Plasticity of the pain control system induced by neuropathic pain: the amygdala-medulla system

Abstract

Pain is a multidimensional experience with sensory-discriminative and motivational-affective dimensions. Neuropathic pain is caused by a primary lesion or dysfunction of the nervous tissue that leads to an anomalous nociceptive processing in pain centers. It results from a process of peripheral and central sensitization and is characterized by prolonged hyperalgesia, allodynia and spontaneous pain. The maintenance of these nerve injury-induced symptoms depends on abnormal discharge from peripheral nerves and pronociceptive changes in spinal and supraspinal mechanisms mediating and modulating pain-related signals. The aims of this work were: first, to elucidate what is the relative contribution of rostroventromedial medulla (RVM) ON- and OFF-cells to hypersensitivity observed in neuropathic pain; second, to evaluate if emotional disturbances and structural alterations in the amygdala (AMY) observed in human patients, were produced when inducing neuropathic pain to rats; third, to determine if structural alterations of the amygdala, associated to the peripheral nerve injury, influences RVM regulation of nociception; and finally, to analyze the alterations in response properties of amygdala nociceptive neurons to peripherally-evoked stimulation and what is the cortical influence in the neuropathic process. In this work, we provide evidence that reinforce data indicating that RVM ON-cells are the main responsible for neuropathic hypersensitivity. Although both ON- and OFF- RVM cells were found to respond significantly more in neuropathic animals at a basal state, only ON-cell response was significantly different from Sham animals following noxious and non-noxious stimulation. The peripheral stimuli applied were: tail pinch and cold, since clinical studies indicate that hypersensitivity to these somatic stimuli are frequent after traumatic nerve injuries; and colo-rectal distention (CRD), because not much is known about the influence of somatic neuropathy on visceral processing. As RVM ON-cells are considered to be pronociceptive, they should have a major contribution in the hypersensitivity to peripheral stimulation observed in neuropathic animals. We have demonstrated, for the first time, that animals with a peripheral neuropathy show depressive-like behaviour associated to AMY neuroplasticity. Importantly, AMY structural changes are mediated, at least in part, by an increase in the number of neurons, as a result of cell proliferation. Besides depressive-like behaviour, we also observed an increase in affective painrelated behaviour in neuropathic animals, assessed through the aversive place-conditioning test, which reinforces the association between prolonged neuropathic pain and altered emotional behaviour. Moreover, emotional pain-related behaviour increased after AMY administration of a metabotropic glutamate receptor 1 and 5 (mGluR1/5) agonist and decrease after the local injection of a metabotropic glutamate receptor 1 (mGluR1) antagonist. The AMY administration of an mGluR1/5 agonist has also induced an increase in the discharge rate of ON-cells in the RVM of nerve-injured animals, which was mainly due to the activation of mGluR1. In what concerns the activity of AMY neurons, plastic alterations were present after neuropathy, with an increased spontaneous activity and a general decrease after peripheral stimulation. When evaluating the cortical influence upon nociceptive behaviour of the neuropathic rat, the injection of glutamate (Glu) and of an NMDA-receptor (NMDA-r) antagonist in the rostral anterior cingulate cortex (rACC) produced, respectively, an increase and a decrease in affective painrelated behaviour. When evaluating AMY neuronal discharge rate after the injection of the same reported drugs in the ACC, only glutamate had a significant effect, inducing an increase of AMY neuronal activity. The set of studies performed for this thesis allowed the following conclusions: I) the activity of both RVM ON- and OFF-cells in neuropathic animals is altered towards promoting pronociception, but only ON-cell type appears to be a major role in the increased hypersensitivity observed; II) the structural plasticity observed in the AMY of nerve-injured animals - increased AMY volume as a result of local newborn neurons – is paralleled with the development of depressive-like behaviour; III) emotional pain-related behaviour in neuropathic animals is dependent, at least in part, on the activation of mGluR1/5 in the AMY and of NMDAr in the ACC; IV) the activation of mGluR1 in the AMY of neuropathic animals causes an increase in the activity of pronociceptive RVM ON-cells.

A dor é uma experiência multidimensional desagradável, envolvendo não só uma componente sensorial mas também uma componente emocional. A dor neuropática resulta de uma lesão primária ou disfunção do tecido nervoso, que origina o envio incorrecto de sinais para os centros de modulação da dor. A dor neuropática origina hiperalgesia e alodínia prolongadas e dor espontânea, e resulta de um processo de sensitização periférica e central. A continuidade dos sintomas induzidos pela lesão nervosa depende de descargas anormais dos nervos periféricos e de alterações pronociceptivas nos mecanismos espinhais e supraspinhais de mediação e modulação da nocicepção. Os objectivos deste trabalho consistiram em: primeiro elucidar qual a contribuição relativa das células “ON” e “OFF” do bolbo rostral ventromedial (RVM) para a hipersensibilidade observada em animais com dor neuropática; segundo, avaliar se a indução de dor neuropática no rato resultava simultaneamente em distúrbios emocionais e alterações estruturais na amígdala (AMY), tal como no Homens; terceiro, determinar se a plasticidade neuronal da AMY, associada à lesão nervosa periférica influenciava o papel do RVM na regulação da dor; finalmente, avaliar as alterações nas respostas dos neurónios nociceptivos da AMY a estímulos periféricos induzidos pela neuropatia e, adicionalmente, avaliar a influência de estruturas corticais na dor neuropática. Neste trabalho confirmámos a ideia já existente de que as células pronociceptivas do RVM, as células “ON”, são as principais responsáveis pela hipersensibilidade observada em animais neuropáticos. Embora ambos os tipos de células “ON” e “OFF” tenham maior actividade espontânea no estado basal, a aplicação de estimulação nóxica e não-nóxica alterava apenas a resposta das células ON de modo significativo. Dado que há evidências clínicas indicativas de que a hipersensibilidade a estímulos mecânicos e de frio é comum depois de lesões nervosas traumáticas, e dado que há pouca informação sobre a influência da neuropatia somática em percepção visceral, os estímulos periféricos aplicados foram o beliscadura da cauda, o frio e a distensão colo-rectal. Como as células ON são consideradas pronociceptivas, podemos assumir, a partir dos nossos resultados, que estas células deverão ter um papel relevante na hipersensibilidade à estimulação periférica observada nos animais neuropáticos. Aqui demonstrámos pela primeira vez, que animais com neuropatia periférica apresentam alterações estruturais na AMY associadas, simultaneamente, à expressão de um comportamento tipo depressivo. É de salientar que a plasticidade observada na AMY resultou, pelo menos em parte, do número de neurónios, resultante de proliferação celular. Foi também observado um aumento do comportamento afectivo relativo à dor, avaliado através do teste aversivo de condicionamento-de-lugar. Este comportamento aumentou depois da administração, na AMY, de um agonista de receptores metabotrópicos do glutamato 1 e 5 (mGluR1/5) e diminuiu depois da administração de um antagonista de receptores metabotrópicos do glutamato 1 (mGluR1). A administração de um agonista de mGluR1/5 provocou também um aumento na actividade das células “ON” do RVM dos animais neuropáticos, causado principalmente pela activação dos receptores metabotrópicos tipo 1 do glutamato (mGluR1). O outro modo de plasticidade observada foi a alteração na taxa de actividade da AMY que, nos animais neuropáticos, aumentou nos níveis basais e diminuiu após estimulação periférica. Na avaliação da influência cortical na neuropatia dos ratos, verificou-se que a injecção de glutamato (Glu) e de um antagonista do receptor NMDA (NMDAr) no cortex cingulado anterior rostral (rACC) provocou, respectivamente, um aumento e uma diminuição no comportamento afectivo relativo à dor nos animais neuropáticos, também avaliado pelo teste aversivo de condicionamento-de-lugar. Ao analisar a actividade neuronal da AMY depois da injecção dos mesmos fármacos no ACC, verificámos que apenas o glutamato teve um efeito significativo, provocando um aumento dessa actividade. Depois de realizado este trabalho, podemos concluir que: I) a actividade das células “ON” e “OFF” do RVM está alterada nos animais neuropáticos no sentido de promover a pronocicepção, mas apenas as células ON aparentam ser as responsáveis pelo aumento de hipersensibilidade associada à neuropatia; II) há plasticidade estrutural na AMY dos animais neuropáticos – aumento de volume, resultante de neurónios recém-formados, que ocorre em paralelo com comportamento do tipo depressivo; III) nos animais neuropáticos, o comportamento afectivo relativo à dor depende, pelo menos, da activação dos mGluR1/5 na AMY e dos NMDAr no ACC; IV) a activação dos mGluR1 na AMY provoca um aumento da actividade das células ON nos animais neuropáticos.