Nociceptive neurons within dorsal root ganglia (DRG) express multiple voltage-gated sodium channels, of which the tetrodotoxin-resistant (TTX-R) channel Nav1.8 has been suggested to play a major role in inflammatory pain. Previous work has shown that acute administration of inflammatory mediators, including prostaglandin E2 (PGE2), serotonin, and adenosine, modulates TTX-R current in DRG neurons, producing increased current amplitude and a hyperpolarizing shift of its activation curve. In addition, 4 days following injection of carrageenan into the hind paw, an established model of inflammatory pain, Nav1.8 mRNA and slowly-inactivating TTX-R current are increased in DRG neurons projecting to the affected paw. In the present study, the expression of sodium channels Nav1.1–Nav1.9 in small (≤25 μm diameter) DRG neurons was examined with in situ hybridization, immunocytochemistry, Western blot and whole-cell patch-clamp methods following carrageenan injection into the peripheral projection fields of these cells. The results demonstrate that, following carrageenan injection, there is increased expression of TTX-S channels Nav1.3 and Nav1.7 and a parallel increase in TTX-S currents. The previously reported upregulation of Nav1.8 and slowly-inactivating TTX-R current is not accompanied by upregulation of mRNA or protein for Nav1.9, an additional TTX-R channel that is expressed in some DRG neurons. These observations demonstrate that chronic inflammation results in an upregulation in the expression of both TTX-S and TTX-R sodium channels, and suggest that TTX-S sodium channels may also contribute, at least in part, to pain associated with inflammation.

This study was performed to examine the putative role of high mobility group box (HMGB) protein in the pathogenesis of acute lung injury (ALI). Observations were made (1) in 21 patients who were septic with ALI and 15 patients with normal lung function and (2) in a mouse model 24 hours after intratracheal instillation of lipopolysaccharide (LPS). The concentrations of HMGB1 were increased in plasma and lung epithelial lining fluid of patients with ALI and mice instilled with LPS. LPS-induced ALI was mitigated by anti-HMGB1 antibody. Although this protein was not detected in the plasma of control humans or mice, the concentrations of HMGB1 in lung epithelial lining fluid or in bronchoalveolar lavage fluid were unexpectedly high. The nuclear expression of HMGB1 was apparent in epithelial cells surrounding terminal bronchioles in normal mice, whereas its nuclear and cytoplasmic expression was observed in alveolar macrophages in LPS-instilled mice. Lung instillation of HMGB2 did not cause as much inflammation as HMGB1. Extracellular HMGB1 may play a key role in the pathogenesis of clinical and experimental ALI. However, its expression in normal airways is noteworthy and suggests that it also plays a physiologic role in the lung.

Temporal information processing in the range of a few hundred milliseconds to seconds involves the cerebellum and basal ganglia. In this chapter, we present recent studies on nonhuman primates. In the studies presented in the first half of the chapter, monkeys were trained to make eye movements when a certain amount of time had elapsed since the onset of the visual cue (time production task). The animals had to report time lapses ranging from several hundred milliseconds to a few seconds based on the color of the fixation point. In this task, the saccade latency varied with the time length to be measured and showed stochastic variability from one trial to the other. Trial-to-trial variability under the same conditions correlated well with pupil diameter and the preparatory activity in the deep cerebellar nuclei and the motor thalamus. Inactivation of these brain regions delayed saccades when asked to report subsecond intervals. These results suggest that the internal state, which changes with each trial, may cause fluctuations in cerebellar neuronal activity, thereby producing variations in self-timing. When measuring different time intervals, the preparatory activity in the cerebellum always begins approximately 500 ms before movements, regardless of the length of the time interval being measured. However, the preparatory activity in the striatum persists throughout the mandatory delay period, which can be up to 2 s, with different rate of increasing activity. Furthermore, in the striatum, the visual response and low-frequency oscillatory activity immediately before time measurement were altered by the length of the intended time interval. These results indicate that the state of the network, including the striatum, changes with the intended timing, which lead to different time courses of preparatory activity. Thus, the basal ganglia appear to be responsible for measuring time in the range of several hundred milliseconds to seconds, whereas the cerebellum is responsible for regulating self-timing variability in the subsecond range. The second half of this chapter presents studies related to periodic timing. During eye movements synchronized with alternating targets at regular intervals, different neurons in the cerebellar nuclei exhibit activity related to movement timing, predicted stimulus timing, and the temporal error of synchronization. Among these, the activity associated with target appearance is particularly enhanced during synchronized movements and may represent an internal model of the temporal structure of stimulus sequence. We also considered neural mechanism underlying the perception of periodic timing in the absence of movement. During perception of rhythm, we predict the timing of the next stimulus and focus our attention on that moment. In the missing oddball paradigm, the subjects had to detect the omission of a regularly repeated stimulus. When employed in humans, the results show that the fastest temporal limit for predicting each stimulus timing is about 0.25 s (4 Hz). In monkeys performing this task, neurons in the cerebellar nuclei, striatum, and motor thalamus exhibit periodic activity, with different time courses depending on the brain region. Since electrical stimulation or inactivation of recording sites changes the reaction time to stimulus omission, these neuronal activities must be involved in periodic temporal processing. Future research is needed to elucidate the mechanism of rhythm perception, which appears to be processed by both cortico-cerebellar and cortico-basal ganglia pathways.

Abstract At present, in vitro phenotypic screening methods are widely used for drug discovery. In the field of epilepsy research, measurements of neuronal activity have been utilized for predicting efficacy of anti-epileptic drugs. Fluorescence measurements of calcium oscillations in neurons are commonly used for measurement of neuronal activities, and some anti-epileptic drugs have been evaluated using this assay technique. However, changes in waveforms were not quantified in previous reports. Here, we have developed a high-throughput screening system containing a new analysis method for quantifying waveforms, and our method has successfully enabled simultaneous measurement of calcium oscillations in a 96-well plate. Features of waveforms were extracted automatically and allowed the characterization of some anti-epileptic drugs using principal component analysis. Moreover, we have shown that trajectories in accordance with the concentrations of compounds in principal component analysis plots were unique to the mechanism of anti-epileptic drugs. We believe that an approach that focuses on the features of calcium oscillations will lead to better understanding of the characteristics of existing anti-epileptic drugs and allow prediction of the mechanism of action of novel drug candidates.

Pulmonary alveolar proteinosis (PAP) is a rare disease characterized by the accumulation of surfactants in the alveoli. It has been suggested that immunosuppressants contribute to the development and exacerbation of PAP. Here, we report the case of a 73-year-old man who developed secondary PAP after intensive immunosuppressive treatment for acute exacerbation of interstitial pneumonia (IP). In this case, despite the improvement of the inflammatory response after immunosuppressive treatment, Krebs von den Lungen-6 (KL-6) continued to increase, leading to the diagnosis of PAP. De-escalation of immunosuppressive treatment improved the PAP, allowing him to be discharged from the hospital. Although KL-6 is a useful marker of IP, when IP appears to be refractory and KL-6 increases despite the improvement of other inflammatory markers, physicians should consider the development of PAP and perform proactive bronchoscopic evaluation.