Search

Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein nichtinvasives Hirnstimulationsverfahren, mit welchem sowohl die funktionelle Untersuchung umschriebener kortikaler Regionen als auch die Modulation der Erregbarkeit ebendieser sowie die Induktion neuroplastischer Phänomene möglich ist. Sie wurde in der Vergangenheit insbesondere bei der Erforschung des humanen zentralmotorischen Systems angewandt. Dabei zeigte sich, dass ein einzelner über dem primärmotorischen Areal (M1) applizierter TMS-Puls multiple deszendierende Erregungswellen im Kortikospinaltrakt induzieren kann. Von diesen Undulationen besitzt die D-Welle (direkte Welle) die kürzeste Latenz und sie rekurriert auf eine direkte Aktivierung kortikospinaler Neurone, wohingegen I-Wellen (indirekte Wellen) längere Latenzen besitzen und durch transsynaptische Aktivierung dieser Zellen entstehen. Bemerkenswert ist das periodische Auftreten der letztgenannten Erregungswellen mit einer Periodendauer von etwa 1,5 ms. Zwar sind die genauen Mechanismen noch unbekannt, welche der Entstehung dieser I-Wellen sowie dem Phänomen der I-Wellen-Fazilitierung, das sich in geeigneten TMS-Doppelpulsprotokollen offenbart, zugrunde liegen, jedoch existieren hierzu verschiedene Erklärungsmodelle. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die repetitive Anwendung eines TMS-Doppelpulsprotokolls, bei dem das Interpulsintervall (IPI) im Bereich der I-Wellen-Periodizität liegt (iTMS) und das gleichsam durch eine Implementierung der I-Wellen-Fazilitierung in der repetitiven TMS charakterisiert ist. Da gezeigt werden konnte, dass iTMS mit einem IPI von 1,5 ms (iTMS_1,5ms) die kortikospinale Erregbarkeit signifikant intra- und postinterventionell zu steigern vermag, und die I-Wellen-Periodizität interindividuellen Schwankungen unterliegt, wurde in der hier vorgestellten Studie an Normalprobanden der Einfluss einer individuellen Anpassung des IPIs (resultierend in der iTMS_adj) auf die intrainterventionelle kortikospinale Erregbarkeit unt

Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein nichtinvasives Hirnstimulationsverfahren, mit welchem sowohl die funktionelle Untersuchung umschriebener kortikaler Regionen als auch die Modulation der Erregbarkeit ebendieser sowie die Induktion neuroplastischer Phänomene möglich ist. Sie wurde in der Vergangenheit insbesondere bei der Erforschung des humanen zentralmotorischen Systems angewandt. Dabei zeigte sich, dass ein einzelner über dem primärmotorischen Areal (M1) applizierter TMS-Puls multiple deszendierende Erregungswellen im Kortikospinaltrakt induzieren kann. Von diesen Undulationen besitzt die D-Welle (direkte Welle) die kürzeste Latenz und sie rekurriert auf eine direkte Aktivierung kortikospinaler Neurone, wohingegen I-Wellen (indirekte Wellen) längere Latenzen besitzen und durch transsynaptische Aktivierung dieser Zellen entstehen. Bemerkenswert ist das periodische Auftreten der letztgenannten Erregungswellen mit einer Periodendauer von etwa 1,5 ms. Zwar sind die genauen Mechanismen noch unbekannt, welche der Entstehung dieser I-Wellen sowie dem Phänomen der I-Wellen-Fazilitierung, das sich in geeigneten TMS-Doppelpulsprotokollen offenbart, zugrunde liegen, jedoch existieren hierzu verschiedene Erklärungsmodelle. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die repetitive Anwendung eines TMS-Doppelpulsprotokolls, bei dem das Interpulsintervall (IPI) im Bereich der I-Wellen-Periodizität liegt (iTMS) und das gleichsam durch eine Implementierung der I-Wellen-Fazilitierung in der repetitiven TMS charakterisiert ist. Da gezeigt werden konnte, dass iTMS mit einem IPI von 1,5 ms (iTMS_1,5ms) die kortikospinale Erregbarkeit signifikant intra- und postinterventionell zu steigern vermag, und die I-Wellen-Periodizität interindividuellen Schwankungen unterliegt, wurde in der hier vorgestellten Studie an Normalprobanden der Einfluss einer individuellen Anpassung des IPIs (resultierend in der iTMS_adj) auf die intrainterventionelle kortikospinale Erregbarkeit unt

Spike timing-dependent plasticity (STDP) has been suggested as one of the key mechanism underlying learning and memory. Due to its importance, timing-dependent plasticity studies have been approached in the living human brain by means of non-invasive brain stimulation (NIBS) protocols such as paired associative stimulation (PAS). However, contrary to STDP studies at a cellular level, functional plasticity induction in the human brain implies the interaction among target cortical networks and investigates plasticity mechanisms at a systems level. This thesis comprises of two independent studies that aim at understanding the importance of considering broad cortical networks when predicting the outcome of timing-dependent associative plasticity induction in the human brain. In the first study we developed a new protocol (ipsilateral PAS (ipsiPAS)) that required timing- and regional-specific information transfer across hemispheres for the induction of timing-dependent plasticity within M1 (see chapter 3). In the second study, we tested the influence of individual brain structure, as measured with voxel-based cortical thickness, on a standard PAS protocol (see chapter 4). In summary, we observed that the near-synchronous associativity taking place within M1 is not the only determinant influencing the outcome of PAS protocols. Rather, the online interaction of the cortical networks integrating information during a PAS intervention determines the outcome of the pairing of inputs in M1.

Spike timing-dependent plasticity (STDP) has been suggested as one of the key mechanism underlying learning and memory. Due to its importance, timing-dependent plasticity studies have been approached in the living human brain by means of non-invasive brain stimulation (NIBS) protocols such as paired associative stimulation (PAS). However, contrary to STDP studies at a cellular level, functional plasticity induction in the human brain implies the interaction among target cortical networks and investigates plasticity mechanisms at a systems level. This thesis comprises of two independent studies that aim at understanding the importance of considering broad cortical networks when predicting the outcome of timing-dependent associative plasticity induction in the human brain. In the first study we developed a new protocol (ipsilateral PAS (ipsiPAS)) that required timing- and regional-specific information transfer across hemispheres for the induction of timing-dependent plasticity within M1 (see chapter 3). In the second study, we tested the influence of individual brain structure, as measured with voxel-based cortical thickness, on a standard PAS protocol (see chapter 4). In summary, we observed that the near-synchronous associativity taking place within M1 is not the only determinant influencing the outcome of PAS protocols. Rather, the online interaction of the cortical networks integrating information during a PAS intervention determines the outcome of the pairing of inputs in M1.

Objective: Training to perform a serial reaction-time task (procedural motor learning) with one hand results in performance improvements in the untrained as well as in the trained hand, a phenomenon referred to as intermanual transfer. The aim of this study was to investigate the neurophysiological changes associated with intermanual transfer associated with learning to perform an eminently different task involving fine force control within the primary motor cortex (M1). We hypothesized that intermanual transfer of learning Such a task would reveal intracortical changes within M1. Methods: Speed (time to complete each sequence) and accuracy (% of accuracy errors) of motor performance were measured in both hands before and after right (dominant) hand practice. Transcranial magnetic stimulation (TMS) was used to characterize recruitment curves (RC), short intracortical inhibition (SICI), intracortical facilitation (ICF) and interhemispheric inhibition (IHI) from the left to the right M1. Results: Practice resulted in significant improvements in both speed and accuracy in the right trained hand and in the left untrained hand. RC increased in the left M1, SICI decreased in both M1s, and IHI from the left to the right M1 decreased. No changes were identified in ICF nor in RC in the right M1. Conclusions: Our results suggest that some neurophysiological mechanisms operating in the M1 controlling performance of an untrained hand may contribute to optimize the procedure for selecting and implementing correct pinch force levels. Significance: These results raise the hypothesis of a contribution of modulation of SICI and IHI, or an interaction between both to intermanual transfer after learning a sequential pinch force task. (C) 2009 Published by Elsevier Ireland Ltd. on behalf of International Federation of Clinical Neurophysiology.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) was initially used to evaluate the integrity of the corticospinal tract in humans non-invasively. Since these early studies, the development of paired-pulse and repetitive TMS protocols allowed investigators to explore inhibitory and excitatory interactions of various motor and non-motor cortical regions within and across cerebral hemispheres. These applications have provided insight into the intracortical physiological processes underlying the functional role of different brain regions in various cognitive processes, motor control in health and disease and neuroplastic changes during recovery of function after brain lesions. Used in combination with neuroimaging tools, TMS provides valuable information on functional connectivity between different brain regions, and on the relationship between physiological processes and the anatomical configuration of specific brain areas and connected pathways. More recently, there has been increasing interest in the extent to which these physiological processes are modulated depending on the behavioural setting. The purpose of this paper is (a) to present an up-to-date review of the available electrophysiological data and the impact on our understanding of human motor behaviour and (b) to discuss some of the gaps in our present knowledge as well as future directions of research in a format accessible to new students and/or investigators. Finally, areas of uncertainty and limitations in the interpretation of TMS studies are discussed in some detail.

Non-invasive brain stimulation such as transcranial direct current stimulation (tDCS) has been successfully used to induce polarity-specific excitability changes in the brain. However, it is still unknown if anodal tDCS (tDCS(anodal)) applied to the primary somatosensory cortex (S1) can lead to behavioral changes in performance of tactile discriminative tasks.

Non-invasive brain stimulation such as transcranial direct current stimulation (tDCS) has been successfully used to induce polarity-specific excitability changes in the brain. However, it is still unknown if anodal tDCS (tDCS(anodal)) applied to the primary somatosensory cortex (S1) can lead to behavioral changes in performance of tactile discriminative tasks.