Effects of Fear Conditioning on Pain : Moderation by Mindfulness and the HPA-axis

Un cercle vicieux par lequel la peur et la douleur se maintiennent explique le développement et maintient de troubles impliquant le conditionnement à la peur. Bien que les processus comportementaux et circuits neurobiologiques du conditionnement à la peur aient été étudiés extensivement, les effets de cet apprentissage sur la douleur sont peu connus. L’objectif de cette thèse était d’étudier les effets du conditionnement à la peur sur la neuro-psychophysiologie de la douleur chez des sujets sains, ainsi que les facteurs modérant ces effets.  Les effets de l’apprentissage de la peur sur la douleur ont été examinés dans l’Étude 1 (N=47) lors d’une tâche de conditionnement classique Pavlovien. Les stimuli conditionnés étaient des images abstraites appariées à une stimulation électrique douloureuse lors de 50% des essais. Les rapports de douleur et réflexes nociceptif de flexion ont été acquis à chaque stimulation, et les réponses électrodermales ont été mesurées à chaque présentation d’image. Nous avons estimé deux paramètres régissant les réponses anticipatoires (électrodermales) de peur pour chaque essai au moyen d’une approche de modélisation computationnelle: les attentes face à l’occurrence d’une stimulation, et l’associabilité des images à la stimulation. Les résultats ont démontré que chacun des paramètres liés à la peur prédisait positivement la douleur ainsi que les réponses nociceptive spinales. Ces effets opéraient en partie directement sur les réponses supraspinales à la douleur, et en partie indirectement par une facilitation de l’influx nociceptif au niveau spinal. Les résultats ont également démontré que la médiation des effets de la peur sur la douleur par l’input nociceptif spinal était plus forte chez les individus rapportant davantage de ‘vigilance au danger’, et plus faibles chez ceux rapportant plus de détachement émotionnel.   Dans l’Étude 2, nous avons examiné le rôle de l’expérience à long terme en méditation pleine conscience sur les effets de l’apprentissage de la peur sur la douleur. Onze méditants expérimentés ont été testés en utilisant le même protocole expérimental que celui de l’Étude 1. Comparés aux sujets contrôles de l’Étude 1 n’ayant pas d’expérience en méditation, le groupe de méditants a montré une réduction de la douleur rapportée en moyenne lors de la tâche de conditionnement, ainsi qu’une diminution des effets de la peur sur la douleur. Les méditants n’ont pas montré de modulation des processus de bas niveau défensifs ou des mécanismes d’apprentissage à la peur. Finalement, l’Étude 3 a examiné le rôle des différences inter-individuelles en réactivité de l’axe HPA, opérationnalisé par le niveau de cortisol sécrété pendant la tâche, sur les effets de la peur sur la douleur (N=23). Le protocole expérimental et d’analyses était similaire à celui des Études 1-2 avec l’inclusion d’un SC+ apparié à 100% avec le SI. Les individus ayant une plus grande réponse de cortisol pendant le conditionnement rapportaient en moyenne moins de douleur lors de la tâche, et présentaient une facilitation des réponses défensives spinales par le biais du conditionnement à la peur.  Les résultats de cette thèse appuient le concept d’un cycle vicieux peur/douleur par des données neuropsychophysiologiques, et montrent que celui-ci est modéré par certains traits de personnalité, l’expérience à long-terme en méditation pleine conscience, et les différences individuelles en réactivité de l’axe HPA. Nos résultats appuient également le rôle bénéfique des techniques fondées sur l’acceptation et la pleine conscience pour briser le cycle peur-douleur et prévenir/traiter les manifestations pathologiques de l’exposition répétée à des évènements menaçants (ex: anxiété, douleur chronique). A vicious cycle through which fear and pain maintain each other explains the development and maintenance of disorders involving fear conditioning. While the behavioral processes and neurobiological circuits of fear conditioning have been extensively studied, the effects of fear learning on pain remain poorly understood. The objectives of this thesis were to examine the effects of fear conditioning on the neuropsychophysiology of pain, and the factors that could moderate these effects. The effects of fear learning on pain were examined in Study 1 in 47 human participants during a delay Pavlovian classical fear conditioning task. Conditioned stimuli were abstract visual cues that co-terminated with a painful electric shock on 50% of trials. Pain ratings and the spinal nociceptive flexion reflex were recorded in response to each US, and anticipatory skin conductance responses were recorded to each CS. A computational model of reinforcement learning was fitted to anticipatory SCRs and used to estimate fear learning parameters of expected shock probabilities and associability (uncertainty) to each CS+ paired. Both fear learning parameters positively predicted pain responses. These effects operated in part directly on pain ratings, and in part indirectly by facilitating ascending spinal nociceptive activity. The results also showed that the mediation of the effects of fear learning on pain by spinal nociception was enhanced for individuals reporting more trait harm vigilance, and decreased for individuals reporting more emotional detachment. In Study 2, we investigated the role of long term mindfulness meditation experience on the effects of fear learning on pain. Eleven experienced meditators (>1000 hours of experience) were tested using the same experimental and analysis protocol as in Study1, and were compared with the meditation-naïve participants from Study1. Compared to controls, experienced meditators showed an overall reduction in pain ratings during fear learning, as well as reduced effects of learning parameters on pain. No effects of fear learning on lower-level spinal or anticipatory learning responses were observed. Finally, Study 3 examined how individual differences in HPA axis reactivity, operationalized by the level of cortisol secreted during the task, affected pain modulation induced by fear-learning (N=23). A similar experimental and analysis protocol as in Studies 1-2 was used with an additional visual CS paired with the US on 100% of trials. Individuals with greater cortisol output during fear conditioning reported a global decrease in pain during the task, and showed a facilitation of defensive spinal responses via fear learning mechanisms. The results of this thesis support the notion of a vicious fear-pain cycle with neuropsychophysiological evidence, and show that this cycle is moderated by certain personality traits, meditation experience, and individual differences in HPA reactivity. Our results also highlight the role of techniques based on acceptation and mindfulness meditation to break the fear-pain cycle and prevent/treat pathological manifestations of repeated threat exposure (eg. anxiety, chronic pain).

Keyphrases: cortisol, Conditionnement à la peur, Modèles computationnels d’apprentissage associatif, Réflexe nociceptif de flexion, Méditation pleine conscience, Douleur, fear conditioning, reinforcement learning models, nociceptive flexion reflex, mindfulness meditation, cortisol, pain