Brain in complex regional pain syndrome

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3089-1
Title: Brain in complex regional pain syndrome
Author: Hotta, Jaakko
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Medicine, Clinicum, Clinical Neurosciences, Neurology
Aalto University, School of Science, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering and Aalto NeuroImaging
Helsinki University Hospital, Department of Neurology
University of Helsinki, Doctoral Programme Brain & Mind
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Complex regional pain syndrome (CRPS) causes disabling and severe limb pain that is difficult to treat. The pain typically increases during motor actions, but is present also at rest. The pathophysiology of CRPS is incompletely understood. Some of the symptoms suggest involvement of the central nervous system, and accordingly, patients have been shown to display alterations in, for instance, the primary sensorimotor cortex (SM1) and indications of neuroinflammation. More thorough pathophysiological knowledge of CRPS would help to develop better treatments and diagnostics. My thesis includes four studies exploring the cerebral basis of CRPS. All patients participating in these studies suffered from unilateral upper-limb CRPS. Studies I and II explored the complex couplings between pain, motor actions and visual information in CRPS. In healthy persons, observation and imagery of motor actions are known to elicit brain activation in similar brain areas as does action execution. CRPS patients experience pain while they execute or imagine actions and at the same time their brain activity is abnormal. However, these phenomena have not previously been studied for action observation in CRPS. In Study I, ratings of subjective experiences (e.g. pain) during observation of others’ actions were compared between 19 CRPS patients and 19 healthy control subjects. We found that CRPS patients experienced observation of motor actions as unpleasant and painful, and they overestimated the force applied in the observed actions. In Study II, the brain responses to action observation, measured with functional magnetic resonance imaging (fMRI), were compared between 13 CRPS patients and 13 healthy control subjects using multivariate pattern analysis (MVPA). During painful action-observation, the patients displayed abnormal activity in, for example, the representation area of the painful limb in the SM1 as well as in other brain areas important for pain experience and motor actions. With MVPA, these abnormal activations reliably discriminated CRPS patients from healthy subjects, indicating potential of fMRI responses as biomarkers for CRPS. Together Studies I and II build the grounds for future studies on using action observation as an add-on treatment for CRPS. Study III elucidated alterations of brain functioning during spontaneous pain in CRPS. Comparison of resting-state fMRI between 12 CRPS patients and 17 healthy control subjects showed disrupted functional connectivity of the SM1 in CRPS, especially for the representation areas of the painful and contralateral non-painful limb. These results suggest that pain alters SM1 functions even during rest, disrupting normal brain processes that could e.g. support motor learning. In Study IV, volumes of brain structures, measured with magnetic resonance imaging, were compared between 12 CRPS patients, 8 non-CRPS pain patients and 12 healthy control subjects. In the CRPS patients, the right-ventricle choroid plexus was about one-fifth larger than in healthy subjects and about one-eight larger than in non-CRPS patients. Choroid plexus is important in e.g. neuroinflammation and this finding may open new lines in research for the pathogenesis and treatment of CRPS. In conclusion, these studies revealed novel brain-derived symptoms and signs of CRPS. Brain changes involved especially areas that have already previously been studied in CRPS (e.g. the representation areas of the painful and contralateral non-painful limb in the SM1) but also other areas, such as choroid plexus. The findings further corroborate central nervous system involvement in CRPS.Monimuotoinen paikallinen kipuoireyhtymä (CRPS) aiheuttaa voimakasta, invalidisoivaa ja vaikeasti hoidettavaa kipua yhteen tai useampaan raajaan. CRPS:n patofysiologiaa ei täysin tunneta, mutta osa oireista viittaa keskushermostolliseen alkuperään ja potilailla onkin todettu rakenteellisia ja toiminnallisia poikkeavuuksia mm. aivojen primaarilla tunto- ja liikeaivokuorella (SM1) sekä viitteitä hermokudoksen tulehduksesta eli neuroinflammaatiosta. CRPS:n patofysiologian parempi ymmärrys auttaisi kehittämään oireyhtymän diagnostiikkaa ja hoitoja. Väitöskirjani neljässä osatyötässä selvitettiin CRPS:n liittyviä keskushermoston muutoksia. Kaikilla tutkimuksiin osallistuvilla potilailla CRPS esiintyi ainoastaan jommassakummassa yläraajassa. Osatutkimukset I ja II selvittivät CRPS:ssä esiintyvää monimutkaista kivun, motoriikan ja liikkeiden näkemisen kytkentää. Kun terve ihminen näkee tai kuvittelee omia tai toisen henkilön liikkeitä, aivotoiminta muuttuu samoilla aivoalueilla kuin vastaavaa liikettä tehtäessä. CRPS-potilailla liikkeen kuvittelun ja tekemisen tiedetään voimistavan kipua ja aiheuttavan poikkeavuuksia aivotoimintaan, mutta toisen henkilön liikkeen katsomisen aikana näitä ilmiöitä ei ole aikaisemmin tutkittu. Osatutkimuksessa I tutkittiin miten 19 yläraajan CRPS:stä kärsivää potilasta ja 19 tervettä koehenkilöä kokevat toisen henkilön suorittamien käden liikkeiden katsomisen. Osoittautui, että muiden tekemien liikkeiden katsominen on CRPS-potilaille epämiellyttävää ja kivuliasta ja he yliarvoivat liikkeessä käytettyä voimaa. Osatutkimuksessa II mitattiin aivotoimintaa toiminnallisella magneettikuvantamisella (fMRI) käden liikkeiden katsomisen aikana 13:lta CRPS-potilaalta ja 13:lta terveeltä koehenkilöltä. Ryhmien välisiä eroja tutkittiin monimuuttuja-analyysillä (MVPA). Potilaiden katsottaessa niitä liikkeitä, jotka he kokivat kivuliaina, esiintyi heillä poikkeavaa aivotoimintaa sairaan käden edustusalueella SM1:lla sekä useilla muilla kivun ja motoriikan kannalta tärkeillä aivoalueilla. MVPA erotteli potilaat verrokeista luotettavasti näiden poikkeavien aivotoimintojen perusteella. Näin ollen fMRI:lla mitattuja aivosignaaleja voisi mahdollisesti hyödyntää CRPS:n biomarkkereina. Osatutkimukset I ja II luovat pohjan tuleville tutkimuksille liikkeiden katsomisen käytöstä mahdollisena CRPS:n hoitomuotona. Osatutkimus III selvitti CRPS-potilaiden aivotoiminnan muutoksia spontaanin kivun aikana. Lepotilan aikaisten fMRI-signaalien vertailu 12:n potilaan ja 17:n terveen koehenkilön kesken osoitti CRPS-potilailla toiminnallisten yhteyksien muutoksia sairaan ja terveen käden edustusalueilla SM1:lla. Tulokset viittaavat siihen, että kipu muuttaa SM1:n toimintaa myös levossa, ja voi näin häiritä esimerkiksi motorista oppimista. Osatutkimuksessa IV tutkittiin 12:n CRPS-potilaan, 8:n muun kipupotilaan ja 12:n terveen koehenkilön rakenteellisista magneettikuvista mitattujen aivoalueiden kokoa. Oikean sivuaivokammion suonipunos (plexus choroideus) oli CRPS-potilailla viidenneksen suurempi kuin kontrollihenkilöillä ja kahdeksanneksen suurempi kuin muilla kipupotilailla. Aivojen suonipunos on tärkeä rakenne neuroinflammaation kannalta ja tämä löydös voi avata uusia näkymiä CRPS:n hoidon ja patogeneesin tutkimukseen. Yhdessä väitöskirjan osatutkimukset paljastivat uusia rakenteellisia ja toiminnallisia aivomuutoksia CRPS-potilailla. Aivomuutoksia esiintyi erityisesti alueilla, joissa on jo aiemmin todettu poikkeavuuksia CRPS:ssa (mm. SM1), mutta myös alueilla, kuten aivojen suonipunoksessa, joiden muutoksia ei aikaisemmin olla kirjallisuudessa kuvattu. Kaiken kaikkiaan saadut tulokset korostavat aivojen merkitystä CRPS:n patofysiologiassa.
URI: URN:ISBN:978-951-51-3089-1
http://hdl.handle.net/10138/187060
Date: 2017-06-19
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record