Anodal transcranial direct current stimulation of the motor cortex increases cortical voluntary activation and neural plasticity

INTRODUCTION: We examined the cumulative effect of 4 consecutive bouts of non-invasive brain stimulation on corticospinal plasticity and motor performance, and whether these responses were influenced by the brain-derived neurotrophic factor (BDNF) polymorphism.

METHODS: In a randomized double-blinded cross-over design, changes in strength and indices of corticospinal plasticity were analyzed in 14 adults who were exposed to 4 consecutive sessions of anodal and sham transcranial direct current stimulation (tDCS). Participants also undertook a blood sample for BDNF genotyping (N=13).

RESULTS: We observed a significant increase in isometric wrist flexor strength with transcranial magnetic stimulation revealing increased corticospinal excitability, decreased silent period duration, and increased cortical voluntary activation compared to sham tDCS.

DISCUSSION: The results show that 4 consecutive sessions of anodal tDCS increased cortical voluntary activation manifested as an improvement in strength. Induction of corticospinal plasticity appears to be influenced by the BDNF polymorphism.

Laminar and cellular distribution of AMPA, kainate, and NMDA receptor subunits in monkey sensory-motor cortex

In situ hybridization histochemistry and immunocytochemistry were used to examine lamina- and cell-specific expression of glutamate receptor (GluR) mRNAs and polypeptide subunits in motor and somatosensory cortex of macaque monkeys. Radioactive complementary RNA (cRNA) probes were prepared from cDNAs specific for α-amino-3-hydroxy-5-methylisoxozolepropionate (AMPA)/kainate (GluR1-GluR4), kainate (GluR5-GluR7), and N-methylD-aspartate (NMDA; NR1, NR2A-NR2D) receptor subunits. AMPA/kainate and NR1, NR2A, and NR2B receptor transcripts show higher expression than other transcripts. All transcripts show lamina-specific patterns of distribution. GluR2 and GluR4 mRNAs show higher expression than do GluR1 and GluR3 mRNAs. GluR6 transcript expression is higher than that of GluR5 and GluR7. NR1 mRNA expression is much higher than that of NR2 mRNAs. NR2C subunit expression is very low except for a very distinct band of high expression in layer IV of area 3b. Immunocytochemistry, using subunit-specific antisera and double labeling for calbindin, parvalbumin, or α type II Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase (CaMKII-α), allowed identification of cell types expressing different subunit genes. GluR1 and GluR5/6/7 immunoreactivity is found in both pyramidal cells and gamma-amino butyric acid (GABA) cells; GluR2/3 immunoreactivity is preferentially found in pyramidal cells, whereas GluR4 immunoreactivity is largely restricted to GABA cells; NMDA receptor subunit immunoreactivity is far greater in excitatory cells than in GABA cells. The density of expression of AMPA/kainate, kainate, and NMDA receptor subunit mRNAs differed within and across the architectonic fields of sensory-motor cortex. This finding and the lamina- and cell-specific patterns of expression suggest assembly of functional receptors from different arrangements of available subunits in specific neuronal populations.

The Effect of dual-tasking on motor cortex activity

This thesis demonstrated that when participants performed two tasks concurrently, the activity of inhibitory neurons in the brain was increased in younger adults, yet decreased in older adults. In addition, our results indicated that dual-task performance in older adults may depend on the activation of prefrontal to motor cortex pathways.

Laminar Cortical Dynamics of Cognitive and Motor Working Memory, Sequence Learning and Performance: Toward a Unified Theory of How the Cerebral Cortex Works

How do the layered circuits of prefrontal and motor cortex carry out working memory storage, sequence learning, and voluntary sequential item selection and performance? A neural model called LIST PARSE is presented to explain and quantitatively simulate cognitive data about both immediate serial recall and free recall, including bowing of the serial position performance curves, error-type distributions, temporal limitations upon recall, and list length effects. The model also qualitatively explains cognitive effects related to attentional modulation, temporal grouping, variable presentation rates, phonemic similarity, presentation of non-words, word frequency/item familiarity and list strength, distracters and modality effects. In addition, the model quantitatively simulates neurophysiological data from the macaque prefrontal cortex obtained during sequential sensory-motor imitation and planned performance. The article further develops a theory concerning how the cerebral cortex works by showing how variations of the laminar circuits that have previously clarified how the visual cortex sees can also support cognitive processing of sequentially organized behaviors.

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.

Reduced motor facilitation during action observation in schizophrenia : a mirror neuron deficit?

Impairments in social cognitive functioning are well documented in schizophrenia, however the neural basis of these deficits is unclear. A recent explanatory model of social cognition centers upon the activity of mirror neurons, which are cortical brain cells that become active during both the performance and observation of behavior. Here, we test for the first time whether mirror neuron functioning is reduced in schizophrenia. Fifteen individuals with schizophrenia or schizoaffective disorder and fifteen healthy controls completed a transcranial magnetic stimulation (TMS) experiment designed to assess mirror neuron activation. While patients demonstrated no abnormalities in cortical excitability, motor facilitation during action observation, putatively reflecting mirror neuron activity, was reduced in schizophrenia. Dysfunction within the mirror neuron system may contribute to the pathophysiology of schizophrenia.

Fast Robust Pattern Classification Algorithms for Real Time Neuro-Motor Prosthetic Applications

In this paper, we give a brief review of pattern classification algorithms based on discriminant analysis. We then apply these algorithms to classify movement direction based on multivariate local field potentials recorded from a microelectrode array in the primary motor cortex of a monkey performing a reaching task. We obtain prediction accuracies between 55% and 90% using different methods which are significantly above the chance level of 12.5%.

Reach task-associated excitatory overdrive of motor cortical neurons following infusion with ALS-CSF

Converging evidence from transgenic animal models of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and human studies suggest alterations in excitability of the motor neurons in ALS. Specifically, in studies on human subjects with ALS the motor cortex was reported to be hyperexcitable. The present study was designed to test the hypothesis that infusion of cerebrospinal fluid from patients with sporadic ALS (ALS-CSF) into the rat brain ventricle can induce hyperexcitability and structural changes in the motor cortex leading to motor dysfunction. A robust model of sporadic ALS was developed experimentally by infusing ALS-CSF into the rat ventricle. The effects of ALS-CSF at the single neuron level were examined by recording extracellular single unit activity from the motor cortex while rats were performing a reach to grasp task. We observed an increase in the firing rate of the neurons of the motor cortex in rats infused with ALS-CSF compared to control groups. This was associated with impairment in a specific component of reach with alterations in the morphological characteristics of the motor cortex. It is likely that the increased cortical excitability observed in the present study could be the result of changes in the intrinsic properties of motor cortical neurons, a dysfunctional inhibitory mechanism and/or an underlying structural change culminating in a behavioral deficit.

DOPAMINE D2 RECEPTOR MECHANISMS CONTRIBUTE TO AGE-RELATED COGNITIVE DECLINE - THE EFFECTS OF QUINPIROLE ON MEMORY AND MOTOR-PERFORMANCE IN MONKEYS

The D2 dopamine (DA) receptor agonist, quinpirole, was characterized in young adult monkeys, young reserpine-treated monkeys and aged monkeys to assess the contribution of DA to age-related loss of prefrontal cortical (PFC) cognitive function, Monkeys were tested on a delayed response memory task that depends on the PFC, and a fine motor task that taps the functions of the motor cortex, In young adult monkeys, low quinpirole doses impaired performance of the PFC and fine motor tasks, while higher doses improved memory performance and induced dyskinesias and ''hallucinatory-like'' behaviors. The pattern of the quinpirole response in reserpine-treated monkeys suggested that the impairments in delayed response and fine motor performance resulted from drug actions at D2 autoreceptors, while the improvement in delayed response performance, dyskinesias and ''hallucinatory-like'' behaviors resulted from actions at postsynaptic receptors. In aged monkeys, low doses of quinpirole continued to impair fine motor performance, but lost their ability to impair delayed response performance. The magnitude of cognitive improvement and the incidence of ''hallucinatory-like'' behaviors were also reduced in the aged animals, suggesting some loss of postsynaptic D2 receptor function, The pattern of results is consistent with the greater loss of DA from the PFC than from motor areas in aged monkey brain (Goldman-Rakic and Brown, 1981; Wenk et al., 1989), and indicates that DA depletion contributes significantly to age-related cognitive decline.

A Self-Organizing Neural Model of Motor Equivalent Reaching and Tool Use by a Multijoint Arm

This paper describes a self-organizing neural model for eye-hand coordination. Called the DIRECT model, it embodies a solution of the classical motor equivalence problem. Motor equivalence computations allow humans and other animals to flexibly employ an arm with more degrees of freedom than the space in which it moves to carry out spatially defined tasks under conditions that may require novel joint configurations. During a motor babbling phase, the model endogenously generates movement commands that activate the correlated visual, spatial, and motor information that are used to learn its internal coordinate transformations. After learning occurs, the model is capable of controlling reaching movements of the arm to prescribed spatial targets using many different combinations of joints. When allowed visual feedback, the model can automatically perform, without additional learning, reaches with tools of variable lengths, with clamped joints, with distortions of visual input by a prism, and with unexpected perturbations. These compensatory computations occur within a single accurate reaching movement. No corrective movements are needed. Blind reaches using internal feedback have also been simulated. The model achieves its competence by transforming visual information about target position and end effector position in 3-D space into a body-centered spatial representation of the direction in 3-D space that the end effector must move to contact the target. The spatial direction vector is adaptively transformed into a motor direction vector, which represents the joint rotations that move the end effector in the desired spatial direction from the present arm configuration. Properties of the model are compared with psychophysical data on human reaching movements, neurophysiological data on the tuning curves of neurons in the monkey motor cortex, and alternative models of movement control.

Human parietal and primary motor cortical interactions are selectively modulated during the transport and grip formation of goal-directed hand actions

Posterior parietal cortex (PPC) constitutes a critical cortical node in the sensorimotor system in which goal-directed actions are computed. This information then must be transferred into commands suitable for hand movements to the primary motor cortex (M1). Complexity arises because reach-to-grasp actions not only require directing the hand towards the object (transport component), but also preshaping the hand according to the features of the object (grip component). Yet, the functional influence that specific PPC regions exert over ipsilateral M1 during the planning of different hand movements remains unclear in humans. Here we manipulated transport and grip components of goal-directed hand movements and exploited paired-pulse transcranial magnetic stimulation (ppTMS) to probe the functional interactions between M1 and two different PPC regions, namely superior parieto-occipital cortex (SPOC) and the anterior region of the intraparietal sulcus (aIPS), in the left hemisphere. We show that when the extension of the arm is required to contact a target object, SPOC selectively facilitates motor evoked potentials, suggesting that SPOC-M1 interactions are functionally specific to arm transport. In contrast, a different pathway, linking the aIPS and ipsilateral M1, shows enhanced functional connections during the sensorimotor planning of grip. These results support recent human neuroimaging findings arguing for specialized human parietal regions for the planning of arm transport and hand grip during goal-directed actions. Importantly, they provide new insight into the causal influences these different parietal regions exert over ipsilateral motor cortex for specific types of planned hand movements

Determining the optimal current direction of transcranial magnetic stimulation to induce motor responses in the tongue: A preliminary study of neurologically healthy individuals

Objective
To determine the optimal transcranial magnetic stimulation (TMS) coil direction for inducing motor responses in the tongue in a group of non-neurologically impaired participants.
Methods
Single-pulse TMS was delivered using a figure-of-eight Magstim 2002 TMS coil. Study 1 investigated the effect of eight different TMS coil directions on the motor-evoked potentials elicited in the tongue in eight adults. Study 2 examined active motor threshold levels at optimal TMS coil direction compared to a customarily-used ventral-caudal direction. Study 3 repeated the procedure of Study 1 at five different sites across the tongue motor cortex in one adult.
Results
Inter-individual variability in optimal direction was observed, with an optimal range of directions determined for the group. Active motor threshold was reduced when a participant's own optimal TMS coil direction was used compared to the ventral-caudal direction. A restricted range of optimal directions was identified across the five cortical positions tested.
Conclusions
There is a need to identify each individual's own optimal TMS coil direction in investigating tongue motor cortex function. A recommended procedure for determining optimal coil direction is described.
Significance
Optimized TMS procedures are needed so that TMS can be utilized in determining the underlying neurophysiological basis of various motor speech disorders.

Rôle du cortex pariétal postérieur dans le processus d'intégration visuomotrice - connexions anatomiques avec le cortex moteur et activité cellulaire lors de la locomotion chez le chat

La progression d’un individu au travers d’un environnement diversifié dépend des informations visuelles qui lui permettent d’évaluer la taille, la forme ou même la distance et le temps de contact avec les obstacles dans son chemin. Il peut ainsi planifier en avance les modifications nécessaires de son patron locomoteur afin d’éviter ou enjamber ces entraves. Ce concept est aussi applicable lorsque le sujet doit atteindre une cible, comme un prédateur tentant d’attraper sa proie en pleine course. Les structures neurales impliquées dans la genèse des modifications volontaires de mouvements locomoteurs ont été largement étudiées, mais relativement peu d’information est présentement disponible sur les processus intégrant l’information visuelle afin de planifier ces mouvements. De nombreux travaux chez le primate suggèrent que le cortex pariétal postérieur (CPP) semble jouer un rôle important dans la préparation et l’exécution de mouvements d’atteinte visuellement guidés. Dans cette thèse, nous avons investigué la proposition que le CPP participe similairement dans la planification et le contrôle de la locomotion sous guidage visuel chez le chat. Dans notre première étude, nous avons examiné l’étendue des connexions cortico-corticales entre le CPP et les aires motrices plus frontales, particulièrement le cortex moteur, à l’aide d’injections de traceurs fluorescents rétrogrades. Nous avons cartographié la surface du cortex moteur de chats anesthésiés afin d’identifier les représentations somatotopiques distales et proximales du membre antérieur dans la partie rostrale du cortex moteur, la représentation du membre antérieur située dans la partie caudale de l’aire motrice, et enfin la représentation du membre postérieur. L’injection de différents traceurs rétrogrades dans deux régions motrices sélectionnées par chat nous a permis de visualiser la densité des projections divergentes et convergentes pariétales, dirigées vers ces sites moteurs. Notre analyse a révélé une organisation topographique distincte de connexions du CPP avec toutes les régions motrices identifiées. En particulier, nous avons noté que la représentation caudale du membre antérieur reçoit majoritairement des projections du côté rostral du sillon pariétal, tandis que la partie caudale du CPP projette fortement vers la représentation rostrale du membre antérieur. Cette dernière observation est particulièrement intéressante, parce que le côté caudal du sillon pariétal reçoit de nombreux inputs visuels et sa cible principale, la région motrice rostrale, est bien connue pour être impliquée dans les fonctions motrices volontaires. Ainsi, cette étude anatomique suggère que le CPP, au travers de connexions étendues avec les différentes régions somatotopiques du cortex moteur, pourrait participer à l’élaboration d’un substrat neural idéal pour des processus tels que la coordination inter-membre, intra-membre et aussi la modulation de mouvements volontaires sous guidage visuel. Notre deuxième étude a testé l’hypothèse que le CPP participe dans la modulation et la planification de la locomotion visuellement guidée chez le chat. En nous référant à la cartographie corticale obtenue dans nos travaux anatomiques, nous avons enregistré l’activité de neurones pariétaux, situés dans les portions des aires 5a et 5b qui ont de fortes connexions avec les régions motrices impliquées dans les mouvements de la patte antérieure. Ces enregistrements ont été effectués pendant une tâche de locomotion qui requiert l’enjambement d’obstacles de différentes tailles. En dissociant la vitesse des obstacles de celle du tapis sur lequel le chat marche, notre protocole expérimental nous a aussi permit de mettre plus d’emphase sur l’importance de l’information visuelle et de la séparer de l’influx proprioceptif généré pendant la locomotion. Nos enregistrements ont révélé deux groupes de cellules pariétales activées en relation avec l’enjambement de l’obstacle: une population, principalement située dans l’aire 5a, qui décharge seulement pendant le passage du membre au dessus del’entrave (cellules spécifiques au mouvement) et une autre, surtout localisée dans l’aire 5b, qui est activée au moins un cycle de marche avant l’enjambement (cellules anticipatrices). De plus, nous avons observé que l’activité de ces groupes neuronaux, particulièrement les cellules anticipatrices, était amplifiée lorsque la vitesse des obstacles était dissociée de celle du tapis roulant, démontrant l’importance grandissante de la vision lorsque la tâche devient plus difficile. Enfin, un grand nombre des cellules activées spécifiquement pendant l’enjambement démontraient une corrélation soutenue de leur activité avec le membre controlatéral, même s’il ne menait pas dans le mouvement (cellules unilatérales). Inversement, nous avons noté que la majorité des cellules anticipatrices avaient plutôt tendance à maintenir leur décharge en phase avec l’activité musculaire du premier membre à enjamber l’obstacle, indépendamment de sa position par rapport au site d’enregistrement (cellules bilatérales). Nous suggérons que cette disparité additionnelle démontre une fonction diversifiée de l’activité du CPP. Par exemple, les cellules unilatérales pourraient moduler le mouvement du membre controlatéral au-dessus de l’obstacle, qu’il mène ou suive dans l’ordre d’enjambement, tandis que les neurones bilatéraux sembleraient plutôt spécifier le type de mouvement volontaire requis pour éviter l’entrave. Ensembles, nos observations indiquent que le CPP a le potentiel de moduler l’activité des centres moteurs au travers de réseaux corticaux étendus et contribue à différents aspects de la locomotion sous guidage visuel, notamment l’initiation et l’ajustement de mouvements volontaires des membres antérieurs, mais aussi la planification de ces actions afin d’adapter la progression de l’individu au travers d’un environnement complexe.

Corticospinal excitability not affected by negative motor imagery or intention

Bien que l’imagerie motrice positive ait été bien étudiée et est utilisée en réhabilitation, l’effet de l’imagerie motrice négative est beaucoup moins connu. Le but de cette recherche était de définir si l’intention et/ou l’imagerie motrice négative serait en mesure de réduire l’effet d’une stimulation magnétique transcrânienne (SMT) sur le cortex moteur. Vingt participants ont reçu trente stimulations de SMT dans trois situations différentes : En restant passif, en portant une attention particulière aux sensations dans leur main ou en tentant de réduire l’effet de la SMT. La moitié des participants ont utilisé une stratégie d’imagerie motrice, l’autre moitié leur intention. Dans les deux cas, l’amplitude dans la condition de modulation n’a pas été réduite de façon significative.

Étude du cortex prémoteur et préfrontal lors de la prise de décision pendant l'intégration temporelle des informations

Une variété de modèles sur le processus de prise de décision dans divers contextes présume que les sujets accumulent les évidences sensorielles, échantillonnent et intègrent constamment les signaux pour et contre des hypothèses alternatives. L'intégration continue jusqu'à ce que les évidences en faveur de l'une des hypothèses dépassent un seuil de critère de décision (niveau de preuve exigé pour prendre une décision). De nouveaux modèles suggèrent que ce processus de décision est plutôt dynamique; les différents paramètres peuvent varier entre les essais et même pendant l’essai plutôt que d’être un processus statique avec des paramètres qui ne changent qu’entre les blocs d’essais. Ce projet de doctorat a pour but de démontrer que les décisions concernant les mouvements d’atteinte impliquent un mécanisme d’accumulation temporelle des informations sensorielles menant à un seuil de décision. Pour ce faire, nous avons élaboré un paradigme de prise de décision basée sur un stimulus ambigu afin de voir si les neurones du cortex moteur primaire (M1), prémoteur dorsal (PMd) et préfrontal (DLPFc) démontrent des corrélats neuronaux de ce processus d’accumulation temporelle. Nous avons tout d’abord testé différentes versions de la tâche avec l’aide de sujets humains afin de développer une tâche où l’on observe le comportement idéal des sujets pour nous permettre de vérifier l’hypothèse de travail. Les données comportementales chez l’humain et les singes des temps de réaction et du pourcentage d'erreurs montrent une augmentation systématique avec l'augmentation de l'ambigüité du stimulus. Ces résultats sont cohérents avec les prédictions des modèles de diffusion, tel que confirmé par une modélisation computationnelle des données. Nous avons, par la suite, enregistré des cellules dans M1, PMd et DLPFc de 2 singes pendant qu'ils s'exécutaient à la tâche. Les neurones de M1 ne semblent pas être influencés par l'ambiguïté des stimuli mais déchargent plutôt en corrélation avec le mouvement exécuté. Les neurones du PMd codent la direction du mouvement choisi par les singes, assez rapidement après la présentation du stimulus. De plus, l’activation de plusieurs cellules du PMd est plus lente lorsque l'ambiguïté du stimulus augmente et prend plus de temps à signaler la direction de mouvement. L’activité des neurones du PMd reflète le choix de l’animal, peu importe si c’est une bonne réponse ou une erreur. Ceci supporte un rôle du PMd dans la prise de décision concernant les mouvements d’atteinte. Finalement, nous avons débuté des enregistrements dans le cortex préfrontal et les résultats présentés sont préliminaires. Les neurones du DLPFc semblent beaucoup plus influencés par les combinaisons des facteurs de couleur et de position spatiale que les neurones du PMd. Notre conclusion est que le cortex PMd est impliqué dans l'évaluation des évidences pour ou contre la position spatiale de différentes cibles potentielles mais assez indépendamment de la couleur de celles-ci. Le cortex DLPFc serait plutôt responsable du traitement des informations pour la combinaison de la couleur et de la position des cibles spatiales et du stimulus ambigu nécessaire pour faire le lien entre le stimulus ambigu et la cible correspondante.