Neurostimulation of the subthalamic nucleus reduces levodopa-related motor complications in advanced Parkinson's disease. We compared this treatment plus medication with medical management.

Functional connectivity between cortical areas may appear as correlated time behavior of neural activity. It has been suggested that merging of separate features into a single percept ("binding") is associated with coherent gamma band activity across the cortical areas involved. Therefore, it would be of utmost interest to image cortico-cortical coherence in the working human brain. The frequency specificity and transient nature of these interactions requires time-sensitive tools such as magneto- or electroencephalography (MEG/EEG). Coherence between signals of sensors covering different scalp areas is commonly taken as a measure of functional coupling. However, this approach provides vague information on the actual cortical areas involved, owing to the complex relation between the active brain areas and the sensor recordings. We propose a solution to the crucial issue of proceeding beyond the MEG sensor level to estimate coherences between cortical areas. Dynamic imaging of coherent sources (DICS) uses a spatial filter to localize coherent brain regions and provides the time courses of their activity. Reference points for the computation of neural coupling may be based on brain areas of maximum power or other physiologically meaningful information, or they may be estimated starting from sensor coherences. The performance of DICS is evaluated with simulated data and illustrated with recordings of spontaneous activity in a healthy subject and a parkinsonian patient. Methods for estimating functional connectivities between brain areas will facilitate characterization of cortical networks involved in sensory, motor, or cognitive tasks and will allow investigation of pathological connectivities in neurological disorders.

We use the concept of phase synchronization for the analysis of noisy nonstationary bivariate data. Phase synchronization is understood in a statistical sense as an existence of preferred values of the phase difference, and two techniques are proposed for a reliable detection of synchronous epochs. These methods are applied to magnetoencephalograms and records of muscle activity of a Parkinsonian patient. We reveal that the temporal evolution of the peripheral tremor rhythms directly reflects the time course of the synchronization of abnormal activity between cortical motor areas.

Subthalamic stimulation reduces motor disability and improves quality of life in patients with advanced Parkinson's disease who have severe levodopa-induced motor complications. We hypothesized that neurostimulation would be beneficial at an earlier stage of Parkinson's disease.

Neurostimulation of the internal globus pallidus has been shown to be effective in reducing symptoms of primary dystonia. We compared this surgical treatment with sham stimulation in a randomized, controlled clinical trial.

Deep brain stimulation (DBS) of the subthalamic nucleus (STN) reduces motor symptoms in patients with Parkinson's disease (PD) and improves their quality of life; however, the effect of DBS on cognitive functions and its psychiatric side-effects are still controversial. To assess the neuropsychiatric consequences of DBS in patients with PD we did an ancillary protocol as part of a randomised study that compared DBS with the best medical treatment.156 patients with advanced Parkinson's disease and motor fluctuations were randomly assigned to have DBS of the STN or the best medical treatment for PD according to the German Society of Neurology guidelines. 123 patients had neuropsychological and psychiatric examinations to assess the changes between baseline and after 6 months. The primary outcome was the comparison of the effect of DBS with the best medical treatment on overall cognitive functioning (Mattis dementia rating scale). Secondary outcomes were the effects on executive function, depression, anxiety, psychiatric status, manic symptoms, and quality of life. Analysis was per protocol. The study is registered at ClinicalTrials.gov, number NCT00196911.60 patients were randomly assigned to receive STN-DBS and 63 patients to have best medical treatment. After 6 months, impairments were seen in executive function (difference of changes [DBS-best medical treatment] in verbal fluency [semantic] -4.50 points, 95% CI -8.07 to -0.93, Cohen's d=-;0.4; verbal fluency [phonemic] -3.06 points, -5.50 to -0.62, -0.5; Stroop 2 naming colour error rate -0.37 points, -0.73 to 0.00, -0.4; Stroop 3 word reading time -5.17 s, -8.82 to -1.52, -0.5; Stroop 4 colour naming time -13.00 s, -25.12 to -0.89, -0.4), irrespective of the improvement in quality of life (difference of changes in PDQ-39 10.16 points, 5.45 to 14.87, 0.6; SF-36 physical 16.55 points, 10.89 to 22.21, 0.9; SF-36 psychological 9.74 points, 2.18 to 17.29, 0.5). Anxiety was reduced in the DBS group compared with the medication group (difference of changes in Beck anxiety inventory 10.43 points, 6.08 to 14.78, 0.8). Ten patients in the DBS group and eight patients in the best medical treatment group had severe psychiatric adverse events.DBS of the STN does not reduce overall cognition or affectivity, although there is a selective decrease in frontal cognitive functions and an improvement in anxiety in patients after the treatment. These changes do not affect improvements in quality of life. DBS of the STN is safe with respect to neuropsychological and psychiatric effects in carefully selected patients during a 6-month follow-up period.German Federal Ministry of Education and Research (01GI0201).

Because of attentional limitations, the human visual system can process for awareness and response only a fraction of the input received. Lesion and functional imaging studies have identified frontal, temporal, and parietal areas as playing a major role in the attentional control of visual processing, but very little is known about how these areas interact to form a dynamic attentional network. We hypothesized that the network communicates by means of neural phase synchronization, and we used magnetoencephalography to study transient long-range interarea phase coupling in a well studied attentionally taxing dual-target task (attentional blink). Our results reveal that communication within the fronto-parieto-temporal attentional network proceeds via transient long-range phase synchronization in the beta band. Changes in synchronization reflect changes in the attentional demands of the task and are directly related to behavioral performance. Thus, we show how attentional limitations arise from the way in which the subsystems of the attentional network interact.

Data from experiments in MPTP monkeys as well as from invasive and non-invasive recordings in patients with Parkinson's disease suggest an abnormal synchronization of neuronal activity in the generation of resting tremor in Parkinson's disease. In six patients with tremor-dominant idiopathic Parkinson's disease, we recorded simultaneously surface electromyograms (EMGs) of hand muscles, and brain activity with a whole-head magnetoencephalography (MEG) system. Using a recently developed analysis tool (Dynamic Imaging of Coherent Sources; DICS), we determined cerebro-muscular and cerebro-cerebral coherence as well as the partial coherence between cerebral areas and muscle, and localized coherent sources within the individual MRI scans. The phase lag between the EMG and cerebral activity was determined by means of a Hilbert transform of both signals. After overnight withdrawal from medication, patients showed typical Parkinson's disease resting tremor (4-6 Hz). This tremor was associated with strong coherence between the EMG of forearm muscles and activity in the contralateral primary motor cortex (M1) at tremor frequency but also at double tremor frequency. Phase lags between M1 activity and EMG were between 15 and 25 ms (M1 activity leading) at single, but also at double tremor frequency, corresponding well to the corticomuscular conduction time. Furthermore, significant coherence was observed between M1 and medial wall areas (cingulate/supplementary motor area; CMA/SMA), lateral premotor cortex (PM), diencephalon, secondary somatosensory cortex (SII), posterior parietal cortex (PPC) and the contralateral cerebellum at single tremor and, even stronger at double tremor frequency. Spectra of coherence between thalamic activity and cerebellum as well as several brain areas revealed additional broad peaks around 20 Hz. Power spectral analysis of activity in all central areas indicated the strongest frequency components at double tremor frequency. Partial coherence analysis and the calculation of phase shifts revealed a strong bidirectional coupling between the EMG and diencephalic activity and a direct afferent coupling between the EMG and SII and the PPC. In contrast, the cerebellum, SMA/CMA and PM show little evidence for direct coupling with the peripheral EMG but seem to be connected with the periphery via other cerebral areas (e.g. M1). In summary, our results demonstrate tremor-related oscillatory activity within a cerebral network, with abnormal coupling in a cerebello-diencephalic-cortical loop and cortical motor (M1, SMA/CMA, PM) and sensory (SII, PPC) areas contralateral to the tremor hand. The main frequency of cerebro-cerebral coupling corresponds to double the tremor frequency.

Abstract We report the 5 to 6 year follow‐up of a multicenter study of bilateral subthalamic nucleus (STN) and globus pallidus internus (GPi) deep brain stimulation (DBS) in advanced Parkinson's disease (PD) patients. Thirty‐five STN patients and 16 GPi patients were assessed at 5 to 6 years after DBS surgery. Primary outcome measure was the stimulation effect on the motor Unified Parkinson's Disease Rating Scale (UPDRS) assessed with a prospective cross‐over double‐blind assessment without medications (stimulation was randomly switched on or off). Secondary outcomes were motor UPDRS changes with unblinded assessments in off‐ and on‐medication states with and without stimulation, activities of daily living (ADL), anti‐PD medications, and dyskinesias. In double‐blind assessment, both STN and GPi DBS were significantly effective in improving the motor UPDRS scores (STN, P < 0.0001, 45.4%; GPi, P = 0.008, 20.0%) compared with off‐stimulation, regardless of the sequence of stimulation. In open assessment, both STN‐ and GPi‐DBS significantly improved the off‐medication motor UPDRS when compared with before surgery (STN, P < 0.001, 50.5%; GPi, P = 0.002, 35.6%). Dyskinesias and ADL were significantly improved in both groups. Anti‐PD medications were significantly reduced only in the STN group. Adverse events were more frequent in the STN group. These results confirm the long‐term efficacy of STN and GPi DBS in advanced PD. Although the surgical targets were not randomized, there was a trend to a better outcome of motor signs in the STN‐DBS patients and fewer adverse events in the GPi‐DBS group. © 2010 Movement Disorder Society

Functional brain imaging studies have indicated that several cortical and subcortical areas active during actual motor performance are also active during imagination or mental rehearsal of movements. Recent evidence shows that the primary motor cortex may also be involved in motor imagery. Using whole-scalp magnetoencephalography, we monitored spontaneous and evoked activity of the somatomotor cortex after right median nerve stimuli in seven healthy right-handed subjects while they kinesthetically imagined or actually executed continuous finger movements. Manipulatory finger movements abolished the poststimulus 20-Hz activity of the motor cortex and markedly affected the somatosensory evoked response. Imagination of manipulatory finger movements attenuated the 20-Hz activity by 27% with respect to the rest level but had no effect on the somatosensory response. Slight constant stretching of the fingers suppressed the 20-Hz activity less than motor imagery. The smallest possible, kinesthetically just perceivable finger movements resulted in slightly stronger attenuation of 20-Hz activity than motor imagery did. The effects were observed in both hemispheres but predominantly contralateral to the performing hand. The attempt to execute manipulatory finger movements under experimentally induced ischemia causing paralysis of the hand also strongly suppressed 20-Hz activity but did not affect the somatosensory evoked response. The results indicate that the primary motor cortex is involved in motor imagery. Both imaginative and executive motor tasks appear to utilize the cortical circuitry generating the somatomotor 20-Hz signal.