Although endocannabinoids constitute one of the first lines of defense against pain, the anatomical locus and the precise receptor mechanisms underlying cannabinergic modulation of pain are uncertain. Clinical exploitation of the system is severely hindered by the cognitive deficits, memory impairment, motor disturbances and psychotropic effects resulting from the central actions of cannabinoids. We deleted the type 1 cannabinoid receptor (CB1) specifically in nociceptive neurons localized in the peripheral nervous system of mice, preserving its expression in the CNS, and analyzed these genetically modified mice in preclinical models of inflammatory and neuropathic pain. The nociceptor-specific loss of CB1 substantially reduced the analgesia produced by local and systemic, but not intrathecal, delivery of cannabinoids. We conclude that the contribution of CB1-type receptors expressed on the peripheral terminals of nociceptors to cannabinoid-induced analgesia is paramount, which should enable the development of peripherally acting CB1 analgesic agonists without any central side effects.

Abstract Patch-Clamp recordings allow for in depth electrophysiological characterization of single cells, their general biophysical properties as well as characteristics of voltage- and ligand-gated ionic currents. Different acquisition modes, such as whole-cell patch-clamp recordings in the current or voltage clamp configuration, capacitance measurements or single channel recordings from cultured cells as well as acute brain slices are routinely performed for these purposes. Nevertheless, multipurpose transparent and adaptable software tools to perform reproducible state-of-the-art analysis of multiple experiment types and to manage larger sets of experimental data are currently unavailable. We therefore developed Biophysical Essentials (BPE) as an open-source python software for transparent and reproducible analysis of electrophysiological recordings. While initially designed to improve time consuming and repetitive analysis steps, BPE was optimized to cover entire workflows from data acquisition, preprocessing, visualization and normalization of single recordings up to stacked calculations and statistics of multiple experiments. BPE can operate with different file formats from different amplifier systems and producers. An in-process database logs all analysis steps for later review and serves as a central storage point for recordings. Statistical testing as well as advanced analysis functions like Boltzmann-fitting and dimensional reduction methods further support the researchers’ needs in projects involving electrophysiology techniques. Impact statement Biophysical Essentials provides fundamental support for transparent patch-clamp analysis to improve reproducibility in electrophysiology research.

Abstract Nociceptors are primary afferent neurons serving the reception of acute pain but also the transit into maladaptive pain disorders. Since native human nociceptors are hardly available for mechanistic functional research, and rodent models do not necessarily mirror human pathologies in all aspects, human iPSC-derived nociceptors (iDN) offer superior advantages as a human model system. Unbiased mRNA::microRNA co-sequencing, immunofluorescence staining and qPCR validations, revealed expression trajectories as well as miRNA target spaces throughout the transition of pluripotent cells into iDNs. mRNA and miRNA candidates emerged as regulatory hubs for neurite outgrowth, synapse development and ion channel expression. The exploratory data analysis tool NOCICEPTRA is provided as a containerized platform to retrieve experimentally determined expression trajectories, and to query custom gene sets for pathway and disease enrichments. Querying NOCICEPTRA for marker genes of cortical neurogenesis revealed distinct similarities and differences for cortical and peripheral neurons. The platform provides a public domain neuroresource to exploit the entire data sets and explore miRNA and mRNA as hubs regulating human nociceptor differentiation and function.

Fabry disease (FD) patients are known to be at high risk of developing neuropsychiatric symptoms such as anxiety, depression and cognitive deficits. Despite this, they are underdiagnosed and inadequately treated. It is unknown whether these symptoms arise from pathological glycosphingolipid deposits or from cerebrovascular abnormalities affecting neuronal functions in the central nervous system. We therefore aimed to fill this knowledge gap by exploring a transgenic FD mouse model with a combination of behavior, transcriptomic, functional and morphological assessments, with a particular focus on the hippocampus. Male FD mice exhibited increased anxiety-like behavior in the open field test, accompanied by a reduced exploratory drive in the Barnes maze, which could be related to the increased deposition of globotriaosylceramide (Gb3) identified in the dentate gyrus (DG). Hippocampus single-cell sequencing further revealed that Gb3 accumulation was associated with differential gene expression in neuronal and non-neuronal cell populations with granule, excitatory and interneurons, as well as microglia and endothelial cells as the main clusters with the most dysregulated genes. Particularly FD hippocampal neurons showed decreased electrical baseline activity in the DG and increased activity in the CA3 region of acutely dissected hippocampal slices. Our study highlights transcriptional and functional alterations in non-neuronal and neuronal cell clusters in the hippocampus of FD mice, which are suggested to be causally related to anxiety-like behavior developing as a consequence of FD pathology in mouse models of the disease and in patients.

Abstract Non-coding RNAs (ncRNAs) play a critical role in regulating gene expression during development and in the pathogenesis of diseases. In particular, microRNAs have been extensively studied in the context of neurogenesis, the differentiation of pain sensing nociceptive neurons and the pathogenesis of pain disorder, however, little is known about the developmental signatures of other ncRNA species throughout sensory neuron differentiation. Moreover, there is currently no information available about the general expression signatures of ncRNAs in human dorsal root ganglia (DRGs) harboring the cell bodies of primary afferent nociceptors. To bridge this knowledge gap, we developed a comprehensive atlas of small ncRNA species signatures during the differentiation of human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived nociceptive neurons. By employing a combination of iPSC-derived sensory neuron and human DRG long and short RNA co-sequencing, we identified specific signatures that describe the developmental processes and the signatures of all currently known small ncRNA species in detail. Our analysis revealed that different ncRNA species, including tRNAs, snoRNAs, lncRNAs, and piRNAs, are associated with different stages of sensory neuron differentiation and maturation. We retrieved pronounced similarities in ncRNA expression between human DRG and late-stage iPSC-derived sensory neurons, which further supports the use of iPSC-derived sensory neurons to uncover functional and regulatory changes in ncRNAs and their suitability as a as a human model system to bridge the translational gap between preclinical findings mostly from rodent models and our understanding of human disorders for the development of mechanism-based treatments. In summary, our findings provide important insights into the role of ncRNA species other than microRNAs in human nociceptors. The updated NOCICEPTRA2.0 Tool will be the first fully comprehensive searchable ncRNA database for human sensory neurons enabling researchers to investigate important hub ncRNA regulators in nociceptors in full detail.

Abstract The prototypical pleiotropic anti-inflammatory cytokine IL-4 not only acts on immune cells but also has important roles in the nervous system mediating antinociception and neuroregeneration. Therefore, we explored the expression of IL-4, its receptors IL4RA and IL13RA1 and downstream signaling components together with morphological and functional assays as well as transcriptomic profiling in human nociceptors differentiating from induced pluripotent stem cells (iNocs). IL-4 induced de novo formation of synaptic boutons immunoreactive for vesicular glutamate transporter vGLUT1 in iNocs which express both, components of the IL-4 receptor complex (IL-4RA and IL-13RA1) and signaling machinery (Jak1/2, STAT6, PKC isoforms, translation factor EiF4E) during differentiation. Pharmacological inhibition of these translational or cellular signaling components reduced the synaptogenic effect. IL-4 induced distinct transcriptomic changes associated with biological process ontologies for “neuron projection development”, “axonogenesis” and “synapse”, “cellular process involved in reproduction in multicellular organism”, “regulation of membrane potential” and “calcium ion transmembrane transport”. This partially reflected injury-induced transcriptional changes of mouse nerve injury models which contribute to regenerative processes in peripheral nerve but possibly also to reconnecting primary afferent neurons to their projections in the spinal dorsal horn and indicates a critical role for IL-4 in the control of developing and established neuronal networks.