The lack of satisfactory treatment for persistent pain profoundly impairs the quality of life for many patients. Stimulation of brainstem pain control systems can trigger powerful analgesia, but their complex network organization frequently prevents separation of analgesia from side effects. To overcome this long-standing challenge, we developed a biocompatible gelatin-embedded cluster of ultrathin microelectrodes that enables fine-tuned, high-definition three-dimensional stimulation in periaqueductal gray/dorsal raphe nucleus in awake rats. Analgesia was assessed from both motor reactions and intracortical signals, corresponding to pain-related signals in humans. We could select an individual-specific subset of microelectrodes in each animal that reliably provided strong pain inhibition during normal and hyperalgesia conditions, without noticeable behavioral side effects. Gait, spontaneous cortical activity at rest, and cortical tactile responses were minimally affected, indicating a highly selective action. In conclusion, our developed biocompatible microelectrode cluster and stimulation paradigm reliably enabled powerful, fine-tuned, and selective analgesia without noticeable side effects.

Abstract A paradigm in neurology is that brain injury-induced motor deficits (e.g. hemiparesis and hemiplegia) arise due to aberrant activity of descending neural pathways. We discovered that a unilateral injury of the hindlimb sensorimotor cortex of rats with completely transected thoracic spinal cord produces hindlimb postural asymmetry with contralateral flexion, and asymmetric changes in nociceptive hindlimb withdrawal reflexes and gene expression patterns in lumbar spinal cord. The injury-induced postural effects were abolished by prior hypophysectomy and were mimicked by transfusion of serum from animals with unilateral brain injury. Antagonists of the opioid and vasopressin receptors blocked formation of hindlimb postural asymmetry suggesting that these neurohormones mediate effects of brain injury on lateralized motor responses. Our data indicate that descending neural control of spinal circuits is complemented by a previously unknown humoral signaling from injured brain to the contra- and ipsilesional hindlimbs, and suggest the existence of a body side-specific neuroendocrine regulation in bilaterally symmetric animals.

ABSTRACT The crossed descending neural tracts set a basis for contralateral effects of brain injury. In addition, the left-right side-specific effects of the unilateral brain lesions may be mediated by neurohormones through the humoral pathway as discovered in animals with disabled descending motor tracts. We here examined if counterparts of the endocrine system that convey signals from the left and right brain injuries differ in neural and molecular mechanisms. In rats with completely transected cervical spinal cords a unilateral injury of the hindlimb sensorimotor cortex produced hindlimb postural asymmetry with contralateral hindlimb flexion, a proxy for neurological deficit. The effects of the left and right side brain lesions were differently inhibited by antagonists of the δ-, κ- and µ-opioid receptors suggesting differential neuroendocrine control of the left-right side-specific hormonal signaling. Bilateral deafferentation of the lumbar spinal cord eliminated hormone-mediated effects of the left-side brain injury but not the right-side lesion suggesting their afferent and efferent mechanisms, respectively. Analysis of gene-gene co-expression patterns identified the left and right side-specific gene regulatory networks that were coordinated across the hypothalamus and lumbar spinal cord through the humoral pathway. The coordination was ipsilateral and perturbed by brain injury. These findings suggest that the neuroendocrine system that conveys left-right side-specific hormonal messages from injured brain is bipartite, contributes to contralateral neurological deficits through asymmetric neural mechanisms, and enables ipsilateral coordination of molecular processes across neural areas along the neuraxis. GRAPHICAL ABSTRACT

Abstract Disruption of neural tracts descending from the brain to the spinal cord after brain trauma and stroke causes postural and sensorimotor deficits. We previously showed that unilateral lesion to the sensorimotor cortex in rats with completely transected thoracic spinal cord produced asymmetry in hindlimb posture and withdrawal reflexes. Supraspinal signals to hindlimb muscles may be transmitted through the paravertebral chain of sympathetic ganglia that remain intact after the transection. We here demonstrated that prior transection of the spinal cord at the cervical level that was rostrally to segments with preganglionic sympathetic neurons, did not abolish formation of asymmetry in hindlimb posture and musculo-articular resistance to stretch after unilateral brain injury. Thus not the sympathetic system but humoral signals may mediate the effects of brain injury on the lumbar spinal circuits. The asymmetric responses in rats with transected spinal cords were eliminated by bilateral lumbar dorsal rhizotomy after the left-side brain injury, but resistant to deafferentation after the right-side brain lesion. Two mechanisms, one dependent on and one independent of afferent input may account for asymmetric hindlimb motor responses. Resistance to deafferentation may be due to sustained stretch- and effort-unrelated muscle contractions that is often observed in patients with central lesions. Left-right asymmetry is unusual feature of these mechanisms that both are activated by humoral signals. Graphical Abstract