Reliability of the input-output properties of the cortico-spinal pathway obtained from transcranial magnetic and electrical stimulation

The purpose of this experiment was to assess the test-retest reliability of input-output parameters of the cortico-spinal pathway derived from transcranial magnetic (TMS) and electrical (TES) stimulation at rest and during muscle contraction. Motor evoked potentials (MEPs) were recorded from the first dorsal interosseous muscle of eight individuals on three separate days. The intensity of TMS at rest was varied from 5% below threshold to the maximal output of the stimulator. During trials in which the muscle was active, TMS and TES intensities were selected that elicited MEPs of between 150 and 300 X at rest. MEPs were evoked while the participants exerted torques up to 50% of their maximum capacity. The relationship between MEP size and stimulus intensity at rest was sigmoidal (R-2 = 0.97). Intra-class correlation coefficients (ICC) ranged between 0.47 and 0.81 for the parameters of the sigmoid function. For the active trials, the slope and intercept of regression equations of MEP size on level of background contraction were obtained more reliably for TES (ICC = 0.63 and 0.78, respectively) than for TMS (ICC = 0.50 and 0.53, respectively), These results suggest that input-output parameters of the cortico-spinal pathway may be reliably obtained via transcranial stimulation during longitudinal investigations of cortico-spinal plasticity. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Membrane potential dynamics of neocortical projection neurons driving target-specific signals.

Primary sensory cortex discriminates incoming sensory information and generates multiple processing streams toward other cortical areas. However, the underlying cellular mechanisms remain unknown. Here, by making whole-cell recordings in primary somatosensory barrel cortex (S1) of behaving mice, we show that S1 neurons projecting to primary motor cortex (M1) and those projecting to secondary somatosensory cortex (S2) have distinct intrinsic membrane properties and exhibit markedly different membrane potential dynamics during behavior. Passive tactile stimulation evoked faster and larger postsynaptic potentials (PSPs) in M1-projecting neurons, rapidly driving phasic action potential firing, well-suited for stimulus detection. Repetitive active touch evoked strongly depressing PSPs and only transient firing in M1-projecting neurons. In contrast, PSP summation allowed S2-projecting neurons to robustly signal sensory information accumulated during repetitive touch, useful for encoding object features. Thus, target-specific transformation of sensory-evoked synaptic potentials by S1 projection neurons generates functionally distinct output signals for sensorimotor coordination and sensory perception.

Cortical mapping of the neuronal circuits modulating the muscle tone. Introduction to the electrophysiological treatment of the spastic hand.

L’objectiu d’aquest estudi es investigar l’organització cortical junt amb la connectivitat còrtico-subcortical en subjectes sans, com a estudi preliminar. Els mapes corticals s’han fet per TMS navegada, i els punts motors obtinguts s’han exportant per estudi tractogràfic i anàlisi de las seves connexions. El coneixement precís de la localització de l’àrea cortical motora primària i les seves connexions es la base per ser utilitzada en estudis posteriors de la reorganització cortical i sub-cortical en pacients amb infart cerebral. Aquesta reorganització es deguda a la neuroplasticitat i pot ser influenciada per els efectes neuromoduladors de la estimulació cerebral no invasiva.

Alteracions de l’excitabilitat cortico-espinal en pacients amb dany axonal difús d’origen traumàtic

Aquest treball ha estat dirigit a investigar les característiques de l’excitabilitat cortical del sistema motor en el dany axonal difús (DAD), conseqüència d’un Traumatisme Cranioencefàlic greu (TCE). Hem aplicat diversos paradigmes d'estimulació magnètica transcranial (TMS) de polsos simples, sobre l'escorça motora, per avaluar l'excitabilitat cortical i els mecanismes excitatoris i inhibitoris. Els paràmetres inclouen el llindar motor en repòs (MT), l’àrea sota la corba dels potencials motors evocats compostos (MEP), corbes d’estímul resposta, la variabilitat dels MEPs i la durada del període de silenci (SP). El grup de pacients en general va mostrar un MT més alt que els pacients, àrees dels MEPs més petites, i menor increment en les corbes en comparació amb els controls normals (p <0,05). Les alteracions en l'excitabilitat van ser significativament més pronunciades amb l'augment de la gravetat del DAD (p <0,005) i la presència de deteriorament motor (p <0,05), mentre que la coexistència de lesions focals no va afectar el grau dels canvis del MEPs. La variabilitat dels MEPs va ser significativament menor en el grup que presentava sols dèficit motor (P<0,05). La inhibició cortical, segons mostrava la durada del SP, no va mostrar diferències significatives en cap dels grups de pacients. En conclusió, les nostres troballes reforcen el concepte de que l’alteració dels fenòmens excitatoris i inhibitoris en l'escorça motora no son processos paral•lels, i aporten informació sobre els diferents patrons d’alteració en el DAD. A més, aquestes dades suggereixen que les alteracions en els mecanismes excitatoris corticoespinals es determinen principalment per la gravetat del DAD i mostren una relació significativa amb l’afectació clínica en relació a la funció motora després d'un TCE greu que afecta difusament les connexions corticals del sistema motor. Des d'un punt de vista clínic, aquest estudi indica que la neurofisiologia hauria de ser considerada com una exploració complementaria a l’exploració neurològica en el TCE greu.

Somatosensory motor bodily representation cortical thinning in Tourette : effects of tic severity, age and gender

Introduction: Tourette syndrome (TS) implicates the disinhibition of the cortico-striatal-thalamic-cortical circuitry (CSTC). Previous studies used a volumetric approach to investigate this circuitry with inconsistent findings. Cortical thickness may represent a more reliable measure than volume due to the low variability in the cytoarchitectural structure of the grey matter. Methods: 66 magnetic resonance imaging scans were acquired from 34 TS (age range 10-25, mean 17.19±4.1) and 32 normal controls (NC) (age range 10-20, mean 16.33±3.56). Brain morphology was assessed using the fully automated Civet pipeline at the Montreal Neurological Institute. Results: We report (1) significant cortical thinning in the fronto-parietal and somatosensory-motor cortices in TS relative to NC (p<0.05); (2) TS boys showed thinner cortex relative to TS girls in the fronto-parietal cortical regions (p<0.05); (3) significant decrease in the fronto-parietal mean cortical thickness in TS with age relative to NC and in the pre-central cortex in TS boys relative to TS girls; (4) significant negative correlations between tic severity and the somatosensory-motor cortical thickness. Conclusions: TS revealed important thinning in brain regions particularly involved in the somatosensory/motor bodily representations which may play an important role in tics. Our findings are in agreement with Leckman et al. (1991) hypothesis stating that facial tics would be associated with dysfunction in an orofacial subset of the motor circuit, eye blinking with the occulo-motor circuit, whereas lack of inhibition to a dysfunction in the prefrontal cortex. Gender and age differences may reflect differential etiological factors, which have significant clinical relevance in TS and should be considered in developing and using diagnostic and therapeutic interventions.

The thalamocortical projection systems in primate: an anatomical support for multisensory and sensorimotor interplay.

Multisensory and sensorimotor integrations are usually considered to occur in superior colliculus and cerebral cortex, but few studies proposed the thalamus as being involved in these integrative processes. We investigated whether the organization of the thalamocortical (TC) systems for different modalities partly overlap, representing an anatomical support for multisensory and sensorimotor interplay in thalamus. In 2 macaque monkeys, 6 neuroanatomical tracers were injected in the rostral and caudal auditory cortex, posterior parietal cortex (PE/PEa in area 5), and dorsal and ventral premotor cortical areas (PMd, PMv), demonstrating the existence of overlapping territories of thalamic projections to areas of different modalities (sensory and motor). TC projections, distinct from the ones arising from specific unimodal sensory nuclei, were observed from motor thalamus to PE/PEa or auditory cortex and from sensory thalamus to PMd/PMv. The central lateral nucleus and the mediodorsal nucleus project to all injected areas, but the most significant overlap across modalities was found in the medial pulvinar nucleus. The present results demonstrate the presence of thalamic territories integrating different sensory modalities with motor attributes. Based on the divergent/convergent pattern of TC and corticothalamic projections, 4 distinct mechanisms of multisensory and sensorimotor interplay are proposed.

Rôle des circuits cortico-striataux dans la planification et l'exécution de règles lexicales

Des recherches, autant chez l’homme que chez l’animal, proposent qu’il existerait, au sein des réseaux cérébraux, une organisation anatomique parallèle de circuits qui coordonne l’activité des structures qui participent à la planification et à l’exécution d’une action. Dans cette foulée, un modèle émerge qui attribue au cortex préfrontal (CPF) latéral une spécificité anatomo-fonctionnelle basée sur les niveaux de traitement en mémoire de travail (MT). Il s’agit du modèle « niveaux de traitement-dépendant », qui accorde un rôle important au CPF latéral dans l’acquisition et la représentation de règles guidant nos comportements. Des études en neuroimagerie fonctionnelle, utilisant le Wisconsin Card Sorting Task (WCST) ont permis de corroborer ce modèle et de dissocier trois niveaux de traitement en MT non seulement au sein du CPF latéral mais encore aux structures sous- corticales, les ganglions de la base (GB). Ces études suggèrent que certains noyaux des GB seraient topographiquement organisés avec le CPF latéral et contriburaient, sous certaines conditions, à des processus cognitifs et moteurs semblables à leur homologue cortical. Le but de notre étude est d'explorer la généralisation de la contribution des GB et du CPF au modèle niveaux de traitement-dépendant afin de voir si ce dernier est indépendant de la nature des stimuli en mémoire de travail. À cet effet, nous avons modifié le WCST en l’appliquant à un autre domaine, celui du langage. Nous avons remplacé les pictogrammes par des mots et modifié les règles formes, couleurs, nombres, par des règles sémantiques et phonologiques. L’analyse des résultats a démontré que différentes parties des GB de concert avec différentes régions du CPF se différencient quant aux niveaux de traitement en MT et ce, indépendamment de la nature des stimuli. Une deuxième analyse a permis d’évaluer les patrons d’activations liés aux conditions sémantiques et phonologiques. Ces résultats ont mis en évidence que les réseaux préfrontaux semblent liés aux processus exécutifs nécessaires à la réalisation de la tâche, indépendamment de la condition tandis que les aires associatives se dissocient davantage et contiennent des réseaux propres à la sémantique et à la phonologie.

Effect of levodopa on cortico-striatal and cortico-cerebellar circuits in Parkinson's disease

La maladie de Parkinson (MP) est la deuxième maladie neurodégénérative la plus commune. Les symptômes principalement observés chez les patients atteints de la MP sont la rigidité, les tremblements, la bradykinésie et une instabilité posturale. Leur sévérité est souvent asymétrique. La cause principale de ces symptômes moteurs est la dégénérescence du circuit dopaminergique nigro-striatal qui mène à un débalancement d’activité du circuit cortico-striatal. Ce débalancement de circuits est le point essentiel de cette thèse. Dans les protocoles de recherche décrits ici, des patients atteints de la MP (avant et après une dose de levodopa) et des participants contrôles sains ont effectué des mouvements auto-initiés ou en réponse à des stimulis externes pendant que l’on mesurait leur activité cérébrale en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Dans cette thèse, nous abordons et mettons en évidence quatre (4) points principaux. En première partie (chapitre 2), nous présentons un recensement de la littérature sur les cicruits cortico-striataux et cortico-cérébelleux dans la MP. En utilisant des méthodes de neuroimagerie, des changements d’activité cérébrale et cérébelleuse ont été observés chez les patients atteints de la MP comparés aux participants sains. Même si les augmentations d’activité du cervelet ont souvent été attribuées à des mécanismes compensatoires, nos résultats suggèrent qu’elles sont plus probablement liées aux changements pathophysiologiques de la MP et à la perturbation du circuit cortico-cérébelleux. En général, nous suggérons (1) que le circuit cortico-cérébelleux est perturbé chez les patients atteints de la MP, et que les changements d’activité du cervelet sont liés à la pathophysiologie de la MP plutôt qu’à des mécanismes compensatoires. En deuxième partie (chapitre 3), nous discutons des effets de la levodopa sur les hausses et baisses d’activité observés chez les patients atteints de la MP, ainsi que sur l’activité du putamen pendant les mouvements d’origine interne et externe. De nombreuses études en neuroimagerie ont montré une baisse d’activité (hypo-activité) préfrontale liée à la déplétion de dopamine. En revanche, l’utilisation de tâches cognitives a montré des augmentations d’activité (hyper-activité) corticale chez les patients atteints de la MP comparés aux participants sains. Nous avons suggéré précédemment que ces hypo- et hyper-activités des régions préfrontales dépendent de l’implication du striatum. Dans cette thèse nous suggérons de plus (2) que la levodopa ne rétablit pas ces hyper-activations, mais plutôt qu’elles sont liées à la perturbation du circuit méso-cortical, et aussi possiblement associées à l’administration de médication dopaminergique à long terme. Nous montrons aussi (3) que la levodopa a un effet non-spécifique à la tâche sur l’activité du circuit cortico-striatal moteur, et qu’elle n’a pas d’effet sur l’activité du circuit cortico-striatal cognitif. Nous montrons enfin (chapitre 4) que la levodopa a un effet asymétrique sur les mouvements de la main droite et gauche. À peu près 50% des patients atteints de la MP démontrent une asymétrie des symptômes moteurs, et ceci persiste à travers la durée de la maladie. Nos résultats suggèrent (4) que la levodopa pourrait avoir un plus grand effet sur les patrons d’activations des mouvements de la main la plus affectée.

Altered cortico-basal ganglia motor pathways reflect reduced volitional motor activity in schizophrenia

Little is known about the neurobiology of hypokinesia in schizophrenia. Therefore, the aim of this study was to investigate alterations of white matter motor pathways in schizophrenia and to relate our findings to objectively measured motor activity. We examined 21 schizophrenia patients and 21 healthy controls using diffusion tensor imaging and actigraphy. We applied a probabilistic fibre tracking approach to investigate pathways connecting the dorsolateral prefrontal cortex (dlPFC), the rostral anterior cingulate cortex (rACC), the pre-supplementary motor area (pre-SMA), the supplementary motor area proper (SMA-proper), the primary motor cortex (M1), the caudate nucleus, the striatum, the pallidum and the thalamus. Schizophrenia patients had lower activity levels than controls. In schizophrenia we found higher probability indices forming part of a bundle of interest (PIBI) in pathways connecting rACC, pre-SMA and SMA-proper as well as in pathways connecting M1 and pre-SMA with caudate nucleus, putamen, pallidum and thalamus and a reduced spatial extension of motor pathways in schizophrenia. There was a positive correlation between PIBI and activity level in the right pre-SMA-pallidum and the left M1-thalamus connection in healthy controls, and in the left pre-SMA-SMA-proper pathway in schizophrenia. Our results point to reduced volitional motor activity and altered motor pathway organisation in schizophrenia. The identified associations between the amount of movement and structural connectivity of motor pathways suggest dysfunction of cortico-basal ganglia pathways in the pathophysiology of hypokinesia in schizophrenia. Schizophrenia patients may use cortical pathways involving the supplementary motor area to compensate for basal ganglia dysfunction.

Uncrossed cortico-muscular projections in humans are abundant to facial muscles of the upper and lower face, but may differ between sexes

It is a popular concept in clinical neurology that muscles of the lower face receive predominantly crossed cortico-bulbar motor input, whereas muscles of the upper face receive additional ipsilateral, uncrossed input. To test this notion, we used focal transcranial magnetic brain stimulation to quantify crossed and uncrossed cortico-muscular projections to 6 different facial muscles (right and left Mm. frontalis, nasalis, and orbicularis oris) in 36 healthy right-handed volunteers (15 men, 21 women, mean age 25 years). Uncrossed input was present in 78% to 92% of the 6 examined muscles. The mean uncrossed: crossed response amplitude ratios were 0.74/0.65 in right/left frontalis, 0.73/0.59 in nasalis, and 0.54/0.71 in orbicularis oris; ANOVA p>0.05). Judged by the sizes of motor evoked potentials, the cortical representation of the 3 muscles was similar. The amount of uncrossed projections was different between men and women, since men had stronger left-to-left projections and women stronger right-to-right projections. We conclude that the amount of uncrossed pyramidal projections is not different for muscles of the upper from those of the lower face. The clinical observation that frontal muscles are often spared in central facial palsies must, therefore, be explained differently. Moreover, gender specific lateralization phenomena may not only be present for higher level behavioural functions, but may also affect simple systems on a lower level of motor hierarchy.

Directed differentiation and functional maturation of cortical interneurons from human embryonic stem cells

Human pluripotent stem cells are a powerful tool for modeling brain development and disease. The human cortex is composed of two major neuronal populations: projection neurons and local interneurons. Cortical interneurons comprise a diverse class of cell types expressing the neurotransmitter GABA. Dysfunction of cortical interneurons has been implicated in neuropsychiatric diseases, including schizophrenia, autism, and epilepsy. Here, we demonstrate the highly efficient derivation of human cortical interneurons in an NKX2.1::GFP human embryonic stem cell reporter line. Manipulating the timing of SHH activation yields three distinct GFP+ populations with specific transcriptional profiles, neurotransmitter phenotypes, and migratory behaviors. Further differentiation in a murine cortical environment yields parvalbumin- and somatostatin-expressing neurons that exhibit synaptic inputs and electrophysiological properties of cortical interneurons. Our study defines the signals sufficient for modeling human ventral forebrain development in vitro and lays the foundation for studying cortical interneuron involvement in human disease pathology.

Layer-specific programs of development in neocortical projection neurons.

How are long-range axonal projections from the cerebral cortex orchestrated during development? By using both passively and actively transported axonal tracers in fetal and postnatal ferrets, we have analyzed the development of projections from the cortex to a number of thalamic nuclei. We report that the projections of a cortical area to its corresponding thalamic nuclei follow highly cell-specific programs of development. Axons from cells in the deepest layers of the cerebral cortex (layer 6 and superficial subplate neurons) appear to grow very slowly and be delayed for several weeks in the cerebral white matter, reaching the thalamus over a protracted period. Neurons of layer 5, on the other hand, develop their projections much faster; despite being born after the neurons of deeper layers, layer 5 neurons are the first to extend their axons out of the cortical hemisphere and innervate the thalamus. Layer 5 projections are massive in the first postnatal weeks but may become partly eliminated later in development, being overtaken in number by layer 6 cells that constitute the major corticothalamic projection by adulthood. Layer 5 projections are area-specific from the outset and arise as collateral branches of axons directed to the brainstem and spinal cord. Our findings show that the early development of corticofugal connections is determined not by the sequence of cortical neurogenesis but by developmental programs specific for each type of projection neuron. In addition, they demonstrate that in most thalamic nuclei, layer 5 neurons (and not subplate or layer 6 neurons) establish the first descending projections from the cerebral cortex.

The ins of the striatum: Utilizing chemogenetics to define the contribution of cortical and thalamic afferents during addiction behaviors

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Contrôle cortical et postural des muscles multifides : Influence de la lombalgie chronique, des exercices et de la neurostimulation périphérique

La lombalgie chronique (LC) représente de nos jours un fardeau individuel et sociétal énorme. Le contrôle du tronc est complexe, il dépend de l’intégration des afférences périphériques et de l’interaction des régions cérébrales impliquées dans la matrice de la douleur. Les individus souffrant de lombalgie présentent des désordres de contrôle moteur de la colonne vertébrale et une modification de la plasticité du cerveau. Ces altérations semblent réversibles et peuvent être améliorées par différents exercices prescrits en physiothérapie. Par contre, même si les exercices diminuent la douleur, l’effet n’en demeure pas moins modeste. L’utilisation de la neurostimulation magnétique périphérique (rPMS) qui génère des informations sensorielles (entre autres proprioceptives cohérentes avec le contrôle des muscles) et qui agit donc sur l’excitabilité cérébrale et les mécanismes de plasticité pourrait potentialiser les gains atteints grâce aux exercices. L’objectif principal de la thèse est de mieux comprendre le contrôle cortical et postural des muscles du tronc, l’influence de la lombalgie chronique, des exercices et de de la neurostimulation périphérique. La série d’études proposée dans la thèse vise à (i) comprendre les changements présents au niveau du contrôle cortico-moteur des muscles multifides et des ajustements posturaux anticipatoires en lombalgie chronique (étude 1) ainsi que l’influence du côté de la douleur lombaire (étude 2); (ii) déterminer quel type d’exercice utilisé en physiothérapie (global ou isométrique) influence la plasticité corticale (étude 3) et; (iii) déterminer si l’ajout de rPMS potentialise ces effets (étude 4). Les données présentées dans la thèse confirment que les individus avec LC présentent des différences dans le fonctionnement du cortex moteur primaire par rapport aux individus en santé. De plus, le côté de la douleur semble influencer différemment l’excitabilité de base du M1. Enfin, nous avons démontré que l’exercice isométrique agissait de façon spécifique sur la plasticité du M1, ainsi que sur les ajustements posturaux anticipatoires, et que l’ajout des rPMS à l’exercice diminue immédiatement la douleur et modifie le contrôle des muscles multifides. D’autres études sont nécessaires pour confirmer le bénéfice des rPMS chez des populations souffrant de douleur chronique et pour un éventuel transfert clinique.

Whole Cortical And Default Mode Network Mean Functional Connectivity As Potential Biomarkers For Mild Alzheimer's Disease.

The search for an Alzheimer's disease (AD) biomarker is one of the most relevant contemporary research topics due to the high prevalence and social costs of the disease. Functional connectivity (FC) of the default mode network (DMN) is a plausible candidate for such a biomarker. We evaluated 22 patients with mild AD and 26 age- and gender-matched healthy controls. All subjects underwent resting functional magnetic resonance imaging (fMRI) in a 3.0 T scanner. To identify the DMN, seed-based FC of the posterior cingulate was calculated. We also measured the sensitivity/specificity of the method, and verified a correlation with cognitive performance. We found a significant difference between patients with mild AD and controls in average z-scores: DMN, whole cortical positive (WCP) and absolute values. DMN individual values showed a sensitivity of 77.3% and specificity of 70%. DMN and WCP values were correlated to global cognition and episodic memory performance. We showed that individual measures of DMN connectivity could be considered a promising method to differentiate AD, even at an early phase, from normal aging. Further studies with larger numbers of participants, as well as validation of normal values, are needed for more definitive conclusions.