Estimation of intraepidermal fiber density by the detection rate of nociceptive laser stimuli in normal and pathological conditions

SummaryThe variability of warm and heat pain sensitivity between body regions is usually ascribed to differences in intraepidermal nerve fiber (IENF) density. However, although crucial to assess the function of the thermo-nociceptive system, especially in the context of small fiber neuropathies, the relationship between psychophysical performance and IENF density is poorly understood. Here, we examine the hypothesis according to which the nociceptive system must receive a critical amount of afferent information to generate a conscious percept and/or a behavioral response. The amount of nociceptive information is defined by the stimulus, but also by the state of the nervous system encoding, transmitting and processing the afferent input. Furthermore, this amount may be expected to depend on the number of activated IENF, itself dependent on the size of the stimulated surface area as well as the density of IENF. By characterizing the relationship between psychophysical responses to nociceptive stimuli, size of the stimulated surface area and IENF density estimated using skin biopsies in healthy subjects as well as experimental and pathological conditions of reduced IENF density, we were able to estimate the number of nociceptive afferents required to elicit a conscious percept. Convergent results were obtained across the different experiments, indicating that the detection rate to brief small-diameter CO2 laser pulses could be used to estimate IENF density and, hence, to diagnose and quantify denervation in small fiber neuropathies.

RésuméLa variabilité de la sensibilité à la chaleur et douleur entre différents territoires cutanés est habituellement attribuée aux différences de densité des fibres nerveuses intraépidermiques (FNIE). Cependant, quoique cruciale pour évaluer la fonction du système thermo-nociceptif, en particulier dans le contexte des neuropathies des fines fibres, la relation entre performances psychophysiques et densité des FNIE reste mal comprise. Nous avons examiné l’hypothèse selon laquelle le système nociceptif doit recevoir une quantité critique d’information afférente pour générer une perception consciente et/ou une réponse comportementale. Cette quantité d’information nociceptive serait définie par le stimulus lui-même, mais également par l’état du système nerveux qui encode, transmet et traite cette information. Par ailleurs, il est proposé que cette quantité dépende du nombre de FNIE activées, ce nombre étant déterminé par la taille de la surface stimulée et la densité des FNIE. Ainsi, en caractérisant les relations entre réponses psychophysiques nociceptives, étendue de la surface stimulée et densité des FNIE estimée à partie de biopsies cutanées, nous sommes parvenus à estimer le nombre minimum d’afférences nociceptives devant être activées pour évoquer une perception consciente. La convergence des estimations obtenues chez des sujets sains et dans des conditions expérimentales ou pathologiques, où la densité des FNIE est réduite, indique que la probabilité de détecter un stimulus laser CO2 intense, bref et de petite surface permet une estimation de la densité des FNIE et, par conséquent, pourrait être utile au diagnostic et à la quantification de la dénervation dans les neuropathies des fines fibres.