SEE TRACEY DOI101093/BRAIN/AWW147 FOR A SCIENTIFIC COMMENTARY ON THIS ARTICLE: Mechanisms of chronic pain remain poorly understood. We tracked brain properties in subacute back pain patients longitudinally for 3 years as they either recovered from or transitioned to chronic pain. Whole-brain comparisons indicated corticolimbic, but not pain-related circuitry, white matter connections predisposed patients to chronic pain. Intra-corticolimbic white matter connectivity analysis identified three segregated communities: dorsal medial prefrontal cortex-amygdala-accumbens, ventral medial prefrontal cortex-amygdala, and orbitofrontal cortex-amygdala-hippocampus. Higher incidence of white matter and functional connections within the dorsal medial prefrontal cortex-amygdala-accumbens circuit, as well as smaller amygdala volume, represented independent risk factors, together accounting for 60% of the variance for pain persistence. Opioid gene polymorphisms and negative mood contributed indirectly through corticolimbic anatomical factors, to risk for chronic pain. Our results imply that persistence of chronic pain is predetermined by corticolimbic neuroanatomical factors.

Psychological and personality factors, socioeconomic status, and brain properties all contribute to chronic pain but have essentially been studied independently. Here, we administered a broad battery of questionnaires to patients with chronic back pain (CBP). Clustering and network analyses revealed four orthogonal dimensions accounting for 60% of the variance, and defining chronic pain traits. Two of these traits, Pain-trait and Emote-trait, were related to back pain characteristics and could be predicted from distinct distributed functional networks in a cross-validation procedure, identifying neurotraits. These neurotraits were relatively stable in time and segregated CBP patients into subtypes showing distinct traits, pain affect, pain qualities, and socioeconomic status (neuropsychotypes). The results unravel the trait space of chronic pain leading to reliable categorization of patients into distinct types. The approach provides metrics aiming at unifying the psychology and the neurophysiology of chronic pain across diverse clinical conditions, and promotes prognostics and individualized therapeutics.

Placebo response is universally observed in randomized controlled trials (RCTs), yet these effects are commonly dismissed as consequences of uncontrollable confounds. In this prospective neuroimaging-based RCT performed in chronic back pain patients, we demonstrate that the intensity, but not quality, of pain is diminished with placebo pill ingestion. The response to placebo pills depended on brain: subcortical limbic volume asymmetry, sensorimotor cortical thickness, and functional coupling of the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) with the periaqueductal grey (PAG), the rostral anterior cingulate cortex (rACC), and the precentral gyrus (PreCG); and psychological factors. All features were present before exposure to the pill; most remained stable across treatment and washout periods, although specific functional coupling between DLPFC and PAG dissipated with repeated exposure. These brain properties and specific psychological factors, such as interoceptive awareness and openness, were also predictive of the magnitude of response (continuous variable). We used machine learning in a fully cross-validated procedure and demonstrated that psychological factors were sufficient for classifying and predicting response magnitude; and response magnitude could also be predicted from a functional network (nodes mainly located in the limbic community, the DLPFC, the orbitofrontal cortex, and the temporo-parietal junction); the combined model explained 36% of the variance. Together, our results demonstrate that placebo pill analgesia observed in clinical trials depends on a combination of brain properties and specific psychological factors.