A medial to lateral shift in pre-movement cortical activity in hemi-Parkinson's disease

Objective: Recent evidence suggests that cortical activity associated with voluntary movement is relatively shifted from medial to lateral premotor areas in Parkinson's disease. This shift occurs bilaterally even for unilateral responses. It is not clear whether the shift in processing reflects an overall change in movement strategy, thereby involving alternate cortical areas, or reflects a compensatory change whereby, given the appropriate conditions, less impaired cortical areas are able to provide a similar function in compensation for those areas which are more impaired. This issue was examined in patients with hemi-Parkinson's disease, in whom basal ganglia impairment is most pronounced in one hemisphere. Methods: Fourteen patients with hemi-Parkinson's disease and 15 age-matched control subjects performed a Go/NoGo finger movement task and the contingent negative variation (CNV) was recorded from 21 scalp positions. Results and conclusions: Maximal CNV amplitudes were found over central medial regions for control subjects, but were shifted more frontally for Parkinson's disease patients, reduced in amplitude over the midline and lateralized towards the side ipsilateral to the greatest basal ganglia impairment. This shift in cortical activity from medial to lateral areas in Parkinson's disease patients appears to reflect a compensatory mechanism operating predominantly on the side of greatest basal ganglia impairment. (C) 2001 Elsevier Science Ireland Ltd. All rights reserved.

A medial to lateral shift in premovement cortical activity in hemi-Parkinson's disease: Studies of event-related potentials and whole-scalp magneto encephalography

Cortical activity associated with voluntary movement is shifted from medial to lateral premotor areas in Parkinson's disease. This occurs bilaterally, even for unilateral movements. We have used both EEG and MEG to further investigate medial and lateral premotor activity in patients with hemi-Parkinson's disease, in whom basal ganglia impairment is most pronounced in one hemisphere. The CNV, recorded from 21 scalp positions in a Go/NoGo task, was maximal over central medial regions in control subjects. For hemi-Parkinson's disease subjects, activity was shifted more frontally, reduced in the midline and lateralised towards the side of greatest basal ganglia impairment. With 143 channel whole-scalp magneto encephalography (MEG) we are further examining asymmetries in supplementary motor/premotor cortical activity prior to self-paced voluntary movement. In preliminary results, one hemi-Parkinson's disease patient with predominantly left-side symptoms showed strong medial activity consistent with a dominant source in the left supplementary motor area (SMA). Three patients showed little medial activity, but early bilateral sources within lateral premotor cortex. Results suggest greater involvement of lateral premotor rather than the SMA prior to movement in Parkinson's disease and provide evidence for asymmetric function of the SMA in hemi- Parkinson's disease, with reduced activity on the side of greatest basal ganglia deficit.

Elevated striatal and decreased dorsolateral prefrontal cortical activity in response to emotional stimuli in euthymic bipolar disorder: no associations with psychotropic medication load

To examine abnormal patterns of frontal cortical-subcortical activity in response to emotional stimuli in euthymic individuals with bipolar disorder type I in order to identify trait-like, pathophysiologic mechanisms of the disorder. We examined potential confounding effects of total psychotropic medication load and illness variables upon neural abnormalities. We analyzed neural activity in 19 euthymic bipolar and 24 healthy individuals to mild and intense happy, fearful and neutral faces. Relative to healthy individuals, bipolar subjects had significantly increased left striatal activity in response to mild happy faces (p < 0.05, corrected), decreased right dorsolateral prefrontal cortical (DLPFC) activity in response to neutral, mild and intense happy faces, and decreased left DLPFC activity in response to neutral, mild and intense fearful faces (p < 0.05, corrected). Bipolar and healthy individuals did not differ in amygdala activity in response to either emotion. In bipolar individuals, there was no significant association between medication load and abnormal activity in these regions, but a negative relationship between age of illness onset and amygdala activity in response to mild fearful faces (p = 0.007). Relative to those without comorbidities, bipolar individuals with comorbidities showed a trend increase in left striatal activity in response to mild happy faces. Abnormally increased striatal activity in response to potentially rewarding stimuli and decreased DLPFC activity in response to other emotionally salient stimuli may underlie mood instabilities in euthymic bipolar individuals, and are more apparent in those with comorbid diagnoses. No relationship between medication load and abnormal neural activity in bipolar individuals suggests that our findings may reflect pathophysiologic mechanisms of the illness rather than medication confounds. Future studies should examine whether this pattern of abnormal neural activity could distinguish bipolar from unipolar depression.

Pulse wave amplitude drops during sleep are reliable surrogate markers of changes in cortical activity

Rapport de synthèseLe syndrome d'apnées obstructives du sommeil (SAOS) est une pathologie respiratoire fréquente. Sa prévalence est estimée entre 2 et 5% de la population adulte générale. Ses conséquences sont importantes. Notamment, une somnolence diurne, des troubles de la concentration, des troubles de la mémoire et une augmentation du risque d'accident de la route et du travail. Il représente également un facteur de risque cardiovasculaire indépendant.Ce syndrome est caractérisé par la survenue durant le sommeil d'obstructions répétées des voies aériennes supérieures. L'arrêt ou la diminution d'apport en oxygène vers les poumons entraîne des épisodes de diminution de la saturation en oxygène de l'hémoglobine. Les efforts ventilatoires visant à lever l'obstacle présent sur les voies aériennes causent de fréquents réveils à l'origine d'une fragmentation du sommeil.La polysomnographie (PSG) représente le moyen diagnostic de choix. Il consiste en l'enregistrement dans un laboratoire du sommeil et en présence d'un technicien diplômé, du tracé électroencéphalographique (EEG), de l'électrooculogramme (EOG), de l'électromyogramme mentonnier (EMG), du flux respiratoire nasal, de l'oxymétrie de pouls, de la fréquence cardiaque, de l'électrocardiogramme (ECG), des mouvements thoraciques et abdominaux, de la position du corps et des mouvements des jambes. L'examen est filmé par caméra infrarouge et les sons sont enregistrés.Cet examen permet entre autres mesures, de déterminer les événements respiratoires obstructifs nécessaires au diagnostic de syndrome d'apnée du sommeil. On définit une apnée lors d'arrêt complet du débit aérien durant au moins 10 secondes et une hypopnée en cas, soit de diminution franche de l'amplitude du flux respiratoire supérieure à 50% durant au moins 10 secondes, soit de diminution significative (20%) de l'amplitude du flux respiratoire pendant au minimum 10 secondes associée à un micro-éveil ou à une désaturation d'au moins 3% par rapport à la ligne de base. La détection des micro-éveils se fait en utilisant les dérivations électroencéphalographiques, électromyographiques et électrooculographiques. Il existe des critères visuels de reconnaissance de ces éveils transitoire: apparition de rythme alpha (8.1 à 12.0 Hz) ou beta (16 à 30 Hz) d'une durée supérieure à 3 secondes [20-21].Le diagnostic de S AOS est retenu si l'on retrouve plus de 5 événements respiratoires obstructifs par heure de sommeil associés soit à une somnolence diurne évaluée selon le score d'Epworth ou à au moins 2 symptômes parmi les suivants: sommeil non réparateur, étouffements nocturne, éveils multiples, fatigue, troubles de la concentration. Le S AOS est gradué en fonction du nombre d'événements obstructifs par heure de sommeil en léger (5 à 15), modéré (15 à 30) et sévère (>30).La polysomnographie (PSG) comporte plusieurs inconvénients pratiques. En effet, elle doit être réalisée dans un laboratoire du sommeil avec la présence permanente d'un technicien, limitant ainsi son accessibilité et entraînant des délais diagnostiques et thérapeutiques. Pour ces mêmes raisons, il s'agit d'un examen onéreux.La polygraphie respiratoire (PG) représente l'alternative diagnostique au gold standard qu'est l'examen polysomnographique. Cet examen consiste en l'enregistrement en ambulatoire, à savoir au domicile du patient, du flux nasalrespiratoire, de l'oxymétrie de pouls, de la fréquence cardiaque, de la position du corps et du ronflement (par mesure de pression).En raison de sa sensibilité et sa spécificité moindre, la PG reste recommandée uniquement en cas de forte probabilité de SAOS. Il existe deux raisons principales à l'origine de la moindre sensibilité de l'examen polygraphique. D'une part, du fait que l'état de veille ou de sommeil n'est pas déterminé avec précision, il y a dilution des événements respiratoires sur l'ensemble de l'enregistrement et non sur la période de sommeil uniquement. D'autre part, en l'absence de tracé EEG, la quantification des micro-éveils est impossible. Il n'est donc pas possible dans l'examen poly graphique, de reconnaître une hypopnée en cas de diminution de flux respiratoire de 20 à 50% non associée à un épisode de désaturation de l'hémoglobine de 3% au moins. Alors que dans l'examen polysomnographique, une telle diminution du flux respiratoire pourrait être associée à un micro-éveil et ainsi comptabilisée en tant qu'hypopnée.De ce constat est né la volonté de trouver un équivalent de micro-éveil en polygraphie, en utilisant les signaux à disposition, afin d'augmenter la sensibilité de l'examen polygraphique.Or plusieurs études ont démontrés que les micro-éveils sont associés à des réactions du système nerveux autonome. Lors des micro-éveils, on met en évidence la survenue d'une vasoconstriction périphérique. La variation du tonus sympathique associée aux micro-éveils peut être mesurée par différentes méthodes. Les variations de l'amplitude de l'onde de pouls mesurée par pulsoxymétrie représentant un marqueur fiable de la vasoconstriction périphérique associée aux micro-réveils, il paraît donc opportun d'utiliser ce marqueur autonomique disponible sur le tracé des polygraphies ambulatoires afin de renforcer la sensibilité de cet examen.Le but de l'étude est d'évaluer la sensibilité des variations de l'amplitude de l'onde de pouls pour détecter des micro-réveils corticaux afin de trouver un moyen d'augmenter la sensibilité de l'examen polygraphique et de renforcer ainsi sont pouvoir diagnostic.L'objectif est de démontrer qu'une diminution significative de l'amplitude de l'onde pouls est concomitante à une activation corticale correspondant à un micro¬réveil. Cette constatation pourrait permettre de déterminer une hypopnée, en polygraphie, par une diminution de 20 à 50% du flux respiratoire sans désaturation de 3% mais associée à une baisse significative de l'amplitude de pouls en postulant que l'événement respiratoire a entraîné un micro-réveil. On retrouve par cette méthode les mêmes critères de scoring d'événements respiratoires en polygraphie et en polysomnographie, et l'on renforce la sensibilité de la polygraphie par rapport au gold standard polysomnographique.La méthode consiste à montrer en polysomnographie qu'une diminution significative de l'amplitude de l'onde de pouls mesurée par pulsoxymétrie est associée à une activation du signal électroencéphalographique, en réalisant une analyse spectrale du tracé EEG lors des baisses d'amplitude du signal d'onde de pouls.Pour ce faire nous avons réalisé une étude rétrospective sur plus de 1000 diminutions de l'amplitude de l'onde de pouls sur les tracés de 10 sujets choisis de manière aléatoire parmi les patients référés dans notre centre du sommeil (CIRS) pour suspicion de trouble respiratoire du sommeil avec somnolence ou symptomatologie diurne.Les enregistrements nocturnes ont été effectués de manière standard dans des chambres individuelles en utilisant le système d'acquisition Embla avec l'ensemble des capteurs habituels. Les données ont été par la suite visuellement analysées et mesurées en utilisant le software Somnologica version 5.1, qui fournit un signal de l'amplitude de l'onde de pouls (puise wave amplitude - PWA).Dans un premier temps, un technicien du sommeil a réalisé une analyse visuelle du tracé EEG, en l'absence des données du signal d'amplitude d'onde de pouls. Il a déterminé les phases d'éveil et de sommeil, les stades du sommeil et les micro¬éveils selon les critères standards. Les micro-éveils sont définis lors d'un changement abrupt dans la fréquence de l'EEG avec un pattern d'ondes thêta-alpha et/ou une fréquence supérieure à 16 Hz (en l'absence de fuseau) d'une durée d'au minimum trois secondes. Si cette durée excède quinze secondes, l'événement correspond à un réveil.Puis, deux investigateurs ont analysé le signal d'amplitude d'onde de pouls, en masquant les données du tracé EEG qui inclut les micro-éveils. L'amplitude d'onde de pouls est calculée comme la différence de valeur entre le zénith et le nadir de l'onde pour chaque cycle cardiaque. Pour chaque baisse de l'amplitude d'onde de pouls, la plus grande et la plus petite amplitude sont déterminées et le pourcentage de baisse est calculé comme le rapport entre ces deux amplitudes. On retient de manière arbitraire une baisse d'au moins 20% comme étant significative. Cette limite a été choisie pour des raisons pratiques et cliniques, dès lors qu'elle représentait, à notre sens, la baisse minimale identifiable à l'inspection visuelle. Chaque baisse de PWA retenue est divisée en 5 périodes contiguës de cinq secondes chacune. Deux avant, une pendant et deux après la baisse de PWA.Pour chaque période de cinq secondes, on a pratiqué une analyse spectrale du tracé EEG correspondant. Le canal EEG C4-A1 est analysé en utilisant la transformée rapide de Fourier (FFT) pour chaque baisse de PWA et pour chaque période de cinq secondes avec une résolution de 0.2 Hz. La distribution spectrale est catégorisée dans chaque bande de fréquence: delta (0.5 à 4.0 Hz); thêta (4.1 à 8.0Hz); alpha (8.1 à 12.0 Hz); sigma (12.1 à 16 Hz) et beta (16.1 à 30.0 Hz). La densité de puissance (power density, en μΥ2 ) pour chaque bande de fréquence a été calculée et normalisée en tant que pourcentage de la puissance totale. On a déterminé, ensuite, la différence de densité de puissance entre les 5 périodes par ANOVA on the rank. Un test post hoc Tukey est été utilisé pour déterminer si les différences de densité de puissance étaient significatives. Les calculs ont été effectués à l'aide du software Sigmastat version 3.0 (Systat Software San Jose, California, USA).Le principal résultat obtenu dans cette étude est d'avoir montré une augmentation significative de la densité de puissance de l'EEG pour toutes les bandes de fréquence durant la baisse de l'amplitude de l'onde de pouls par rapport à la période avant et après la baisse. Cette augmentation est par ailleurs retrouvée dans la plupart des bande de fréquence en l'absence de micro-réveil visuellement identifié.Ce résultat témoigné donc d'une activation corticale significative associée à la diminution de l'onde de pouls. Ce résulat pourrait permettre d'utiliser les variations de l'onde de pouls dans les tracés de polygraphie comme marqueur d'une activation corticale. Cependant on peut dire que ce marqueur est plus sensible que l'analyse visuelle du tracé EEG par un technicien puisque qu'on notait une augmentation de lactivité corticale y compris en l'absence de micro-réveil visuellement identifié. L'application pratique de ces résultats nécessite donc une étude prospective complémentaire.

Task-Driven Activity Reduces the Cortical Activity Space of the Brain: Experiment and Whole-Brain Modeling.

How a stimulus or a task alters the spontaneous dynamics of the brain remains a fundamental open question in neuroscience. One of the most robust hallmarks of task/stimulus-driven brain dynamics is the decrease of variability with respect to the spontaneous level, an effect seen across multiple experimental conditions and in brain signals observed at different spatiotemporal scales. Recently, it was observed that the trial-to-trial variability and temporal variance of functional magnetic resonance imaging (fMRI) signals decrease in the task-driven activity. Here we examined the dynamics of a large-scale model of the human cortex to provide a mechanistic understanding of these observations. The model allows computing the statistics of synaptic activity in the spontaneous condition and in putative tasks determined by external inputs to a given subset of brain regions. We demonstrated that external inputs decrease the variance, increase the covariances, and decrease the autocovariance of synaptic activity as a consequence of single node and large-scale network dynamics. Altogether, these changes in network statistics imply a reduction of entropy, meaning that the spontaneous synaptic activity outlines a larger multidimensional activity space than does the task-driven activity. We tested this model's prediction on fMRI signals from healthy humans acquired during rest and task conditions and found a significant decrease of entropy in the stimulus-driven activity. Altogether, our study proposes a mechanism for increasing the information capacity of brain networks by enlarging the volume of possible activity configurations at rest and reliably settling into a confined stimulus-driven state to allow better transmission of stimulus-related information.

Models for the Study of Cortical Activity During Cognitive ans Motor Tasks

This thesis is mainly devoted to show how EEG data and related phenomena can be reproduced and analyzed using mathematical models of neural masses (NMM). The aim is to describe some of these phenomena, to show in which ways the design of the models architecture is influenced by such phenomena, point out the difficulties of tuning the dozens of parameters of the models in order to reproduce the activity recorded with EEG systems during different kinds of experiments, and suggest some strategies to cope with these problems. In particular the chapters are organized as follows: chapter I gives a brief overview of the aims and issues addressed in the thesis; in chapter II the main characteristics of the cortical column, of the EEG signal and of the neural mass models will be presented, in order to show the relationships that hold between these entities; chapter III describes a study in which a NMM from the literature has been used to assess brain connectivity changes in tetraplegic patients; in chapter IV a modified version of the NMM is presented, which has been developed to overcomes some of the previous version’s intrinsic limitations; chapter V describes a study in which the new NMM has been used to reproduce the electrical activity evoked in the cortex by the transcranial magnetic stimulation (TMS); chapter VI presents some preliminary results obtained in the simulation of the neural rhythms associated with memory recall; finally, some general conclusions are drawn in chapter VII.

Methods for the estimation of the cortical activity and connectivity during cognitive tasks in humans

The research activity characterizing the present thesis was mainly centered on the design, development and validation of methodologies for the estimation of stationary and time-varying connectivity between different regions of the human brain during specific complex cognitive tasks. Such activity involved two main aspects: i) the development of a stable, consistent and reproducible procedure for functional connectivity estimation with a high impact on neuroscience field and ii) its application to real data from healthy volunteers eliciting specific cognitive processes (attention and memory). In particular the methodological issues addressed in the present thesis consisted in finding out an approach to be applied in neuroscience field able to: i) include all the cerebral sources in connectivity estimation process; ii) to accurately describe the temporal evolution of connectivity networks; iii) to assess the significance of connectivity patterns; iv) to consistently describe relevant properties of brain networks. The advancement provided in this thesis allowed finding out quantifiable descriptors of cognitive processes during a high resolution EEG experiment involving subjects performing complex cognitive tasks.

Impact of Acetazolamide and CPAP on Cortical Activity in Obstructive Sleep Apnea Patients

STUDY OBJECTIVES 1) To investigate the impact of acetazolamide, a drug commonly prescribed for altitude sickness, on cortical oscillations in patients with obstructive sleep apnea syndrome (OSAS). 2) To examine alterations in the sleep EEG after short-term discontinuation of continuous positive airway pressure (CPAP) therapy. DESIGN Data from two double-blind, placebo-controlled randomized cross-over design studies were analyzed. SETTING Polysomnographic recordings in sleep laboratory at 490 m and at moderate altitudes in the Swiss Alps: 1630 or 1860 m and 2590 m. PATIENTS Study 1: 39 OSAS patients. Study 2: 41 OSAS patients. INTERVENTIONS Study 1: OSAS patients withdrawn from treatment with CPAP. Study 2: OSAS patients treated with autoCPAP. Treatment with acetazolamide (500-750 mg) or placebo at moderate altitudes. MEASUREMENTS AND RESULTS An evening dose of 500 mg acetazolamide reduced slow-wave activity (SWA; approximately 10%) and increased spindle activity (approximately 10%) during non-REM sleep. In addition, alpha activity during wake after lights out was increased. An evening dose of 250 mg did not affect these cortical oscillations. Discontinuation of CPAP therapy revealed a reduction in SWA (5-10%) and increase in beta activity (approximately 25%). CONCLUSIONS The higher evening dose of 500 mg acetazolamide showed the "spectral fingerprint" of Benzodiazepines, while 250 mg acetazolamide had no impact on cortical oscillations. However, both doses had beneficial effects on oxygen saturation and sleep quality.

Methylation of NR3C1 is related to maternal PTSD, parenting stress and maternal medial prefrontal cortical activity in response to child separation among mothers with histories of violence exposure.

Prior research has shown that mothers with Interpersonal violence-related posttraumatic stress disorder (IPV-PTSD) report greater difficulty in parenting their toddlers. Relative to their frequent early exposure to violence and maltreatment, these mothers display dysregulation of their hypothalamic pituitary adrenal axis (HPA-axis), characterized by hypocortisolism. Considering methylation of the promoter region of the glucocorticoid receptor gene NR3C1 as a marker for HPA-axis functioning, with less methylation likely being associated with less circulating cortisol, the present study tested the hypothesis that the degree of methylation of this gene would be negatively correlated with maternal IPV-PTSD severity and parenting stress, and positively correlated with medial prefrontal cortical (mPFC) activity in response to video-stimuli of stressful versus non-stressful mother-child interactions. Following a mental health assessment, 45 mothers and their children (ages 12-42 months) participated in a behavioral protocol involving free-play and laboratory stressors such as mother-child separation. Maternal DNA was extracted from saliva. Interactive behavior was rated on the CARE-Index. During subsequent fMRI scanning, mothers were shown films of free-play and separation drawn from this protocol. Maternal PTSD severity and parenting stress were negatively correlated with the mean percentage of methylation of NR3C1. Maternal mPFC activity in response to video-stimuli of mother-child separation versus play correlated positively to NR3C1 methylation, and negatively to maternal IPV-PTSD and parenting stress. Among interactive behavior variables, child cooperativeness in play was positively correlated with NR3C1 methylation. Thus, the present study is the first published report to our knowledge, suggesting convergence of behavioral, epigenetic, and neuroimaging data that form a psychobiological signature of parenting-risk in the context of early life stress and PTSD.

Modulation of cognition-specific cortical activity by gonadal steroids: A positron-emission tomography study in women

There is considerable evidence from animal studies that gonadal steroid hormones modulate neuronal activity and affect behavior. To study this in humans directly, we used H215O positron-emission tomography to measure regional cerebral blood flow (rCBF) in young women during three pharmacologically controlled hormonal conditions spanning 4–5 months: ovarian suppression induced by the gonadotropin-releasing hormone agonist leuprolide acetate (Lupron), Lupron plus estradiol replacement, and Lupron plus progesterone replacement. Estradiol and progesterone were administered in a double-blind cross-over design. On each occasion positron-emission tomography scans were performed during (i) the Wisconsin Card Sorting Test, a neuropsychological test that physiologically activates prefrontal cortex (PFC) and an associated cortical network including inferior parietal lobule and posterior inferolateral temporal gyrus, and (ii) a no-delay matching-to-sample sensorimotor control task. During treatment with Lupron alone (i.e., with virtual absence of gonadal steroid hormones), there was marked attenuation of the typical Wisconsin Card Sorting Test activation pattern even though task performance did not change. Most strikingly, there was no rCBF increase in PFC. When either progesterone or estrogen was added to the Lupron regimen, there was normalization of the rCBF activation pattern with augmentation of the parietal and temporal foci and return of the dorsolateral PFC activation. These data directly demonstrate that the hormonal milieu modulates cognition-related neural activity in humans.

Cortical activity flips among quasi-stationary states.

Parallel recordings of spike trains of several single cortical neurons in behaving monkeys were analyzed as a hidden Markov process. The parallel spike trains were considered as a multivariate Poisson process whose vector firing rates change with time. As a consequence of this approach, the complete recording can be segmented into a sequence of a few statistically discriminated hidden states, whose dynamics are modeled as a first-order Markov chain. The biological validity and benefits of this approach were examined in several independent ways: (i) the statistical consistency of the segmentation and its correspondence to the behavior of the animals; (ii) direct measurement of the collective flips of activity, obtained by the model; and (iii) the relation between the segmentation and the pair-wise short-term cross-correlations between the recorded spike trains. Comparison with surrogate data was also carried out for each of the above examinations to assure their significance. Our results indicated the existence of well-separated states of activity, within which the firing rates were approximately stationary. With our present data we could reliably discriminate six to eight such states. The transitions between states were fast and were associated with concomitant changes of firing rates of several neurons. Different behavioral modes and stimuli were consistently reflected by different states of neural activity. Moreover, the pair-wise correlations between neurons varied considerably between the different states, supporting the hypothesis that these distinct states were brought about by the cooperative action of many neurons.