Characteristics of Corticospinal Projections to the Intrinsic Hand Muscles in Skilled Harpists.

The process of learning to play a musical instrument necessarily alters the functional organisation of the cortical motor areas that are involved in generating the required movements. In the case of the harp, the demands placed on the motor system are quite specific. During performance, all digits with the sole exception of the little finger are used to pluck the strings. With a view to elucidating the impact of having acquired this highly specialized musical skill on the characteristics of corticospinal projections to the intrinsic hand muscles, focal transcranial magnetic stimulation (TMS) was used to elicit motor evoked potentials (MEPs) in three muscles (of the left hand): abductor pollicis brevis (APB); first dorsal interosseous (FDI); and abductor digiti minimi (ADM) in seven harpists. Seven non-musicians served as controls. With respect to the FDI muscle–which moves the index finger, the harpists exhibited reliably larger MEP amplitudes than those in the control group. In contrast, MEPs evoked in the ADM muscle–which activates the little finger, were smaller in the harpists than in the non-musicians. The locations on the scalp over which magnetic stimulation elicited discriminable responses in ADM also differed between the harpists and the non-musicians. This specific pattern of variation in the excitability of corticospinal projections to these intrinsic hand muscles exhibited by harpists is in accordance with the idiosyncratic functional demands that are imposed in playing this instrument.

The Influence of Cerebral Blood Flow and Carbon Dioxide on Neuromuscular Responses During Environmental Stress

Although reductions in cerebral blood flow (CBF) may be implicated in the development of central fatigue during environmental stress, the contribution from hypocapnia-induced reductions in CBF versus reductions in CBF per se has yet to be isolated. The current research program examined the influence of CBF, with and without consequent hypocapnia, on neuromuscular responses during hypoxia and passive heat stress. To this end, neuromuscular responses, as indicated by motor evoked potentials (MEP), maximal M-wave (Mmax) and cortical voluntary activation (cVA) of the flexor carpi radialis muscle during isometric wrist flexion, was assessed in three separate projects: 1) hypocapnia, independent of concomitant reductions in CBF; 2) altered CBF during severe hypoxia and; 3) thermal hyperpnea-mediated reductions in CBF, independent of hypocapnia. All projects employed a custom-built dynamic end-tidal forcing system to control end-tidal PCO2 (PETCO2), independent of the prevailing environmental conditions, and cyclooxygenase inhibition using indomethacin (Indomethacin, 1.2 mg·Kg-1) to selectively reduce CBF (estimated using transcranial Doppler ultrasound) without changes in PETCO2. A primary finding of the present research program is that the excitability of the corticospinal tract is inherently sensitive to changes in PaCO2, as demonstrated by a 12% increase in MEP amplitude in response to moderate hypocapnia. Conversely, CBF mediated reductions in cerebral O2 delivery appear to decrease corticospinal excitability, as indicated by a 51-64% and 4% decrease in MEP amplitude in response to hypoxia and passive heat stress, respectively. The collective evidence from this research program suggests that impaired voluntary activation is associated with reductions in CBF; however, it must be noted that changes in cVA were not linearly correlated with changes in CBF. Therefore, other factors independent of CBF, such as increased perception of effort, distress or discomfort, may have contributed to the reductions in cVA. Despite the functional association between reductions in CBF and hypocapnia, both variables have distinct and independent influence on the neuromuscular system. Therefore, future studies should control or acknowledge the separate mechanistic influence of these two factors.

Les effets de la similarité physique dans l’observation d’actions : études comportementales et neurophysiologiques

Il a été suggéré que la similarité physique entre un observateur et une action observée facilite la perception et la compréhension d’action. Par exemple, l’observation d’un acteur exécutant des gestes de la main ayant une signification culturelle est associée à une augmentation de l’excitabilité corticospinale lorsque les deux individus sont de la même ethnicité (Molnar-Szakacs et al., 2007). La perception tactile serait également facilitée lorsqu’un individu regarde un modèle de sa propre race être touché (Serino et al., 2009), tandis que des études en imagerie cérébrale fonctionnelle suggèrent la présence d’activations plus importantes dans le cortex cingulaire lorsqu’un sujet observe une personne de son propre groupe racial ressentir de la douleur (Xu et al., 2009). Certaines études ont lié ces résultats à un mécanisme de résonance motrice, possiblement associé au système des neurones miroirs (SNM), suggérant que la représentation de l’action dans les aires motrices est facilitée par la similarité physique. Toutefois, la grande majorité des stimuli utilisés dans ces études comportent une composante émotionnelle ou culturelle pouvant masquer les effets purement moteurs liant la similarité physique à un mécanisme de résonance motrice. De plus, la sélectivité de l’activation du SNM face à des stimuli biologiques a récemment été remise en question en raison de biais méthodologiques. La présente thèse présente trois études visant à évaluer l’effet de la similarité physique et des caractéristiques biologiques d’un mouvement sur la résonance motrice à l’aide de mesures comportementales et neurophysiologiques. À cet effet, l’imitation automatique de mouvements de la main, l’excitabilité corticospinale et la désynchronisation du rythme électroencéphalographique mu ont servi de marqueurs de l’activité du SNM. Dans les trois études présentées, la couleur de la peau et l’aspect biologique du stimulus observé ou imité ont été systématiquement manipulés. Nos données confirment la sélectivité du SNM pour le mouvement biologique en démontrant une réponse imitative plus rapide et une désynchronisation du rythme mu plus prononcée lors de la présentation de stimuli biologiques comparativement à des stimuli non-biologiques répliquant les aspects physiques du mouvement humain. Les deux mêmes mesures montrent une réponse neurophysiologique et comportementale équivalente lorsque l’action est exécutée par un agent de couleur similaire ou dissimilaire au participant. Nous rapportons aussi un effet surprenant de la similarité physique sur l’excitabilité corticospinale, où l’observation d’une action exécutée par un agent de couleur différente est associée à une activation plus grande du cortex moteur primaire droit de participants de sexe féminin. Prises dans leur ensemble, ces données suggèrent que la similarité physique avec une action observée ne module généralement pas l’activité du SNM au niveau des aires sensorimotrices en l’absence de composantes culturelles et émotionnelles. De plus, les résultats présentés suggèrent que le SNM est sélectif au mouvement biologique plutôt qu’à l’aspect kinématique du mouvement.

Excitabilité du système miroir : une étude de stimulation magnétique transcrânienne sur le chant et le langage

La perception de mouvements est associée à une augmentation de l’excitabilité du cortex moteur humain. Ce système appelé « miroir » sous-tendrait notre habileté à comprendre les gestes posés par une tierce personne puisqu’il est impliqué dans la reconnaissance, la compréhension et l’imitation de ces gestes. Dans cette étude, nous examinons de quelle façon ce système miroir s’implique et se latéralise dans la perception du chant et de la parole. Une stimulation magnétique transcrânienne (TMS) à impulsion unique a été appliquée sur la représentation de la bouche du cortex moteur de 11 participants. La réponse motrice engendrée a été mesurée sous la forme de potentiels évoqués moteurs (PÉMs), enregistrés à partir du muscle de la bouche. Ceux-ci ont été comparés lors de la perception de chant et de parole, dans chaque hémisphère cérébral. Afin d’examiner l’activation de ce système moteur dans le temps, les impulsions de la TMS ont été envoyées aléatoirement à l’intérieur de 7 fenêtres temporelles (500-3500 ms). Les stimuli pour la tâche de perception du chant correspondaient à des vidéos de 4 secondes dans lesquelles une chanteuse produisait un intervalle ascendant de deux notes que les participants devaient juger comme correspondant ou non à un intervalle écrit. Pour la tâche de perception de la parole, les participants regardaient des vidéos de 4 secondes montrant une personne expliquant un proverbe et devaient juger si cette explication correspondait bien à un proverbe écrit. Les résultats de cette étude montrent que les amplitudes des PÉMs recueillis dans la tâche de perception de chant étaient plus grandes après stimulation de l’hémisphère droit que de l’hémisphère gauche, surtout lorsque l’impulsion était envoyée entre 1000 et 1500 ms. Aucun effet significatif n’est ressorti de la condition de perception de la parole. Ces résultats suggèrent que le système miroir de l’hémisphère droit s’active davantage après une présentation motrice audio-visuelle, en comparaison de l’hémisphère gauche.

Role of corticospinal influences in post-stroke spasticity

Chez les personnes post-AVC (Accident Vasculaire Cérébral), spasticité, faiblesse et toute autre coactivation anormale proviennent de limitations dans la régulation de la gamme des seuils des réflexes d'étirement. Nous avons voulu savoir si les déficits dans les influences corticospinales résiduelles contribuaient à la limitation de la gamme des seuils et au développement de la spasticité chez les patients post-AVC. La stimulation magnétique transcranienne (SMT) a été appliquée à un site du cortex moteur où se trouvent les motoneurones agissant sur les fléchisseurs et extenseurs du coude. Des potentiels évoqués moteurs (PEM) ont été enregistrés en position de flexion et d'extension du coude. Afin d'exclure l'influence provenant de l'excitabilité motoneuronale sur l'évaluation des influences corticospinales, les PEM ont été suscités lors de la période silencieuse des signaux électromyographiques (EMG) correspondant à un bref raccourcissement musculaire juste avant l'enclenchement de la SMT. Chez les sujets contrôles, il y avait un patron réciproque d'influences corticospinales (PEM supérieurs en position d'extension dans les extenseurs et vice-versa pour les fléchisseurs). Quant à la plupart des sujets post-AVC ayant un niveau clinique élevé de spasticité, la facilitation corticospinale dans les motoneurones des fléchisseurs et extenseurs était supérieure en position de flexion (patron de co-facilitation). Les résultats démontrent que la spasticité est associée à des changements substantiels des influences corticospinales sur les motoneurones des fléchisseurs et des extenseurs du coude.

Contrôle cortico-spinal des mouvements volontaires du coude

Il existe plusieurs théories du contrôle moteur, chacune présumant qu’une différente variable du mouvement est réglée par le cortex moteur. On trouve parmi elles la théorie du modèle interne qui a émis l’hypothèse que le cortex moteur programme la trajectoire du mouvement et l’activité électromyographique (EMG) d’une action motrice. Une autre, appelée l’hypothèse du point d’équilibre, suggère que le cortex moteur établisse et rétablisse des seuils spatiaux; les positions des segments du corps auxquelles les muscles et les réflexes commencent à s’activer. Selon ce dernier, les paramètres du mouvement sont dérivés sans pré-programmation, en fonction de la différence entre la position actuelle et la position seuil des segments du corps. Pour examiner de plus près ces deux théories, nous avons examiné l’effet d’un changement volontaire de l’angle du coude sur les influences cortico-spinales chez des sujets sains en employant la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) par-dessus le site du cortex moteur projetant aux motoneurones des muscles du coude. L’état de cette aire du cerveau a été évalué à un angle de flexion du coude activement établi par les sujets, ainsi qu’à un angle d’extension, représentant un déplacement dans le plan horizontal de 100°. L’EMG de deux fléchisseurs du coude (le biceps et le muscle brachio-radial) et de deux extenseurs (les chefs médial et latéral du triceps) a été enregistrée. L’état d’excitabilité des motoneurones peut influer sur les amplitudes des potentiels évoqués moteurs (MEPs) élicitées par la TMS. Deux techniques ont été entreprises dans le but de réduire l’effet de cette variable. La première était une perturbation mécanique qui raccourcissait les muscles à l'étude, produisant ainsi une période de silence EMG. La TMS a été envoyée avec un retard après la perturbation qui entraînait la production du MEP pendant la période de silence. La deuxième technique avait également le but d’équilibrer l’EMG des muscles aux deux angles du coude. Des forces assistantes ont été appliquées au bras par un moteur externe afin de compenser les forces produites par les muscles lorsqu’ils étaient actifs comme agonistes d’un mouvement. Les résultats des deux séries étaient analogues. Un muscle était facilité quand il prenait le rôle d’agoniste d’un mouvement, de manière à ce que les MEPs observés dans le biceps fussent de plus grandes amplitudes quand le coude était à la position de flexion, et ceux obtenus des deux extenseurs étaient plus grands à l’angle d’extension. Les MEPs examinés dans le muscle brachio-radial n'étaient pas significativement différents aux deux emplacements de l’articulation. Ces résultats démontrent que les influences cortico-spinales et l’activité EMG peuvent être dissociées, ce qui permet de conclure que la voie cortico-spinale ne programme pas l’EMG à être générée par les muscles. Ils suggèrent aussi que le système cortico-spinal établit les seuils spatiaux d’activation des muscles lorsqu’un segment se déplace d’une position à une autre. Cette idée suggère que des déficiences dans le contrôle des seuils spatiaux soient à la base de certains troubles moteurs d’origines neurologiques tels que l’hypotonie et la spasticité.

Impact d’une sieste sur plasticité cérébrale induite par stimulation magnétique transcrânienne

Chez l’humain, différents protocoles de stimulation magnétique transcrânienne répétée (SMTr) peuvent être utilisés afin de manipuler expérimentalement la plasticité cérébrale au niveau du cortex moteur primaire (M1). Ces techniques ont permis de mieux comprendre le rôle du sommeil dans la régulation de la plasticité cérébrale. Récemment, une étude a montré que lorsqu’une première session de stimulation SMTr au niveau de M1 est suivie d’une nuit de sommeil, l’induction subséquente de la plasticité par une deuxième session SMTr est augmentée. La présente étude a investigué si ce type de métaplasticité pouvait également bénéficier d’une sieste diurne. Quatorze sujets en santé ont reçu deux sessions de intermittent theta burst stimulation (iTBS) connue pour son effet facilitateur sur l’excitabilité corticale. Les sessions de stimulation étaient séparées par une sieste de 90 minutes ou par une période équivalente d’éveil. L’excitabilité corticale était quantifiée en terme d’amplitude des potentiels évoqués moteurs (PEM) mesurés avant et après chaque session de iTBS. Les résultats montrent que la iTBS n’est pas parvenue à augmenter de manière robuste l’amplitude des PEMs lors de la première session de stimulation. Lors de la deuxième session de stimulation, la iTBS a produit des changements plastiques variables et ce peu importe si les sujets ont dormi ou pas. Les effets de la iTBS sur l’excitabilité corticale étaient marqués par une importante variabilité inter et intra-individuelle dont les possibles causes sont discutées.

Contributions des voies vestibulospinale et corticospinale au contrôle des mouvements du bras

Le contrôle des mouvements du bras fait intervenir plusieurs voies provenant du cerveau. Cette thèse, composée principalement de deux études, tente d’éclaircir les contributions des voies tirant leur origine du système vestibulaire et du cortex moteur. Dans la première étude (Raptis et al 2007), impliquant des mouvements d’atteinte, nous avons cerné l’importance des voies descendantes partant du système vestibulaire pour l’équivalence motrice, i.e. la capacité du système moteur à atteindre un but moteur donné lorsque le nombre de degrés de liberté articulaires varie. L’hypothèse émise était que le système vestibulaire joue un rôle essentiel dans l’équivalence motrice. Nous avons comparé la capacité d’équivalence motrice de sujets sains et de patients vestibulodéficients chroniques lors de mouvements nécessitant un contrôle des positions du bras et du tronc. Pendant que leur vision était temporairement bloquée, les sujets devaient soit maintenir une position de l’index pendant une flexion du tronc, soit atteindre une cible dans l’espace péri-personnel en combinant le mouvement du bras avec une flexion du tronc. Lors d’essais déterminés aléatoirement et imprévus par les participants, leur tronc était retenu par un mécanisme électromagnétique s’activant en même temps que le signal de départ. Les sujets sains ont pu préserver la position ou la trajectoire de l’index dans les deux conditions du tronc (libre, bloqué) en adaptant avec une courte latence (60-180 ms) les mouvements articulaires au niveau du coude et de l’épaule. En comparaison, six des sept patients vestibulodéficients chroniques ont présenté des déficits au plan des adaptations angulaires compensatoires. Pour ces patients, entre 30 % et 100 % du mouvement du tronc n’a pas été compensé et a été transmis à la position ou trajectoire de l’index. Ces résultats indiqueraient que les influences vestibulaires évoquées par le mouvement de la tête pendant la flexion du tronc jouent un rôle majeur pour garantir l’équivalence motrice dans ces tâches d’atteinte lorsque le nombre de degrés de liberté articulaires varie. Également, ils démontrent que la plasticité de long terme survenant spontanément après une lésion vestibulaire unilatérale complète ne serait pas suffisante pour permettre au SNC de retrouver un niveau d’équivalence motrice normal dans les actions combinant un déplacement du bras et du tronc. Ces tâches de coordination bras-tronc constituent ainsi une approche inédite et sensible pour l’évaluation clinique des déficits vestibulaires. Elles permettent de sonder une dimension fonctionnelle des influences vestibulaires qui n’était pas prise en compte dans les tests cliniques usuels, dont la sensibilité relativement limitée empêche souvent la détection d’insuffisances vestibulaires six mois après une lésion de ces voies. Avec cette première étude, nous avons donc exploré comment le cerveau et les voies descendantes intègrent des degrés de liberté articulaires supplémentaires dans le contrôle du bras. Dans la seconde étude (Raptis et al 2010), notre but était de clarifier la nature des variables spécifiées par les voies descendantes pour le contrôle d’actions motrices réalisées avec ce membre. Nous avons testé l’hypothèse selon laquelle les voies corticospinales contrôlent la position et les mouvements des bras en modulant la position-seuil (position de référence à partir de laquelle les muscles commencent à être activés en réponse à une déviation de cette référence). Selon ce principe, les voies corticospinales ne spécifieraient pas directement les patrons d’activité EMG, ce qui se refléterait par une dissociation entre l’EMG et l’excitabilité corticospinale pour des positions-seuils différentes. Dans un manipulandum, des participants (n=16) ont modifié leur angle du poignet, d’une position de flexion (45°) à une position d’extension (-25°), et vice-versa. Les forces élastiques passives des muscles ont été compensées avec un moteur couple afin que les sujets puissent égaliser leur activité EMG de base dans les deux positions. L’excitabilité motoneuronale dans ces positions a été comparée à travers l’analyse des réponses EMG évoquées à la suite d’étirements brefs. Dans les deux positions, le niveau d’EMG et l’excitabilité motoneuronale étaient semblables. De plus, ces tests ont permis de montrer que le repositionnement du poignet était associé à une translation de la position-seuil. Par contre, malgré la similitude de l’excitabilité motoneuronale dans ces positions, l’excitabilité corticospinale des muscles du poignet était significativement différente : les impulsions de stimulation magnétique transcrânienne (TMS; à 1.2 MT, sur l’aire du poignet de M1) ont provoqué des potentiels moteurs évoqués (MEP) de plus grande amplitude en flexion pour les fléchisseurs comparativement à la position d’extension et vice-versa pour les extenseurs (p<0.005 pour le groupe). Lorsque les mêmes positions étaient établies après une relaxation profonde, les réponses réflexes et les amplitudes des MEPs ont drastiquement diminué. La relation caractéristique observée entre position physique et amplitude des MEPs dans le positionnement actif s’est aussi estompée lorsque les muscles étaient relâchés. Cette étude suggère que la voie corticospinale, en association avec les autres voies descendantes, participerait au contrôle de la position-seuil, un processus qui prédéterminerait le référentiel spatial dans lequel l’activité EMG émerge. Ce contrôle de la « référence » constituerait un principe commun s’appliquant à la fois au contrôle de la force musculaire, de la position, du mouvement et de la relaxation. Nous avons aussi mis en évidence qu’il est nécessaire, dans les prochaines recherches ou applications utilisant la TMS, de prendre en compte la configuration-seuil des articulations, afin de bien interpréter les réponses musculaires (ou leurs changements) évoquées par cette technique; en effet, la configuration-seuil influencerait de manière notable l’excitabilité corticomotrice, qui peut être considérée comme un indicateur non seulement lors d’activités musculaires, mais aussi cognitives, après apprentissages moteurs ou lésions neurologiques causant des déficits moteurs (ex. spasticité, faiblesse). Considérées dans leur ensemble, ces deux études apportent un éclairage inédit sur des principes fondamentaux du contrôle moteur : nous y illustrons de manière plus large le rôle du système vestibulaire dans les tâches d’atteinte exigeant une coordination entre le bras et son « support » (le tronc) et clarifions l’implication des voies corticomotrices dans la spécification de paramètres élémentaires du contrôle moteur du bras. De plus amples recherches sont cependant nécessaires afin de mieux comprendre comment les systèmes sensoriels et descendants (e.g. vestibulo-, réticulo-, rubro-, propriospinal) participent et interagissent avec les signaux corticofugaux afin de spécifier les seuils neuromusculaires dans le contrôle de la posture et du mouvement.

Comparison of corticomotor excitability during visuomotor dynamic and static tasks

The human central nervous system (CNS) has the ability to modulate its activity during the performance of different movements. Recent evidence, however, suggests that the CNS can also modulate its activity in the same movement but with increased precision during a visuomotor static task. This study aimed to extend on these findings by using transcranial magnetic stimulation (TMS) to measure the CNS during the performance of two visuomotor dynamic tasks. Twelve volunteers participated in this study, performing two separate motor tasks. Study I (“Position Tracking”) involved participants to perform a visuomotor tracking task using a dial potentiometer and matching their response icon to the computer generated tracking icon whilst holding a pincer grip. Study II (“Force Tracking”) involved participants to perform a similar visuomotor tracking task by applying or releasing pressure against a fixed force transducer. Tasks were conducted at two speeds (“slow” being one tracking cycle in 10 s; and “fast” being two tracking cycles in 10 s) and compared to a visuomotor static task at a similar muscle contraction level. Results showed corticospinal changes with significant increases (p = 0.002) in excitability demonstrated during Study I (42.3 ± 16.8%) and Study II (56.3 ± 34.2%) slow speed tasks. Moreover, significant reduction in corticospinal inhibition was also observed during both tracking tasks at slow (59.3 ± 13.7%; p = 0.001) and fast speeds (31.9 ± 12.3%; p = 0.001). The findings may provide information on the underlying physiology during the early stages of motor skill acquisition.

Differential modulation of spinal and corticospinal excitability during drop jumps

Previously it was shown that spinal excitability during hopping and drop jumping is high in the initial phase of ground contact when the muscle is stretched but decreases toward takeoff. To further understand motor control of stretch-shortening cycle, this study aimed to compare modulation of spinal and corticospinal excitability at distinct phases following ground contact in drop jump. Motor-evoked potentials (MEPs) induced by transcranial magnetic stimulation (TMS) and H-reflexes were elicited at the time of the short (SLR)-, medium (MLR)-, and long (LLR, LLR2)-latency responses of the soleus muscle (SOL) after jumps from 31 cm height. MEPs and H-reflexes were expressed relative to the background electromyographic (EMG) activity. H-reflexes were highly facilitated at SLR (172%) and then progressively decreased (MLR = 133%; LLR = 123%; LLR2 = 110%). TMS showed no effect at SLR, MLR, and LLR, whereas MEPs were significantly facilitated at the LLR2 (122%; P = 0.003). Background EMG was highest at LLR and lowest at LLR2. Strong H-reflex facilitation at the beginning of the stance phase indicated significant contribution of Ia-afferent input to the α-motoneurons during this phase that then progressively declined toward takeoff. Conversely, corticospinal excitability was exclusively increased at the phase of push off (LLR2, ∼120 ms). It is argued that corticomotoneurons increased their excitability at LLR2. At LLR (∼90 ms), Ia-afferent transmission as well as corticospinal excitability was low, whereas background EMG was high. Therefore it is speculated that other sources, presumably subcortical in origin, contributed to the EMG activity at LLR in drop jumps.

Strength training of one limb increases corticomotor excitability projecting to the contralateral homologous limb

The contralateral transfer of strength following unilateral strength training (ULS) is thought to be due to changes within the nervous system. Using transcranial magnetic stimulation (TMS) we compared corticospinal responses following ULS of the right biceps brachii (BB) projecting to the untrained left BB. Motor evoked potentials (MEPs) were recorded from both BB of 23 individuals pre and post 4 weeks heavy load (80% of 1RM) ULS of right BB. TMS was delivered at intensities below active motor threshold (AMT) to saturation of the MEP (MEP_max). ULS resulted in a 28% increase in 1RM right BB strength, resulting in a 19.2% increase in contralateral strength of the left BB (p = .0001). There was a significant increase in MEP amplitude of 30.3% (p = .03), 33% (p = .05), and 26.5% (p = .01) at AMT, 20% above AMT and MEP_max respectively. No significant differences in silent period were seen at AMT, 20% above AMT or MEP_max. This study has demonstrated increased corticospinal excitability projecting to the untrained arm following heavy load ULS.

The effect of lumbosacral manipulation on corticospinal and spinal reflex excitability on asymptomatic participants

Objective The aim of the study was to examine the effects of a high-velocity, low-amplitude (HVLA) manipulation to the lumbosacral joint on corticospinal excitability, as measured by motor evoked potentials (MEPs) using transcranial magnetic stimulation, and spinal reflex excitability, as measured by the Hoffman reflex (H-reflex).

Methods In a randomized, controlled, crossover design, 14 asymptomatic volunteers (mean age, 23 ± 5.4 years; 10 men; 4 women) were measured for MEPs and H-reflexes immediately before and after a randomly allocated intervention. The interventions consisted of HVLA applied bilaterally to the lumbosacral joint and a control intervention. Participants returned a week later, and the same procedures were performed using the other intervention. Data for H-reflex and MEP amplitudes were normalized to the M-wave maximum amplitude and analyzed using 2-way analysis of variance with repeated measures.

Results A significant interaction of treatment by time was found for MEP (F1,13 = 4.87, P = .04), and post hoc analyses showed that the MEP/M-wave maximum ratio decreased significantly in the HVLA treatment (P = .02; effect size, 0.68). For H-reflex, there was a significant effect of time (F1,13 = 8.186, P = .01) and treatment and time interaction (F1,13 = 9.05, P = .01), with post hoc analyses showing that H-reflexes were significantly reduced after the HVLA manipulation (P = .004; effect size, 0.94). There were no significant changes in MEP latency or silent period duration.

Conclusion An HVLA manipulation applied to the lumbosacral joint produced a significant decrease in corticospinal and spinal reflex excitability, and no significant change occurred after the control intervention. The changes in H-reflexes were larger than those in MEPs, suggesting a greater degree of inhibition at the level of the spinal cord.

Does the longer application of anodal-transcranial direct current stimulaton increase corticomotor excitability further? A pilot study

Introduction: Anodal transcranial direct current stimulation (a-tDCS) of the primary motor cortex (M1) has been shown to be effective in increasing corticomotor excitability.
　
Methods: We investigated whether longer applications of a-tDCS coincide with greater increases in corticomotor excitability compared to shorter application of a-tDCS. Ten right-handed healthy participants received one session of a-tDCS (1mA current) with shorter (10 min) and longer (10+10 min) stimulation durations applied to the left M1 of extensor carpi radialis muscle (ECR). Corticomotor excitability following application of a-tDCS was assessed at rest with transcranial magnetic stimulation (TMS) elicited motor evoked potentials (MEP) and compared with baseline data for each participant.
　
Results: MEP amplitudes were increased following 10 min of a-tDCS by 67% (p = 0.001) with a further increase (32%) after the second 10 min of a-tDCS (p = 0.005). MEP amplitudes remained elevated at 15 min post stimulation compared to baseline values by 65% (p = 0.02).
　
Discussion: The results demonstrate that longer application of a-tDCS within the recommended safety limits, increases corticomotor excitability with after effects of up to 15 minutes post stimulation.

Short-interval intracortical inhibition is not affected by varying visual feedback in an isometric task in biceps brachiii muscle

Purpose : To establish if visual feedback and force requirements influence SICI.

Methods : SICI was assessed from 10 healthy adults (5 males and 5 females aged between 21 and 35 years) in three submaximal isometric elbow flexion torque levels [5, 20, and 40% of maximal voluntary contraction (MVC)] and with two tasks differing in terms of visual feedback. Single-pulse and paired-pulse motor-evoked potentials (MEPs), supramaximal M-wave, and background surface electromyogram (sEMG) were recorded from the biceps brachii muscle.

Results : Repeated measures MANOVA was used for statistical analyses. Background sEMG did not differ between tasks (F = 0.4, P = 0.68) nor was task × torque level interaction observed (F = 1.2, P = 0.32), whereas background sEMG increased with increasing torque levels (P = 0.001). SICI did not differ between tasks (F = 0.9, P = 0.43) and no task × torque level interaction was observed (F = 2.3, P = 0.08). However, less SICI was observed at 40% MVC compared to the 5 and 20% MVC torque levels (P = 0.01–0.001).

Conclusion : SICI was not altered by performing the same task with differing visual feedback. However, SICI decreased with increasing submaximal torque providing further evidence that SICI is one mechanism of modulating cortical excitability and plays a role in force gradation.

Effects of vitamin D supplementation on neuroplasticity in older adults: a double-blinded, placebo-controlled randomised trial

Summary - Vitamin D can improve muscle function and reduce falls, but whether it can strengthen neural connections within the brain and nervous system is not known. This 10-week randomised controlled trial indicates that treatment with 2,000 IU/day vitamin D3 does not significantly alter neuroplasticity relative to placebo in older adults.
Introduction - The purpose of this study was to examine the effects of vitamin D supplementation on neuroplasticity, serum brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and muscle strength and function in older adults.
Methods - This was a 10-week double-blinded, placebo-controlled randomised trial in which 26 older adults with 25-hydroxyvitamin D [25OHD] concentrations 25–60 nmol/L were randomised to 2,000 IU/day vitamin D3 or matched placebo. Single- and paired-pulse transcranial magnetic stimulation applied over the motor cortex was used to assess changes in motor-evoked potentials (MEPs) and short-interval intracortical inhibition (SICI), as measures of corticospinal excitability and inhibition respectively, by recording electromyography (EMG) responses to stimulation from the wrist extensors. Changes in muscle strength, stair climbing power, gait (timed-up-and-go), dynamic balance (four square step test), serum 25(OH)D and BDNF concentrations were also measured.
Results - After 10 weeks, mean 25(OH)D levels increased from 46 to 81 nmol/L in the vitamin D group with no change in the placebo group. The vitamin D group experienced a significant 8–11 % increase in muscle strength and a reduction in cortical excitability (MEP amplitude) and SICI relative to baseline (all P < 0.05), but these changes were not significantly different from placebo. There was no effect of vitamin D on muscle power, function or BDNF.
Conclusions - Daily supplementation with 2,000 IU vitamin D3 for 10 weeks had no significant effect on neuroplasticity compared to placebo, but the finding that vitamin D treatment alone was associated with a decrease in corticospinal excitability and intracortical inhibition warrants further investigation as this suggests that it may improve the efficacy of neural transmission within the corticospinal pathway.