Abstract Pain is a uniquely individual experience. Previous studies have highlighted changes in brain activation and morphology associated with inter- and intra-individual pain perception. In this study we sought to characterize brain mechanisms associated with individual differences in pain in a large sample of healthy participants (N = 101). Pain ratings varied widely across individuals. Moreover, individuals reported changes in pain evoked by small differences in stimulus intensity in a manner congruent with their pain sensitivity, further supporting the utility of subjective reporting as a measure of the true individual experience. However, brain activation related to inter-individual differences in pain was not detected, despite clear sensitivity of the BOLD signal to small differences in noxious stimulus intensities within individuals. These findings raise questions about the utility of fMRI as an objective measure to infer reported pain intensity.

Abstract Preprocessing fMRI data requires striking a fine balance between conserving signals of interest and removing noise. Typical steps of preprocessing include motion correction, slice timing correction, spatial smoothing, and high-pass filtering. However, these standard steps do not remove many sources of noise. Thus, noise-reduction techniques such as CompCor and FIX have been developed to further improve the ability to draw meaningful conclusions from the data. The ability of these techniques to minimize noise while conserving signals of interest has been tested almost exclusively in resting-state fMRI datasets and, only rarely, in task-related fMRI datasets. Application of noise-reduction techniques to task-related fMRI is particularly important given that such procedures have been shown to reduce false positive rates. However, little remains known about the impact of different noise reduction techniques on the retention of signal, particularly during tasks that may be associated with systemic physiological changes. In this paper, we compared two noise-reduction techniques, i.e. FIX and CompCor, in an fMRI dataset including noxious heat stimulation and non-noxious auditory stimulation. Results show that preprocessing including FIX noise-reduction technique conserves significantly more signal than a preprocessing protocol including CompCor noise-reduction technique in both noxious heat and non-noxious auditory stimulations, while removing only slightly less noise. These results suggest that FIX might be the most appropriate technique to achieve the balance between conserving signals of interest and removing noise.

Abstract When the source of nociception expands across a body area, the experience of pain increases due to the spatial integration of nociceptive information. This well-established effect is called spatial summation of pain (SSp) and has been the subject of multiple investigations. Here, we used cold-induced SSp to investigate the effect of attention on the spatial tuning of nociceptive processing. Forty pain-free volunteers (N=40, 20 females) participated in this experiment. They took part in an SSp paradigm based on three hand immersions into cold water (5°C): Participants either immersed the ulnar segment (“a”), radial segment (“b”) or both hand segments (“a+b”) and provided overall pain ratings. In some trials based on “a+b” immersions, they were also asked to provide divided (i.e., first pain in “a” then in “b”; or reversed) and directed attention ratings (i.e., pain only in “a” or “b”). Results confirmed a clear SSp effect in which reported pain during immersions of “a” or “b” was less intense than pain during immersions of “a+b” ( p <0.001). Data also confirmed that spatial tuning was altered. SSp was fully abolished when participants provided two ratings in a divided fashion ( p <0.001). Furthermore, pain was significantly lower when attention was directed only to one segment (“a” OR “b”) during “a+b” immersion ( p <0.001). We conclude that spatial tuning is dynamically driven by attention as reflected in abolished SSp. Directed attention was sufficient to focus spatial tuning and abolish SSp. Results support the role of cognitive processes such as attention in spatial tuning. Perspective This article presents experimental investigation of spatial tuning in pain and offers mechanistic insights of contiguous spatial summation of pain in healthy volunteers. Depending on how pain is evaluated in terms of attentional derivative (overall pain, directed, divided attention) the pain is reduced and spatial summation abolished.

The spread of pain across body locations remains poorly understood but may provide important insights into the encoding of sensory features of noxious stimuli by populations of neurons. In this psychophysical experiment, we hypothesized that more intense noxious stimuli would lead to spread of pain, but more intense light stimuli would not produce perceptual radiation. Fifty healthy volunteers participated in this study wherein four intensities of noxious stimuli (43, 45, 47 and 49°C) were applied to glabrous (hand) and hairy skin (forearm) skin with 5s and 10s durations. Also, four different intensities of visual stimuli displayed on the target bodily area were utilized as a control. Participants provided pain (and light) spatial extent ratings as well as pain (and light) intensity ratings. In the extent rating procedure, participants adjusted the extent of the square displayed on the screen with the extent of pain (or light) which they experienced. Pain extent ratings showed statistically significant radiation of pain indicated by 12.42× greater spatial spread of pain (pain extent) than the area of the stimulation with 49°C (p < 0.001), in contrast to visual ratings which closely approximated the size of the stimulus (1.22×). Pain radiation was more pronounced in hairy than glabrous skin (p < 0.05) and was more pronounced with longer stimulus duration (p < 0.001). Pain intensity explained, on average, only 14% of the pain radiation variability. The relative independence of the pain radiation from perceived pain intensity indicates that distinct components of population coding mechanisms may be involved in the spatial representation of pain versus intensity coding.