A multimodal perspective on the composition of cortical oscillations:frontiers in human neuroscience

An expanding corpus of research details the relationship between functional magnetic resonance imaging (fMRI) measures and neuronal network oscillations. Typically, integratedelectroencephalography(EEG) and fMRI,orparallel magnetoencephalography (MEG) and fMRI are used to draw inference about the consanguinity of BOLD and electrical measurements. However, there is a relative dearth of information about the relationship between E/MEG and the focal networks from which these signals emanate. Consequently, the genesis and composition of E/MEG oscillations requires further clarification. Here we aim to contribute to understanding through a series of parallel measurements of primary motor cortex (M1) oscillations, using human MEG and in-vitro rodent local field potentials. We compare spontaneous activity in the ~10Hz mu and 15-30Hz beta frequency ranges and compare MEG signals with independent and integrated layers III and V(LIII/LV) from in vitro recordings. We explore the mechanisms of oscillatory generation, using specific pharmacological modulation with the GABA-A alpha-1 subunit modulator zolpidem. Finally, to determine the contribution of cortico-cortical connectivity, we recorded in-vitro M1, during an incision to sever lateral connections between M1 and S1 cortices. We demonstrate that frequency distribution of MEG signals appear have closer statistically similarity with signals from integrated rather than independent LIII/LV laminae. GABAergic modulation in both modalities elicited comparable changes in the power of the beta band. Finally, cortico-cortical connectivity in sensorimotor cortex (SMC) appears to directly influence the power of the mu rhythm in LIII. These findings suggest that the MEG signal is an amalgam of outputs from LIII and LV, that multiple frequencies can arise from the same cortical area and that in vitro and MEG M1 oscillations are driven by comparable mechanisms. Finally, corticocortical connectivity is reflected in the power of the SMC mu rhythm. © 2013 Ronnqvist, Mcallister, Woodhall, Stanford and Hall.

GABA-mediated changes in inter-hemispheric beta frequency activity in early-stage Parkinson's disease

In Parkinson's disease (PD), elevated beta (15-35Hz) power in subcortical motor networks is widely believed to promote aspects of PD symptomatology, moreover, a reduction in beta power and coherence accompanies symptomatic improvement following effective treatment with l-DOPA. Previous studies have reported symptomatic improvements that correlate with changes in cortical network activity following GABAA receptor modulation. In this study we have used whole-head magnetoencephalography to characterize neuronal network activity, at rest and during visually cued finger abductions, in unilaterally symptomatic PD and age-matched control participants. Recordings were then repeated following administration of sub-sedative doses of the hypnotic drug zolpidem (0.05mg/kg), which binds to the benzodiazepine site of the GABAA receptor. A beamforming based 'virtual electrode' approach was used to reconstruct oscillatory power in the primary motor cortex (M1), contralateral and ipsilateral to symptom presentation in PD patients or dominant hand in control participants. In PD patients, contralateral M1 showed significantly greater beta power than ipsilateral M1. Following zolpidem administration contralateral beta power was significantly reduced while ipsilateral beta power was significantly increased resulting in a hemispheric power ratio that approached parity. Furthermore, there was highly significant correlation between hemispheric beta power ratio and Unified Parkinson's Disease Rating Scale (UPDRS). The changes in contralateral and ipsilateral beta power were reflected in pre-movement beta desynchronization and the late post-movement beta rebound. However, the absolute level of movement-related beta desynchronization was not altered. These results show that low-dose zolpidem not only reduces contralateral beta but also increases ipsilateral beta, while rebalancing the dynamic range of M1 network oscillations between the two hemispheres. These changes appear to underlie the symptomatic improvements afforded by low-dose zolpidem.

Cortical oscillatory dynamics and benzodiazepine-site modulation of tonic inhibition in fast spiking interneurons

Tonic conductance mediated by extrasynaptic GABAA receptors has been implicated in the modulation of network oscillatory activity. Using an in vitro brain slice to produce oscillatory activity and a kinetic model of GABAA receptor dynamics, we show that changes in tonic inhibitory input to fast spiking interneurons underlie benzodiazepine-site mediated modulation of neuronal network synchrony in rat primary motor cortex. We found that low concentrations (10 nM) of the benzodiazepine site agonist, zolpidem, reduced the power of pharmacologically-induced beta-frequency (15–30 Hz) oscillatory activity. By contrast, higher doses augmented beta power. Application of the antagonist, flumazenil, also increased beta power suggesting endogenous modulation of the benzodiazepine binding site. Voltage-clamp experiments revealed that pharmacologically-induced rhythmic inhibitory postsynaptic currents were reduced by 10 nM zolpidem, suggesting an action on inhibitory interneurons. Further voltage -clamp studies of fast spiking cells showed that 10 nM zolpidem augmented a tonic inhibitory GABAA receptor mediated current in fast spiking cells whilst higher concentrations of zolpidem reduced the tonic current. A kinetic model of zolpidem-sensitive GABAA receptors suggested that incubation with 10 nM zolpidem resulted in a high proportion of GABAA receptors locked in a kinetically slow desensitized state whilst 30 nM zolpidem favoured rapid transition into and out of desensitized states. This was confirmed experimentally using a challenge with saturating concentrations of GABA. Selective modulation of an interneuron-specific tonic current may underlie the reversal of cognitive and motor deficits afforded by low-dose zolpidem in neuropathological states.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Comprendre l’interaction entre la douleur et le système moteur : une étude novatrice combinant la stimulation magnétique transcrânienne et l’électroencéphalographie

Résumé : L’interaction entre la douleur et le système moteur est bien connue en clinique et en réadaptation. Il est sans surprise que la douleur est un phénomène considérablement invalidant, affectant la qualité de vie de ceux et celles qui en souffrent. Toutefois, les bases neurophysiologiques qui sous-tendent cette interaction demeurent, encore aujourd’hui, mal comprises. Le but de la présente étude était de mieux comprendre les mécanismes corticaux impliqués dans l’interaction entre la douleur et le système moteur. Pour ce faire, une douleur expérimentale a été induite à l’aide d’une crème à base de capsaïcine au niveau de l’avant-bras gauche des participants. L'effet de la douleur sur la force des projections corticospinales ainsi que sur l’activité cérébrale a été mesuré à l’aide de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) et de l’électroencéphalographie (EEG), respectivement. L’analyse des données EEG a permis de révéler qu'en présence de douleur aiguë, il y a une augmentation de l’activité cérébrale au niveau du cuneus central (fréquence têta), du cortex dorsolatéral préfrontal gauche (fréquence alpha) ainsi que du cuneus gauche et de l'insula droite (toutes deux fréquence bêta), lorsque comparée à la condition initiale (sans douleur). Également, les analyses démontrent une augmentation de l'activité du cortex moteur primaire droit en présence de douleur, mais seulement chez les participants qui présentaient simultanément une diminution de leur force de projections corticales (mesurée avec la TMS t=4,45, p<0,05). Ces participants ont également montré une plus grande connectivité entre M1 et le cuneus que les participants dont la douleur n’a pas affecté la force des projections corticospinales (t=3,58, p<0,05). Ces résultats suggèrent qu’une douleur expérimentale induit, chez certains individus, une altération au niveau des forces de projections corticomotrices. Les connexions entre M1 et le cuneus seraient possiblement impliquées dans la survenue de ces changements corticomoteurs.

Améliorer la douleur et le sommeil chez les aînés souffrant de douleur chronique à l’aide de la stimulation transcrânienne par courant direct (tDCS)

Résumé : Introduction: La douleur chronique et les problèmes de sommeil ont un impact significatif sur la qualité de vie. La prévalence de ces deux conditions augmente substantiellement avec l’âge. L’objectif de cette étude était d’évaluer la faisabilité d’une étude randomisée, contrôlée par placebo et de recueillir des données sur l’efficacité de la stimulation transcrânienne par courant direct (tDCS) pour réduire la douleur et améliorer le sommeil chez des aînés souffrant de douleur chronique d’origines musculo-squelettique. Méthodes: Quatorze patients souffrant de douleur chronique et de problèmes de sommeil ont reçu cinq séances quotidiennes consécutives de tDCS anodique appliquée au cortex moteur primaire (2 mA, 20 minutes) ou cinq séances de tDCS simulée de manière randomisée. L’intensité de la douleur était mesurée avec une échelle visuelle analogue et les paramètres de sommeil avec l’actigraphie. Pendant toute la durée de l’étude, des journaux de bord de douleur et de sommeil étaient aussi utilisés afin de mesurer l'effet de la tDCS sur la douleur et le sommeil du quotidien des participants. Résultats: Les résultats indiquent que la tDCS réelle engendre une analgésie de 59 %, alors que la tDCS simulée ne réduit pas la douleur (p < 0,05). Par contre, aucun changement n’a été observé au niveau des paramètres de sommeil (tous les p ≥ 0,18). Conclusion: Il appert que cinq séances de tDCS anodique appliquée au niveau du cortex moteur primaire seraient efficaces pour réduire la douleur des aînés souffrant de douleur chronique, mais pas pour améliorer leur sommeil. De futures études seront nécessaires afin de déterminer si d’autres paramètres de stimulation pourraient avoir un impact sur le sommeil et si ces résultats peuvent être reproduits en utilisant un plus grand nombre de patients.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Neurogeometry of reaching

The purpose of the thesis is to develop a model for the functional behaviour of neurons in the primary motor cortex (M1) responsible for arm reaching movements. From Georgopoulos neurophysiological data, we provide a first bundle structure compatible with the hypercolumnar organization and with the position-direction selectivity of motor cortical cells. We then extend this model to encode the direction of arm movement which varies in time, as experimentally measured by Hatsopoulos by introducing the notion of movement fragments. We provide a sub-Riemannian model which describes the time-dependent directional selectivity of cells though integral curves of the geometric structure we set up. The sub-Riemannian distance we define allows to implement a grouping algorithm able to detect a set of hand motor trajectories. These paths, identified by using a kernel defined in terms of kinematic variables, are compatible with the motor primitives obtained from neurophysiological results by spectral analysis applied directly on cortical variables. In a second part of the work, we propose geodesics in this space as an alternative model of models for arm movement trajectories. We define a special class of curves, called admissible, on which to study the geodesics problem: we provide a connectivity property in terms of admissible paths and the existence of normal length minimizers. Admissible geodesics are used as a model of reaching paths, finding a first validation through Flash and Hogan minimizing trajectories.

Predicting corticospinal excitability from pre-TMS EEG using convolutional neural networks

The amplitude of motor evoked potentials (MEPs) elicited by transcranial magnetic stimulation (TMS) of the primary motor cortex (M1) shows a large variability from trial to trial, although MEPs are evoked by the same repeated stimulus. A multitude of factors is believed to influence MEP amplitudes, such as cortical, spinal and motor excitability state. The goal of this work is to explore to which degree the variation in MEP amplitudes can be explained by the cortical state right before the stimulation. Specifically, we analyzed a dataset acquired on eleven healthy subjects comprising, for each subject, 840 single TMS pulses applied to the left M1 during acquisition of electroencephalography (EEG) and electromyography (EMG). An interpretable convolutional neural network, named SincEEGNet, was utilized to discriminate between low- and high-corticospinal excitability trials, defined according to the MEP amplitude, using in input the pre-TMS EEG. This data-driven approach enabled considering multiple brain locations and frequency bands without any a priori selection. Post-hoc interpretation techniques were adopted to enhance interpretation by identifying the more relevant EEG features for the classification. Results show that individualized classifiers successfully discriminated between low and high M1 excitability states in all participants. Outcomes of the interpretation methods suggest the importance of the electrodes situated over the TMS stimulation site, as well as the relevance of the temporal samples of the input EEG closer to the stimulation time. This novel decoding method allows causal investigation of the cortical excitability state, which may be relevant for personalizing and increasing the efficacy of therapeutic brain-state dependent brain stimulation (for example in patients affected by Parkinson’s disease).

5 Hz repetitive TMS increases anticipatory motor activity in the human cortex

In the present study, we analyzed how high-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) of the primary motor hand area (M1-Hand) shapes anticipatory motor activity in frontal areas as indexed by the contingent negative variation (CNV). Eight right-handed volunteers received real or sham 5 Hz rTMS at an intensity of 90% resting motorthreshold (1500 stimuli per session). Real but not sham rTMS to left M1-Hand induced a site-specific increase in amplitude of the late component of the CNV at the electrode C3 overlaying the site of stimulation. The increase in pre-movement activity in the stimulated cortex may reflect an increase in facilitatory drive from connected motor areas, enhanced responsiveness of the stimulated cortex to these inputs or both. (c) 2005 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Ipsilateral corticocortical projections to the primary and middle temporal visual areas of the primate cerebral cortex: area-specific variations in the morphology of connectionally identified pyramidal cells

We quantified the morphology of over 350 pyramidal neurons with identified ipsilateral corticocortical projections to the primary (V1) and middle temporal (MT) visual areas of the marmoset monkey, following intracellular injection of Lucifer Yellow into retrogradely labelled cells. Paralleling the results of studies in which randomly sampled pyramidal cells were injected, we found that the size of the basal dendritic tree of connectionally identified cells differed between cortical areas, as did the branching complexity and spine density. We found no systematic relationship between dendritic tree structure and axon target or length. Instead, the size of the basal dendritic tree increased roughly in relation to increasing distance from the occipital pole, irrespective of the length of the connection or the cortical layer in which the neurons were located. For example, cells in the second visual area had some of the smallest and least complex dendritic trees irrespective of whether they projected to V1 or MT, while those in the dorsolateral area (DL) were among the largest and most complex. We also observed that systematic differences in spine number were more marked among V1-projecting cells than MT-projecting cells. These data demonstrate that the previously documented systematic differences in pyramidal cell morphology between areas cannot simply be attributed to variable proportions of neurons projecting to different targets, in the various areas. Moreover, they suggest that mechanisms intrinsic to the area in which neurons are located are strong determinants of basal dendritic field structure.

Pyramidal neurones in macaque visual cortex: Interareal phenotypic variation of dendritic branching patterns

The basal dendritic arbors of over 500-layer III pyramidal neurones of the macaque cortex were compared by fractal analyses, which provides a measure of the space filling (or branching pattern) of dendritic arbors. Fractal values (D) of individual cells were compared between the cytochrome oxidase (CO)-rich blobs and CO-poor interblobs, of middle and upper layer III, and between sublaminae, in the primary visual area (Vi). These data were compared with those in the CO compartments in the second visual area (V2), and seven other extrastriate cortical areas. (V4, MT, LIP, 7a, TEO, TE and STP). There were significant differences in the fractal dimensions, and therefore the dendritic branching patterns, of cells in striate and extrastriate areas. Of the 55 possible pairwise comparisons of fractal dimension of neurones in different cortical areas (or CO compartments), 39 proved to be significantly different. The markedly different morphologies of pyramidal cells in the different cortical areas may be one of the features that determine the functional signatures of these cells by influencing the number of inputs received by, and propagation of potentials through, their dendritic arbors.

The pyramidal cell of the sensorimotor cortex of the macaque monkey: Phenotypic variation

Recent studies have revealed striking differences in pyramidal cell structure among cortical regions involved in the processing of different functional modalities. For example, cells involved in visual processing show systematic variation, increasing in morphological complexity with rostral progression from V1 through extrastriate areas. Differences have also been identified between pyramidal cells in somatosensory, motor and prefrontal cortex, but the extent to which the pyramidal cell phenotype may vary between these functionally related cortical regions remains unknown. In the present study we investigated the structure of layer III pyramidal cells in somatosensory and motor areas 3b, 4, 5, 6 and 7b of the macaque monkey. Cells were intracellularly injected in fixed, flat-mounted cortical slices and analysed for morphometric parameters. The size of the basal dendritic arbours, the number of their branches and their spine density were found to vary systematically between areas. Namely, we found a trend for increasing complexity in dendritic arbour structure through areas 3b, 5 and 7b. A similar trend occurred through areas 4 and 6. The differences in arbour structure may determine the number of inputs received by neurons and may thus be an important factor in determining function at the cellular and systems level.

Representation of motor habit in a sequence of repetitive reach and grasp movements performed by macaque monkeys: evidence for a contribution of the dorsolateral prefrontal cortex.

In the context of an autologous cell transplantation study, a unilateral biopsy of cortical tissue was surgically performed from the right dorsolateral prefrontal cortex (dlPFC) in two intact adult macaque monkeys (dlPFC lesioned group), together with the implantation of a chronic chamber providing access to the left motor cortex. Three other monkeys were subjected to the same chronic chamber implantation, but without dlPFC biopsy (control group). All monkeys were initially trained to perform sequential manual dexterity tasks, requiring precision grip. The motor performance and the prehension's sequence (temporal order to grasp pellets from different spatial locations) were analysed for each hand. Following the surgery, transient and moderate deficits of manual dexterity per se occurred in both groups, indicating that they were not due to the dlPFC lesion (most likely related to the recording chamber implantation and/or general anaesthesia/medication). In contrast, changes of motor habit were observed for the sequential order of grasping in the two monkeys with dlPFC lesion only. The changes were more prominent in the monkey subjected to the largest lesion, supporting the notion of a specific effect of the dlPFC lesion on the motor habit of the monkeys. These observations are reminiscent of previous studies using conditional tasks with delay that have proposed a specialization of the dlPFC for visuo-spatial working memory, except that this is in a different context of "free-will", non-conditional manual dexterity task, without a component of working memory.

Visuo-motor pathways in humans revealed by event-related fMRI.

Whether different brain networks are involved in generating unimanual responses to a simple visual stimulus presented in the ipsilateral versus contralateral hemifield remains a controversial issue. Visuo-motor routing was investigated with event-related functional magnetic resonance imaging (fMRI) using the Poffenberger reaction time task. A 2 hemifield x 2 response hand design generated the "crossed" and "uncrossed" conditions, describing the spatial relation between these factors. Both conditions, with responses executed by the left or right hand, showed a similar spatial pattern of activated areas, including striate and extrastriate areas bilaterally, SMA, and M1 contralateral to the responding hand. These results demonstrated that visual information is processed bilaterally in striate and extrastriate visual areas, even in the "uncrossed" condition. Additional analyses based on sorting data according to subjects' reaction times revealed differential crossed versus uncrossed activity only for the slowest trials, with response strength in infero-temporal cortices significantly correlating with crossed-uncrossed differences (CUD) in reaction times. Collectively, the data favor a parallel, distributed model of brain activation. The presence of interhemispheric interactions and its consequent bilateral activity is not determined by the crossed anatomic projections of the primary visual and motor pathways. Distinct visuo-motor networks need not be engaged to mediate behavioral responses for the crossed visual field/response hand condition. While anatomical connectivity heavily influences the spatial pattern of activated visuo-motor pathways, behavioral and functional parameters appear to also affect the strength and dynamics of responses within these pathways.