Treatment-resistant depression is a severely disabling disorder with no proven treatment options once multiple medications, psychotherapy, and electroconvulsive therapy have failed. Based on our preliminary observation that the subgenual cingulate region (Brodmann area 25) is metabolically overactive in treatment-resistant depression, we studied whether the application of chronic deep brain stimulation to modulate BA25 could reduce this elevated activity and produce clinical benefit in six patients with refractory depression. Chronic stimulation of white matter tracts adjacent to the subgenual cingulate gyrus was associated with a striking and sustained remission of depression in four of six patients. Antidepressant effects were associated with a marked reduction in local cerebral blood flow as well as changes in downstream limbic and cortical sites, measured using positron emission tomography. These results suggest that disrupting focal pathological activity in limbic-cortical circuits using electrical stimulation of the subgenual cingulate white matter can effectively reverse symptoms in otherwise treatment-resistant depression.

This paper reports the results of an across lab metanalysis of effective connectivity in major depression (MDD). Using FDG PET data and Structural Equation Modeling, a formal depression model was created to explicitly test current theories of limbic-cortical dysfunction in MDD and to characterize at the path level potential sources of baseline variability reported in this patient population. A 7-region model consisting of lateral prefrontal cortex (latF9), anterior thalamus (aTh), anterior cingulate (Cg24), subgenual cingulate (Cg25), orbital frontal cortex (OF11), hippocampus (Hc), and medial frontal cortex (mF10) was tested in scans of 119 depressed patients and 42 healthy control subjects acquired during three separate studies at two different institutions. A single model, based on previous theory and supported by anatomical connectivity literature, was stable for the three groups of depressed patients. Within the context of this model, path differences among groups as a function of treatment response characteristics were also identified. First, limbic-cortical connections (latF9-Cg25-OF11-Hc) differentiated drug treatment responders from nonresponders. Second, nonresponders showed additional abnormalities in limbic-subcortical pathways (aTh-Cg24-Cg25-OF11-Hc). Lastly, more limited limbic-cortical (Hc-latF9) and cortical-cortical (OF11-mF10) path differences differentiated responders to cognitive behavioral therapy (CBT) from responders to pharmacotherapy. We conclude that the creation of such models is a first step toward full characterization of the depression phenotype at the neural systems level, with implications for the future development of brain-based algorithms to determine optimal treatment selection for individual patients.

Abstract The insula and cingulate cortices are implicated in emotional, homeostatic/allostatic, sensorimotor, and cognitive functions. Non‐human primates have specific anatomical connections between sub‐divisions of the insula and cingulate. Specifically, the anterior insula projects to the pregenual anterior cingulate cortex (pACC) and the anterior and posterior mid‐cingulate cortex (aMCC and pMCC); the mid‐posterior insula only projects to the posterior MCC (pMCC). In humans, functional neuroimaging studies implicate the anterior insula and pre/subgenual ACC in emotional processes, the mid‐posterior insula with awareness and interoception, and the MCC with environmental monitoring, response selection, and skeletomotor body orientation. Here, we tested the hypothesis that distinct resting state functional connectivity could be identified between (1) the anterior insula and pACC/aMCC; and (2) the entire insula (anterior, middle, and posterior insula) and the pMCC. Functional connectivity was assessed from resting state fMRI scans in 19 healthy volunteers using seed regions of interest in the anterior, middle, and posterior insula. Highly correlated, low‐frequency oscillations (< 0.05 Hz) were identified between specific insula and cingulate subdivisions. The anterior insula was shown to be functionally connected with the pACC/aMCC and the pMCC, while the mid/posterior insula was only connected with the pMCC. These data provide evidence for a resting state anterior insula–pACC/aMCC cingulate system that may integrate interoceptive information with emotional salience to form a subjective representation of the body; and another system that includes the entire insula and MCC, likely involved in environmental monitoring, response selection, and skeletomotor body orientation. Human Brain Mapp 2009. © 2008 Wiley‐Liss, Inc.

Fibromyalgia is an intractable widespread pain disorder that is most frequently diagnosed in women. It has traditionally been classified as either a musculoskeletal disease or a psychological disorder. Accumulating evidence now suggests that fibromyalgia may be associated with CNS dysfunction. In this study, we investigate anatomical changes in the brain associated with fibromyalgia. Using voxel-based morphometric analysis of magnetic resonance brain images, we examined the brains of 10 female fibromyalgia patients and 10 healthy controls. We found that fibromyalgia patients had significantly less total gray matter volume and showed a 3.3 times greater age-associated decrease in gray matter than healthy controls. The longer the individuals had had fibromyalgia, the greater the gray matter loss, with each year of fibromyalgia being equivalent to 9.5 times the loss in normal aging. In addition, fibromyalgia patients demonstrated significantly less gray matter density than healthy controls in several brain regions, including the cingulate, insular and medial frontal cortices, and parahippocampal gyri. The neuroanatomical changes that we see in fibromyalgia patients contribute additional evidence of CNS involvement in fibromyalgia. In particular, fibromyalgia appears to be associated with an acceleration of age-related changes in the very substance of the brain. Moreover, the regions in which we demonstrate objective changes may be functionally linked to core features of the disorder including affective disturbances and chronic widespread pain.

Chronic pain is associated with reduced brain gray matter and impaired cognitive ability. In this longitudinal study, we assessed whether neuroanatomical and functional abnormalities were reversible and dependent on treatment outcomes. We acquired MRI scans from chronic low back pain (CLBP) patients before ( n = 18) and 6 months after (spine surgery or facet joint injections; n = 14) treatment. In addition, we scanned 16 healthy controls, 10 of which returned 6 months after the first visit. We performed cortical thickness analysis on structural MRI scans, and subjects performed a cognitive task during the functional MRI. We compared patients and controls, as well as patients before versus after treatment. After treatment, patients had increased cortical thickness in the left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), which was thinner before treatment compared with controls. Increased DLPFC thickness correlated with the reduction of both pain and physical disability. Additionally, increased thickness in primary motor cortex was associated specifically with reduced physical disability, and right anterior insula was associated specifically with reduced pain. Left DLPFC activity during an attention-demanding cognitive task was abnormal before treatment, but normalized following treatment. These data indicate that functional and structural brain abnormalities—specifically in the left DLPFC—are reversible, suggesting that treating chronic pain can restore normal brain function in humans.

The personal experience of pain is complex and depends on physiological and psychological factors. From this latter category, pain catastrophizing plays an important role in pain behavior and response. We aimed to determine the effect of pain catastrophizing on central nociceptive processing in healthy individuals. Functional MRI was performed during two pain intensity levels evoked by electrical median nerve stimulation in 22 healthy individuals. Pain catastrophizing scores were determined for all subjects. Pain catastrophizing was not related to activity in regions associated with sensory-discriminative aspects of pain, such as the primary or secondary somatosensory cortex. Instead, during mild pain, there was a relationship between catastrophizing and activity in cortical regions associated with affective, attention, and motor aspects of pain, including dorsolateral prefrontal, insula, rostral anterior cingulate, premotor, and parietal cortices. During more intense pain, prefrontal cortical regions implicated in the top-down modulation of pain were negatively correlated with catastrophizing. These findings can be viewed from the framework of an attention model of pain catastrophizing, whereby a cortical vigilance network is engaged during mild pain, but diminished prefrontal cortical modulation impedes disengaging from and suppressing pain during more intense pain. These findings may also implicate catastrophizing in the progression to or persistence of chronic pain.

The relationship between the 8-12 Hz “alpha: rhythm, the predominant oscillatory activity of the brain, and pain remains unclear. In healthy individuals, acute, noxious stimuli suppress alpha power while patients with chronic pain demonstrate both enhanced alpha power and slowing of the peak alpha frequency (PAF). To investigate these apparent differences, EEG was recorded from healthy individuals while they completed two models of prolonged pain, Phasic Heat Pain and Capsaicin Heat Pain, at two testing visits occurring roughly 8 weeks apart. We report that PAF is reliably slowed and that alpha power is reliably decreased in response to prolonged pain. Furthermore, we show that alpha power changes, but not PAF changes, are fully reversed with stimulus removal suggesting that PAF slowing reflects pain associated states such as sensitization rather than the presence of ongoing pain. Finally, we provide evidence that changes to alpha power and PAF are due to power decreases in the “fast” (10-12 Hz) range of the alpha rhythm. This frequency dependent pain response aligns with the hypothesis that the alpha rhythm is composed of multiple, independent oscillators, and suggest that modulation of a putative “fast” oscillator may represent a promising therapeutic target for treating ongoing pain. In sum, we provide strong evidence that PAF is reliably slowed during prolonged pain and additionally identify a mechanism, “fast” alpha Power, which is responsible for these PAF changes.

Abstract Recent research has linked individual peak alpha frequency (PAF) to pain sensitivity, but whether PAF alterations can influence pain remains unclear. Our study investigated the effects of nicotine on pain sensitivity and whether pain changes are mediated by PAF changes. In a randomised, double-blind, placebo-controlled experiment, 62 healthy adults (18–44 years) received either 4 mg nicotine gum (n=29) or placebo (n=33). Resting state EEG and pain ratings during prolonged heat and pressure models were collected before and after nicotine intake. Nicotine reduced heat pain ratings and increased PAF speed across the scalp, driven by changes at centralparietal and right-frontal regions. However, mediation analysis did not support the notion that PAF changes mediate nicotine’s effects on pain sensitivity. While a growing body of literature supports a link between PAF and both acute and chronic pain, further work is needed to understand the mechanisms of this link.

Summary Spatially distant areas of cerebral cortex coordinate their activity into networks that are integral to cognitive processing. A common structural motif of cortical networks is co-activated frontal and posterior cortical regions. Knowledge of the neural circuit mechanisms underlying such widespread inter-areal cortical coordination is lacking. Using anesthetized mouse functional magnetic resonance imaging (fMRI) we discovered that mouse frontal cortical functional connectivity reflects the common cortical network motif in its functional connectivity to posterior cortices, but also demonstrates significant functional connectivity with the claustrum. Exploring whether the claustrum may synaptically support such network architecture, we used a channelrhodopsin-assisted electrophysiological circuit mapping approach to assess the strength of synaptic connectivity of 35 unique frontal cortico-claustral-cortical connections through 1,050 subtype-identified claustrum projection neurons. We observed significant trans-claustral synaptic connectivity from the anterior cingulate cortex and prelimbic prefrontal cortex back to originating frontal cortical regions as well as to posteriorly-lying visual and parietal association cortices contralaterally. The infralimbic prefrontal cortex possessed significant trans-claustral synaptic connectivity with the posteriorly-lying retrosplenial cortex, but to a far lesser degree with visual and parietal association cortices. These data reveal discrete extended cortical pathways through the claustrum that are positioned to support cortical network motifs central to cognitive control functions.

Chronic pain has a profound societal burden, affecting 20% to 30% of the world population,10,13,14,47 and is associated with high rates of comorbid mental health conditions, especially depression and anxiety.15 Women and people of increasing age are disproportionately affected by chronic pain,14,32 and while there are pharmacological and nonpharmacological treatments available, many individuals still do not benefit from these treatments.11,16,19,31,35,45 One significant challenge in providing effective pain-relieving treatments arises from our incomplete understanding of the mechanisms underlying the development and maintenance of chronic pain. Some of these mechanisms include changes in brain morphology and function.2,8,12,18,25,28,37 One approach to better understand these mechanisms is to combine neuroimaging studies of diverse populations with the purpose of identifying common phenotypes and neuroimaging correlates. Phenotyping to explore both similarities and heterogeneity across pain conditions is necessary to inform disease prognosis and elucidate common treatment targets. To this endeavor, the Enhancing Neuroimaging and Genetics through Meta-Analysis (ENIGMA)-Chronic Pain working group was formed in November 2022. ENIGMA-Chronic Pain has since welcomed over 70 pain investigators from all over the world, to pool and integrate existing neuroimaging and clinical data from approximately 2000 chronic pain and 4000 pain-free healthy individuals, from over 30 international and independently collected datasets. 1. What is ENIGMA? What are the aims of the ENIGMA-Chronic Pain Working Group? Founded in 2009, the aim of the ENIGMA Consortium is to address the growing replication problems in neuroimaging research. ENIGMA is a global collaboration of more than 2000 scientists from over 45 countries studying the human brain, in health and over 30 neurological, mental, and neurogenetic diseases.42 ENIGMA coordinates large-scale neuroimaging analyses, pooling existing datasets from around the world,6,34,39 actively coordinating the reuse of data, while accommodating data privacy safeguards, bringing rich resources and expertise to answer fundamental questions related to major brain disorders. By integrating available existing datasets and building on the growing infrastructure of the ENIGMA consortium, ENIGMA-Chronic Pain provides a platform and a resource to the chronic pain community allowing for data findability, accessibility, interoperability, and44 reusability—all vital aspects of reproducible research. Using a cost-effective and innovative global approach by merging the resources and data of leading chronic pain neuroimaging centers, ENIGMA-Chronic Pain offers a unique opportunity to obtain detailed, reproducible, and reliable data on brain mechanisms associated with chronic pain. ENIGMA-Chronic Pain integrates single studies of specific chronic pain conditions, including precursor data repositories (eg, OpenPain), and larger population-based biobanks with recorded indices of chronic pain (eg, UK Biobank).8 Recent advances in machine learning and artificial intelligence technologies also offer new and powerful ways to analyze these existing neuroimaging data. Through a worldwide collaboration of pain researchers and clinicians, ENIGMA-Chronic Pain will aim to (1) determine common and pain condition-specific brain correlates of chronic pain through multimodal neuroimaging (relative to pain-free healthy controls); (2) examine the interactions between chronic pain and comorbid mental health conditions on brain morphology and function; and (3) identify the roles of key sociodemographic factors and medication on brain morphology and function. 2. Determine common and pain condition-specific brain correlates of chronic pain through multimodal neuroimaging ENIGMA-Chronic Pain combines smaller datasets from heterogeneous chronic pain conditions. This approach maximizes the power of planned analyses and is necessary to identify brain correlates shared across chronic pain conditions. Through planned follow-up analyses on pooled datasets of similar pain types, pain locations across the body, or specific diagnoses, ENIGMA-Chronic Pain will identify correlates specific to the studied conditions at a larger scale than has previously been possible. ENIGMA-Chronic Pain will begin with examining brain topography of chronic pain by using common processing pipelines and software such as FreeSurfer for T1-weighted structural magnetic resonance imaging scans (sMRI)17,20,21 or Functional MRI of the Brain Software Library (FSL) for diffusion MRI (dMRI).23,38 Further to brain-wide region-of-interest analyses, investigation of multimodal correlates and brain networks of chronic pain will be conducted using whole-brain analyses, including standardized indices of functional connectivity from resting-state functional MRI (rs-fMRI) processed with ENIGMA's HALFpipe,43 voxel-based morphometry, and machine learning approaches to fuse multimodal features from sMRI, dMRI, and rs-fMRI to make diagnostic classification or prediction of a future clinical state. 3. Examine the interactions between chronic pain and comorbid mental health conditions on brain morphology and function Chronic pain is often accompanied by comorbid mental health conditions that can prevent treatment success.46 For example, 5% to 85% of individuals with chronic pain (depending on the study populations and settings) experience depression.1,9 The ENIGMA Consortium has extensively investigated the detailed brain and genetic markers of most common mental health conditions and reported alterations in brain regions similar to those commonly reported in smaller chronic pain studies.4,36 Evidence for shared or specific brain mechanisms between chronic pain and depression and anxiety is now growing,33,40,49,50 but no definite conclusion can be drawn from these smaller studies. Using advanced statistical models, our unique sample size, and availability of indices of comorbid mental health conditions, the pooled dataset from ENIGMA-Chronic Pain will aim to disentangle the fine morphological and functional brain alterations across all pain conditions, but also within specific pain types. This approach will contribute to identify plausible targets for more effective treatments for people living with both chronic pain and these comorbid conditions. 4. Examine the roles of key sociodemographic factors and medication on brain morphology and function Sex and age are key factors that can influence the transition to chronic pain.48 Women have greater prevalence rates for chronic pain conditions compared with men and experience more frequent, intense, and longer-lasting pain across the lifespan.14,24,30 These sex-specific differences can affect treatment choice, side effect profiles, and therapeutic responses.3 Although incompletely understood, many processes including genetic,29 neuroendocrine/neuroimmune,26 or brain-based differences,22 contribute to sex differences observed in chronic pain. Chronic pain is also highly prevalent in people of increasing age,14 along with other age-related pathologies, but the relationship between increasing age and chronic pain on brain morphology and function is still to be clearly determined. The inclusion of studies with comorbidity information that may inform causal modeling (eg, traumatic injuries, repetitive stress injuries, osteoporosis, metabolic disorders like diabetes, etc.) will clarify some of the brain–body connections at play. Existing preliminary evidence for the influence of these key sociodemographic factors needs further replication and refinement using large datasets. Another critical factor impacting brain morphology and function in chronic pain is the use of various types of pharmacological treatments,27 including tricyclic antidepressants, serotonin–norepinephrine reuptake inhibitors, antiepileptics, nonsteroidal anti-inflammatory drugs, and benzodiazepines.11,35 Using the available and detailed medication information recorded within ENIGMA-Chronic Pain, the aim of this study is to determine the variations in brain morphology and function associated with specific pharmacological treatment categories or combinations of thereof. 5. ENIGMA-Chronic Pain: expanding to other imaging modalities ENIGMA-Chronic Pain builds on the experience of the Consortium to host the largest and most comprehensive dataset for neuroimaging studies of chronic pain. In addition to sMRI, dMRI, and rs-fMRI data, ENIGMA-Chronic Pain will leverage the contribution of chronic pain researchers and clinicians with data and expertise in other neuroimaging modalities, including resting-state electroencephalography (EEG), task-based fMRI and EEG, event-related potentials, magnetoencephalography, functional near-infrared spectroscopy, and magnetic resonance spectroscopy. In addition, the aim of ENIGMA-Chronic Pain is to include neuromodulation studies, such as repetitive transcranial magnetic resonance stimulation, TMS-EEG, transcranial direct current stimulation, or transcranial alternating current stimulation studies, to examine potential causal associations.7 Finally, following work from the ENIGMA-Clinical Endpoint working group,41 a long-term goal includes building a framework of standardized questionnaires and tools for future research, to be applied to most, if not all, chronic pain conditions and to integrate genetics data to better understand the relationship between genetic and environmental risks on brain phenotypes of chronic pain overall and for available subtypes. 6. Conclusions ENIGMA-Chronic Pain will establish the largest worldwide platform for neuroimaging data dedicated to chronic pain research. This approach enables large-scale collaborative opportunities to identify the common and specific brain correlates of chronic pain conditions, as well as the role of mental health comorbidities, key sociodemographic factors, and pharmacological treatment on these alterations. This initiative will provide invaluable new knowledge based on adequately powered neuroimaging datasets. Future aims of the working group could include extending the scope to the earliest periods of the human lifespan, leveraging neonatal MRI and EEG datasets with pain-relevant paradigms,5 to investigate the potential developmental origins of chronic pain susceptibility in later years. Last, we extend the call to additional groups to join, contribute their expertise, and share their neuroimaging, genetic, psychological, and clinical data from healthy controls and individuals with chronic pain (see information and contact details on https://enigma.ini.usc.edu/ongoing/enigma-chronic-pain/). Through the inclusion of most, if not all, chronic pain neuroimaging research groups, we hope to grow the working group and thereby fulfill its goals. Conflict of interest statement None of the authors declare any conflicts of interest. The views expressed in this article are those of the authors and do not necessarily reflect the position or policy of the Department of Veterans Affairs or the United States government, or those of the NHS, the NIHR, or the Department of Health from the United Kingdom.