Abstract Acral burning pain triggered by fever, thermal hyposensitivity, and skin denervation are hallmarks of small fibre neuropathy in Fabry disease, a life-threatening X-linked lysosomal storage disorder. Variants in the gene encoding alpha-galactosidase A may lead to impaired enzyme activity with cellular accumulation of globotriaosylceramide (Gb3). To study the underlying pathomechanism of Fabry-associated small fibre neuropathy, we generated a neuronal in vitro disease model using patient-derived induced pluripotent stem cells from three Fabry patients and one healthy control. We further generated an isogenic control line via CRISPR/Cas9 gene editing. We subjected iPSC to targeted peripheral neuronal differentiation and observed intra-lysosomal Gb3 accumulations in somas and neurites of Fabry sensory neurons using super-resolution microscopy. At functional level, patch-clamp analysis revealed a hyperpolarizing shift of voltage-gated sodium channel steady-state inactivation kinetics in Fabry cell lines as compared to the healthy control. Moreover, we demonstrate a drastic increase in Fabry sensory neuron Ca 2+ levels at 39°C mimicking clinical fever (p < 0.001). This pathophysiological phenotype was accompanied by thinning of neurite calibres in sensory neurons obtained from Fabry patients compared to healthy control cells (p < 0.001). Linear-Nonlinear cascade models fit to spiking responses revealed that Fabry cell lines exhibit altered single neuron encoding properties relative to control. We further observed jam of mitochondrial trafficking at sphingolipid accumulations within Fabry sensory neurites utilizing a click-chemistry approach together with mitochondrial dysmorphism compared to healthy control cells. We pioneer insights into the cellular mechanisms contributing to pain, thermal hyposensitivity, and denervation in Fabry small fibre neuropathy, and pave the way for further mechanistic in vitro studies in Fabry disease and the development of novel treatment approaches.

Abstract The primary somatosensory cortex (S1) is a hub for body sensation of both innocuous and noxious signals, yet its role in somatosensation versus pain is debated. Despite known contributions of S1 to sensory gain modulation, its causal involvement in subjective sensory experiences remains elusive. Here, in mouse S1, we reveal the involvement of cortical output neurons in layers 5 (L5) and 6 (L6) in the perception of innocuous and noxious somatosensory signals. We find that L6 activation can drive aversive hypersensitivity and spontaneous nocifensive behavior. Linking behavior to neuronal mechanisms, we find that L6 enhances thalamic somatosensory responses, and in parallel, strongly suppresses L5 neurons. Directly suppressing L5 reproduced the pronociceptive phenotype induced by L6 activation, suggesting an anti-nociceptive function for L5 output. Indeed, L5 activation reduced sensory sensitivity and reversed inflammatory allodynia. Together, these findings reveal a layer-specific and bidirectional role for S1 in modulating subjective sensory experiences.

Active and passive sensing strategies are integral to an animal's behavioral repertoire. Nevertheless, there is a lack of information regarding the neuronal circuitry that underpins these strategies, particularly at the thalamus level. We evaluated how active versus passive whisker deflections are represented in single neurons of the ventral posterior thalamus (VPM) and the posterior medial thalamus (POm) in awake mice. These are the first- and higher-order thalamic nuclei of the whisker system, respectively. VPM neurons robustly responded to both active and passive whisker deflections, while POm neurons showed a preference for passive deflections and responded poorly to active touches. This response disparity could not be explained by the animal's voluntary whisking state or stimulus kinetics. In contrast, cortical activity significantly influenced POm's responses to passive touch. Inhibition of the barrel cortex strongly attenuated whisker responses in POm and simultaneously increased the whisking phase coding. This suggests that POm receives touch information from the cortex and phase information from the brainstem. Together, these findings suggest two thalamic relay streams, where VPM robustly relays both active and passive deflection, while POm's sensitivity requires top-down cortical involvement to signal salient events such as unexpected passive deflections.

Abstract The superior colliculus (SC), a conserved midbrain-node with extensive long-range connectivity throughout the brain, is a key structure for innate behaviors. Descending cortical pathways are increasingly recognized as central control points for SC-mediated behaviors, but how cortico-collicular pathways coordinate SC activity at the cellular level is poorly understood. Moreover, despite the known role of the SC as a multisensory integrator, the involvement of the SC in the somatosensory system is largely unexplored in comparison to its involvement in the visual and auditory systems. Here, we mapped the connectivity of the whisker-sensitive region of the SC in mice with trans-synaptic and intersectional tracing tools and in vivo electrophysiology. The results reveal a novel trans-collicular connectivity motif in which neurons in motor- and somatosensory cortices impinge onto the brainstem-SC-brainstem sensory-motor arc and onto SC-midbrain output pathways via only one synapse in the SC. Intersectional approaches and optogenetically assisted connectivity quantifications in vivo reveal convergence of motor and somatosensory cortical input on individual SC neurons, providing a new framework for sensory-motor integration in the SC. More than a third of the cortical recipient neurons in the whisker SC are GABAergic neurons, which include a hitherto unknown population of GABAergic projection neurons targeting thalamic nuclei and the zona incerta. These results pinpoint a whisker region in the SC of mice as a node for the integration of somatosensory and motor cortical signals via parallel excitatory and inhibitory trans-collicular pathways which link cortical and subcortical whisker circuits for somato-motor integration.