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.
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.
Shilajit, a medicine herb commonly used in Ayurveda, has been reported to contain at least 85 minerals in ionic form that act on a variety of chemical, biological, and physical stressors. The substantia gelatinosa (SG) neurons of the trigeminal subnucleus caudalis (Vc) are involved in orofacial nociceptive processing. Shilajit has been reported to be an injury and muscular pain reliever but there have been few functional studies of the effect of Shilajit on the SG neurons of the Vc. Therefore, whole cell and gramicidin-perfotrated patch clamp studies were performed to examine the action mechanism of Shilajit on the SG neurons of Vc from mouse brainstem slices. In the whole cell patch clamp mode, Shilajit induced short-lived and repeatable inward currents under the condition of a high chloride pipette solution on all the SG neurons tested. The Shilajit-induced inward currents were concentration dependent and maintained in the presence of tetrodotoxin (TTX), a voltage gated $Na^+$ channel blocker, CNQX, a non-NMDA glutamate receptor antagonist, and AP5, an NMDA receptor antagonist. The Shilajit-induced responses were partially suppressed by picrotoxin, a $GABA_A$ receptor antagonist, and totally blocked in the presence of strychnine, a glycine receptor antagonist, however not affected by mecamylamine hydrochloride (MCH), a nicotinic acetylcholine receptor antagonist. Under the potassium gluconate pipette solution at holding potential 0 mV, Shilajit induced repeatable outward current. These results show that Shilajit has inhibitory effects on the SG neurons of Vc through chloride ion channels by activation of the glycine receptor and $GABA_A$ receptor, indicating that Shilajit contains sedating ingredients for the central nervous system. These results also suggest that Shilajit may be a potential target for modulating orofacial pain processing.
Park, Seon-Ah;Yin, Hua;Bhattarai, Janardhan P.;Park, Soo-Joung;Han, Seong-Kyu
International Journal of Oral Biology
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v.34
no.4
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pp.191-197
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2009
Somatostatin (SST) is a known neuromodulator of the central nervous system. The substantia gelatinosa (SG) of the trigeminal subnucleus caudalis (Vc) receives many thinmyelinated $A{\delta}$-fiber and unmyelinated C primary afferent fibers and is involved in nociceptive processing. Many studies have demonstrated that SST plays a pivotal role in pain modulation in the spinal cord. However, little is yet known about the direct effects of SST on the SG neurons of the Vc in adult mice. In our present study, we investigated the direct membrane effects of SST and a type 2 SST receptor agonist, seglitide (SEG), on the SG neurons of the Vc using a gramicidin-perforated current clamp in adult mice. The majority (53%, n = 27/51) of the adult SG neurons were hyperpolarized by SST (300 nM) but no differences were found in the hyperpolarization response rate between males and females. When SST was applied successively, the second response was smaller ($76{\pm}9.5%$, n=19), suggesting that SST receptors are desensitized by repeated application. SST-induced hyperpolarization was also maintained under conditions where presynaptic events were blocked ($75{\pm}1.0%$, n=5), suggesting that this neuromodulator exerts direct effects upon postsynaptic SG neurons. SEG was further found to induce membrane hyperpolarization of the SG neurons of the Vc. These results collectively demonstrate that SST inhibits the SG neuronal activities of the Vc in adult mice with no gender bias, and that these effects are mediated via a type 2 SST receptor, suggesting that this is a potential target for orofacial pain modulation.
Korean red ginseng (KRG) is a valuable and important traditional medicine in East Asian countries and is currently used extensively for botanical products in the world. KRG has both stimulatory and inhibitory effects on the central nervous system (CNS) suggesting its complicated action mechanisms. The substantia gelatinosa (SG) neurons of the trigeminal subnucleus caudalis (Vc) are involved in orofacial nociceptive processing. Some studies reported that KRG has antinociceptive effects, but there are few reports of the functional studies of KRG on the SG neurons of the Vc. In this study, a whole cell patch clamp study was performed to examine the action mechanism of a KRG extract on the SG neurons of the Vc from juvenile mice. KRG induced short-lived and repeatable inward currents on all the SG neurons tested in the high chloride pipette solution. The KRG-induced inward currents were concentration dependent and were maintained in the presence of tetrodotoxin, a voltage gated $Na^+$ channel blocker. The KRG-induced inward currents were suppressed by 6-cyano-7-nitroquinoxaline-2,3-dione, a non-N-methyl-D-aspartate (NMDA) glutamate receptor antagonist and/or picrotoxin, a gamma-aminobutyric acid $(GABA)_A$ receptor antagonist. However, the inward currents were not suppressed by d,l-2-amino-5-phosphonopentanoic acid, an NMDA receptor antagonist. These results show that KRG has excitatory effects on the SG neurons of the Vc via the activation of non-NMDA glutamate receptor as well as an inhibitory effect by activation of the $GABA_A$ receptor, indicating the KRG has both stimulatory and inhibitory effects on the CNS. In addition, KRG may be a potential target for modulating orofacial pain processing.
Seon Ah Park;Thao Thi Phuong Nguyen;Soo Joung Park;Seong Kyu Han
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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v.28
no.1
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pp.73-81
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2024
The substantia gelatinosa (SG) within the trigeminal subnucleus caudalis (Vc) is recognized as a pivotal site of integrating and modulating afferent fibers carrying orofacial nociceptive information. Although naringenin (4',5,7-thrihydroxyflavanone), a natural bioflavonoid, has been proven to possess various biological effects in the central nervous system (CNS), the activity of naringenin at the orofacial nociceptive site has not been reported yet. In this study, we explored the influence of naringenin on GABA response in SG neurons of Vc using whole-cell patch-clamp technique. The application of GABA in a bath induced two forms of GABA responses: slow and fast. Naringenin enhanced both amplitude and area under curve (AUC) of GABA-mediated responses in 57% (12/21) of tested neurons while decreasing both parameters in 33% (7/21) of neurons. The enhancing or suppressing effect of naringenin on GABA response have been observed, with enhancement occurring when the GABA response was slow, and suppression when it was fast. Furthermore, both the enhancement of slower GABA responses and the suppression of faster GABA responses by naringenin were concentration dependent. Interestingly, the nature of GABA response was also found to be sex-dependent. A majority of SG neurons from juvenile female mice exhibited slower GABA responses, whereas those from juvenile males predominantly displayed faster GABA responses. Taken together, this study indicates that naringenin plays a partial role in modulating orofacial nociception and may hold promise as a therapeutic target for treating orofacial pain, with effects that vary according to sex.
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.
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.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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