR of $Ca^{2+}$ stores.
Reactive oxygen species (ROS) and nitrogen species (RNS) are both important signaling molecules involved in pain transmission in the dorsal horn of the spinal cord. Xanthine oxidase (XO) is a well-known enzyme for the generation of superoxide anions ($O_2^{\bullet-}$), while S-nitroso-N-acetyl-DL-penicillamine (SNAP) is a representative nitric oxide (NO) donor. In this study, we used patch clamp recording in spinal slices of rats to investigate the effects of $O_2^{\bullet-}$ and NO on the excitability of substantia gelatinosa (SG) neurons. We also used confocal scanning laser microscopy to measure XO- and SNAP-induced ROS and RNS production in live slices. We observed that the ROS level increased during the perfusion of xanthine and xanthine oxidase (X/XO) compound and SNAP after the loading of 2',7'-dichlorofluorescin diacetate ($H_2DCF-DA$), which is an indicator of intracellular ROS and RNS. Application of ROS donors such as X/XO, ${\beta}-nicotinamide$ adenine dinucleotide phosphate (NADPH), and 3-morpholinosydnomimine (SIN-1) induced a membrane depolarization and inward currents. SNAP, an RNS donor, also induced membrane depolarization and inward currents. X/XO-induced inward currents were significantly decreased by pretreatment with phenyl N-tert-butylnitrone (PBN; nonspecific ROS and RNS scavenger) and manganese(III) tetrakis(4-benzoic acid) porphyrin (MnTBAP; superoxide dismutase mimetics). Nitro-L-arginine methyl ester (NAME; NO scavenger) also slightly decreased X/XO-induced inward currents, suggesting that X/XO-induced responses can be involved in the generation of peroxynitrite ($ONOO^-$). Our data suggest that elevated ROS, especially $O_2^{\bullet-}$, NO and $ONOO^-$, in the spinal cord can increase the excitability of the SG neurons related to pain transmission.
Reactive oxygen species (ROS) and nitrogen species (RNS) are involved in cellular signaling processes as a cause of oxidative stress. According to recent studies, ROS and RNS are important signaling molecules involved in pain transmission through spinal mechanisms. In this study, a patch clamp recording was used in spinal slices of rats to investigate the action mechanisms of $O_2{^{{\bullet}_-}}$ and NO on the excitability of substantia gelatinosa (SG) neuron. The application of xanthine and xanthine oxidase (X/XO) compound, a ROS donor, induced inward currents and increased the frequency of spontaneous excitatory postsynaptic currents (sEPSC) in slice preparation. The application of S-nitroso-N-acetyl-DL-penicillamine (SNAP), a RNS donor, also induced inward currents and increased the frequency of sEPSC. In a single cell preparation, X/XO and SNAP had no effect on the inward currents, revealing the involvement of presynaptic action. X/XO and SNAP induced a membrane depolarization in current clamp conditions which was significantly decreased by the addition of thapsigargin to an external calcium free solution for blocking synaptic transmission. Furthermore, X/XO and SNAP increased the frequency of action potentials evoked by depolarizing current pulses, suggesting the involvement of postsynaptic action. According to these results, it was estblished that elevated ROS and RNS in the spinal cord can sensitize the dorsal horn neurons via pre- and postsynaptic mechanisms. Therefore, ROS and RNS play similar roles in the regulation of the membrane excitability of SG neurons.
Reactive oxygen species (ROS) are toxic agents that may be involved in various neurodegenerative diseases. Recent studies indicate that ROS can act as modulators of neuronal activity, and are critically involved in persistent pain primarily through spinal mechanisms. In the present study, whole cell patch clamp recordings were carried out to investigate the effects of tert-buthyl hydroperoxide (t-BuOOH), an ROS, on neuronal excitability and the mechanisms underlying changes of membrane excitability. In current clamp condition, application of t-BuOOH caused a reversible membrane depolarization and firing activity in substantia gelatinosa (SG) neurons. When slices were pretreated with phenyl-N-tert-buthylnitrone (PBN) and ascorbate, ROS scavengers, t-BuOOH failed to induce membrane depolarization. However, isoascorbate did not prevent t-BuOOH-induced depolarization, suggesting that the site of ROS action is intracellular. The t-BuOOH-induced depolarization was not blocked by pretreatment with dithiothreitol (DTT), a sulfhydryl-reducing agent. The membrane-impermeant thiol oxidant 5,5-dithiobis 2-nitrobenzoic acid (DTNB) failed to induce membrane depolarization, suggesting that the changes of neuronal excitability by t-BuOOH are not caused by the modification of extrathiol group. The t-BuOOH-induced depolarization was suppressed by the phospholipase C (PLC) blocker U-73122 and inositol triphosphate ($IP_3$) receptor antagonist 2-aminoethoxydiphenylbolate (APB), and after depletion of intracellular $Ca^{2+}$ pool by thapsigargin. These data suggest that ROS generated by peripheral nerve injury can induce central sensitization in spinal cord, and t-BuOOH-induced depolarization may be regulated by intracellular $Ca^{2+}$ store mainly via $PLC-IP_3$ pathway.
Journal of Physiology & Pathology in Korean Medicine
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v.21
no.2
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pp.432-437
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2007
Reactive oxygen species (ROS) are toxic agents that may be involved in various neurodegenerative diseases. Recent studies indicate that ROS are also involved in persistent pain through a spinal mechanism. In the present study, whole cell patch clamp recordings were carried out on substantia gelatinosa (SG) neurons in spinal cord slice of neonatal rats to investigate the effects of ROS on neuronal excitability and excitatory synaptic transmission. In current clamp condition, tert-buthyl hydroperoxide (t-BuOOH), an ROS donor, induced a electrical hyperexcitability during t-BuOOH wash-out followed by a brief inhibition of excitability in SG neurons. Application of t-BuOOH depolarized membrane potential of SG neurons and increased the neuronal firing frequencies evoked by depolarizing current pulses. Phenyl-N-tert-buthylnitrone (PBN), an ROS scavenger, antagonized t-BuOOH induced hyperexcitability. IN voltage clamp conditions, t-BuOOH increased the frequency and amplitude of spontaneous excitatory postsynaptic currents (sEPSCs). In order to determine the site of action of t-BuOOH, miniature excitatory postsynaptic currents (mEPSCs) were recorded. t-BuOOH increased the frequency and amplitude of mEPSCs, indicating that it may modulate the excitability of the SG neurons via pre- and postsynaptic actions. These data suggest that ROS generated by peripheral nerve injury can induce central sensitization in spinal cord.
Purpose: Naftopidil ((${\pm}$)-1-[4-(2-methoxyphenyl) piperazinyl]-3-(1-naphthyloxy) propan-2-ol) is prescribed in several Asian countries for lower urinary tract symptoms suggestive of benign prostatic hyperplasia. Previous animal experiments showed that intrathecal injection of naftopidil abolished rhythmic bladder contraction in vivo. Naftopidil facilitated spontaneous inhibitory postsynaptic currents in substantia gelatinosa (SG) neurons in spinal cord slices. These results suggest that naftopidil may suppress the micturition reflex at the spinal cord level. However, the effect of naftopidil on evoked excitatory postsynaptic currents (EPSCs) in SG neurons remains to be elucidated. Methods: Male Sprague-Dawley rats at 6 to 8 weeks old were used. Whole-cell patch-clamp recordings were made using SG neurons in spinal cord slices isolated from adult rats. Evoked EPSCs were analyzed in $A{\delta}$ or C fibers. Naftopidil or prazosin, an ${\alpha}1$-adrenoceptor blocker, was perfused at $100{\mu}M$ or $10{\mu}M$, respectively. Results: Bath-applied $100{\mu}M$ naftopidil significantly decreased the peak amplitudes of $A{\delta}$ and C fiber-evoked EPSCs to $72.0%{\pm}7.1%$ (n=15) and $70.0%{\pm}5.5%$ (n=20), respectively, in a reversible and reproducible manner. Bath application of $100{\mu}M$ prazosin did not inhibit $A{\delta}$ or C fiber-evoked EPSCs. Conclusions: The present study suggests that a high concentration of naftopidil reduces the amplitude of evoked EPSCs via a mechanism that apparently does not involve ${\alpha}1$-adrenoceptors. Inhibition of evoked EPSCs may also contribute to suppression of the micturition reflex, together with nociceptive stimulation.
Glial cells, including astrocytes and microglia, interact closely with neurons and modulate pain transmission, particularly under pathological conditions. In this study, we examined the excitability of substantia gelatinosa (SG) neurons of the spinal dorsal horn using a patch clamp recording to investigate the roles of microglial activation in the nociceptive processes of rats. We used xanthine/xanthine oxidase (X/XO), a generator of superoxide anion (O2·-), to induce a pathological pain condition. X/XO treatment induced an inward current and membrane depolarization. The inward current was significantly inhibited by minocycline, a microglial inhibitor, and fluorocitrate, an astrocyte inhibitor. To examine whether toll-like receptor 4 (TLR4) in microglia was involved in the inward current, we used lipopolysaccharide (LPS), a highly specific TLR4 agonist. The LPS induced inward current, which was decreased by pretreatment with Tak-242, a TLR4-specific inhibitor, and phenyl N-t-butylnitrone, a reactive oxygen species scavenger. The X/XO-induced inward current was also inhibited by pretreatment with Tak-242. These results indicate that the X/XO-induced inward current of SG neurons occurs through activation of TLR4 in microglial cells, suggesting that neuroglial cells modulate the nociceptive process through central sensitization.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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