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Opioids Induce Bidirectional Synaptic Plasticity in a Brainstem Pain Center in the Rat - 01/09/23

Doi : 10.1016/j.jpain.2023.05.001 
Valeria Mussetto, Hannah Luise Teuchmann, Bernhard Heinke, Lidia Trofimova, Jürgen Sandkühler, Ruth Drdla-Schutting, Roni Hogri
 Department of Neurophysiology, Center for Brain Research, Medical University of Vienna, 1090 Vienna, Austria 

Abstract

Opioids are powerful analgesics commonly used in pain management. However, opioids can induce complex neuroadaptations, including synaptic plasticity, that ultimately drive severe side effects, such as pain hypersensitivity and strong aversion during prolonged administration or upon drug withdrawal, even following a single, brief administration. The lateral parabrachial nucleus (LPBN) in the brainstem plays a key role in pain and emotional processing; yet, the effects of opioids on synaptic plasticity in this area remain unexplored. Using patch-clamp recordings in acute brainstem slices from male and female Sprague Dawley rats, we demonstrate a concentration-dependent, bimodal effect of opioids on excitatory synaptic transmission in the LPBN. While a lower concentration of DAMGO (0.5 µM) induced a long-term depression of synaptic strength (low-DAMGO LTD), abrupt termination of a higher concentration (10 µM) induced a long-term potentiation (high-DAMGO LTP) in a subpopulation of cells. LTD involved a metabotropic glutamate receptor (mGluR)-dependent mechanism; in contrast, LTP required astrocytes and N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) activation. Selective optogenetic activation of spinal and periaqueductal gray matter (PAG) inputs to the LPBN revealed that, while LTD was expressed at all parabrachial synapses tested, LTP was restricted to spino-parabrachial synapses. Thus, we uncovered previously unknown forms of opioid-induced long-term plasticity in the parabrachial nucleus that potentially modulate some adverse effects of opioids.

Perspective

We found a previously unrecognized site of opioid-induced plasticity in the lateral parabrachial nucleus, a key region for pain and emotional processing. Unraveling opioid-induced adaptations in parabrachial function might facilitate the identification of new therapeutic measures for addressing adverse effects of opioid discontinuation such as hyperalgesia and aversion.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Highlights

The lateral parabrachial nucleus (LPBN) is a site of opioid-induced synaptic plasticity.
Depending on their concentration, opioids can depress or potentiate excitatory inputs to the LPBN.
A lower opioid concentration induces mGluR-dependent LTD.
A higher opioid concentration induces NMDAR- and glia-dependent LTP.
Opioid-induced synaptic plasticity in the LPBN is expressed in a synapse-specific manner.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Key words : Opioids, lateral parabrachial nucleus, synaptic plasticity, opioid-induced hyperalgesia, aversion


Plan


 Address reprint requests to Roni Hogri, PhD, Department of Neurophysiology, Center for Brain Research, Medical University of Vienna, 1090 Vienna, Austria.
 Supplementary data accompanying this article are available online at www.jpain.org and www.sciencedirect.com.
 This work was funded by the Austrian Science Fund (FWF) grants P29206-B27 and P34696-B, and by the FWF doctoral program Medical Neuroscience DOC 33-B27. The FWF was not involved in the study design; data collection, analysis, or interpretation; the writing of the article; or the decision to submit for publication. The authors have no conflicts of interest to declare.
 R.D.-S. and R.H. contributed equally to this work and share last authorship.


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Vol 24 - N° 9

P. 1664-1680 - septembre 2023 Retour au numéro
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