background image

 

Physiology 

Dr. Basim Mohamad Alwan

                                    

Lecture (6)

 

INTERINSIC 

MODIFICATION OF PAIN SENSIBILITY

 

Intrinsic  mechanisms  can  modify  pain  sensation  leading  to  either 

exaggerated or suppressed pain sensibility. 

 

I. EXAGGERATED PAIN SENSIBILITY 

1. CUTANEOUS  HYPERALGESIA 

This  is  a  pathological  condition  where  pain  sensibility  from  the  skin  is 

exaggerated. It usually follows a skin injury or inflammation. 

 There are two types of cutaneous hyperalgesia: 

A.  PRIMARY  HYPERALGESIA 

In this case, the threshold of pain sensation from the affected area is lowered. 

A  stimulus  which  normally  produces  mild  pain  causes  prolonged  severe 

pain.  Primary  hyperalgesia  occurs  in  conditions  like  sunburns.  It  is 

restricted to the affected area of skin and the area of hyperemia around it 

 (Spreading    flare).  This  type  of  hyperalgesia  is  caused  by  facilitation  of 

pain receptors by substances released from the damaged or inflamed tissues  

 (histamine, bradykinin, substance-P, prostaglandins). 

ALLODYNIA

 

is a severe type of primary hyperalgesia in which a gentle 

stimulus like a breeze or the touch of clothes produces very severe pain. 

 

B.  SECONDARY  HYPERALGESIA  (HYPERPATHIA) 

In  this  case,  the  threshold  of  pain  is  increased,  but  when  the  threshold  is 

reached it produces severe burning pain. It occurs in a normal skin  area that 

extends beyond the spreading flare of the injured skin. Secondary hyperalgesia 

is produced by Convergence-Facilitation Mechanism (Fig. 6-1).   


background image

 

 

 

Figure 6-1: The convergence facilitation mechanism of secondary hyperalgesia. 

 

Impulses from the injured area facilitate a central neuron. Impulses from 

the  hyperpathic  area  converge  on  the  same  central  neuron.  The 

convergence on a central facilitated neuron explains the exaggerated pain 

sensibility. The facilitator neuron which arises from the area of primary 

hyperalgesia  exerts  lateral  inhibition  on  the  stimulator  neuron  which 

arises from the hyperpathic area. This explains why the threshold of pain 

is increased in the hyperpathic area. 

 

2. CAUSALGIA (Complex Regional Pain Syndrom: CRPS) 

Causalgia  is  a  pathological  condition  in  which  there  is  hyperalgesia, 

allodynia  and  spontaneous  burning  pain  sensation  long  after  a 

seemingly trivial tissue injury or nerve injury. The skin in the affected 

area becomes thin and shiny with increased nail and hair growth. 

THE MECHANISM OF 

CAUSALGIA:

 

 Nerve  injury  leads  to  sprouting  of  noradrenergic  sympathetic  nerve  fibers 

into  the  sensory  nerve  track  up  to  the  dorsal  root  ganglia  of  the  sensory 


background image

 

nerves of the affected area. The dorsal root ganglia cells can be stimulated 

by sympathetic activity. This stimulation may facilitate the sensory neuron 

leading  to  hyperalgesia  or  allodynia,  or  it  may  excite  it  to  discharge  pain 

signals to the CNS leading to spontaneous pain sensation. 

 

 

3. THE  THALAMIC  SYNDROME 

Thalamic  syndrome  is  caused  by  thrombosis  of  the  thalamogeniculate 

artery, a branch of the posterior cerebral artery. At first, all sensations 

are lost on the opposite side. Few weeks later, pain sensibility is regained. 

A noxious stimulus produces very severe, stabbing and extremely unpleasant 

pain. This is due to the facilitation of the medial and laminar nuclei of the 

thalamus  which  do  not  degenerate  in  this  syndrome.  They  potentiate  pain 

conducted by the reticular activating system of the brainstem. 

 

II. SUPPRESSED  PAIN  SENSIBILITY 

ANALGESIA 

Analgesia  means  suppression  of  pain  sensation.  There  is  an  analgesia 


background image

 

system in the body which can suppress pain sensibility by activating  the 

spinal pain inhibitory complex in the dorsal horn peripherally or the 

analgesia system centrally. The analgesia system of the body is divided 

into peripheral and central analgesia systems. 

 

THE PERIPHERAL  ANALGESIA  SYSTEM 

The  peripheral  anesthesia  system  consists  of  the  type-II  sensory  nerve 

fibers which conduct mechanoreceptive sensations. 

Immediately after they enter into the spinal cord, type-II fibers divide into 

medial  and  lateral  branches.  The  medial  branch  ascends  to  form  the 

gracile and cuneate tracts, and the lateral branch stimulates the PIC to 

inhibit  pain  transmission.  In  this  way,  pain  sensation  can  be  suppressed 

by scratching or rubbing of the skin. 

Counterirritants which are applied to the skin to suppress pain work on 

this  principle.  They  stimulate  the  cutaneous  receptors  which  send 

impulses  through  type-II  fibers  that  stimulate  the  PIC.  This  is  also  the 

basis for acupuncture. 

On  the  same  principle,  electrodes  surgically  implanted  in  the  dorsal 

column  activate  the  PIC  and  suppress  pain  sensibility.  They  are 

sometimes used for treatment of intractable pain. 

 

THE CENTRAL ANALGESIA SYSTEM 

This system consists of five components (Fig. 6-2) 

 

1.  THE CEREBRAL CORTEX 

Many areas of the cerebral cortex, especially the limbic association area, 

project corticofugal fibers to: 

a.  The  thalamus;  these  fibers  block  pain  signals  at  the  level  of  the 

thalamus (the second gate for pain transmission). 


background image

 

b.  The  periaquiductal  gray  matter  of  the  mesencephalon. 

The corticofugal fibers are beta-endorphinergic. 

2.  THE HYPOTHALAMUS 

Beta-endorphinergic  fibers  project  from  the  periventricular  nuclei  and 

the  medial  forebrain  bundle  of  the  hypothalamus  to  the  periaquiductal 

gray matter of the mesencephalon. 

 

 3. 

THE PERIAQUEDUCTAL GRAY MATTER OF THE MIDBRAIN 

Neurons  from  this  area  project  enkephalinergic  fibers  to  the  reticular 

formation of the brainstem and the raphe magnus nucleus. 

 

4.  THE RETICULAR FORMATION OF THE BRAINSTEM 

This  structure  sends  serotonergic  descending  fibers  in  the  lateral 

reticulospinal tract to activate the spinal PIC. It also projects fibers to the 

raphe magnus nucleus. 

 

 

Fig.6-2 the central analgesia system 


background image

 

5.  THE RAPHE MAGNUS NUCLEUS 

The  raphe  magnus  nucleus  is  found in the lower pons and upper  medulla. 

Serotonergic  nerve  fibers  descend  from  this  nucleus  down  in  the  lateral 

reticulospinal tract to activate the spinal PIC. 

 

 

STRESS ANALGESIA 

Stress  analgesia  is  the  suppression  of  pain  sensation  during  stressful 

conditions (fight or flight). In these conditions, pain impulses are  blocked 

at two levels: 

A. At the first gate of pain transmission (the dorsal horn of the spinal 

gray matter). The hypothalamus and other parts of the central analgesia 

system  activate  the  spinal  PIC  which  blocks  the  transmission  of  pain 

signals at the dorsal horn. 

B.  At  the  second  gate  of  pain  transmission  (the  thalamus). 

Corticofugal  fibers  to  the  thalamus  block  by  presynaptic  inhibition  the 

transmission of pain signals in the thalamus before they reach the cerebral 

cortex. 

 

 


background image

 

THE SOMATOSENSORY CONDUCTING SYSTEMS OF 

THE SPINAL CORD 

The  ascending  somatosensory  tracts  in  the  spinal  cord  are  classified  into 

two  conducting  systems,  the  anterolateral  and  the  dorsal  column-

lemniscal systems. Each system has its own features and characteristics. 

 

THE ANTEROLATERAL SYSTEM 

The  anterolateral  system  has  two  components;  the  ventral  and  the  lateral 

spinothalamic tracts. The fibers of the first order neurons which serve this 

system  are  the  slow,  thin,  myelinated  type-III  and  the  nonmyelinated 

type-IV fibers. 

 

CHARACTERISTICS OF THE ANTEROLATERAL SYSTEM 

1. It is a slowly conducting system made up of thin type-III and IV fibers. 

2. It  has  moderate  degree  of  somatotopic  lamination.  This  allows  only 

moderate degree of localization and discrimination of its sensations. 

3. The  intensity  discrimination  of  its  sensations  is  poor.  Sensations  of  this 

system can be identified in only 10-20 grades of intensity. 

4. It cannot transmit rapidly repetitive signals. 

5. It conducts sensations from the contralateral side of the body. 

 

THE DORSAL COLUMN-LEMNISCAL SYSTEM 

The dorsal column-lemniscal system has three components; the dorsal column 

tracts  (gracile  and  cuneate),  the  spinocervical  tract,  and  the  medial  lemniscus. 

The  fibers  of  the  first order neurons  which serve  this system  are  the  rapidly 

conducting, thick, myelinated, type-I and II fibers. 

 

 

 


background image

 

CHARACTERISTICS OF THE DORSAL COLUMN LEMNlSCAL 

SYSTEM 

1. It  is  a  rapidly  conducting  system  made  up  of  the  thick  type-I  and  II 

fibers.  

2. It  has  a  high  degree  of  somatotopic  lamination;  i.e.  it  is  arranged  in 

many  laminae,  each  lamina  serves  a  specific  topic  on  the  body  surface. 

This  allows  a  high  degree  of  localization  and  discrimination  of  its 

sensations. 

3. The  intensity  discrimination  of  its  sensations  is  high.  Most  sensations 

in this system can be identified in up to 100 grades of intensities.  

4. It  can  conduct  rapidly  repetitive  signals.  This  enables  this  system  to 

conduct vibration sense. 

5. It conducts sensations from the ipsilateral side of the body. 

 

THE ANTEROLATERAL SYSTEM 

THE VENTRAL SPINOTHALAMIC PATHWAY 

The  ventral  spinothalamic  pathway  (Fig.  6-3)  is  the  sensory  pathway  for 

crude  touch  and  pressure,  tickle  and  itch  sensations.  It  has  three 

orders of neurons: 

 

FIRST ORDER NEURONS:

 are the dorsal root neurons. Their afferent fibers (type 

III and IV) enter the spinal cord in the dorsal root of the spinal nerve then go 

up  or  down  for  a  few  segments  in  the  Lissaur  s  tract  and  terminate  in 

laminae II, III and IV of the dorsal horn of the spinal gray matter. 


background image

 

 

Fig. 6-3 

ventral spinothalamic tract

 

 

SECOND  ORDER  NEURONS:

  are  neurons  in  laminae  II,  III  and  IV  of  the 

dorsal horn. Their fibers cross to the opposite side  in front of the central 

canal then ascend in the ventral column of the spinal white matter as the 

ventral spinothalamic tract up to the brainstem and in the brainstem, they 

join the lateral spinothalamic tract to form the spinal lemniscus (nervous 

tract  made  by  union  of  more  than  one  tract)  which  ascend  up  to 

terminate in the ventral posterolateral nucleus of the thalamus (VPLNT). 

 

THIRD ORDER NEURONS

: are neurons of the VPLNT. Their fibers project 

through the central thalamic radiations to the final sensory neurons in the 

sensory cerebral cortex. 

 


background image

10 

 

THE LATERAL SPINOTHALAMIC PATHWAYS 

There are two lateral spinothalamic pathways; the paleospinothalamic and 

the neospinothalamic pathways. 

 

1. THE PALEOSPINOTHALAMIC PATHWAY  

 

 

Fig. 6-4 the paleospinothalamic pathway 

The paleospinothalamic pathway (fig. 6-4) is the sensory pathway for slow 

pain, and temperature sensations (heat). 

 

FIRST ORDER NEURONS:

 are the dorsal root neurons. Their afferent fibers (type 

IV) enter the spinal cord in the dorsal root of the spinal nerve then go up or 

down  for  a  few  segments  in  the  Lissaurs  tract  and  terminate  in  the 

substantia  gelatinosa  of  Rolandi  (laminae  II,  III)  of  the  dorsal  horn  of  the 

spinal gray matter. 


background image

11 

 

 

SECOND  ORDER  NEURONS:

  are  neurons  in  the  substantia  gelatenosa  of 

Rolandi.  Their  fibers  cross  in  front  of  the  central  canal  to  the  opposite 

side. Fibers ascend in the anterolateral column of the spinal white matter 

as  the  lateral  spinothalamic  tract.  In  the  brainstem  the  lateral 

spinothalamic  tract  joins  the  ventral  spinothalamic  tract  to  form  the 

spinal  lemniscus.  Fibers  terminate  in  the  nonspecific  intralaminar 

nuclei of the thalamus (ILNT). 

During  their  course  in  the  brainstem,  some  fibers  deviate  and  make  a 

separate  tract  called  "the  spinoreticular  tract".  The  fibers  of  this  tract 

terminate in the reticular formation of the brainstem. Multiple, short fiber 

neurons  conduct  the  signals  from  the  reticular  formation  onto  the 

intralaminar nuclei of the thalamus (ILNT). 

 

THIRD  ORDER  NEURONS

:  are  neurons  of  the  ILNT.  Their  fibers  project 

through  the  anterior,  central  and  posterior  thalamic  radiations  to  the  final 

sensory neurons in all parts of the cerebral cortex. 

 

2. THE NEOSPINOTHALAMlC PATHWAY 

The neospinothalamic pathway (fig. 6-5) is the sensory pathway for fast 

pain and temperature (cold). 

 

FIRST ORDER NEURONS:

 are the dorsal root neurons. Their afferent fibers 

(type III) enter the spinal cord in the dorsal root of the spinal nerve and go 

up or down for a few segments in the Lissaur tract then terminate in laminae 

II and V of the dorsal horn of the spinal gray matter. 

 

SECOND ORDER NEURONS:

 are neurons in laminae, II and V. Their fibers 

cross in front of the central canal to the opposite side, and then ascend in 


background image

12 

 

the  anterolateral  column  of  the  spinal  white  matter  as  the  lateral 

spinothalamic  tract.  In  the  brainstem,  the  lateral  spinothalamic  tract 

joins  the  ventral  spinothalamic  tract  to  form  the  spinal  lemniscus.  The 

fibers  of  the  neospinothalamic  tract  terminate  in  the  ventral 

posterolateral nuclei of the thalamus (VPLNT). 

 

Fig. 6-5 the neospinothalamic pathway 

THIRD ORDER NEURONS:

 are the  neurons of  the  VPLNT.  Their  fibers  project 

through  the  central  thalamic  radiations  to  the  final  sensory  neurons  in  the 

sensory cerebral cortex. 

 

THE DORSAL COLUMN PATHWAY 

The dorsal column pathway (the gracile and cuneate pathway) (Fig. 6-6) is the 

sensory  pathway  for  fine  touch,  fine  pressure,  vibration,  stereognosis, 

muscle tension and proprioceptive sensations. 


background image

13 

 

FIRST  ORDER  NEURONS:

    are  the  dorsal  root  neurons.  Their  afferent  fibers 

(type  II)  enter  the  spinal  cord  in  the  dorsal  root  of  the  spinal  nerve  then 

branch into medial and lateral branches. The medial branches ascend without 

relay up in the ipsilateral dorsal column of the spinal white matter where they 

are  called  "the  dorsal  column  tracts"  or  "the  gracile  and  cuneate 

tracts".  They  terminate  in  the  dorsal  column  nuclei  (the  gracile  and 

cuneate nuclei) in the medulla.   

 

Fig. 6-6 the dorsal column pathway 

 

SECOND ORDER NEURONS: 

are  the  neurons  of  the  dorsal  column  nuclei  in 

the  medulla.  Their  fibers  cross  to  the  opposite  side  in  the  sensory 

decussation and  ascend  in the  brainstem  as  the  medial  lemniscus. They 

terminate  in  the  ventral  posterolateral  nucleus  of  the  thalamus 

(VPLNT). .

 

 


background image

14 

 

THIRD  ORDER  NEURONS: 

are  those  of  the  VPLNT.  Their  fibers  project 

through the central thalamic radiations to the final sensory neurons in the 

sensory cortex.

 

* The gracile is the medial tract. It is formed in the lower part of the 

spinal cord and carries sensations from the lower part of the body. The 

cuneate is the lateral tract. It is formed in the upper part of the spinal 

cord  at  the  level  of  the  6th  thoracic  spinal  segment,  and  carries 

sensations from the upper part of the body. 

 

THE SPINOCERVICAL PATHWAY  

The spinocervical pathway (Fig. 6-7) is an accessory pathway for the dorsal 

column pathway. It conducts impulses at a faster rate. So, impulses in this 

pathway  reach  the  cerebral  cortex  before  those  conducted  by  the  dorsal 

column pathway. 

 

FIRST  ORDER  NEURONS:

  are  the  dorsal  root  neurons.  Their  afferent  fibers 

(type I and II) enter the spinal cord in the dorsal root of the spinal nerve and 

terminate in lamina IV" of the dorsal horn of the spinal gray matter. 

 

SECOND ORDER NEURONS:

 are neurons in lamina IV. Their fibers ascend in the 

ipsilateral  posterolateral  column  of  the  spinal  white  matter  as  the 

spinocervical tract. The fibers terminate in the lateral cervical nucleus 

(a  longitudinal  cell  column  lateral  to  the  tip  of  the  dorsal  horn  of  the 

upper 2-3 cervical segments)

 

of the same side. 

 

THIRD ORDER NEURONS:

 are those of the lateral cervical nucleus. Their 

fibers cross to the opposite side and ascend in the brainstem as part of the 

medial lemniscus to terminate in the VPLNT. 

 


background image

15 

 

FOURTH  ORDER  NEURONS

:  are  neurons  of  the  VPLNT.  Their  fibers 

project  through  the  central  thalamic  radiations  to  the  final  sensory 

neurons in the sensory cerebral cortex. 

 

 

Fig. 6-7 the spinocervical pathway

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 11 عضواً و 219 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل