Abstract Chronic pain is a highly debilitating and poorly understood condition. Here, we attempt to advance our understanding of the brain mechanisms driving chronic pain by investigating alterations in morphometric similarity (MS) and corresponding transcriptomic and cellular signatures, in three cohorts of patients with distinct chronic pain syndromes (knee osteoarthritis, low back pain and fibromyalgia). We uncover a novel pattern of cortical MS remodelling involving mostly MS increases in the insula and limbic cortex, which cuts across the boundaries of specific pain syndromes. We show that cortical MS remodelling in chronic pain spatially correlates with the brain-wide expression of genes involved in the glial immune response and neuronal plasticity. Cortical remodelling in chronic pain might involve a disruption of multiple elements of the cellular architecture of the brain. Therefore, multi-target therapeutic approaches tackling both glial activation and neuronal hyperexcitability might better encompass the full neurobiology of chronic pain.

Abstract There is a strict interaction between the autonomic nervous system (ANS) and pain, which might involve descending pain modulatory mechanisms. The periaqueductal grey (PAG) is involved both in descending pain modulation and ANS, but its role in mediating this relationship has not yet been explored. Here, we sought to determine brain regions mediating ANS and descending pain control associations. 30 participants underwent Conditioned Pain Modulation (CPM) assessments, in which they rated painful pressure stimuli applied to their thumbnail, either alone or with a painful cold contralateral stimulation. Differences in pain ratings between ‘pressure-only’ and ‘pressure+cold’ stimuli provided a measure of descending pain control. In 18 of the 30 participants, structural scans and two functional MRI assessments, one pain-free and one during cold-pain, were acquired. Heart Rate Variability (HRV) was simultaneously recorded. Low frequency HRV (LF-HRV) and the CPM score were negatively correlated; individuals with higher LF-HRV during pain reported reductions in pain during CPM. PAG-frontal medial cortex (FMC) and PAG-rostral ventro-medial medulla (RVM) functional connectivity correlated negatively with the CPM. Importantly, PAG-FMC functional connectivity mediated the strength of HRV-CPM association. CPM response magnitude was also negatively associated with PAG and positively associated with FMC grey matter volumes. Our multi-modal approach, using behavioral, physiological and MRI measures, provides important new evidence of interactions between ANS and descending pain mechanisms. ANS dysregulation and dysfunctional descending pain modulation are characteristics of chronic pain. We suggest that further investigation of body-brain interactions in chronic pain patients may catalyse the development of new treatments.

Abstract Chronic pain in inflammatory arthritis (IA) reflects a complex interplay between active disease in a peripheral joint and central pronociceptive mechanisms. Because intra-articular lidocaine may be used to abolish joint-specific peripheral input to the central nervous system, we aimed to validate its use as a clinical tool to identify those patients with IA whose pain likely incorporates centrally mediated mechanisms. We began by investigating whether there was a placebo response of intra-articular injection in patients with IA 1:1 randomised to receive intra-articular lidocaine or control (0.9% saline). After, in a larger patient cohort not randomized to placebo vs lidocaine groups, we tested whether patients with IA could be stratified into 2 cohorts based on their response to intra-articular lidocaine according to markers of centrally mediated pain. To this end, we evaluated postlidocaine pain numerical rating scale (NRS) scores alongside baseline painDETECT, fibromyalgia criteria fulfillment, and quantitative sensory testing outcomes. Numerical rating scale scores were collected at baseline and 3-, 5-, and 10-minutes postinjection. Firstly, the placebo effect of intra-articular injection was low: compared to baseline, the mean pain NRS score 5-minutes postinjection was reduced by 3.5 points in the lidocaine group vs 1.2 points in the control group. Secondly, postlidocaine NRS scores were significantly higher in those with a high (>18) baseline painDETECT score, fibromyalgia, and low-pressure pain threshold at the trapezius ( P = 0.002, P = 0.001, P = 0.005, respectively). Persistent high pain after intra-articular lidocaine injection could be used as an indicator of pronociceptive mechanisms that are centrally mediated, informing centrally targeted analgesic strategies.

Abstract Resting fMRI studies have identified intrinsic spinal cord activity, which forms organised motor (ventral) and sensory (dorsal) resting-state networks. However, to facilitate the use of spinal fMRI in, for example, clinical studies, it is crucial to first assess the reliability of the method, particularly given the unique anatomical, physiological, and methodological challenges associated with acquiring the data. Here we demonstrate a novel implementation for acquiring BOLD-sensitive resting-state spinal fMRI, which was used to characterise functional connectivity relationships in the cervical cord and assess their test-retest reliability in 23 young healthy volunteers. Resting-state networks were estimated in two ways: (1) by extracting the mean timeseries from anatomically constrained seed masks and estimating voxelwise connectivity maps and (2) by calculating seed-to-seed correlations between extracted mean timeseries. Seed regions corresponded to the four grey matter horns (ventral/dorsal and left/right) of C5-C8 segmental levels. Test-retest reliability was assessed using the intraclass correlation coefficient (ICC) in the following ways: for each voxel in the cervical spine; each voxel within an activated cluster; the mean signal as a summary estimate within an activated cluster; and correlation strength in the seed-to-seed analysis. Spatial overlap of clusters derived from voxelwise analysis between sessions was examined using Dice coefficients. Following voxelwise analysis, we observed distinct unilateral dorsal and ventral organisation of cervical spinal resting-state networks that was largely confined in the rostro-caudal extent to each spinal segmental level, with more sparse connections observed between segments (Bonferroni corrected p < 0.003, threshold-free cluster enhancement with 5000 permutations). Additionally, strongest correlations were observed between within-segment ipsilateral dorso-ventral connections, followed by within-segment dorso-dorsal and ventro-ventral connections. Test-retest reliability of these networks was mixed. Reliability was poor when assessed on a voxelwise level, with more promising indications of reliability when examining the average signal within clusters. Reliability of correlation strength between seeds was highly variable, with highest reliability achieved in ipsilateral dorso-ventral and dorso-dorsal/ventro-ventral connectivity. However, the spatial overlap of networks between sessions was excellent. We demonstrate that while test-retest reliability of cervical spinal resting-state networks is mixed, their spatial extent is similar across sessions, suggesting that these networks are characterised by a consistent spatial representation over time.

Stroke often leads to arm disability and reduced responsiveness to stimuli on the other side of the body. Neurotrophin-3 (NT3) is made by skeletal muscle during infancy but levels drop postnatally and into adulthood. It is essential for the survival and wiring-up of sensory afferents from muscle. We have previously shown that gene therapy delivery of human NT3 into the affected triceps brachii forelimb muscle improves sensorimotor recovery after ischemic stroke in adult and elderly rats. Here, to move this therapy one step nearer to the clinic, we set out to test the hypothesis that intramuscular infusion of NT3 protein could improve sensorimotor recovery after ischemic cortical stroke in adult rats. To simulate a clinically-feasible time-to-treat, twenty-four hours later rats were randomized to receive NT3 or vehicle by infusion into triceps brachii for four weeks using implanted minipumps. NT3 increased the accuracy of forelimb placement during walking on a horizontal ladder and increased use of the affected arm for lateral support during rearing. NT3 also reversed sensory deficits on the affected forearm. There was no evidence of forepaw sensitivity to cold stimuli after stroke or NT3 treatment. MRI confirmed that treatment did not induce neuroprotection. Functional MRI during low threshold electrical stimulation of the affected forearm showed an increase in peri-infarct BOLD signal with time in both stroke groups and indicated that neurotrophin-3 did not further increase peri-infarct BOLD signal. Rather, NT3 induced spinal neuroplasticity including sprouting of the spared corticospinal and serotonergic pathways. Neurophysiology showed that NT3 treatment increased functional connectivity between the corticospinal tracts and spinal circuits controlling muscles on the treated side. After intravenous injection, radiolabelled NT3 crossed from bloodstream into the brain and spinal cord in adult mice with or without strokes. Our results show that delayed, peripheral infusion of neurotrophin-3 can improve sensorimotor function after ischemic stroke. Phase I and II clinical trials of NT3 (for constipation and neuropathy) have shown that peripheral, high doses are safe and well tolerated, which paves the way for NT3 as a therapy for stroke.

Abstract In humans and animals, high frequency electrocutaneous stimulation (HFS) may produce an ‘early long-term potentiation-like’ sensitisation. Peripheral and central modulatory processes are proposed to play a role. To explore the impact of descending inhibitory pathway activation on the development of HFS-induced hyperalgesia, we concurrently applied HFS with i) a conditioned pain modulation (CPM) paradigm during psychophysical testing in humans, or ii) a diffuse noxious inhibitory controls (DNIC) paradigm during in vivo electrophysiological recording of spinal neurones in anaesthetised animals in parallel studies that utilised identical stimuli. HFS induced enhanced perceptual responses to pin-prick stimuli in cutaneous areas secondary to the area of stimulation in humans and heightened the excitability of spinal neurones in rats (which exhibited stimulus intensity dependent coded responses to pin-prick stimulation in a manner that tracked with human psychophysics), where we also observed indicators of increased central neuronal hyperexcitability. In humans, a HFS(+CPM) paradigm did not alter primary or secondary hyperalgesia, and the area and pain intensity of secondary hyperalgesia did not correlate with temporal summation of pain or CPM magnitude, while in rats application of a DNIC paradigm concurrent to HFS did not impact the development of neuronal hyperexcitability. Concordance between human and rat data supports their translational validity. Our finding that excitatory signalling exceeds inhibitory controls suggests that dampening facilitatory mechanisms may be a preferable strategy for certain chronic pain states. If facilitatory mechanisms dominate, our data could explain why enhancing activity in descending inhibitory controls is not sufficient to induce pain relief in vulnerable patients.

Skeletal metastases are frequently accompanied by chronic pain that is mechanoceptive in nature and not easily managed by available therapies. The peripheral sensory profile of primary afferents responsible for transmitting the pain-related messages from cancerous bone to central sites is investigated here. We imaged thousands of primary sensory dorsal root ganglion neurons in vivo in healthy (sham-operated) and cancer-induced bone pain (CIBP) rats in order to analyse and compare their function. Utilising Markov Cluster Analysis we identified distinct clusters of primary afferent responses to limb compression and position. In CIBP rats, three times as many sensory afferents responded to knee compression in the leg ipsilateral to the tumour compared to sham-operated rats. We present evidence that the observed increase in sensory afferent response was not due to increased individual afferent activity but rather represents activation of ‘silent’ nociceptors, whose origin we propose is largely from outside of the bone.

Greater emphasis on the study of intact cellular networks in their physiological environment has led to rapid advances in intravital imaging in the central nervous system, while the peripheral system remains largely unexplored. To assess large networks of sensory neurons we selectively label primary afferents with GCaMP6s and visualise their functional responses in vivo to peripheral stimulation. We show that we are able to monitor simultaneously the activity of hundreds of sensory neurons with sensitivity sufficient to detect, in most cases, single action potentials with a typical rise time of around 200 milliseconds, and an exponential decay with a time constant of approximately 700 milliseconds. Using this sensitive technique we are able to show that large scale recordings demonstrate the recently disputed polymodality of nociceptive primary afferents with between 40-80% of thermally sensitive DRG neurons responding also to noxious mechanical stimulation. We also specifically assess the small population of peripheral cold fibres and demonstrate significant sensitisation to cooling after a model of sterile and persistent inflammation, with significantly increased sensitivity already at decreases of 5oC when compared to uninflamed responses. This not only reveals interesting new insights into the (patho)physiology of the peripheral nervous system but also demonstrates the sensitivity of this imaging technique to physiological changes in primary afferents.

Functional connectivity (FC) perturbations have been reported in multiple chronic pain phenotypes, but the nature of reported changes is varied and inconsistent between cohorts. Increases and decreases in connectivity strength in task negative and positive networks, for example, the default mode and salience networks (DMN/SN), respectively, have been described, but how other networks are effected, for example, descending pain control networks, remains unknown. Whether connectivity changes relate to peripherally mediated nociceptive afferent input, represent coping strategies or are sequelae of chronic pain, e.g. anxiety/depression, is also unknown. Here, we examined FC changes in response to experimentally-administered tonic cold pain in healthy volunteers as a means of disambiguating the nature of connectivity changes. We assessed FC prior to, during, and following tonic cold painful stimulation in four seed regions: ventromedial prefrontal cortex (vmPFC), rostral anterior insula (rAI), subgenual anterior cingulate cortex (ACC) and periaqueductal grey (PAG) and recorded subjectively reported pain using a computerised visual analogue scale. We saw DMN FC changes during painful stimulation and that internetwork communication between the rAI and sgACC seeds with the vmPFC became less anti-correlated during pain, whereas PAG-precuneus FC decreased. Pain-induced FC alterations largely persisted during a 6-minute recovery period following cessation of the painful stimulus. Observed FC changes related to the magnitude of individuals' subjectively reported pain. We provide new insights into FC changes during and following tonic coldpain and suggest that some FC changes observed in chronic pain patients may relate to the presence of an ongoing afferent peripheral drive.