Abstract Laser evoked potentials (LEPs) – the EEG response to temporally-discrete thermal stimuli – are commonly used in experimental pain studies in humans. Such stimuli selectively activate nociceptors and produce EEG features which correlate with pain intensity. The rodent LEP has been proposed to be a translational biomarker of nociception and pain, however its validity has been questioned because of reported differences in the classes of nociceptive fibres mediating the response. Here we use a machine learning, trial by trial analysis approach on wavelet-denoised LEPs generated by stimulation of the plantar hindpaw of rats. The LEP amplitude was more strongly related to behavioural response than to laser stimulus energy. A simple decision tree classifier using LEP features was able to predict behavioural responses with 73% accuracy. An examination of the features used by the classifier showed that mutually exclusive short and long latency LEP peaks were clearly seen in single-trial data, yet were not evident in grand average data pooled from multiple trials. This bimodal distribution of LEP latencies was mirrored in the paw withdrawal latencies which were preceded and predicted by the LEP responses. The proportion of short latency events was increased after intradermal application of high dose capsaicin (to defunctionalise TRPV1 expressing nociceptors), suggesting they were mediated by Aδ-fibres (specifically AMH-I). These findings demonstrate that both C- and Aδ-fibres contribute to rodent LEPs and concomitant behavioural responses, providing a real-time assay of specific fibre function in conscious animals. Single-trial analysis approaches can improve the utility of LEPs as a translatable biomarker of pain.

Summary Pain perception is decreased by shifting attentional focus away from a threatening event. This attentional analgesia engages parallel descending control pathways from anterior cingulate (ACC) to locus coeruleus, and ACC to periaqueductal grey (PAG) – rostral ventromedial medulla (RVM), indicating possible roles for noradrenergic or opioidergic neuromodulators. To determine which pathway modulates nociceptive activity in humans we used simultaneous whole brain-spinal cord pharmacological-fMRI (N=39) across three sessions. Noxious thermal forearm stimulation generated somatotopic-activation of dorsal horn (DH, C6 segment) whose activity mirrored attentional pain modulation. Activity in an adjacent cluster reported the interaction between task and noxious stimulus. Effective connectivity analysis revealed that ACC recruits PAG and RVM to modulate spinal cord activity. Blocking endogenous opioids with Naltrexone impairs attentional analgesia and disrupts RVM-DH and ACC-PAG connectivity. Noradrenergic augmentation with Reboxetine did not alter attentional analgesia. Cognitive pain modulation is mediated by opioidergic ACC-PAG-RVM descending control which supresses spinal nociceptive activity.

Micturition, the co-ordinated process of expulsion of urine from the bladder, requires precise control of bladder and urethral sphincter via parasympathetic, sympathetic and somatic motoneurons. In adult mammals this involves a spinobulbospinal control circuit incorporating Barrington's nucleus in the pons (Barr). The largest Barr cell population is comprised of pontospinal glutamatergic neurons that express corticotrophin-releasing hormone. There is evidence that BarrCRH neurons can generate bladder contractions but it is unknown whether they act as a simple switch or a high-fidelity pre-parasympathetic motor drive and whether their activation can actually trigger voids. Combined opto- and chemo-genetic manipulations along with recordings in mice shows that BarrCRH neurons provide a probabilistic drive that generates co-ordinated voids or non-voiding contractions depending on the phase of the micturition cycle. These findings inform a new inferential model of micturition and emphasise the importance of the state of the spinal gating circuit in the generation of voiding.

Pain perception is diminished when attention is diverted. Our previous human fMRI study, using a 2x2 factorial design with thermal stimuli and concurrent visual attention task, linked the brainstem triad of locus coeruleus (LC), rostroventromedial medulla (RVM) and periaqueductal grey (PAG) to attentional analgesia. This study was repeated with a larger cohort, replicating our earlier findings. Pain intensity was encoded by the RVM, whilst activity in the contralateral LC correlated with the magnitude of attentional analgesia. Psycho-Physiological Interaction analysis informed subsequent Dynamic Causal Modelling and identified two parallel paths between forebrain and the brainstem regions involved in analgesia. These cortico-brainstem connections were modulated by attentional demand: a bidirectional anterior cingulate cortex (ACC) – right-LC loop, and a top-down influence of task on ACC-PAG-RVM. Under conditions of competing attentional demands the ACC recruits discrete brainstem circuits to modulate nociceptive input.

The locus coeruleus (LC) projects throughout the brain and spinal cord and is the major source of central noradrenaline. It remains unclear whether the LC acts functionally as a single global effector or as discrete modules. Specifically, while spinal-projections from LC neurons can exert analgesic actions, it is not known whether they can act independently of ascending LC projections. Using viral vectors taken up at axon terminals, we expressed chemogenetic actuators selectively in LC neurons with spinal (LC:SC) or prefrontal cortex (LC:PFC) projections. Activation of the LC:SC module produced robust, lateralised analgesia while activation of LC:PFC produced aversion. In a neuropathic pain model, LC:SC activation reduced hind-limb sensitization and induced conditioned place preference. By contrast, activation of LC:PFC exacerbated spontaneous pain, produced aversion and increased anxiety-like behaviour. This independent, contrasting modulation of pain-related behaviours mediated by distinct noradrenergic modules provides evidence for a discrete functional organisation of the LC.

Abstract The loss of descending inhibitory control is thought critical to the development of chronic pain but what causes this loss in function is not well understood. We have investigated the dynamic contribution of prelimbic cortical neuronal projections to the periaqueductal grey (PrL-P) to the development of neuropathic pain in rats using combined opto- and chemo-genetic approaches. We found PrL-P neurons to exert a tonic inhibitory control on thermal withdrawal thresholds in uninjured animals. Following nerve injury, ongoing activity in PrL-P neurons masked latent hypersensitivity and improved affective state. However, this function is lost as the development of sensory hypersensitivity emerges. Despite this loss of tonic control, opto-activation of PrL-P neurons at late post-injury timepoints could restore the anti-allodynic effects by inhibition of spinal nociceptive processing. We suggest that the loss of cortical drive to the descending pain modulatory system underpins the expression of neuropathic sensitisation after nerve injury.

Abstract The Locus Coeruleus (LC) is the primary noradrenergic nucleus in the brain with widespread projections driving changes in cognitive state and animal behaviour. The LC is composed of multiple “modules” with specific efferent target domains enabling discretional neuromodulation. LC neuronal activity releases noradrenaline within the nucleus as a local feedback mechanism, but it is not known how this influences modular output. We address this question using whole-cell recordings and calcium imaging in rat pontine slices in combination with LC neuronal ensemble modelling to assess the influence of local noradrenaline release on cross-modular interactions. Electrophysiological recordings of LC neurons from rats transduced with the optogenetic actuator ChR2 showed auto-inhibition and lateral inhibition (of surrounding non-transduced neurons). This inhibition was strongly frequency dependent and was mediated by noradrenaline acting on alpha2-adrenceptors (α2R). To allow calcium-imaging of LC neuronal ensembles a Canine-Adenoviral vector strategy was developed using the PRS promoter to drive selective expression GCaMP6s. Calcium imaging allowed resolution of both increases and decreases in LC activity (to TTX / clonidine or high potassium). Selective chemogenetic-activation of subsets of LC neurons (expressing the ionotropic actuator PSAM) revealed both a direct excitation (after application of PSEM308, 3-30µM) and an α2R-mediated inhibition of neighbouring LC cells (non-transduced). Differential retrograde targeting of PSAM or GCaMP6s to specific LC modules showed the presence of strong, reciprocal cross-modular inhibition (shown for the LC-olfactory bulb vs LC bulbospinal modules) and a subsequent rebound activity inversion. This represents a preferential, targeted, cross-modular, lateral inhibition within the LC rather than a non-specific surround inhibition. Computational modelling showed the emergence of lateral inhibition and biphasic responses to modular activation when α2R signalling and noradrenergic reuptake saturation were included. This interaction may facilitate recruitment of neuronal ensembles by coherent inputs and represents a bottom-up differential contrast-enhancement mechanism within the LC to produce a modality specific focus.

Abstract Torpor is a naturally occurring, hypometabolic, hypothermic state engaged by a wide range of animals in response to imbalance between the supply and demand for nutrients. Recent work has identified some of the key neuronal populations involved in daily torpor induction in mice, in particular projections from the preoptic area of the hypothalamus (POA) to the dorsomedial hypothalamus (DMH). The DMH plays a role in thermoregulation, control of energy expenditure, and circadian rhythms, making it well positioned to contribute to the expression of torpor. We used activity dependent genetic TRAPing techniques to target DMH neurons that were active during natural torpor bouts in female mice. Chemogenetic reactivation of torpor-TRAPed DMH neurons in calorie-restricted mice promoted torpor, resulting in longer and deeper torpor bouts. Chemogenetic inhibition of torpor-TRAPed DMH neurons did not block torpor entry, suggesting a modulatory role for the DMH in the control of torpor. This work adds to the evidence that the POA and the DMH form part of a circuit within the mouse hypothalamus that controls entry into daily torpor. Significance Daily heterotherms such as mice employ torpor to cope with environments in which the supply of metabolic fuel is not sufficient for the maintenance of normothermia. Daily torpor involves reductions in body temperature, as well as active suppression of heart rate and metabolism. How the central nervous system controls this profound deviation from normal homeostasis is not known, but a projection from the preoptic area to the dorsomedial hypothalamus has recently been implicated. We demonstrate that the dorsomedial hypothalamus contains neurons that are active during torpor. Activity in these neurons promotes torpor entry and maintenance, but their activation alone does not appear to be sufficient for torpor entry.

The locus coeruleus (LC) in the pons is the major source of noradrenaline (NA) in the brain. Two modes of LC firing have been associated with distinct cognitive states: changes in tonic rates of firing are correlated with global levels of arousal and behavioural flexibility, whilst phasic LC responses are evoked by salient stimuli. Here, we unify these two modes of firing by modelling the response of the LC as a correlate of a prediction error when inferring states for action planning under Active Inference (AI). We simulate a classic Go/No-go reward learning task and a three-arm foraging task and show that, if LC activity is considered to reflect the magnitude of high level 'state-action' prediction errors, then both tonic and phasic modes of firing are emergent features of belief updating. We also demonstrate that when contingencies change, AI agents can update their internal models more quickly by feeding back this state-action prediction error - reflected in LC firing and noradrenaline release - to optimise learning rate, enabling large adjustments over short timescales. We propose that such prediction errors are mediated by cortico-LC connections, whilst ascending input from LC to cortex modulates belief updating in anterior cingulate cortex (ACC). In short, we characterise the LC/ NA system within a general theory of brain function. In doing so, we show that contrasting, behaviour-dependent firing patterns are an emergent property of the LC's crucial role in translating prediction errors into an optimal mediation between plasticity and stability.