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.

Abstract Peak alpha frequency, the dominant oscillatory frequency within the alpha range (8–12 Hz), is associated with cognitive function and several neurological conditions, including chronic pain. Manipulating PAF could offer valuable insight into the relationship between PAF and various functions and conditions and provide new treatment avenues. This systematic review aimed to comprehensively synthesise effects of non-invasive brain stimulation (NIBS) on PAF speed. Relevant studies assessing PAF pre- and post-NIBS in healthy adults were identified through systematic searches of electronic databases (Embase, PubMed, PsychINFO, Scopus, The Cochrane Library) and trial registers. The Cochrane risk-of-bias tool was employed for assessing study quality. Quantitative analysis was conducted through pairwise meta-analysis when possible; otherwise, qualitative synthesis was performed. The review protocol was registered with PROSPERO (CRD42020190512) and the Open Science Framework ( https://osf.io/2yaxz/ ). Eleven NIBS studies were included, all with a low risk-of-bias, comprising seven transcranial alternating current stimulation (tACS), three repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS), and one transcranial direct current stimulation (tDCS) study. Meta-analysis of active tACS conditions (eight conditions from five studies) revealed no significant effects on PAF (mean difference [MD] = -0.12, 95% CI = -0.32 to 0.08, p = 0.24). Qualitative synthesis provided no evidence that tDCS altered PAF and moderate evidence for transient increases in PAF with 10 Hz rTMS. There is limited evidence that NIBS can modulate PAF, and existing evidence does not demonstrate robust effects. Further studies employing standardised stimulation protocols are necessary to determine the potential of NIBS to modulate PAF.

Abstract Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) holds promise as a non-invasive pain treatment. Given the link between individual peak alpha frequency (PAF) of resting-state electroencephalographic recordings and pain sensitivity, and the potential for rTMS to modulate PAF, we investigated these relationships through a secondary analysis of established rTMS-induced analgesia in an experimental model of sustained muscle pain. In a randomised, single-blind, sham-controlled experiment, 30 healthy adults underwent either active (n=15) or sham (n=15) high-frequency rTMS (20 min) to the left dorsolateral prefrontal cortex for five consecutive days following induction of sustained experimental pain by nerve growth factor (NGF) injected into the right extensor carpi radialis brevis muscle. The pain intensity was assessed daily for 14 days on a numerical rating scale (NRS). PAF of the resting state electroencephalography (5 min) was assessed before and one day after the five rTMS treatment days. The pre-registered analysis revealed no significant changes in PAF following five consecutive days of active (from 9.90±0.39 Hz to 9.95±0.38 Hz) or sham (from 9.86±0.44 Hz to 9.81±0.35 Hz) rTMS, suggesting that the impact of rTMS on NGF- induced pain is independent of PAF modulation. However, exploratory analysis indicated an association between the absolute difference of baseline PAF to 10 Hz (i.e. the rTMS frequency) and higher NRS pain ratings at Day 5 in participants receiving active rTMS. This suggests that rTMS is more efficient when delivered close to the individual PAF and necessitates further exploration of PAF’s role in rTMS-induced pain relief. Disclosures: The Center for Neuroplasticity and Pain (CNAP) is supported by the Danish National Research Foundation (DNRF121). The authors have no conflicts of interest to declare.

Abstract Background Temporomandibular disorder (TMD) is a common condition that frequently transitions to chronic symptoms. Experimental pain models that mimic the symptoms of clinical TMD may be useful in understanding the mechanisms, and sex differences, present in this disorder. Here we aimed to comprehensively characterise the nature and time-course of pain, functional impairment and hyperalgesia induced by repeated intramuscular injection of nerve growth factor (NGF) into the masseter muscle, and to investigate sex differences in the NGF-induced pain experience. Methods 94 healthy individuals participated in a longitudinal observational study with 30-day follow-up. NGF was injected into the right masseter muscle on Day 0 and Day 2. Participants attended laboratory sessions to assess pain (Numerical Rating Scale; NRS), functional limitation (mouth opening distance, Jaw Functional Limitation Scale; JFLS) and mechanical sensitization (pressure pain thresholds; PPTs) on Days 0, 2 and 5 and completed twice daily electronic pain dairies from Day 0 to day 30. Results Peak pain averaged 2.0/10 (95 % CI: 1.6-2.4) at rest and 4.3/10 (95 % CI: 3.9-4.8) on chewing. Pain-free mouth opening distance reduced from 5.0 cm (95 % CI: 4.8-5.1 cm) on Day 0 to 3.7 cm (95 % CI: 3.5-3.9 cm) on Day 5. The greatest reduction in PPTs was observed over the masseter muscle. Females experienced higher pain, greater functional impairment, and greater sensitivity to mechanical stimuli than males. Conclusion Intramuscular injection of NGF is a useful model with which to explore the mechanisms, and sex differences, present in clinical TMD.

Abstract Background Transcranial magnetic stimulation (TMS) evoked potentials (TEPs) can be used to index cortical excitability. However, it remains unclear to what extent TEPs reflect somatosensory and auditory-evoked potentials which arise from the scalp sensation and click of the TMS coil, as opposed to transcranial stimulation of cortical circuits. Objectives The present study had two aims; a) to determine the extent to which sensory potentials contaminate TEPs using a spatially matched sham condition, and b) to determine whether sensory potentials reflect auditory or somatosensory potentials alone, or a combination of the two. Methods Twenty healthy participants received active or sham stimulation, with the latter consisting of the click of a sham coil combined with scalp electrical stimulation. Earplugs/headphones were used to suppress the TMS click noise. Two additional control conditions i) electrical stimulation alone and ii) auditory stimulation alone were included in a subset of 13 participants. Results Signals from active and sham stimulation were correlated in spatial and temporal domains, especially >70ms post-stimulation. Relative to auditory or electrical stimulation alone, combined (sham) stimulation resulted in a) larger evoked responses b) stronger correlations with active stimulation and c) a signal that could not be explained by the linear sum of electrical and auditory stimulation alone. Conclusions Sensory potentials can confound data interpretations of TEPs at timepoints >70ms post-TMS, while earlier timepoints appear reflective of cortical excitability. Furthermore, contamination of TEPs cannot be explained by auditory or somatosensory potentials alone, but instead reflects a non-linear interaction between both sources. Future studies may benefit from controlling for sensory contamination using sham conditions that are spatially matched to active TMS, and which consist of combined auditory and somatosensory stimulation.

Abstract Transcranial magnetic stimulation (TMS) has been used to examine inhibitory and facilitatory circuits during experimental pain and in chronic pain populations. However, current applications of TMS to pain have been restricted to measurements of motor evoked potentials (MEPs) from peripheral muscles. Here, TMS was combined with electroencephalography (EEG) to determine whether experimental pain could induce alterations in cortical inhibitory/facilitatory activity observed in TMS-evoked potentials (TEPs). In Experiment 1 (n = 29), multiple sustained thermal stimuli were administered to the forearm, with the first, second and third block of thermal stimuli consisting of warm but non-painful (pre-pain block), painful (pain block) and warm but non-painful (post-pain block) temperatures respectively. During each stimulus, TMS pulses were delivered while EEG (64 channels) was simultaneously recorded. Verbal pain ratings were collected between TMS pulses. Relative to pre-pain warm stimuli, painful stimuli led to an increase in the amplitude of the frontocentral negative peak ∼45ms post-TMS (N45), with a larger increase associated with higher pain ratings. Experiments 2 and 3 (n = 10 in each) showed that the increase in the N45 in response to pain was not due to changes in sensory potentials associated with TMS, or a result of stronger reafferent muscle feedback during pain. This is the first study to use combined TMS-EEG to examine alterations in cortical excitability in response to pain. These results suggest that the N45 TEP peak, which indexes GABAergic neurotransmission, is implicated in pain perception and is a potential marker of individual differences in pain sensitivity.

Abstract Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) has shown promise as an intervention for pain. An unexplored research question is whether the delivery of rTMS prior to pain onset might protect against a future episode of prolonged pain. The present study aimed to determine whether (1) 5 consecutive days of rTMS delivered prior to experimentally induced prolonged jaw pain has a prophylactic effect on future pain intensity and (2) whether these effects were accompanied by increases in corticomotor excitability (CME) and/or sensorimotor peak alpha frequency (PAF). On each day from day 0 to 4, 40 healthy individuals received a single session of active (n = 21) or sham (n = 19) rTMS over the left primary motor cortex. Peak alpha frequency and CME were assessed on day 0 (before rTMS) and day 4 (after rTMS). Prolonged pain was induced via intramuscular injection of nerve growth factor in the right masseter muscle after the final rTMS session. From days 5 to 25, participants completed twice-daily electronic diaries including pain on chewing and yawning (primary outcomes), as well as pain during other activities (eg, talking), functional limitation in jaw function and muscle soreness (secondary outcomes). Compared to sham, individuals who received active rTMS subsequently experienced lower pain on chewing and yawning. Furthermore, active rTMS led to an increase in PAF. This is the first study to show that rTMS delivered prior to prolonged pain onset can protect against future pain. Our findings suggest that rTMS may hold promise as a prophylactic intervention for pain.

Abstract Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) has shown promise as an intervention for pain. An unexplored research question is whether the delivery of rTMS prior to pain onset might protect against a future episode of prolonged pain. The present study aimed to determine i) whether 5 consecutive days of rTMS delivered prior to experimentally-induced prolonged jaw pain could reduce future pain intensity and ii) whether any effects of rTMS on pain were mediated by changes in corticomotor excitability (CME) and/or sensorimotor peak alpha frequency (PAF). On each day from Day 0-4, forty healthy individuals received a single session of active (n = 21) or sham (n = 19) rTMS over the left primary motor cortex. PAF and CME were assessed on Day 0 (before rTMS) and Day 4 (after rTMS). Prolonged pain was induced via intramuscular injection of nerve growth factor (NGF) in the right masseter muscle after the final rTMS session. From Days 5-25, participants completed twice-daily electronic dairies including pain on chewing and yawning (primary outcomes), as well as pain during other activities (e.g. talking), functional limitation in jaw function and muscle soreness (secondary outcomes). Compared to sham, individuals who received active rTMS subsequently experienced lower pain on chewing and yawning. Although active rTMS increased PAF, the effects of rTMS on pain were not mediated by changes in PAF or CME. This study is the first to show that rTMS delivered prior to pain onset can protect against future pain and associated functional impairment. Thus, rTMS may hold promise as a prophylactic intervention for persistent pain.