Multimodal analysis of the autonomic response to deep and superficial stimulation

Pain is defined as an unpleasant sensory experience associated with actual or potential tissue damage. In the last 50 years, research efforts have considerably investigated the autonomic response to pain focusing in particular on the analysis of heart rate variability (HRV). In our work, we analyse the autonomic response of 30 healthy subjects to different controlled type of pain (superficial and deep) using high-time-resolution HRV and RSA measures. Moreover, we are interested to find specific HRV and RSA features able to provide a more accurate characterization of pain. The first analysis on the heart beat dynamics shows an increase in sympathovagal balance due to the nociceptive stimulation, particularly in presence of stronger handgrip manoeuvre (15%). Fast response analysis shows faster responses to deep stimulation in both parasympathetic activity and sympathovagal balance. The univariate analyses of the respiration patterns suggest that breathing fluctuations in the LF band influence HRV indexes. These results are confirmed by the bivariate analysis of time-varying RSA which provides a more accurate evaluation of the influence of respiration on HRV indexes highlighting significant differences between both stimulation: superficial stimulation could elicit a greater decrease in vagal activity with respect to deep stimulation suggesting a greater response of the autonomic system. Moreover, the multimodal analysis conducted evaluating the correlation between % change of the autonomic measure and subjective pain ratings describes skin conductance response as the more sensitive measure for relative variation in pain perception. Among HRV measures, HF power is the most correlated to pain. Furthermore, the results of the relative variations of RSA highlighted a significant correlation with pain perception better then HF power. Our results confirms that different modalities of pain induction are associated with different neuroanatomical organization of PAG. In particular, the superficial stimulation activates an active coping mechanism as is well known in neuroanatomic field.

Il dolore è definito come esperienza sensoriale spiacevole associata ad un danneggiamento effettivo o potenziale del tessuto. Negli ultimi 50 anni la ricerca ha investigato molto sulla risposta autonoma al dolore utilizzando in particolare l’analisi della variabilità cardiaca (HRV). Nel nostro studio analizziamo la risposta autonoma di 30 soggetti non patologici a differenti stimolazioni di dolore controllato (superficiale ed profondo) effettuando misure ad alta risoluzione temporale di HRV e di RSA. Inoltre siamo interessati a determinare quale tra le caratteristiche specifiche di HRV e RSA fornisce una più accurata caratterizzazione del dolore. La prima analisi sulla dinamica del battito cardiaco mostra un aumento del bilancio simpato-vagale causato dalla stimolazione nocicettiva, particolarmente evidente con una manovra di handgrip al 15% della forza massima. Inoltre, l’analisi della risposte immediate mostra che una stimolazione di tipo elettrico provoca una risposta più veloce sia in termini di bilancio simpato-vagale che in termini di attività parasimpatica. L’analisi monovariata sul respiro mostra come le oscillazioni di respiro in banda LF influenzano i parametri HRV. Questi risultati sono confermati dall’analisi bivariata di RSA tempo-variante che fornisce una valutazione più accurata dell’influenza della respirazione sui parametri HRV e mostra una differenza significativa tra le due stimolazioni: la stimolazione superficiale potrebbe provocare una maggiore diminuzione dell’attività vagale rispetto alla stimolazione elettrica, suggerendo in questo modo una maggiore reazione del sistema autonomo. Infine l’analisi multimodale condotta valutando la correlazione tra le variazioni % delle misure autonome e le valutazioni soggettive del dolore descrive la risposta galvanica della pelle come la misura più correlata alla sensazione di dolore. Tra le misure HRV, la potenza HF è la più correlata al dolore. Inoltre i risultati sulle variazioni relative di RSA evidenziano una correlazione significativa con la percezione del dolore migliore rispetto alla potenza HF. I nostri risultati confermano che differenti modalità di induzione di dolore sono associate a diverse strutture neuroanatomiche del PAG. In particolare, la stimolazione superficiale attiva un meccanismo di difesa attivo, com’è ben noto dalle conoscenze del campo neuroanatomico.