Role of the posterior insular cortex in neuropathic pain

Abstract

Pain is a subjective experience that has both sensory and affective features. Pain plays an important role in the defense mechanism of our body, but could also become a pathological condition in certain circumstances. Neuropathic pain, which is caused by a lesion in our nervous system, is one of the pathological pain conditions. Insular Cortex (IC) is one of the most important brain regions involved in the pain processing mechanism. IC could be divided into two regions, both anatomically and functionally, the anterior insular cortex (aIC) and posterior insular cortex (pIC). pIC is a part of the IC which contributes to the somatosensory aspects of pain processing. Previous studies have shown the possibility of pain treatment by studying the pain circuits in the pIC. It has been reported that neuropathic pain symptoms can be alleviated or induced by modulating the pIC activity. The aim of this study is to explore the role of the pIC in neuropathic pain, and study the mechanism of pain processing in the pIC. We conducted von frey test with optogenetic stimulation on neuropathic mice to regulate the pIC activity. AAV5-CaMKIIa-eNpHR3.0-EYFP was injected bilaterally to the pIC of the experimental group, and AAV5-CaMKIIa-EYFP was injected bilaterally to the pIC of the control group. The spared nerve injury (SNI) was conducted to both groups to induce symptoms of mechanical allodynia, and the mechanical hypersensitivity was measured during the optogenetic stimulation. The fiber photometry experimental mice were divided into two groups: the sham surgery group and SNI surgery group. AAV9-CaMKIIa-GCAMP6f was injected to the right pIC of the animals in both groups. The Ca2+signals of the pIC was recorded during the von frey test session to observe the pIC activity paired with pain-related behavior. The eNpHR-injected experimental mice showed significantly reduced mechanical hypersensitivity compared to the eYFP-injected control mice in optogenetics experiment. However, there were no significant changes in the pIC activity during fiber photometry experiments, showing no changes related to pain-related responses and also showing no significant differences in group comparisons. Interestingly, there was a trend of decrease in the Ca2+ signals when the mice made a withdrawal caused by a mechanical stimulation applied on the sural nerve skin territory. This trend was shown in both sham and SNI surgery groups. These findings indicate that the pIC plays an important role in neuropathic pain modulation, but it needs further examination to reveal the pain processing mechanism of the pIC. Nevertheless, the trend in the pIC Ca2+ signal results implies a possibility of a different pain processing pathway, opening up a new direction for the pIC research in pain treatment.;통증 (pain)은 감각적인 측면과 정서적인 측면을 모두 가지고 있는 주관적인 경험입니다. 통증은 우리 몸의 방어 체계에 있어 중요한 역할을 하는 요소이지만, 특정 상황에서는 병적인 상태로 발전하기도 합니다. 신경계의 병변으로 인해 발생하는 신경병성 통증 (neuropathic pain) 은 이러한 병적인 통증 상태 중 하나입니다. 섬엽 (Insular Cortex) 은 통증을 처리하는 과정에 주요하게 관여하는 뇌 영역입니다. 섬엽은 해부학적, 기능적으로 두 가지 영역으로 구분될 수 있는데, 이는 각각 전섬피질 (anterior insular cortex) 과 후섬피질 (posterior insular cortex) 입니다. 이 중 후섬피질은 통증의 처리에 있어 체성감각적 측면을 담당하는 영역입니다. 선행 연구들은 후섬피질의 통증 회로를 연구함으로써 통증 치료에 기여할 수 있음을 밝혀왔습니다. 그 중에서도 후섬피질의 활동을 조절함으로써, 신경병성 통증의 증상을 약화시키거나 강화시킬 수 있음이 보고되어 왔습니다. 본 연구의 목적은 신경병성 통증에 있어 후섬피질의 역할을 밝히고, 후섬피질에서 일어나는 통증 처리 과정에 대해 연구하는 것입니다. 우리는 후섬피질의 활동을 조절하기 위해, 신경병성 통증 모델 쥐 (neuropathic mice) 에게 광유전학적 자극 (optpgenetic stimulation) 을 주며 본 프레이 실험 (von frey test) 을 진행하였습니다. 실험군 그룹에는 AAV5-CaMKIIa-eNpHR3.0-EYFP를 양쪽 후섬피질에 주입하였고, 대조군 그룹에는 AAV5-CaMKIIa-EYFP를 양쪽 후섬피질에 주입하였습니다. 기계적 통각 과민 (mechanical allodynia) 증상을 유발하기 위하여, 두 그룹에 모두 SNI (spared nerve injury) 수술이 행해졌으며, 광유전학적 자극과 함께 기계적 과민증 (mechanical hypersensitivity) 이 측정되었습니다. 섬유 광도계 (fiber photometry) 실험에 사용되는 쥐들은 두 개의 그룹으로 나누어졌습니다: 이는 sham 수술 그룹과 SNI 수술 그룹입니다. 양쪽 그룹에는 AAV9-CaMKIIa-GCAMP6f가 주입되었습니다. 통증과 관련된 행동에 따른 후섬피질의 활동을 관찰하기 위해서, 본 프레이 실험을 진행하는 동안 후섬피질의 칼슘 시그널이 측정되었습니다. eNpHR이 주입된 실험군의 쥐들은 eYFP가 주입된 대조군의 쥐들과 비교했을 때 유의미하게 기계적 과민증이 감소된 모습을 보였습니다. 그러나, 섬유 광도계 실험에서는 후섬피질의 활동에 특별한 변화가 나타나지 않았으며, 통증과 관련된 행동에 따른 변화도 관측되지 않았고 그룹간 비교에서도 유의미한 차이가 없었습니다. 흥미롭게도, 쥐가 비복 신경 피부 영역 (sural nerve skin territory) 에 가해진 기계적 자극 (mechanical stimulation) 에 발을 들어올리는 행동 (withdrawal) 을 보였을 때, 칼슘 시그널의 개수가 감소하는 경향을 보였습니다. 이와 같은 경향성은 실험군과 대조군에 동일하게 나타났습니다. 본 연구의 결과는 후섬피질이 신경병성 통증의 조절에 중요한 역할을 하고 있으나, 후섬피질에서 이루어지는 통증 처리 과정을 밝혀내기 위해서는 더 많은 연구가 이루어질 필요성이 있음을 시사합니다. 그럼에도 불구하고, 후섬피질의 칼슘 시그널 결과에 나타난 경향성은 또다른 통증 처리 경로에 대한 가능성을 보여주며, 통증 치료와 관련된 후섬피질 연구의 새로운 방향성을 제시하고 있습니다.