Neurosteroids are naturally-occurring molecules in the brain that modulate neurotransmission. They are physiologically important since disrupting their biosynthesis precipitates neurological disorders, such as anxiety and depression. The endogenous neurosteroids, allopregnanolone and tetrahydro-deoxycorticosterone are derived from sex and stress hormones respectively, and exhibit therapeutically-useful anxiolytic, analgesic, sedative, anticonvulsant and antidepressant properties. Their main target is the γ-aminobutyric acid type-A inhibitory neurotransmitter receptor (GABAAR), whose activation they potentiate. However, whether specific GABAAR isoforms and neural circuits differentially mediate endogenous neurosteroid effects is unknown. By creating a knock-in mouse that removes neurosteroid potentiation from α2-GABAAR subunits, we reveal that this isoform is a key target for neurosteroid modulation of phasic and tonic inhibition, and is essential for the anxiolytic role of endogenous neurosteroids, but not for their anti-depressant or analgesic properties. Overall, α2-GABAAR targeting neurosteroids may act as selective anxiolytics for the treatment of anxiety disorders, providing new therapeutic opportunities for drug development.

Skeletal metastases are frequently accompanied by chronic pain that is mechanoceptive in nature and not easily managed by available therapies. The peripheral sensory profile of primary afferents responsible for transmitting the pain-related messages from cancerous bone to central sites is investigated here. We imaged thousands of primary sensory dorsal root ganglion neurons in vivo in healthy (sham-operated) and cancer-induced bone pain (CIBP) rats in order to analyse and compare their function. Utilising Markov Cluster Analysis we identified distinct clusters of primary afferent responses to limb compression and position. In CIBP rats, three times as many sensory afferents responded to knee compression in the leg ipsilateral to the tumour compared to sham-operated rats. We present evidence that the observed increase in sensory afferent response was not due to increased individual afferent activity but rather represents activation of ‘silent’ nociceptors, whose origin we propose is largely from outside of the bone.

Abstract In humans and animals, high frequency electrocutaneous stimulation (HFS) may produce an ‘early long-term potentiation-like’ sensitisation. Peripheral and central modulatory processes are proposed to play a role. To explore the impact of descending inhibitory pathway activation on the development of HFS-induced hyperalgesia, we concurrently applied HFS with i) a conditioned pain modulation (CPM) paradigm during psychophysical testing in humans, or ii) a diffuse noxious inhibitory controls (DNIC) paradigm during in vivo electrophysiological recording of spinal neurones in anaesthetised animals in parallel studies that utilised identical stimuli. HFS induced enhanced perceptual responses to pin-prick stimuli in cutaneous areas secondary to the area of stimulation in humans and heightened the excitability of spinal neurones in rats (which exhibited stimulus intensity dependent coded responses to pin-prick stimulation in a manner that tracked with human psychophysics), where we also observed indicators of increased central neuronal hyperexcitability. In humans, a HFS(+CPM) paradigm did not alter primary or secondary hyperalgesia, and the area and pain intensity of secondary hyperalgesia did not correlate with temporal summation of pain or CPM magnitude, while in rats application of a DNIC paradigm concurrent to HFS did not impact the development of neuronal hyperexcitability. Concordance between human and rat data supports their translational validity. Our finding that excitatory signalling exceeds inhibitory controls suggests that dampening facilitatory mechanisms may be a preferable strategy for certain chronic pain states. If facilitatory mechanisms dominate, our data could explain why enhancing activity in descending inhibitory controls is not sufficient to induce pain relief in vulnerable patients.

Abstract Pain resulting from metastatic bone disease is a major unmet clinical need. Studying spinal processing in rodent models of cancer pain is desirable since the percept of pain is influenced in part by modulation at the level of the transmission system in the dorsal horn of the spinal cord. Here a rodent model of cancer induced bone pain (CIBP) was generated following syngenic rat mammary gland adenocarcinoma cell injection in the tibia of male Sprague Dawley rats. Disease progression was classified as ‘early’ or ‘late’ stage according to bone destruction. Even though wakeful CIBP rats showed progressive mechanical hypersensitivity, subsequent in vivo electrophysiological measurement of mechanically evoked deep dorsal horn spinal neuronal responses revealed no change. Rather, a dynamic reorganization of spinal neuronal modulation by descending controls was observed, and this was maladaptive only in the early stage of CIBP. Interestingly, this latter observation corresponded with the degree of damage to the primary afferents innervating the cancerous tissue. Plasticity in the modulation of spinal neuronal activity by descending control pathways reveals a novel opportunity for targeting CIBP in a stage-specific manner. Finally, the data herein has translational potential since the descending control pathways measured are present also in man. Simple Summary The mechanisms that underlie pain resulting from metastatic bone disease remain elusive. This translates to a clinical and socioeconomic burden; targeted therapy is not possible, and patients do not receive adequate analgesic relief. Complicating matters is the heterogeneous nature of metastatic bone disease. Early stage cancers are molecularly very different to their late stage counterparts and so too is the pain associated with infant and advanced tumours. Thus, analgesic approaches should differ according to disease stage. In this article we demonstrate that a unique form of brain inhibitory control responsible for modulation of incoming pain signals at the level of the spinal cord changes with the progression of bone tumours, This corresponds with the degree of damage to the primary afferents innervating the cancerous tissue. Plasticity in the modulation of spinal neuronal activity by descending control pathways reveals a novel opportunity for targeting bone cancer pain in a stage-specific manner.