Abstract Background Gastrointestinal myoelectric signals have been the focus of extensive research; although it is unclear how general anesthesia affects these signals, studies have often been conducted under general anesthesia. Here, we explore this issue directly by recording gastric myoelectric signals during awake and anesthetized states in the ferret and also explore the contribution of behavioral movement to observed changes in signal power. Methods Ferrets were surgically implanted with electrodes to record gastric myoelectric activity from the serosal surface of the stomach, and, following recovery, were tested in awake and isoflurane-anesthetized conditions. Video recordings were also analyzed during awake experiments to compare myoelectric activity during behavioral movement and rest. Key Results A significant decrease in gastric myoelectric signal power was detected under isoflurane anesthesia compared to the awake condition. Moreover, a detailed analysis of the awake recordings indicates that behavioral movement is associated with increased signal power compared to rest. Conclusions & Inferences These results suggest that both general anesthesia and behavioral movement can affect the amplitude of gastric myoelectric. In summary, caution should be taken in studying myoelectric data collected under anesthesia. Further, behavioral movement could have an important modulatory role on these signals, affecting their interpretation in clinical settings.

Abstract Considerable evidence shows that the vestibular system contributes to adjusting sympathetic nervous system activity to maintain adequate blood pressure during movement and changes in posture. However, only a few prior experiments entailed recordings in conscious animals from brainstem neurons presumed to convey baroreceptor and vestibular inputs to neurons in the rostral ventrolateral medulla (RVLM) that provide inputs to sympathetic preganglionic neurons in the spinal cord. In this study, recordings were made in conscious felines from neurons in the medullary lateral tegmental field (LTF) and nucleus tractus solitarius (NTS) identified as regulating sympathetic nervous system activity by exhibiting changes in firing rate related to the cardiac cycle, or cardiac-related activity (CRA). Approximately 38% of LTF and NTS neurons responded to static 40° head up tilts with a change in firing rate of ~ 50%. However, few of these neurons responded to 10° sinusoidal rotations in the pitch plane, in contrast to prior findings in decerebrate animals that the firing rates of both NTS and LTF neurons are modulated by small-amplitude body rotations. Thus, as previously demonstrated for RVLM neurons, in conscious animals NTS and LTF neurons only respond to large rotations that lead to changes in sympathetic nervous system activity. The similar responses to head-up rotations of LTF and NTS neurons with those documented for RVLM neurons suggest that LTF and NTS neurons are components of the vestibulo-sympathetic reflex pathway. However, a difference between NTS/LTF neurons and RVLM was variability in CRA over time. This variability was significantly greater for RVLM neurons, raising the hypothesis that the responsiveness of these neurons to baroreceptor input is adjusted based on the animal’s vigilance and alertness.

Abstract Dysfunction and diseases of the gastrointestinal (GI) tract are a major driver of medical care. The vagus nerve innervates and controls multiple organs of the GI tract and vagus nerve stimulation (VNS) could provide a means for affecting GI function and treating disease. However, the vagus nerve also innervates many other organs throughout the body, and off-target effects of VNS could cause major side effects such as changes in blood pressure. In this study, we aimed to achieve selective stimulation of populations of vagal afferents using a multi-contact cuff electrode wrapped around the abdominal trunks of the vagus nerve. Four-contact nerve cuff electrodes were implanted around the dorsal (N=3) or ventral (N=3) abdominal vagus nerve in six ferrets, and the response to stimulation was measured via a 32-channel microelectrode array (MEA) inserted into the nodose ganglion. Selectivity was characterized by the ability to evoke responses in MEA channels through one bipolar pair of cuff contacts but not through the other bipolar pair. We demonstrated that is was possible to selectively activate subpopulations of vagal afferents using abdominal VNS. Additionally, we quantified the conduction velocity of evoked responses to determine what types of nerve fibers (i.e. Aδ vs. C) responded to stimulation. We also quantified the spatial organization of evoked responses in the nodose MEA to determine if there is somatotopic organization of the neurons in that ganglion. Finally, we demonstrated in a separate set of three ferrets that stimulation of the abdominal vagus via a four-contact cuff could selectively alter gastric myoelectric activity, suggesting that abdominal VNS can potentially be used to control GI function.

Abstract Nausea is a common disease symptom, yet there is no consensus regarding its physiological markers. In contrast, the process of vomiting is well documented as sequential muscular contractions of the diaphragm and abdominal muscles and esophageal shortening. Nausea, like other self-reported perceptions, is difficult to distinguish in preclinical models, but based on human experience emesis is usually preceded by nausea. Here we focused on measuring gastrointestinal and cardiorespiratory changes prior to emesis to provide additional insights into markers for nausea. Felines were instrumented to chronically record heart rate, respiration, and electromyographic (EMG) activity from the stomach and duodenum before and after intragastric delivery of saline or copper sulfate (CuSO 4 , from 83 to 322 mg). CuSO 4 is a prototypical emetic test agent that triggers vomiting primarily by action on GI vagal afferent fibers when administered intragastrically. CuSO 4 infusion elicited a significant increase in heart rate, decrease in respiratory rate, and a disruption of gastric and intestinal EMG activity several minutes prior to emesis. The change in EMG activity was most consistent in the duodenum. Administration of saline did not induce these effects. Increasing the dose of CuSO 4 did not alter the physiologic changes induced by the treatment. It is postulated that the intestinal EMG activity was related to a retrograde movement of chyme from the intestine to the stomach. These findings suggest that monitoring of intestinal EMG activity, perhaps in combination with heart rate, may provide the best indicator of the onset of nausea following treatments and in disease conditions, including GI disease, associated with emesis.

Although electrogastrography (EGG) could be a critical tool in the diagnosis and treatment of patients with gastrointestinal (GI) disease, it remains under-utilized. The lack of spatial and temporal resolution using current EGG methods presents a significant roadblock to more widespread usage. Human and preclinical studies have shown that GI myoelectric electrodes can record signals containing significantly more information than can be derived abdominal surface electrodes. The current study sought to assess the efficacy of multi-electrode arrays, surgically implanted on the serosal surface of the GI tract, from gastric fundus to duodenum, in recording myoelectric signals. It also examines the potential for machine learning algorithms to predict functional states, such as retching and emesis, from GI signal features. Studies were performed using ferrets, a gold standard model for emesis testing. Our results include simultaneous recordings from up to six GI recording sites in both anesthetized and chronically implanted free-moving ferrets. Testing conditions to produce different gastric states included gastric distension, intragastric infusion of emetine (a prototypical emetic agent), and feeding. Despite the observed variability in GI signals, machine learning algorithms, including k nearest neighbors and support vector machines, were able to detect the state of the stomach with high overall accuracy (>80%). The present study is the first demonstration of machine learning algorithms to detect the physiological state of the stomach and onset of retching and could provide insight into methodologies to treat GI diseases and control symptoms such as nausea and vomiting.

Considerable evidence demonstrates that the vestibular system contributes to regulating sympathetic nerve activity and blood pressure. Initial studies in decerebrate animals showed that presumed pre-sympathetic neurons in the rostral ventrolateral medulla (RVLM) respond to small-amplitude (<10°) rotations of the body, as in other brain areas that process vestibular signals, despite the fact that such movements do not appreciably affect blood distribution in the body. However, a subsequent experiment in conscious animals showed that few RVLM neurons respond to small-amplitude movements. This study tested the hypothesis that vestibular inputs to RVLM neurons are modulated in conscious animals, such that vestibulosympathetic responses are only elicited when changes in body position are large enough to require changes in sympathetic nerve activity. The activity of approximately a third of RVLM neurons whose firing rate was related to the cardiac cycle, and thus likely received baroreceptor inputs, responded to vestibular inputs elicited by 40° head-up tilts in conscious cats, but not during 10° sinusoidal rotations in the pitch plane that affected the activity of neurons in brain regions providing inputs to the RVLM. These data suggest the existence of brain circuitry that suppresses vestibular influences on the activity of RVLM neurons and the sympathetic nervous system unless these inputs are physiologically warranted. We also determined that RVLM activity is not altered prior to tilts when a light cue is provided signaling the movement. The simplest interpretation of this findings is that feedforward cardiovascular responses are associated with active movement such as occurs during exercise, but not passive movements that require cardiovascular adjustments.