Summary The canonical framework for testing pain and mechanical sensitivity in rodents is manual delivery of stimuli to the paw. However, this approach can produce variability in results, requires significant training, and is ergonomically unfavorable to the experimenter. To circumvent limitations in manual delivery of stimuli, we have created a device called the ARM ( A utomated R eproducible M echano-stimulator). Built using a series of linear stages, cameras, and stimulus holders, the ARM is more accurate at hitting the desired target, delivers stimuli faster, and decreases variability in delivery of von Frey hair filaments. We demonstrate that the ARM can be combined with traditional measurements of pain behavior and automated machine-learning based pipelines. Importantly, the ARM enables remote testing of mice with experimenters outside the testing room. Using remote testing, we found that mice appeared to habituate more quickly when an experimenter was not present and experimenter presence leads to significant sex-dependent differences in withdrawal behavior. Lastly, to demonstrate the utility of the ARM for neural circuit dissection of pain mechanisms, we combined the ARM with cellular-resolved microendoscopy in the amygdala, linking stimulus, behavior, and brain activity of amygdalar neurons that encode negative pain states. Taken together, the ARM improves speed, accuracy, and robustness of mechanical pain assays and can be combined with automated pain detection systems and brain recordings to map pain sensation and affect.

SUMMARY Tactile perception relies on reliable transmission and modulation of low-threshold information as it travels from the periphery to the brain. During pathological conditions, tactile stimuli can aberrantly engage nociceptive pathways leading to the perception of touch as pain, known as mechanical allodynia. Two main drivers of peripheral tactile information, low-threshold mechanoreceptors (LTMRs) and postsynaptic dorsal column neurons (PSDCs), terminate in the brainstem dorsal column nuclei (DCN). Activity within the DRG, spinal cord, and DCN have all been implicated in mediating allodynia, yet the DCN remains understudied at the cellular, circuit, and functional levels compared to the other two. Here, we show that the gracile nucleus (Gr) of the DCN mediates tactile sensitivity for low-threshold stimuli and contributes to mechanical allodynia during neuropathic pain in mice. We found that the Gr contains local inhibitory interneurons in addition to thalamus-projecting neurons, which are differentially innervated by primary afferents and spinal inputs. Functional manipulations of these distinct Gr neuronal populations resulted in bidirectional changes to tactile sensitivity, but did not affect noxious mechanical or thermal sensitivity. During neuropathic pain, silencing Gr projection neurons or activating Gr inhibitory neurons was able to reduce tactile hypersensitivity, and enhancing inhibition was able to ameliorate paw withdrawal signatures of neuropathic pain, like shaking. Collectively, these results suggest that the Gr plays a specific role in mediating hypersensitivity to low-threshold, innocuous mechanical stimuli during neuropathic pain, and that Gr activity contributes to affective, pain-associated phenotypes of mechanical allodynia. Therefore, these brainstem circuits work in tandem with traditional spinal circuits underlying allodynia, resulting in enhanced signaling of tactile stimuli in the brain during neuropathic pain.

Summary The East African naked mole-rat ( Heterocephalus glaber ) lives in large and extremely cooperative subterranean colonies. However, both the biology that drives their social interactions and the behaviors that define their social hierarchy are poorly understood. Here, we study the spontaneous solitary and social behaviors of naked mole-rats using automated animal tracking coupled with unbiased behavior discovery and experimenter-determined behavior quantification. With this approach, we find that reproductive and non-reproductive castes engage in distinct spontaneous behaviors. Further, the relative usage frequencies of a specific animal’s spontaneous behavior can be used to estimate its rank in the colony’s dominance hierarchy. Strikingly, we discovered that face touch is a prominent form of social interaction—naked mole-rats actively engage in face-to-face contact hundreds of times in a single 10-minute social pairing. We speculate that face-to-face contact might be related to social recognition, as we observe it performed during interactions in which naked mole-rats need to identify each other. Lastly, to demonstrate the specific importance of face-to-face contact, we show that social housing conditions lead to widespread activation of the mechanosensory ion channel Piezo2 in neurons that innervate the face, but not the rest of the body. Together, these findings support the importance of both caste and rank for the organization of spontaneous behavior in naked mole-rats, and they show that face-to-face contact is a prominent social behavior in these animals.

Abstract Alginate is a biopolymer extracted from the cell walls of algae, and can crosslink with divalent cations to form an insoluble hydrogel. In this paper, we develop a method to immobilize monoethanolamine, an amine CO 2 scrubber, within calcium alginate gel. By mixing monoethanolamine into an alginate solution as the gel was formed, we suspended the compound in the gel, facilitating a means to capture carbon dioxide directly from aquatic environments into the gel, while tethering monoethanolamine and the products formed from CO 2 capture to the gel. To delay the eventual diffusion of monoethanolamine out of the gel, we investigated (1) the effect of increasing alginate concentration and (2) the effect of additional alginate layers on the outward diffusion of dye placed in the center of the bead. Using ultraviolet-visible spectroscopy to quantify diffusion rates over time, we determined that increased alginate concentration paired with increased layering significantly decreased the rate of outward diffusion. Finally, we prepared beads using North Atlantic seawater as a solvent and compared the rate of dye leakage in seawater and distilled water to that in beads prepared in distilled water. Expectedly, we concluded that beads prepared with solvents isotonic to their environments would exhibit less leakage as well as greater mechanical stability, resisting swelling, bursting, or splitting behaviors.