The roles of the somatosensory cortices in the perception of noxious and innocuous stimuli

Abstract

Résumé Les premières études électrophysiologiques et anatomiques ont établi le rôle crucial du cortex somatosensoriel primaire et secondaire (SI et SII) dans le traitement de l'information somatosensorielle. Toutefois, les récentes avancées en techniques d’imagerie cérébrale ont mis en question leur rôle dans la perception somatosensorielle. La réorganisation du cortex somatosensoriel est un phénomène qui a été proposé comme cause de la douleur du membre fantôme chez les individus amputés. Comme la plupart des études se sont concentrées sur le rôle du SI, une étude plus approfondie est nécessaire. La présente série d'expériences implique une exploration du rôle des régions somatosensorielles dans la perception des stimuli douleureux et non-douleureux chez des volontaires sains et patients avec des douleurs de membre fantôme. La première étude expérimentale présentée dans le chapitre 3 est une méta-analyse des études de neuro-imagerie employant des stimuli nociceptifs chez des volontaires sains. En comparaison aux précédentes, la présente étude permet la génération de cartes quantitatives probabilistes permettant la localisation des régions activées en réponse à des stimuli nociceptifs. Le rôle du cortex somatosensoriel dans la perception consciente de stimuli chauds a été étudié dans le chapitre 4 grâce à une étude d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, dans laquelle des stimuli thermiques douloureux et non-douloureux ont été administrés de manière contrebalancée. Grâce à cette procédure, la perception de la chaleur fut atténuée par les stimuli douloureux, ce qui permit la comparaison des stimuli consciemment perçus avec ceux qui ne le furent pas. Les résultats ont montrés que les stimulations chaudes perçues ont engendré l’activation de l’aire SI controlatérale, ainsi que de la région SII. Grâce à l’évaluation clinique de patients amputés présentant une altération de leurs perceptions somatosensorielles, il est également possible de dessiner un aperçu des régions corticales qui sous-tendent ces modifications perceptuelles. Dans le chapitre 5 nous avons émis l'hypothèse proposant que les sensations du membre fantôme représentent un corrélat perceptuel de la réorganisation somatotopique des représentations sensorielles corticales. En effet, la réorganisation des sensations peut donner des indices sur les régions impliquées dans la genèse des sensations référées. Ainsi, un protocole d’évaluation sensoriel a été administré à un groupe de patients affligés de douleur au niveau du membre fantôme. Les résultats ont montré que, contrairement aux études précédentes, les sensations diffèrent grandement selon le type et l'intensité des stimuli tactiles, sans évidence de la présence d’un modèle spatialement localisé. Toutefois, les résultats actuels suggèrent que les régions corticales à champs récepteurs bilatéraux présentent également des modifications en réponse à une déafférentation. Ces études présentent une nouvelle image des régions corticales impliquées dans la perception des stimuli somatosensoriels, lesquelles comprennent les aires SI et SII, ainsi que l'insula. Les résultats sont pertinents à notre compréhension des corrélats neurologiques de la perception somatosensorielle consciente.

Abstract Early anatomical and single-unit recording studies established a crucial role for the primary and secondary somatosensory cortices (SI & SII) in processing somatosensory information. However, recent advances in brain imaging and analysis techniques have called into question their role in somatosensation. Findings from this recent research are relevant to the study of the reorganizational changes occurring in the somatosensory cortices that have been causally linked to the genesis of pain in amputee patients. These patients continue to perceive and experience pain in the absent limb, which is usually referred to as phantom-limb pain; but little research on this phenomenon has focused on other regions outside SI, and further study is needed. The present series of experiments involve an exploration of the roles of the somatosensory cortices in the perception of noxious and innocuous tactile stimuli in healthy volunteers and patients with phantom-limb pain. The first experimental study in Chapter 3 is a meta-analytic review of neuroimaging studies examining noxious stimuli evoked activation in healthy volunteers. In comparison to previous reviews that have merely reported the prevalence of pain-related activation, the present study yields quantitative probabilistic maps that permit localization of the likelihood of obtaining activation in response to noxious stimuli within any brain region. The role of the somatosensory cortices in the conscious perception of brief warm stimuli was explored in Chapter 4 using functional magnetic resonance imaging, where noxious and innocuous thermal stimuli were counterbalanced within the experimental protocol. This procedure allowed a gating of the somatosensory system in which the perception of warm stimuli was attenuated by painful stimuli, thus permitting the comparison of detected with undetected stimuli. Results showed that detected warm stimuli significantly activated SI and SII. It is also possible to draw insight regarding which cortical regions subserve somatosensory processing and its organization by clinical assessment of amputee patients, who demonstrate altered somatosensation. To date, few studies have explored the relationship between referred sensations to the phantom and cortical reorganization. In Chapter 5 we hypothesized that referred sensations to phantom limbs are a perceptual correlates of a somatotopic reorganization of sensory representations. Derangements in referred sensations can give clues to the regions involved in referred sensations genesis. Thus, a quantitative sensory testing protocol was administered to a group of phantom-limb pain patients. Results showed that, contrary to previous reports, referred sensations to the phantom differed greatly based on the type and intensity of the tactile stimuli applied to the body, with no evidence of a spatially localized pattern. Previous reports of referred sensations have solely focused on plastic changes in SI. However, the present results suggest that other cortical regions with bilateral receptive fields also undergo reorganizational changes in response to deafferentation. These studies present an emerging picture of the cortical regions involved in the perception of somatosensory stimuli, which include SI and SII, as well as the insula. Findings are relevant to our understanding of the neural correlates of conscious perception of somatosensation and the formation of the mental representation of stimuli applied to the body.