Placebo analgesia involves the endogenous opioid system, as administration of the opioid antagonist naloxone decreases placebo analgesia. To investigate the opioidergic mechanisms that underlie placebo analgesia, we combined naloxone administration with functional magnetic resonance imaging. Naloxone reduced both behavioral and neural placebo effects as well as placebo-induced responses in pain-modulatory cortical structures, such as the rostral anterior cingulate cortex (rACC). In a brainstem-specific analysis, we observed a similar naloxone modulation of placebo-induced responses in key structures of the descending pain control system, including the hypothalamus, the periaqueductal gray (PAG), and the rostral ventromedial medulla (RVM). Most importantly, naloxone abolished placebo-induced coupling between rACC and PAG, which predicted both neural and behavioral placebo effects as well as activation of the RVM. These findings show that opioidergic signaling in pain-modulating areas and the projections to downstream effectors of the descending pain control system are crucially important for placebo analgesia.

Functional magnetic resonance imaging of the human spinal cord reveals a mechanism for placebo analgesia.

Abstract The capacity to voluntarily regulate emotions is critical for mental health, especially when coping with aversive events. Several neuroimaging studies of emotion regulation found the amygdala to be a target for downregulation and prefrontal regions to be associated with downregulation. To characterize the role of prefrontal regions in bidirectional emotion regulation and to investigate regulatory influences on amygdala activity and peripheral physiological measures, a functional magnetic resonance imaging (fMRI) study with simultaneous recording of self‐report, startle eyeblink, and skin conductance responses was carried out. Subjects viewed threat‐related pictures and were asked to up‐ and downregulate their emotional responses using reappraisal strategies. While startle eyeblink responses (in successful regulators) and skin conductance responses were amplified during upregulation, but showed no consistent effect during downregulation, amygdala activity was increased and decreased according to the regulation instructions. Trial‐by‐trial ratings of regulation success correlated positively with activity in amygdala during upregulation and orbitofrontal cortex during downregulation. Downregulation was characterized by left‐hemispheric activation peaks in anterior cingulate cortex, dorsolateral prefrontal cortex, and orbitofrontal cortex and upregulation was characterized by a pattern of prefrontal activation not restricted to the left hemisphere. Further analyses showed significant overlap of prefrontal activation across both regulation conditions, possibly reflecting cognitive processes underlying both up‐ and downregulation, but also showed distinct activations in each condition. The present study demonstrates that amygdala responses to threat‐related stimuli can be controlled through the use of cognitive strategies depending on recruitment of prefrontal areas, thereby changing the subject's affective state. Hum Brain Mapp, 2007. © 2006 Wiley‐Liss, Inc.

Several lines of evidence suggest a major role of the trigeminovascular system in the pathogenesis of migraine. Using functional magnetic resonance imaging (fMRI), we compared brain responses during trigeminal pain processing in migraine patients with those of healthy control subjects. The main finding is that the activity of the spinal trigeminal nuclei in response to nociceptive stimulation showed a cycling behavior over the migraine interval. Although interictal (i.e., outside of attack) migraine patients revealed lower activations in the spinal trigeminal nuclei compared with controls, preictal (i.e., shortly before attack) patients showed activity similar to controls, which demonstrates that the trigeminal activation level increases over the pain-free migraine interval. Remarkably, the distance to the next headache attack was predictable by the height of the signal intensities in the spinal nuclei. Migraine patients scanned during the acute spontaneous migraine attack showed significantly lower signal intensities in the trigeminal nuclei compared with controls, demonstrating activity levels similar to interictal patients. Additionally we found—for the first time using fMRI—that migraineurs showed a significant increase in activation of dorsal parts of the pons, previously coined “migraine generator.” Unlike the dorsal pons activation usually linked to migraine attacks, the gradient-like activity following nociceptive stimulation in the spinal trigeminal neurons likely reflects a raise in susceptibility of the brain to generate the next attack, as these areas increase their activity long before headache starts. This oscillating behavior may be a key player in the generation of migraine headache, whereas attack-specific pons activations are most likely a secondary event.

Abstract The brain systems underlying placebo analgesia are insufficiently understood. Here we performed a systematic, participant-level meta-analysis of experimental functional neuroimaging studies of evoked pain under stimulus-intensity-matched placebo and control conditions, encompassing 603 healthy participants from 20 (out of 28 eligible) studies. We find that placebo vs. control treatments induce small, widespread reductions in pain-related activity, particularly in regions belonging to ventral attention (including mid-insula) and somatomotor networks (including posterior insula). Behavioral placebo analgesia correlates with reduced pain-related activity in these networks and the thalamus, habenula, mid-cingulate, and supplementary motor area. Placebo-associated activity increases occur mainly in frontoparietal regions, with high between-study heterogeneity. We conclude that placebo treatments affect pain-related activity in multiple brain areas, which may reflect changes in nociception and/or other affective and decision-making processes surrounding pain. Between-study heterogeneity suggests that placebo analgesia is a multi-faceted phenomenon involving multiple cerebral mechanisms that differ across studies.

Abstract Functional magnetic resonance imaging (fMRI) of the human spinal cord faces many challenges, such as signal loss due to local magnetic field inhomogeneities. This issue can be addressed with slice-specific z-shimming, which compensates for the dephasing effect of the inhomogeneities using a slice-specific gradient pulse. Here, we aim to address outstanding issues regarding this technique by evaluating its effects on several aspects that are directly relevant for spinal fMRI and by developing two automated procedures in order to improve upon the time-consuming and subjective nature of manual selection of z-shims: one procedure finds the z-shim that maximizes signal intensity in each slice of an EPI reference-scan and the other finds the through-slice field inhomogeneity for each EPI-slice in field map data and calculates the required compensation gradient moment. We demonstrate that the beneficial effects of z-shimming are apparent across different echo times, hold true for both the dorsal and ventral horn, and are also apparent in the temporal signal-to-noise ratio (tSNR) of EPI time-series data. Both of our automated approaches were faster than the manual approach, lead to significant improvements in gray matter tSNR compared to no z-shimming and resulted in beneficial effects that were stable across time. While the field-map-based approach performed slightly worse than the manual approach, the EPI-based approach performed as well as the manual one and was furthermore validated on an external corticospinal data-set (N>100). Together, automated z-shimming may improve the data quality of future spinal fMRI studies and lead to increased reproducibility in longitudinal studies.

Abstract The spinal cord is of fundamental importance for integrative processing in brain-body communication, yet routine non-invasive recordings in humans are hindered by vast methodological challenges. Here we overcome these challenges by developing an easy-to-use electrophysiological approach based on high-density multi-channel spinal recordings combined with multivariate spatial-filtering analyses. These advances enable a spatiotemporal characterization of spinal cord responses and demonstrate a sensitivity that permits assessing even single-trial responses. To furthermore enable the study of integrative processing along the neural processing hierarchy in somatosensation, we expand this approach by simultaneous peripheral, spinal and cortical recordings and provide direct evidence that bottom-up integrative processing occurs already within the spinal cord and thus after the first synaptic relay in the central nervous system. Finally, we demonstrate the versatility of this approach by providing non-invasive recordings of nociceptive spinal cord responses during heat-pain stimulation. Beyond establishing a new window on human spinal cord function at millisecond timescale, this work provides the foundation to study brain-body communication in its entirety in health and disease.

Abstract The investigation of spontaneous fluctuations of the blood-oxygen-level-dependent (BOLD) signal has recently been extended from the brain to the spinal cord, where it has stimulated interest from a clinical perspective. A number of resting-state functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies have demonstrated robust functional connectivity between the time series of BOLD fluctuations in bilateral dorsal horns and between those in bilateral ventral horns, in line with the functional neuroanatomy of the spinal cord. A necessary step prior to extension to clinical studies is assessing the reliability of such resting-state signals, which we aimed to do here in a group of 45 healthy young adults at the clinically prevalent field strength of 3T. When investigating connectivity in the entire cervical spinal cord, we observed fair to good reliability for dorsal-dorsal and ventral-ventral connectivity, whereas reliability was poor for within- and between-hemicord dorsal-ventral connectivity. Considering how prone spinal cord fMRI is to noise, we extensively investigated the impact of distinct noise sources and made two crucial observations: removal of physiological noise led to a reduction in functional connectivity strength and reliability – due to the removal of stable and participant-specific noise patterns – whereas removal of thermal noise considerably increased the detectability of functional connectivity without a clear influence on reliability. Finally, we also assessed connectivity within spinal cord segments and observed that while the pattern of connectivity was similar to that of whole cervical cord, reliability at the level of single segments was consistently poor. Taken together, our results demonstrate the presence of reliable resting-state functional connectivity in the human spinal cord even after thoroughly accounting for physiological and thermal noise, but at the same time urge caution if focal changes in connectivity (e.g. due to segmental lesions) are to be studied, especially in a longitudinal manner.

Although functional MRI is widely applied in the brain, fMRI of the spinal cord is more technically demanding. Proximity to the vertebral column and lungs results in strong spatial inhomogeneity and temporal fluctuations in B0. Increasing field strength enables higher spatial resolution and improved sensitivity to BOLD signal, but amplifies the effects of B0 inhomogeneity. In this work, we present the first stimulus task fMRI in the spinal cord at 7 T. Further, we compare the performance of single-shot and multi-shot 2D EPI protocols, as they differ in sensitivity to spatial and temporal B0 inhomogeneity.The cervical spinal cords of 11 healthy volunteers were scanned at 7 T using single-shot 2D EPI at 0.75 mm in-plane resolution and multi-shot 2D EPI at 0.75 and 0.6 mm in-plane resolutions. For each protocol, the BOLD response to thirteen 10-second noxious thermal stimuli applied to the right thumb was acquired in a 10-minute fMRI run. Image quality, temporal SNR, and BOLD activation (percent signal change and z-stat) at both individual- and group-level were evaluated between the protocols.Temporal SNR was highest in single-shot and multi-shot 0.75 mm protocols. In group-level analyses, activation clusters appeared in all protocols in the ipsilateral dorsal quadrant at the expected C6 neurological level. In individual-level analyses, activation clusters at the expected level were detected in some, but not all subjects and protocols. Single-shot 0.75 mm generally produced the highest mean z-statistic, while multi-shot 0.60 mm produced the best-localized activation clusters and the least geometric distortion. Larger than expected within-subject segmental variation of BOLD activation along the cord was observed.Group-level sensory task fMRI of the cervical spinal cord is feasible at 7 T with single-shot or multi-shot EPI. The best choice of protocol will likely depend on the relative importance of sensitivity to activation versus spatial localization of activation for a given experiment.

Abstract The perception of pain is shaped by somatosensory information about threat. However, pain is also influenced by an individual’s expectations. Such expectations can result in clinically relevant modulations and abnormalities of pain. In the brain, sensory information, expectations (predictions), and discrepancies thereof (prediction errors) are signaled by an extended network of brain areas. These brain areas generate evoked potentials and oscillatory responses at different latencies and frequencies. Recent evidence has provided first insights into how oscillatory responses at different frequencies signal predictions and prediction errors. However, a comprehensive picture of how evoked and oscillatory brain responses signal sensory information, predictions, and prediction errors in the processing of pain is lacking so far. We therefore built upon a neuroimaging study which investigated the spatial signalling of sensory information, predictions and predictions errors in the processing of pain (Geuter et al., 2017). To complement and extend this study, we applied brief painful stimuli to 48 healthy human participants and independently modulated sensory information (stimulus intensity) and expectations of pain intensity while measuring brain activity using electroencephalography (EEG). Pain ratings confirmed that pain intensity was shaped by both sensory information and expectations. In contrast, Bayesian analyses revealed that stimulus-induced EEG responses at different latencies (the N1, N2, and P2 components) and frequencies (alpha, beta, and gamma oscillations) were shaped by sensory information but not by expectations. Expectations, however, shaped alpha and beta oscillations before the painful stimuli. These findings indicate that commonly analyzed EEG responses to painful stimuli are more involved in signaling sensory information than in signaling expectations or mismatches of sensory information and expectations. Moreover, they indicate that the effects of expectations on pain are served by brain mechanisms which differ from those conveying effects of sensory information on pain.