Sex differences in Ca2+ activity of thalamic astrocytes on nociceptive responses

Abstract

Nociception, the physiological process of sensing harmful stimuli, is regulated through the thalamocortical pain pathway. Moreover, astrocytic Ca2+ activity is thought to play important role in pain responses, as numerous studies have shown an increase in astrocytic Ca2+ in correlation with pain. Previous studies reported that females and males exhibit different nociceptive responses. Sexually dimorphic nociceptive responses may, in part, be mediated by differences in astrocytic Ca2+ activity in the thalamus. To investigate the relationship, we simultaneously recorded formalin-induced nociceptive behaviors and thalamic astrocyte Ca2+ signals, using fiber photometry in freely moving mice. In addition, we recorded formalin-induced nociceptive behaviors while applying light stimulation using optogenetics. The fiber photometry experimental mice were divided into three groups: (1) the female group, where AAV8-GFAP104-GCaMP6s was injected into the right ventrobasal complex (VB) region; (2) the male group, where AAV8-GFAP104-GCaMP6s was injected into the right VB region; and (3) the control group (ovariectomized females), where AAV8-GFAP104-GCaMP6s was injected into the right VB region after female ovariectomy. The optogenetics experimental mice were divided into two groups: (1) the male group, where rAAV8/GFAP104-ChR2-mCherry was injected bilaterally into the VB region; and (2) the control group (males), where rAAV8/GFAP104-mCherry was injected bilaterally into the VB region. We found that the female mice exhibited greater nociceptive behaviors and greater number of thalamic astrocyte Ca2+ signals during 1st phase compared to male or ovariectomized female mice. Specifically, female mice showed higher nociceptive responses during the mean of 1st phase of shaking and lifting duration between the three groups, while there were no significant differences in licking and biting duration between the three groups. In the optogenetic stimulation experiment, ChR2-injected mice showed significantly higher nociceptive responses during the mean of the 1st phase of licking, biting, shaking, and lifting duration compared to mCherry-injected group. Additionally, ChR2-injected mice showed higher nociceptive responses during the mean of 1st phase of shaking and lifting duration compared to mCherry-injected group. However, there were no significant differences in licking and biting duration between the groups. These findings suggest that increases in astrocytic Ca2+ in the thalamus contribute to enhance nociceptive responses. Overall, these results suggest that the difference in thalamic astrocyte Ca2+ activity may underlie sexual differences in nociception.;통각 (nociception)은 해로운 자극을 감지하는 생리학적 과정으로, 시상피질 (thalamocortical) 통증 경로를 통해 조절됩니다. 많은 연구에서 성상세포 (astrocytes)의 칼슘 활동은 통증과 함께 증가하는 것으로 나타났기 때문에, 이는 통각 반응에 중요한 역할을 하는 것으로 여겨지고 있습니다. 흥미롭게도, 이전 연구에서는 성별에 따라 서로 다른 통증 반응이 관찰되었습니다. 성별에 따른 통증 반응의 차이는 시상에서 성상세포의 칼슘 활성 차이에 의해 매개될 수 있습니다. 본 연구에서는 자유롭게 움직이는 쥐를 사용하여 포르말린에 의해 유도된 통증 행동 (formalin-induced nociceptive behaviors)과 시상 (thalamus)에서의 성상세포 칼슘 신호 사이의 관계를 조사하고 성별에 따른 차이를 알아보았습니다. 이를 위해 섬유 광도계 (fiber photometry)를 사용하여 포르말린에 의해 유도된 통증 행동과 동시에 시상에서의 성상세포 칼슘 신호를 기록하였습니다. 또한, 광유전학적 자극 (optogenetic stimulation) 기법을 사용하여 시상에서의 성상세포 칼슘 신호를 빛으로 자극하여 포르말린에 의해 유도된 통증 행동의 변화를 관찰하였습니다. 섬유 광도계 측정을 위한 실험 쥐는 세 그룹으로 나누어졌습니다: (1) 암컷 그룹으로 AAV8-GFAP104-GCaMP6s를 오른쪽 VB (ventrobasal complex) 영역에 주입한 그룹, (2) 수컷 그룹으로 AAV8-GFAP104-GCaMP6s를 오른쪽 VB 영역에 주입한 그룹, (3) 대조군 그룹으로 암컷 쥐의 난소를 제거한 후 AAV8-GFAP104-GCaMP6s를 오른쪽 VB 영역에 주입한 그룹을 사용하였습니다. 광유전학 실험을 위한 실험 쥐는 두 그룹으로 나누어졌습니다: (1) 수컷 그룹으로 rAAV8/GFAP104-ChR2-mCherry를 VB 영역에 양측 주입한 그룹, (2) 대조군 그룹으로 rAAV8/GFAP104-mCherry를 VB 영역에 양측 주입한 그룹을 사용하였습니다. 그 결과, 암컷 그룹이 수컷 또는 난소가 제거된 암컷 그룹에 비해 포르말린 테스트의 초기 통증반응에서 더 큰 통증 반응과 시상에서 더 많은 수의 성상세포 칼슘 신호가 나타난 것을 발견하였습니다. 또한, 시상에서 성상세포의 칼슘 신호 자극이 통증 반응의 증가를 유도한다는 것을 발견하였습니다. 따라서, 본 연구 결과는 통증 반응과 시상에서의 성상세포 칼슘 활동이 서로 관련이 있으며, 성별에 따라 차이가 있다는 것을 보여줌으로써 이에 대한 근본적인 메커니즘을 이해하는 데 도움이 될 것이라 생각됩니다. 더 나아가, 통증의 성별 차이 연구에 새로운 통찰력을 제공하며 보다 효과적인 성별에 따른 통증 치료 전략의 기반이 될 수 있음을 시사합니다.