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fMRI investigation of heterotopic noxious counter-stimulation reveals subgroup differences in brain activation patterns and subjective pain experience

fMRT-Untersuchung zu heterotoper noxischer Gegenstimulation: Subgruppenunterschiede in Hirnaktivierung und subjektivem Schmerzerleben

  • Although it has been demonstrated that nociceptive processing can be modulated by heterotopically and concurrently applied noxious stimuli, the nature of brain processes involved in this percept modulation in healthy subjects remains elusive. Using functional magnetic resonance imaging (fMRI) we investigated the effect of noxious counter-stimulation on pain processing. FMRI scans (1.5 T; block-design) were performed in 34 healthy subjects (median age: 23.5 years; range: 20-31 yrs.) during combined and single application (duration: 15 s; ISI=36 s incl. 6 s rating time) of noxious interdigital-web pinching (intensity range: 6-15 N) and contact-heat (45-49 -°C) presented in pseudo-randomized order during two runs separated by approx. 15 min with individually adjusted equi-intense stimuli. In order to control for attention artifacts, subjects were instructed to maintain their focus either on the mechanical or on the thermal pain stimulus. Changes in subjective pain intensity were computed as percent differences (∆%) in pain ratings between single and heterotopic stimulation for both fMRI runs, resulting in two subgroups showing a relative pain increase (subgroup P-IN, N=10) vs. decrease (subgroup P-DE, N=12). Second level and Region of Interest analysis conducted for both subgroups separately revealed that during heterotopic noxious counter-stimulation, subjects with relative pain decrease showed stronger and more widespread brain activations compared to subjects with relative pain increase in pain processing regions as well as a fronto-parietal network. Median-split regression analyses revealed a modulatory effect of prefrontal activation on connectivity between the thalamus and midbrain/pons, supporting the proposed involvement of prefrontal cortex regions in pain modulation. Furthermore, the mid-sagittal size of the total corpus callosum and five of its subareas were measured from the in vivo magnetic resonance imaging (MRI) recordings. A significantly larger relative truncus size (P=.04) was identified in participants reporting a relative decrease of subjective pain intensity during counter-stimulation, when compared to subjects experiencing a relative pain increase. The above subgroup differences observed in functional and structural imaging data are discussed with consideration of potential differences in cognitive and emotional aspects of pain modulation.
  • Obwohl zahlreiche Studien gezeigt haben, dass die Verarbeitung schmerzhafter Reize durch einen zweiten heterop und simultan applizierten Schmerzreiz moduliert werden kann, bleibt das neurophysiologische Korrelat dieser Veränderung im Schmerzerleben weitestgehend unklar. Mittels funktioneller Magnetresonanztomografie (fMRT) wurde der Effekt von noxischer Gegenstimulation auf die Schmerzverarbeitung untersucht. Bei 34 gesunden Probanden (Median Alter: 23,5 Jahre; Spanne: 20-31 Jahre) wurde die Hirnaktivierung mittels fMRT während kombinierter und einfacher Applikation (Dauer: 15 s; ISI=36 s inkl. 6 s Rating-Zeit) noxischer mechanischer (Quetschung der Interdigitalfalten, Intensitätsspanne: 6-15 N) und thermaler Reize (Thermode, Intensitätsspanne: 45-49-°C) gemessen. Die Schmerzreize wurden individuell auf subjektiv gleiche Schmerzintensität angepasst und in pseudo-randomisierter Reihenfolge in zwei fMRT-Durchgängen, getrennt durch eine 15-minütigen Pause, dargeboten. Um Aufmerksamkeitsartefakte möglichst gering zu halten, erhielten die Probanden spezifische Instruktionen, auf welchen der beiden Schmerzreize ihr Fokus zu lenken war. Veränderungen in der subjektiv erlebten Schmerzintensität wurden als prozentuale Veränderungen (∆%) der Schmerzratings zwischen einfacher und heterotoper Stimulation für beide fMRT-Durchgänge berechnet. Anhand der relativen Veränderungen in den Schmerzratings konnten zwei Subgruppen identifiziert werden, die eine relative Zunahme (Subgruppe P-IN, N=10) bzw. Abnahme (Subgruppe P-DE, N=12) der Schmerzintensität erlebten. Second level und Region of Interest Analysen zeigten, dass während heterotoper noxischer Gegenstimulation die Probanden mit einer relativen Schmerzabnahme stärkere Hirnaktivierungen sowohl in primär Schmerz-verarbeitenden Arealen als auch in einem unter anderem mit komplexeren Aufmerksamkeitsfunktionen assoziierten fronto-parietalen Netzwerk, aufwiesen. Median-split Regressionsanalysen konnten einen modulatorischen Effekt von präfrontaler Aktivierung auf die Konnektivität zwischen Thalamus und Mittelhirn/Pons aufzeigen und damit die vermutete Rolle präfrontaler Kortexareale in der Schmerzmodulation bestätigen. Anhand der strukturellen MRT-Daten wurden die mid-sagittale Oberfläche des Corpus Callosum und fünf seiner Subregionen ermittelt. Probanden, die während noxischer Gegenstimulation eine relative Schmerzabnahme angaben, zeigten eine signifikant größere relative Truncus-Fläche (P=.04) als die Probanden, die eine relative Schmerzzunahme erlebten. Die beobachteten Subgruppenunterschiede werden diskutiert vor dem Hintergrund potentieller Unterschiede in Bezug auf kognitive und emotionale Aspekte der Schmerzmodulation.

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Metadaten
Author:Caroline Bödecker
URN:urn:nbn:de:hbz:385-5615
Title Additional (English):fMRI investigation of heterotopic noxious counter-stimulation reveals subgroup differences in brain activation patterns and subjective pain experience
Advisor:Werner Wittling
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2010/02/17
Publishing institution:Universität Trier
Granting institution:Universität Trier, Fachbereich 1
Date of final exam:2010/01/08
Release Date:2010/02/17
Tag:Gegenstimulation; Gehirn; Modulation; Schmerz; fMRT
brain; counter-stimulation; fMRI; modulation; pain
GND Keyword:Funktionelle NMR-Tomographie; Gehirn; Modulation; Schmerz
Institutes:Fachbereich 1 / Psychologie
Dewey Decimal Classification:1 Philosophie und Psychologie / 15 Psychologie / 150 Psychologie

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