Brain imaging of chronic pain

Acute pain has substantial survival value because of its protective function in the everyday environment. Instead, chronic pain lacks survival and adaptive function, causes great amount of individual suffering, and consumes the resources of the society due to the treatment costs and loss of production. The treatment of chronic pain has remained challenging because of inadequate understanding of mechanisms working at different levels of the nervous system in the development, modulation, and maintenance of chronic pain. Especially in unclear chronic pain conditions the treatment may be suboptimal because it can not be targeted to the underlying mechanisms. Noninvasive neuroimaging techniques have greatly contributed to our understanding of brain activity associated with pain in healthy individuals. Many previous studies, focusing on brain activations to acute experimental pain in healthy individuals, have consistently demonstrated a widely-distributed network of brain regions that participate in the processing of acute pain. The aim of the present thesis was to employ non-invasive brain imaging to better understand the brain mechanisms in patients suffering from chronic pain. In Study I, we used magnetoencephalography (MEG) to measure cortical responses to painful laser stimulation in healthy individuals for optimization of the stimulus parameters for patient studies. In Studies II and III, we monitored with MEG the cortical processing of touch and acute pain in patients with complex regional pain syndrome (CRPS). We found persisting plastic changes in the hand representation area of the primary somatosensory (SI) cortex, suggesting that chronic pain causes cortical reorganization. Responses in the posterior parietal cortex to both tactile and painful laser stimulation were attenuated, which could be associated with neglect-like symptoms of the patients. The primary motor cortex reactivity to acute pain was reduced in patients who had stronger spontaneous pain and weaker grip strength in the painful hand. The tight coupling between spontaneous pain and motor dysfunction supports the idea that motor rehabilitation is important in CRPS. In Studies IV and V we used MEG and functional magnetic resonance imaging (fMRI) to investigate the central processing of touch and acute pain in patients who suffered from recurrent herpes simplex virus infections and from chronic widespread pain in one side of the body. With MEG, we found plastic changes in the SI cortex, suggesting that many different types of chronic pain may be associated with similar cortical reorganization. With fMRI, we found functional and morphological changes in the central pain circuitry, as an indication of central contribution for the pain. These results show that chronic pain is associated with morphological and functional changes in the brain, and that such changes can be measured with functional imaging.

Akuutti kipu toimii terveellä ihmisellä elämää ylläpitäväna varoitussignaalina, joka syntyy vahingollisen ärsykkeen vaikutuksesta. Kivun muuttuessa krooniseksi se menettää normaalin varoitusfunktionsa, eikä enää edesauta selviytymistä. Krooninen kipu aiheuttaa yksilötasolla suurta kärsimystä ja huonontaa elämänlaatua, ja sen yhteiskunnalliset ja taloudelliset vaikutukset ovat mittavat hoitokulujen ja työkyvyttömyyden vuoksi. Kaikentyyppisessä kroonisessa kivussa keskushermostolliset mekanismit osallistuvat kivun kehittymiseen, säätelyyn ja ylläpitoon. Toistaiseksi näitä mekanismeja on ymmärretty huonosti, joten kroonisen kivun tehokas hoito on vaikeaa. Erityisesti silloin kun kroonisen kivun syntymekanismia ei tunneta, diagnostiikka, hoito ja kuntoutus ovat erityisen haasteellisia. Uudet aivokuvantamismenetelmät kuten magnetoenkefalografia (MEG) ja toiminnallinen magneettikuvaus (fMRI), joilla kipuun liittyviä aivoaktivaatioita voidaan havaita hyvällä aika- ja paikkatarkkuudella ovat tuoneet runsaasti tietoa akuutin kivun keskushermostollisesta käsittelystä terveillä ihmisillä. Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli näitä menetelmiä käyttäen tutkia krooniseen kipuun liittyviä aivomekanismeja kahdella potilasryhmällä, jotka kärsivät kroonisesta kivusta. Tutkimuksiin osallistui kahdeksan monimuotoisesta paikallisesta kipuoireyhtymästä (CRPS) kärsivää potilasta, joilla krooninen kipu paikantui toiseen yläraajaan, sekä kahdeksan potilasta, jotka kärsivät toistuviin virusinfektioihin liittyvästä koko toisen kehonpuoliskon käsittävästä kroonisesta kiputilasta. Kipupotilaitten aivoaktivaatiota verrattiin terveiden verrokkihenkilöiden vastaaviin aivoaktivaatioihin. Tutkimuksissamme selvitimme ensin MEG:llä terveiden koehenkilöiden aivokuorivasteita kivuliaille lasersärsykkeille optimoidaksemme mittausparametreja ennen siirtymistämme varsinaisiin potilasmittauksiin. Seuraavaksi tarkastelimme MEG:llä CRPS-potilaiden aivokuorivasteita kosketukseen ja akuuttiin kipuun, sekä mittasimme liikeaivokuoren reaktiivisuutta akuuttiin kipuun. Osoitimme että käden edustustalue primaarilla tuntoaivokuorella (SI) oli kutistunut, viitaten siihen että krooninen kipu voi muovata aivoja ja jättää niihin pysyvät jäljet. Liikeaivokuori reagoi akuuttiin kipuun sitä huonommin, mitä voimakkaammasta kivusta potilaat kärsivät ja mitä huonompi puristusvoima kädessä oli. On mahdollista että potilaitten krooninen kipu johtaa liikeaivokuoren huonontuneeseen toimintaan ja sen välityksellä puristusvoiman heikkouteen. Lopulta käytimme MEG:tä ja fMRI:tä tutkiaksemme kosketuksen ja kivun käsittelyä potilailla, jotka kärsivät toistuviin virusinfektioihin liittyvästä kroonisesta kivusta. Havaitsimme käden edustusalueen kutistumisen SI:lla, viitaten siihen että useasta eri syystä johtuva krooninen kipu voi jättää samanlaiset jäljet aivoihin. fMRI:llä löysimme sekä toiminnallisia että rakenteellisia muutoksia aivojen kivunkäsittelyalueilla. Nämä muutokset viittaavat siihen että toistuviin virusinfektioihin liittyvillä keskushermostollisilla mekanismeilla voi olla osuutta kroonisen kivun kehittymisessä näillä potilailla. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että krooniseen kipuun liittyy sekä rakenteellisia että toiminnallisia muutoksia aivoissa, ja että tällaiset muutokset ovat mitattavissa moderneilla aivokuvantamismenetelmillä.