Although substantial evidence has established that microglia and astrocytes play a key role in the establishment and maintenance of persistent pain in animal models, the role of glial cells in human pain disorders remains unknown. Here, using the novel technology of integrated positron emission tomography-magnetic resonance imaging and the recently developed radioligand (11)C-PBR28, we show increased brain levels of the translocator protein (TSPO), a marker of glial activation, in patients with chronic low back pain. As the Ala147Thr polymorphism in the TSPO gene affects binding affinity for (11)C-PBR28, nine patient-control pairs were identified from a larger sample of subjects screened and genotyped, and compared in a matched-pairs design, in which each patient was matched to a TSPO polymorphism-, age- and sex-matched control subject (seven Ala/Ala and two Ala/Thr, five males and four females in each group; median age difference: 1 year; age range: 29-63 for patients and 28-65 for controls). Standardized uptake values normalized to whole brain were significantly higher in patients than controls in multiple brain regions, including thalamus and the putative somatosensory representations of the lumbar spine and leg. The thalamic levels of TSPO were negatively correlated with clinical pain and circulating levels of the proinflammatory citokine interleukin-6, suggesting that TSPO expression exerts pain-protective/anti-inflammatory effects in humans, as predicted by animal studies. Given the putative role of activated glia in the establishment and or maintenance of persistent pain, the present findings offer clinical implications that may serve to guide future studies of the pathophysiology and management of a variety of persistent pain conditions.

Summary Patterns of intrinsic connectivity within the brain encode intensity of clinical pain and predict sustained pain in patients with chronic low back pain. Neuroimaging studies have suggested the presence of alterations in the anatomo-functional properties of the brain of patients with chronic pain. However, investigation of the brain circuitry supporting the perception of clinical pain presents significant challenges, particularly when using traditional neuroimaging approaches. While potential neuroimaging markers for clinical pain have included resting brain connectivity, these cross-sectional studies have not examined sensitivity to within-subject exacerbation of pain. We used the dual regression probabilistic Independent Component Analysis approach to investigate resting-state connectivity on arterial spin labeling data. Brain connectivity was compared between patients with chronic low back pain (cLBP) and healthy controls, before and after the performance of maneuvers aimed at exacerbating clinical pain levels in the patients. Our analyses identified multiple resting state networks, including the default mode network (DMN). At baseline, patients demonstrated stronger DMN connectivity to the pregenual anterior cingulate cortex (pgACC), left inferior parietal lobule, and right insula (rINS). Patients’ baseline clinical pain correlated positively with connectivity strength between the DMN and right insula (DMN–rINS). The performance of calibrated physical maneuvers induced changes in pain, which were paralleled by changes in DMN–rINS connectivity. Maneuvers also disrupted the DMN–pgACC connectivity, which at baseline was anticorrelated with pain. Finally, baseline DMN connectivity predicted maneuver-induced changes in both pain and DMN–rINS connectivity. Our results support the use of arterial spin labeling to evaluate clinical pain, and the use of resting DMN connectivity as a potential neuroimaging biomarker for chronic pain perception.

Fibromyalgia (FM) is a poorly understood chronic condition characterized by widespread musculoskeletal pain, fatigue, and cognitive difficulties. While mounting evidence suggests a role for neuroinflammation, no study has directly provided evidence of brain glial activation in FM. In this study, we conducted a Positron Emission Tomography (PET) study using [11C]PBR28, which binds to the translocator protein (TSPO), a protein upregulated in activated microglia and astrocytes. To enhance statistical power and generalizability, we combined datasets collected independently at two separate institutions (Massachusetts General Hospital [MGH] and Karolinska Institutet [KI]). In an attempt to disentangle the contributions of different glial cell types to FM, a smaller sample was scanned at KI with [11C]-L-deprenyl-D2 PET, thought to primarily reflect astrocytic (but not microglial) signal. Thirty-one FM patients and 27 healthy controls (HC) were examined using [11C]PBR28 PET. 11 FM patients and 11 HC were scanned using [11C]-L-deprenyl-D2 PET. Standardized uptake values normalized by occipital cortex signal (SUVR) and distribution volume (VT) were computed from the [11C]PBR28 data. [11C]-L-deprenyl-D2 was quantified using λ k3. PET imaging metrics were compared across groups, and when differing across groups, against clinical variables. Compared to HC, FM patients demonstrated widespread cortical elevations, and no decreases, in [11C]PBR28 VT and SUVR, most pronounced in the medial and lateral walls of the frontal and parietal lobes. No regions showed significant group differences in [11C]-L-deprenyl-D2 signal, including those demonstrating elevated [11C]PBR28 signal in patients (p’s ≥ 0.53, uncorrected). The elevations in [11C]PBR28 VT and SUVR were correlated both spatially (i.e., were observed in overlapping regions) and, in several areas, also in terms of magnitude. In exploratory, uncorrected analyses, higher subjective ratings of fatigue in FM patients were associated with higher [11C]PBR28 SUVR in the anterior and posterior middle cingulate cortices (p’s < 0.03). SUVR was not significantly associated with any other clinical variable. Our work provides the first in vivo evidence supporting a role for glial activation in FM pathophysiology. Given that the elevations in [11C]PBR28 signal were not also accompanied by increased [11C]-L-deprenyl-D2 signal, our data suggests that microglia, but not astrocytes, may be driving the TSPO elevation in these regions. Although [11C]-L-deprenyl-D2 signal was not found to be increased in FM patients, larger studies are needed to further assess the role of possible astrocytic contributions in FM. Overall, our data support glial modulation as a potential therapeutic strategy for FM.

Evidence from human post mortem, in vivo and animal model studies implicates the neuroimmune system and activated microglia in the pathology of amyotrophic lateral sclerosis. The study aim was to further evaluate in vivo neuroinflammation in individuals with amyotrophic lateral sclerosis using [11C]-PBR28 positron emission tomography. Ten patients with amyotrophic lateral sclerosis (seven males, three females, 38–68 years) and ten age- and [11C]-PBR28 binding affinity-matched healthy volunteers (six males, four females, 33–65 years) completed a positron emission tomography scan. Standardized uptake values were calculated from 60 to 90 min post-injection and normalized to whole brain mean. Voxel-wise analysis showed increased binding in the motor cortices and corticospinal tracts in patients with amyotrophic lateral sclerosis compared to healthy controls (pFWE < 0.05). Region of interest analysis revealed increased [11C]-PBR28 binding in the precentral gyrus in patients (normalized standardized uptake value = 1.15) compared to controls (1.03, p < 0.05). In patients those values were positively correlated with upper motor neuron burden scores (r = 0.69, p < 0.05), and negatively correlated with the amyotrophic lateral sclerosis functional rating scale (r = –0.66, p < 0.05). Increased in vivo glial activation in motor cortices, that correlates with phenotype, complements previous histopathological reports. Further studies will determine the role of [11C]-PBR28 as a marker of treatments that target neuroinflammation.

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.

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.

Abstract Background Chronic pain involves communication between neural and immune systems. Recent data suggest localization of glial (brain immune cells) activation to the sensorimotor regions of the brain cortex (S1/M1) in chronic low back pain (LBP). As glia perform diverse functions that impact neural function, activation might contribute to sensorimotor changes, particularly in LBP maintained by increased nervous system sensitivity (i.e., nociplastic pain). This preliminary proof‐of‐concept study aimed to: (i) compare evidence of neuroinflammatory activation in S1/M1 between individuals with and without LBP (and between nociceptive and nociplastic LBP phenotypes), and (ii) evaluate relationships between neuroinflammatory activation and sensorimotor function. Methods Simultaneous PET‐fMRI measured neuroinflammatory activation in functionally defined S1/M1 in pain‐free individuals ( n = 8) and individuals with chronic LBP ( n = 9; nociceptive: n = 4, nociplastic: n = 5). Regions of S1/M1 related to the back were identified using fMRI during motor tasks and thermal stimuli. Sensorimotor measures included single and paired‐pulse transcranial magnetic stimulation (TMS) and quantitative sensory testing (QST). Sleep, depression, disability and pain questionnaires were administered. Results Neuroinflammatory activation was greater in the lower back cortical representation of S1/M1 of the nociplastic LBP group than both nociceptive LBP and pain‐free groups. Neuroinflammatory activation in S1/M1 was positively correlated with sensitivity to hot ( r = 0.52) and cold ( r = 0.55) pain stimuli, poor sleep, depression, disability and BMI, and negatively correlated with intracortical facilitation ( r = −0.41). Conclusion This preliminary proof‐of‐concept study suggests that neuroinflammation in back regions of S1/M1 in individuals with nociplastic LBP could plausibly explain some characteristic features of this LBP phenotype. Significance Statement Neuroinflammatory activation localized to sensorimotor areas of the brain in individuals with nociplastic pain might contribute to changes in sensory and motor function and aspects of central sensitization. If cause–effect relationships are established in longitudinal studies, this may direct development of therapies that target neuroinflammatory activation.

Although both central and peripheral inflammation have been observed consistently in depression, the relationship between the two remains obscure. Extra-axial immune cells may play a role in mediating the connection between central and peripheral immunity. This study investigates the potential roles of calvarial bone marrow and parameningeal spaces in mediating interactions between central and peripheral immunity in depression. PET was used to measure regional TSPO expression in the skull and parameninges as a marker of inflammatory activity. This measure was correlated with brain TSPO expression and peripheral cytokine concentrations in a cohort enriched for heightened peripheral and central immunity comprising 51 individuals with depression and 25 healthy controls. The findings reveal a complex relationship between regional skull TSPO expression and both peripheral and central immunity. Facial and parietal skull bone TSPO expression showed significant associations with both peripheral and central immunity. TSPO expression in the confluence of sinuses was also linked to both central and peripheral immune markers. Group-dependent elevations in TSPO expression within the occipital skull bone marrow were also found to be significantly associated with central inflammation. Significant associations between immune activity within the skull, parameninges, parenchyma and periphery highlight the role of the skull bone marrow and venous sinuses as pivotal sites for peripheral and central immune interactions.

The COVID-19 pandemic caused by SARS-CoV-2 has triggered a consequential public health crisis of post-acute sequelae of COVID-19 (PASC), sometimes referred to as long COVID. The mechanisms of the heterogeneous persistent symptoms and signs that comprise PASC are under investigation, and several studies have pointed to the central nervous and vascular systems as being potential sites of dysfunction. In the current study, we recruited individuals with PASC with diverse symptoms, and examined the relationship between neuroinflammation and circulating markers of vascular dysfunction. We used [11C]PBR28 PET neuroimaging, a marker of neuroinflammation, to compare 12 PASC individuals versus 43 normative healthy controls. We found significantly increased neuroinflammation in PASC versus controls across a wide swath of brain regions including midcingulate and anterior cingulate cortex, corpus callosum, thalamus, basal ganglia, and at the boundaries of ventricles. We also collected and analyzed peripheral blood plasma from the PASC individuals and found significant positive correlations between neuroinflammation and several circulating analytes related to vascular dysfunction. These results suggest that an interaction between neuroinflammation and vascular health may contribute to common symptoms of PASC.

Issues with model fitting (i.e. suboptimal standard deviation, linewidth/full-width-at-half-maximum, and/or signal-to-noise ratio) in multi-voxel MRI spectroscopy, or chemical shift imaging (CSI), can result in the significant loss of usable voxels. A potential solution to minimize this problem is to estimate the value of unusable voxels by utilizing information from reliable voxels in the same image. We assessed an image restoration method called inpainting as a tool to restore unusable voxels and compared it with traditional interpolation methods (nearest neighbor, trilinear interpolation and tricubic interpolation). We applied these techniques to N-acetylaspartate (NAA) spectroscopy maps from a CSI dataset. Inpainting exhibited superior performance (lower normalized root-mean-square errors, NRMSE) compared to all other methods considered (p's<0.001). Inpainting maintained its superiority whether the previously unusable voxels were randomly distributed or located in regions most commonly affected by voxel loss in real-world data.