Abstract The spinal cord is of fundamental importance for somatosensory processing and plays a significant role in various pathologies, such as chronic pain. However, knowledge on spinal cord processing in humans is limited due to the vast technical challenges involved in its investigation via non-invasive recording approaches. Here, we aim to address these challenges by developing an electrophysiological approach – based on a high-density electrode-montage – that allows for characterizing spinal cord somatosensory evoked potentials (SEPs) and combining this with concurrent recordings of the spinal cord’s input (peripheral nerve action potentials) and output (SEPs in brainstem and cortex). In two separate experiments, we first methodologically validate the approach (including replication and robustness analyses) and then assess its application in the context of a neuroscientific question (integrative processes along the neural hierarchy). Critically, we demonstrate the benefits of multi-channel recordings in terms of enhancing sensitivity via spatial filtering, which also allows for obtaining spinal cord SEPs at the single-trial level. We make use of this approach to demonstrate the feasibility of recording spinal cord SEPs in low-signal scenarios (single-digit stimulation) and – most importantly – to provide evidence for bottom-up signal integration already at the level of the spinal cord. Taken together, our approach of concurrent multi-channel recordings of evoked responses along the neural hierarchy allows for a comprehensive assessment of the functional architecture of somatosensory processing at a millisecond timescale.

Abstract GABA A receptor (GABA A R) – mediated inhibition participates in the control of cortical excitability, and its impairment likely contributes to the pathologic excitability changes that have been associated with multiple neurological disorders. Therefore, there is a need for its direct evaluation in the human brain, and the combination of transcranial magnetic stimulation (TMS) and electroencephalography (EEG) might represent the optimal tool. TMS-evoked brain potentials (TEPs) capture the spread of activity across the stimulated brain network, and since this process at least partially depends on the GABA A R-mediated inhibition, TEPs may constitute relevant biomarkers of local GABA A ergic function. Here, we aimed to assess the effect of GABA A Rs activation using TEPs, and to identify TEP components that are sensitive to the state of GABA A ergic inhibition. In 20 healthy subjects, we recorded TEPs evoked by sub- and supra-threshold stimulation of the primary motor cortex (M1), motor-evoked potentials (MEPs) and resting-state EEG (RS-EEG). GABA A Rs were activated (1) pharmacologically by oral administration of alprazolam compared to placebo within each subject, and (2) physiologically using a sub-threshold conditioning stimulus to characterize the effect of short-latency intracortical inhibition (SICI). In supra-threshold TEPs, alprazolam suppressed the amplitude of components N17, N100 and P180, and increased component N45. The pharmacological modulation of N17 correlated with the change observed in MEPs and with the alprazolam-induced increase of lower β-band RS-EEG. Only a reduction of N100 and P180 was found in sub-threshold TEPs. TEP SICI manifested as a reduction of N17, P60 and N100, and its effect on N17 correlated with the alprazolam-induced N17 suppression and β increase. Our results indicate that N17 of supra-threshold TEPs could serve as a non-invasive biomarker of local cortical excitability reflecting the state of GABA A R-mediated inhibition in the sensorimotor network. Furthermore, the alprazolam-induced increase of β-band oscillations possibly corresponds to the increased inhibitory neurotransmission within this network.

Abstract Laser evoked potentials (LEPs) – the EEG response to temporally-discrete thermal stimuli – are commonly used in experimental pain studies in humans. Such stimuli selectively activate nociceptors and produce EEG features which correlate with pain intensity. The rodent LEP has been proposed to be a translational biomarker of nociception and pain, however its validity has been questioned because of reported differences in the classes of nociceptive fibres mediating the response. Here we use a machine learning, trial by trial analysis approach on wavelet-denoised LEPs generated by stimulation of the plantar hindpaw of rats. The LEP amplitude was more strongly related to behavioural response than to laser stimulus energy. A simple decision tree classifier using LEP features was able to predict behavioural responses with 73% accuracy. An examination of the features used by the classifier showed that mutually exclusive short and long latency LEP peaks were clearly seen in single-trial data, yet were not evident in grand average data pooled from multiple trials. This bimodal distribution of LEP latencies was mirrored in the paw withdrawal latencies which were preceded and predicted by the LEP responses. The proportion of short latency events was increased after intradermal application of high dose capsaicin (to defunctionalise TRPV1 expressing nociceptors), suggesting they were mediated by Aδ-fibres (specifically AMH-I). These findings demonstrate that both C- and Aδ-fibres contribute to rodent LEPs and concomitant behavioural responses, providing a real-time assay of specific fibre function in conscious animals. Single-trial analysis approaches can improve the utility of LEPs as a translatable biomarker of pain.

ABSTRACT Pain typically evolves over time and the brain needs to learn this temporal evolution to predict how pain is likely to change in the future and orient behavior. This process is termed temporal statistical learning (TSL). Recently, it has been shown that TSL for pain sequences can be achieved using optimal Bayesian inference, which is encoded in somatosensory processing regions. Here, we investigate whether the confidence of these probabilistic predictions modulates the EEG response to noxious stimuli, using a TSL task. Confidence measures the uncertainty about the probabilistic prediction, irrespective of its actual outcome. Bayesian models dictate that the confidence about probabilistic predictions should be integrated with incoming inputs and weight learning, such that it modulates the early components of the EEG responses to noxious stimuli, and this should be captured by a negative correlation: when confidence is higher, the early neural responses are smaller as the brain relies more on expectations/predictions and less on sensory inputs (and vice versa). We show that participants were able to predict the sequence transition probabilities using Bayesian inference, with some forgetting. Then, we find that the confidence of these probabilistic predictions was negatively associated with the amplitude of the N2 and P2 components of the Vertex Potential: the more confident were participants about their predictions, the smaller was the Vertex Potential. These results confirm key predictions of a Bayesian learning model and clarify the functional significance of the early EEG responses to nociceptive stimuli, as being implicated in confidence-weighted statistical learning. SIGNIFICANCE The functional significance of EEG responses to pain has long been debated because of their dramatic variability. This study indicates that such variability can be partly related to the confidence of probabilistic predictions emerging from sequences of pain inputs. The confidence of pain predictions is negatively associated with the cortical EEG responses to pain. This indicates that the brain relies less on sensory inputs when confidence is higher and shows us that confidence-weighted statistical learning modulates the cortical response to pain.

Abstract Under certain conditions, a stimulus applied at a given frequency will lead to a periodic variation of neural activity at the same frequency. Taking advantage of this periodicity, it is possible to tag this response in the EEG frequency spectrum. Frequency tagging of sustained periodic noxious heat stimuli led to the recording of phase-locked and non-phase-locked responses whose functional significance remains unclear. This study aimed at assessing whether such responses can also be recorded during the repetitive presentation of brief innocuous cold, noxious heat and vibrotactile stimuli. Comparison between the responses obtained with different stimulation modalities should inform us on the nature of the neural processes underlying these responses (modality aspecific, somatosensory, thermosensory, nociceptive). Comparison between upper and lower limb stimulation should inform us on the somatotopic organization of these responses and, therefore, on their potential sources. Based on our results, on one hand, trains of brief innocuous cold, noxious heat and vibrations can elicit phase-locked and non-phase-locked responses which appear highly similar to those evoked by sustained periodic noxious heat stimuli when frequency tagged. On the other hand, when analysed in the time domain or using time-frequency decomposition, these responses appeared highly similar to those that can be recorded following isolated brief noxious heat or tactile stimuli. These responses consisted in phase-locked activity corresponding to the vertex potential, thought to reflect modality non-specific attentional processes, and in an alpha-to-beta ERD originating in the S1/M1 area contralateral to the stimulated hand, probably reflecting non-specific somatosensory activity.

Abstract The angular gyrus (AG) is involved in multiple cognitive processes and its structural alterations are commonly observed in many neuropsychiatric syndromes. Since changes in excitability may precede structural changes and clinical symptoms, there is a need for diagnostic tools assessing the functional state of hub brain regions like the AG. The combination of transcranial magnetic stimulation (TMS) and electroencephalography (EEG) can provide such functional readouts by probing the brain response to direct stimulation. This study aimed to characterize TMS-evoked potentials (TEP) elicited by AG stimulation, determine optimal stimulation parameters, and identify TEP biomarkers of AG function. We recorded AG-TEPs in 19 subjects using four TMS orientations and three intensities and compared TEP spatiotemporal features using topographic dissimilarity and microstate analyses. Additionally, we explored the relationship between AG-TEP topography and TMS-evoked muscular activity. Our results showed topographic variability in AG-TEP components P25, N45, and N75. The P25 topography was sensitive to TMS orientation, while the topography of N45 and N75 was highly dependent on both coil orientation and intensity. Interestingly, we found that TMS-evoked muscular activity was also dependent on both these parameters and strongly related to the occurrence of a specific topographic pattern, which therefore possibly corresponds to the somatosensory brain response to muscle contraction. We conclude that the early AG-TEP component P25 likely reflects neural processes triggered by direct AG activation and could provide an index of local excitability. Later components N45 and N75 must be interpreted with caution as they may primarily reflect peripherally evoked activity.

Fast-rising sensory events evoke a series of functionally heterogeneous event-related potentials (ERPs). Stimulus repetition at 1 Hz is known to induce a strong habituation of the largest ERP responses, the vertex waves, which are elicited by stimuli regardless of their modality, provided that they are salient and behaviourally-relevant. In contrast, the effect of stimulus repetition on the earlier sensory components of ERPs has been less explored, and the few existing results are inconsistent. To characterize how the different ERP waves habituate over time, we recorded the responses elicited by 60 identical somatosensory stimuli (activating either non-nociceptive Abeta or nociceptive Adelta afferents), delivered at 1 Hz to healthy human participants. We show that the well-described spatiotemporal sequence of lateralised and vertex ERP components elicited by the first stimulus of the series is largely preserved in the smaller-amplitude, habituated response elicited by the last stimuli of the series. We also found that the earlier lateralised sensory waves habituate across the 60 trials following the same decay function of the vertex waves: this decay function is characterised by a large drop at the first stimulus repetition followed by smaller decreases at subsequent repetitions. Interestingly, the same decay functions described the habituation of ERPs elicited by repeated non-nociceptive and nociceptive stimuli. This study provides a neurophysiological characterization of the effect of prolonged and repeated stimulation on the main components of somatosensory ERPs. It also demonstrates that both lateralised waves and vertex waves are obligatory components of ERPs elicited by non-nociceptive and nociceptive stimuli.

High frequency electrical stimulation (HFS) of the skin induces increased pinprick sensitivity in the surrounding unconditioned skin (secondary hyperalgesia). Moreover, it has been shown that brief high intensity CO2 laser stimuli, activating both Aδ- and C-fiber nociceptors, are perceived as more intense when delivered in the area of secondary hyperalgesia. To investigate the contribution of A-fiber nociceptors to secondary hyperalgesia the present study assessed if the perception and brain responses elicited by low-intensity intra-epidermal electrical stimulation (IES), a method preferentially activating Aδ-fiber nociceptors, are increased in the area of secondary hyperalgesia. HFS was delivered to one of the two forearms of seventeen healthy volunteers. Mechanical pinprick stimulation and IES were delivered at both arms before HFS (T0), 20 minutes after HFS (T1) and 45 minutes after HFS (T2). In all participants, HFS induced an increase in pinprick perception at the HFS-treated arm, adjacent to the site of HFS. This increase was significant at both T1 and T2. HFS did not affect the percept elicited by IES, but did enhance the magnitude of the N2 wave of IES-evoked brain potentials, both at T1 and at T2. HFS induced a long-lasting enhancement of the N2 wave elicited by IES in the area of secondary hyperalgesia, indicating that HFS enhances the responsiveness of the central nervous system to nociceptive inputs conveyed by AMH-II nociceptors. However, we found no evidence that HFS affects the perception elicited by IES, which may suggest that AMH-II nociceptors do not contribute to HFS-induced secondary hyperalgesia.