Lamina II contains a large number of interneurons involved in modulation and transmission of somatosensory (including nociceptive) information. However, its neuronal circuitry is poorly understood due to the difficulty of identifying functional populations of interneurons. This information is important for understanding nociceptive processing and for identifying changes that underlie chronic pain. In this study, we compared morphology, neurotransmitter content, electrophysiological and pharmacological properties for 61 lamina II neurons recorded in slices from adult rat spinal cord. Morphology was related to transmitter content, since islet cells were GABAergic, while radial and most vertical cells were glutamatergic. However, there was considerable diversity among the remaining cells, some of which could not be classified morphologically. Transmitter phenotype was related to firing pattern, since most (18/22) excitatory cells, but few (2/23) inhibitory cells had delayed, gap or reluctant patterns, which are associated with A-type potassium (I(A)) currents. Somatostatin was identified in axons of 14/24 excitatory neurons. These had variable morphology, but most of those tested showed delayed-firing. Excitatory interneurons are therefore likely to contribute to pain states associated with synaptic plasticity involving I(A) currents. Although noradrenaline and serotonin evoked outward currents in both inhibitory and excitatory cells, somatostatin produced these currents only in inhibitory neurons, suggesting that its pro-nociceptive effects are mediated by disinhibition. Our results demonstrate that certain distinctive populations of inhibitory and excitatory interneuron can be recognised in lamina II. Combining this approach with identification of other neurochemical markers should allow further clarification of neuronal circuitry in the superficial dorsal horn.

Abstract Osteoporosis disrupts the fine-tuned balance between bone formation and resorption leading to reductions in bone quantity and quality, ultimately leading to increased fracture risk. Prevention and treatment of osteoporotic fractures is essential, for reductions in mortality, morbidity and the economic burden, particularly considering the ageing global population. Extreme bone loss that mimics time-accelerated osteoporosis develops in the paralysed limbs following complete spinal cord injury (SCI). In vitro nanoscale vibration (1 kHz, 30- or 90 nm amplitude) has been shown to drive differentiation of mesenchymal stem cells towards osteoblast-like phenotypes, enhancing osteogenesis, and inhibiting osteoclastogenesis, simultaneously. Here we develop and characterise a wearable device designed to deliver continuous nano-amplitude vibration to the hindlimb long bones of rats with complete SCI. We investigate whether a clinically feasible dose of nanovibration (4-hours/day, 5-days/week for 6 weeks) is effective at reversing the established SCI-induced osteoporosis. Laser interferometry and finite element analysis confirmed transmission of nanovibration into the bone, and micro-computed tomography and serum bone formation and resorption markers assessed effectiveness. The intervention did not reverse SCI-induced osteoporosis. However, serum analysis indicated an elevated concentration of the bone formation marker procollagen type 1 N-terminal propeptide (P1NP) in rats receiving 40 nm amplitude nanovibration, suggesting increased synthesis of type 1 collagen, the major organic component of bone. Therefore, enhanced doses of nanovibrational stimulus may yet prove beneficial in attenuating/reversing osteoporosis, particularly in less severe forms of osteoporosis.

ABSTRACT Somatosensory information is processed by a complex network of interneurons in the spinal dorsal horn. It has been reported that inhibitory interneurons that express neuropeptide Y (NPY), either permanently or during development, suppress mechanical itch, with no effect on pain. Here we investigate the role of interneurons that continue to express NPY (NPY-INs) in adulthood. We find that chemogenetic activation of NPY-INs reduces behaviours associated with acute pain and pruritogen-evoked itch, whereas silencing them causes exaggerated itch responses that depend on cells expressing the gastrin-releasing peptide receptor. As predicted by our previous studies, silencing of another population of inhibitory interneurons (those expressing dynorphin) also increases itch, but to a lesser extent. Importantly, NPY- IN activation also reduces behavioural signs of inflammatory and neuropathic pain. These results demonstrate that NPY-INs gate pain and itch transmission at the spinal level, and therefore represent a potential treatment target for pathological pain and itch.

The gut-brain axis allows bi-directional communication between the enteric and central nervous systems. Short chain fatty acids (SCFAs) generated by the gut microbiota are important regulators of this interface. However, defining mechanisms by which SCFAs do so has been challenging because, amongst various roles, they co-activate both of a pair of closely related and poorly characterized G protein-coupled receptors, FFA2 and FFA3. Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs (DREADDs) can provide an important approach in defining receptor-specific functions. By screening a library of carboxylate-containing small molecules we identified 4-methoxy-3-methyl-benzoic acid (MOMBA) as a specific agonist of a DREADD variant of FFA2 which is not activated by SCFAs. Using mice engineered to replace FFA2 with this FFA2-DREADD, whilst retaining FFA3 expression, combinations of MOMBA and the now FFA3 receptor selective SCFAs defined key, but distinct, roles of FFA2 and FFA3 in each of gut transit time, secretion of entero-endocrine hormones, and communication from the gut to each of autonomic and somatic sensory ganglion cells and the spinal cord. These studies map mechanisms and signalling pathways by which each of FFA2 and FFA3 act to link the gut and the brain and provide both animal models and novel tool compounds to further explore this interface.