Sudden unexpected death in epilepsy (SUDEP) is the leading cause of death in refractory epilepsy patients. Despite previous accumulating evidence has shown that seizure-induced respiratory arrest (S-IRA) may play the main contributor to SUDEP as an initiating event preeminent cause of mortality, the specific underlying mechanism of action remains unclear. Based on our previous work, serotonin (5-HT) signaling in the dorsal raphe nucleus (DRN) is strongly implicated in S-IRA in animal models, including the DBA/1 mice, on the meanwhile, norepinephrine (NE) neurons of the locus coeruleus (LC) also plays a vital role in regulating respiratory function on its own. Superficially, monoaminergic neuron, as important neurotransmitters in the central nervous system, have similar modes of action in the maintenance of nervous system balance, and each of them has a regulatory effect on SUDEP. However, it remains to be investigated whether monoaminergic neuron family (NE and 5-HT) are related in the mechanism of regulating SUDEP, what is even more curious is whether the two are intrinsically linked. Thus, we hypothesize neural mechanism of central noradrenergic and serotonergic circuits in modulating SUDEP in a synergistic-dependent manner, this endeavor will culminate in a significant breakthrough in elucidating the precise mechanism of action underlying SUDEP. In our study, we will use chemogenetics, optogenetics, calcium signal recording, and bidirectional tracing to explore the internal mechanism of DR-LC regulating the occurrence of SUDEP, and by specifically injecting 5-HT2AR antagonist Ketanserin (KET) and/or NEα-1R antagonist Prazosin into the pre-Botzinger complex (PBC), it was finally elucidate that the DR-LC-PBC network can effectively reduce the incidence of SIRA. We firstly proposed a powerful target for exploring the reduction of the incidence of SUDEP, which has great clinical translation potential.

Abstract Sudden unexpected death of epilepsy (SUDEP) is the leading cause of of death in patients with epilepsy. Due to the complicated pathogenesis of SUDEP, however, the exact mechanism of SUDEP remains elusive. Currently, although it is recognized that the seizure-induced respiratory arrest (S-IRA) may be a main cause for SUDEP, other factors resulting in SUDEP can not be excluded e.g arrhythmias. Our previous findings indicated that the incidence of S-IRA and SUDEP evoked by acoustic stimulation or pentetrazol (PTZ) injection was significantly reduced by atomoxetine, a norepinephrine reuptake inhibitor (NRI), suggesting that noradrenergic neurotransmission modulates S-IRA and SUDEP. Given that norepinephrine acts on the target to modulate respiratory and circulation function by targeting adrenergic receptor α and beta (a-AR and β-AR) and the arrhythmias can be contributed to SUDEP. Meanwhile, to further test whether cardiac factors are implicated in S-IRA and SUDEP, we choose esmolol hydrochloride, a selective antagonist of β1-AR to test it in our models. Our findings demonstrated that the lower incidence of S-IRA and SUDEP evoked by acoustic stimulation or PTZ injection in DBA/1 mice by administration with atomoxetine was significantly reversed by intraperitoneal (IP) of esmolol hydrochloride. Importantly, the data of electrocardiogram (ECG) showed that the cardiac arrhythmia including the ventricular tachycardia, ventricular premature beat and atrioventricular block can be evoked by acoustic stimulation or PTZ injection in our model. Administration of atomoxetine significantly reduced these arrhythmias and the incidence of S-IRA and SUDEP in our models. However, administration of esmolol hydrochloride with the dose without affecting ECG and mortality changing of DBA/1 significantly blocking the protective effects of atomoxetine on S-IRA and SUDEP in our models. Thus, the dysfunction of respiratory and circulation may be implicated in the pathogenesis of S-IRA and SUDEP. Enhancing the central norepinephrinergic neurotransmission in the brain contributes to inhibition of seizure-induced respiratory arrest by targeting β1-AR locating in the cardiomyocytes. Furthermore, the suppression effects of S-IRA by atomoxetine was significantly reversed by the norepinephrine neuronal degradation in the LC in our models. Furthermore, PTZ-induced Tyrosine hydroxylase (TH), the rate-limiting enzyme in the synthesis of norepinephrine, activity but not TH content from the serum of left ventricle and the whole heart tissue was reduced following the S-IRA. Our findings will show a new light on decoding the pathogenesis of SUDEP concerning the pathway between the LC and heart.

Abstract In order to explore the mechanism of general anesthesia emergence, based on the common clinical phenomenon-delayed emergence, we explore the role of 5-hydroxytryptamine (5-HT) neurons in the dorsal raphe nucleus in promoting awakening from sevoflurane anesthesia in mice model. In this study, C57BL/6J male mice were selected to specifically activate or inhibit 5-HT neurons in the dorsal raphe nucleus (DRN) and different 5-HT receptors by intraperitoneal, lateral ventricle, intranuclear or DRN injection of agonists/antagonists and optogenetics during the sevoflurane anesthesia to record and observe the anesthesia induction and emergence time of mice. Through intraventricular infusion and intranuclear microinjection of 5-HT and the agonists or antagonists of different 5-HT receptors, our data showed that 5-HT and 5-HT1A and 2A/C receptors, especially 5-HT1A receptor, are involved in the regulation of delayed awakening mediated by DRN 5-HT neurons. This can provide a reliable theoretical basis as well as potential targets for clinical intervention to prevent delayed emergence and some postoperative risks. Graphical Abstract

Abstract Although some advancements concerning the arousal involved in mediating the delayed emergency from general anesthesia, which will lead to the serious complications, had been made, the role by arousal in modulating in delayed emergency still remains to be unclear. In our models, based on our previous working that activation of the 5-Hydroxytryptamine (5-HT) neurons in the dorsal raphe nucleus (DRN) by optogenetics can significantly reduce the emergency time by activating arousal pathway, we further test whether the serotonergic neural circuit between the DRN and the basolateral amygdala (BLA) is implicated in modulating the arousal from the sevoflurane anesthesia and the emergency time of sevoflurane anesthesia by the pharmacological, optogenetics and fiber photometry. Our findings showed that whether the serotonergic neural circuit between the DRN and the basolateral amygdala (BLA) plays a key role in modulating the arousal from the sevoflurane anesthesia and the emergency time of sevoflurane anesthesia. Based on the serotonergic neural circuit, the 5-HT 1 A receptor is of great significance to mediate the arousal and the emergency time of the sevoflurane anesthesia. Graphical Abstract Figure1

Abstract Sudden unexpected death in epilepsy (SUDEP) is the leading cause of death among epilepsy patients, occurring even more frequently in cases with anti-epileptic drug resistance. However, the underlying mechanism of SUDEP remains elusive. Our previous study demonstrated that enhancement of serotonin (5-HT) synthesis by intraperitoneal (IP) injection of 5-hydroxytryptophan (5-HTP) significantly reduced the incidence of seizure-induced respiratory arrest (S-IRA) in a DBA/1 mouse SUDEP model. Given that the 5-HT2A receptor (5-HT2AR) plays an important role in mediating the respiration system in the brain, we hypothesized that 5-HT2AR plays a key role in S-IRA and SUDEP. To test this hypothesis, we examined whether the decreased incidence of S-IRA evoked by either acoustic stimulation or pentylenetetrazole (PTZ) injection following 5-HTP administration will be blocked by treatment with ketanserin (KET), a selective antagonist of 5HT2AR, in the DBA/1 mouse SUDEP model. We observed that the reduction in S-IRA by 5-HTP was significantly reversed by IP or intracerebroventricular injection of KET. Considering the localization of 5-HT2AR in the pre-Bötzinger complex (PBC), which plays a key role in regulating respiratory rhythm, we next examined whether KET acts on 5-HT2AR in the PBC. To test this hypothesis, we activated the neural circuit between the dorsal raphe nucleus (DR) and PBC using optogenetics technology. We observed that stimulation of TPH2-ChETA-expressing neurons in the DR reduced the incidence of S-IRA evoked by PTZ, and this suppressant effect was significantly reversed by administration of KET in the bilateral PBC with no changes in electroencephalogram activity. The neural circuit between the DR and PBC was confirmed by injection of cholera toxin subunit B555 (CTB-555), a nerve tracer, in the DR or PBC separately. Calcium signaling evoked by PTZ within neurons of the PBC during seizures was significantly reduced by photostimulation of the DR. Taken together, our findings suggest that 5-HT2AR plays a critical role in regulating S-IRA and targeting the serotonergic neural circuit between the DR and PBC is a promising approach to preventing SUDEP.

Abstract The advent of midazolam holds profound implications for modern clinical practice. The hypnotic and sedative effects of midazolam afford it broad clinical applicability. However, the specific mechanisms underlying the modulation of altered consciousness by midazolam remain elusive. Herein, using pharmacology, optogenetics, chemogenetics, fiber photometry, and gene knockdown, we revealed the role of locus coeruleus (LC)-ventrolateral preoptic nucleus (VLPO) noradrenergic neural circuit in regulating midazolam-induced altered consciousness. This effect was mediated by α1 adrenergic receptors. Moreover, gamma-aminobutyric acid receptor type A (GABAA-R) represents a mechanistically crucial binding site in the LC for midazolam. Our findings will provide novel insights into the neural circuit mechanisms underlying the recovery of consciousness after midazolam administration and will help guide the timing of clinical dosing and propose effective intervention targets for timely recovery from midazolam-induced loss of consciousness.

The advent of midazolam holds profound implications for modern clinical practice. The hypnotic and sedative effects of midazolam afford it broad clinical applicability. However, the specific mechanisms underlying the modulation of altered consciousness by midazolam remain elusive. Herein, using pharmacology, optogenetics, chemogenetics, fiber photometry, and gene knockdown, this in vivo research revealed the role of locus coeruleus (LC)-ventrolateral preoptic nucleus noradrenergic neural circuit in regulating midazolam-induced altered consciousness. This effect was mediated by α1 adrenergic receptors. Moreover, gamma-aminobutyric acid receptor type A (GABAA-R) represents a mechanistically crucial binding site in the LC for midazolam. These findings will provide novel insights into the neural circuit mechanisms underlying the recovery of consciousness after midazolam administration and will help guide the timing of clinical dosing and propose effective intervention targets for timely recovery from midazolam-induced loss of consciousness.