The neural and behavioral mechanisms of the modulation of pain by positive and negative expectations

Abstract

The perception of the environment is heavily influenced by expectations. This is also the case for the perception of pain. The positive expectation that an upcoming stimulus will hurt less leads to hypoalgesia. In the opposite however, the negative expectation that a stimulus will hurt more leads to hyperalgesia. This phenomena are also known as the placebo effect in the case of positive expectations and the nocebo effect in the case of negative expectations. While these effects are well known and researched, less is known about the underlying mechanisms of the positive and negative expectation effects and if they underlie the same set of rules. This pertains, for example to whether the effect strength of positive and negative expectations is comparable. Further, the stability of this expectation effects still needs to be investigated as well as the means to induce these expectation effects, as it remains unclear if deception is necessary for the induction of expectations. In three studies, the mechanisms of pain modulation through positive and negative expectations were investigated. Study 1 employed a combination of EEG and fMRI to examine the neural correlates of pain modulation by positive and negative expectations that were induced using a sham brain computer interface. It was found that during the anticipation of a painful stimulus, positive and negative expectations primarily led to shared effects in the brain. However, during pain perception, in multiple brain areas a differentiation between the effects emerged with higher activation for the positive expectation condition compared to the negative expectation condition. Furthermore, through EEG, it was possible to reveal a temporal organization of the effects in the brain during pain anticipation. Study 2 explored the stability of expectancy effects and the neural basis for this stability. It was observed that the induction of both positive and negative expectations resulted in stable changes in perception approximately one week after the expectation induction. Moreover, the brain regions supporting this stability were found to differ between positive and negative expectations. Stable positive expectations were associated with increased activity in the anterior insula, increased activity in the DLPFC, and reduced activity in the amygdala. In contrast, stable negative expectations were associated with increased activity in the thalamus. Study 3 demonstrated that deception is not necessary for the successful induction of positive or negative expectations. In summary, the behavioral data of the three studies revealed no significant differences between the effects of positive and negative expectations on pain perception. However, among the neural data, both commonalities and differences in processing were observed, which may indicate variations in the underlying mechanisms of positive and negative expectations.

Die Wahrnehmung der Umwelt ist stark von Erwartungen geprägt. Dies gilt auch für die Wahrnehmung von Schmerzreizen. Die positive Erwartung, dass ein Schmerzreiz weniger schmerzhaft werden wird, vermindert den empfundenen Schmerz. Sie führt also zu Hypoalgesie. Im Gegensatz dazu erhöht die negative Erwartung, dass ein Schmerzreiz sehr schmerzhaft sein wird zu Hyperalgesie, also einer verstärkten Schmerzwahrnehmung. Diese Effekte sind auch als Placebo-Effekt im Falle der positiven Erwartung und als Nocebo-Effekt im Falle der negativen Erwartung bekannt. Während diese Effekte gut untersucht sind, ist weniger darüber bekannt, welche Mechanismen diesen Effekten zu Grunde liegen. Insbesondere bleibt unklar, ob positive Erwartungen und negative Erwartungen den gleichen Mechanismen folgen. Das gilt z.B. dafür, ob sie die gleichen Effektstärke zeigen, für die Stabilität der Erwartungen und für die Möglichkeiten, diese Erwartungen zu induzieren. Unklar ist zudem, ob Täuschung für das erfolgreiche Induzieren von Erwartungen notwendig ist und ob sich die Erwartungseffekte in ihren neuronalen Korrelaten unterscheiden. In drei Studien wurden deshalb die Mechanismen der Schmerzmodulation durch positive und negative Erwartungen beleuchtet. In Studie 1 wurde mit einer Kombination aus EEG und fMRT die neuronalen Korrelate der Schmerzmodulation durch positive und negative Erwartungen untersucht, die durch ein vorgetäuschtes Brain-Computer-Interface induziert wurden. Dabei zeigte sich, dass die Erwartungen die Schmerzwahrnehmung der Versuchspersonen beeinflussten und dass positive und negative Erwartungen in der Phase der Vorbereitung auf den Schmerz vor allem gemeinsame Effekte im Gehirn aufweisen. Jedoch differenzierten sich diese Effekte während der Schmerzwahrnehmung in den meisten Arealen. Mit Hilfe des EEGs konnte zudem eine zeitliche Organisation der Effekte im Gehirn ausgearbeitet werden. In Studie 2 wurde die Stabilität der Erwartungseffekte sowie die neuronale Grundlage dieser Stabilität untersucht. Dabei ergab sich, dass die Induktion von sowohl positiven und negativen Erwartungen zu stabilen Veränderungen der Wahrnehmung ca. eine Woche nach der Induktion geführt haben. Es zeigte sich auch, dass die Areale im Gehirn, die diese Stabilität unterstützen, sich zwischen positiven und negativen Erwartungen unterscheiden. Stabile positive Erwartungen wurden durch mehr Aktivität in der anterioren Insula, mehr Aktivität im DLPFC und durch verringerte Aktivität in der Amygdala unterstützt. Stabile negative Erwartungen gingen ausschließlich mit mehr Aktivität im Thalamus einher. In Studie 3 aufgezeigt werden, dass Täuschung für eine erfolgreiche Induktion von positiven oder negativen Erwartungen nicht notwendig ist. Zusammenfassend wurden in den Verhaltensdaten der drei Studien keine bedeutsamen Unterschiede zwischen positiven und negativen Erwartungseffekten auf die Schmerzwahrnehmung gefunden. In den neuronalen Daten lassen sich jedoch neben Gemeinsamkeiten in der Verarbeitung auch Unterschiede erkennen, die möglicherweise Unterschiede in den zugrunde liegenden Mechanismen andeuten.