Effects of exercise, back awareness, and implicit motor imagery on pain perception and brain activity in people with chronic low back pain

Abstract

[eng] Chronic low back pain (CLBP) results from a dynamic interplay between peripheral inputs and central nociceptive changes, where physical, biological, psychological, and social factors influence. It has been recognized globally as a health and socioeconomic challenge, with prevalence ratios expected to increase and tremendous potential for improving its assessment and management strategies. Recent studies have pointed out bodily disruptions in CLBP as relevant contributors to pain and targets to treatment. Relatedly, current research recommends focusing on interventions aimed to revert maladaptive changes in the nervous system by improving pain and sensorimotor function. Hence, this doctoral thesis aimed to address current gaps of knowledge or inconsistencies regarding exercise-based management strategies and sensorimotor changes, with a special interest on bodily disruptions, among people suffering from CLBP, through five studies. The study 1 aimed to clarify which 20-minute exercise intervention modality (aerobic, stretching and strengthening), compared to a non-exercise control condition, had the greatest effects on tactile perception, and pressure pain thresholds (PPTs) in patients with CLBP. Results supported lower pain sensitivity and pressure pain–intensity ratings after any modality of intervention. However, the presence of the same improvements also in the control group limits the conclusions of the study. The study 2 explored changes elicited by a self-managed educational and exercisebased 4-week intervention through a mobile application designed ad hoc, versus the same intervention in a face-to-face modality, in electroencephalographic and electrocardiographic activity, PPTs, pain, disability, and psychological and cognitive functioning in CLBP. Both interventions improved psychological functioning and increased mainly beta activity at rest, being this the first study providing insights on brain changes after an education and exercise mobile app intervention. However, both modalities failed to improve pain and disability, mainly because our sample started from clinically non-significant baseline values. The study 3 focused on increasing the toolset needed to explore back-disrupted self-perception in CLBP by performing the crosscultural adaptation and validation of the Fremantle Back Awareness Questionnaire into Spanish (FreBAQ-S). Solid evidence on the validity, reliability, and adequate psychometric properties of the questionnaire and its relationship with clinical status in CLBP, versus healthy controls (HC), was provided through confirmatory factor, testretest, correlation and multigroup analysis. The study 4 provided additional evidence on the validity of the FreBAQ-S and explored patients’ and controls’ perspectives on bodily disruptions, highlighting the detrimental influence of proprioceptive deficits in the selfperception of the back for individuals with CLBP. Even considering the good psychometric properties of the FreBAQ-S, it was interesting to assess bodily disruptions through objective measurements, as left-right judgment task (LRJT), a task purposed to serve as an indirect measure of the cortical proprioceptive representation of the body, dependent on implicit motor imagery. Thus, the study 5, under review, aimed to explore the performance and event-related potentials (ERPs) associated to the LRJT in CLBP versus HC, along with self-reported and quantitative sensory testing assessments of 1 bodily disruptions. Both groups displayed equal performance, although CLBP participants required major attentional load, measured by an increased N1 peak amplitude, being this the first study assessing ERPs with this task. However, bodily disruptions and the involvement of motor imagery could not be concluded in our study. In conclusion, this thesis has allowed to further analyse the phenomena of CLBP by providing evidence on the short-term tactile and pain perception modulation derived from exercise interventions, the effects of an education and exercise-based intervention on psychological functioning and resting brain dynamics, and the influence of bodily disruptions in this population, aiming further research in this field.

[spa] El dolor lumbar crónico (CLBP1) resulta de la interacción dinámica entre la información periférica y los cambios nociceptivos centrales, influenciada por factores físicos, biológicos, psicológicos y sociales. Constituye un desafío socioeconómico y de salud, con crecientes tasas de prevalencia y potencial de mejora en su evaluación y tratamiento. Las alteraciones corporales han sido señaladas como contribuyentes al dolor y como objetivos de tratamiento. Los tratamientos recomendados buscan mejorar el dolor y la función sensoriomotora mediante la restitución de los cambios maladaptativos en el sistema nervioso. Consecuentemente, esta tesis quiso abordar las inconsistencias presentes en la literatura científica con respecto a los tratamientos basados en ejercicio y los cambios sensoriomotores, con especial interés en las alteraciones de la conciencia e imagen corporal en personas con CLBP, mediante cinco estudios. El estudio 1 buscó esclarecer qué intervención de ejercicio de 20 minutos (aeróbico, estiramiento o fuerza) generaba mayores efectos sobre la percepción táctil y los umbrales de dolor por presión (PPTs1) en pacientes con CLBP, frente una condición control sin ejercicio. Se evidenció menor sensibilidad al dolor e intensidad de dolor por presión tras cualquier intervención, aunque el grupo control experimentó las mismas mejoras, lo que limita nuestras conclusiones. El estudio 2 exploró cambios en la actividad electroencefalográfica y electrocardiográfica, PPTs, dolor, discapacidad y funcionamiento psicológico en pacientes con CLBP tras una intervención de 4 semanas de educación y ejercicio, mediante una aplicación móvil diseñada ad hoc, versus la misma intervención presencial. Ambas mejoraron el funcionamiento psicológico e incrementaron la actividad beta en reposo, siendo este el primer estudio que evidencia cambios cerebrales tras una intervención de ejercicio con una aplicación móvil. No obstante, no mejoraron el dolor ni la discapacidad, probablemente porque los niveles basales no eran clínicamente significativos. El Estudio 3 incrementó las herramientas para explorar la autopercepción alterada de la espalda mediante la adaptación transcultural y validación del Cuestionario de Conciencia Corporal de la Espalda de Fremantle al español (FreBAQ-S1). Se evidenciaron la validez, la fiabilidad, las adecuadas propiedades psicométricas del cuestionario y su relación con el estado clínico en CLBP, frente a controles sanos (HC1), mediante análisis factorial confirmatorio, test-retest, de correlación y multigrupo. El estudio 4 proporcionó evidencia adicional sobre la validez del FreBAQ-S y exploró las perspectivas de pacientes y HC sobre las alteraciones corporales de la espalda, destacándose la influencia negativa de los déficits propioceptivos en el CLBP. Incluso considerando las buenas propiedades psicométricas del FreBAQ-S, resulta interesante objetivar las alteraciones corporales más allá de medidas auto-informadas. La tarea de juicios izquierda-derecha (LRJT1), supuestamente dependiente de imaginería motora implícita, sirve como medida indirecta de la representación cortical propioceptiva corporal. Así, el estudio 5, en revisión, exploró el rendimiento y los potenciales relacionados con eventos (ERPs1) asociados a la LRJT, junto con pruebas sensoriales cuantitativas y medidas auto-informadas sobre trastornos de la imagen corporal en CLBP 1 Por sus siglas en inglés. 3 frente a HC. Aunque ambos grupos rindieron igual, los participantes con CLBP requirieron una mayor carga atencional, evidenciada por una mayor amplitud del componente N1, siendo este el primer estudio que evalúa los ERPs con esta tarea. La presencia de alteraciones corporales y la implicación de la imaginería motora en la LRJT no fueron concluyentes en este estudio. En conclusión, esta tesis ha permitido analizar pormenorizadamente el CLBP, al proporcionar evidencia sobre la modulación a corto plazo de la percepción táctil y dolorosa tras intervenciones de ejercicio, los efectos de una intervención basada en educación y ejercicio sobre el funcionamiento psicológico y la dinámica cerebral en reposo, y la influencia de las alteraciones corporales, con el objetivo de seguir investigando en este campo.