Motor skill learning relies on neural plasticity in the motor and limbic systems. However, the spatial and temporal dependencies of these changes, and their microstructural underpinnings, remain unclear. Eighteen healthy males received training in a computer- controlled motion game 4 times a week, for 4 weeks. Performance improvements were observed in all trained participants. Serial myelin-sensitive multiparametric mapping at 3T during this period of intensive motor skill acquisition revealed temporally and spatially distributed, performance-related myelin-sensitive microstructural changes in the grey and white matter across the corticospinal system and hippocampus. Interestingly, analysis of the trajectory of these transient changes revealed a time-shifted choreography across white and grey matter of the corticospinal system as well as with changes in the hippocampus. Crucially, in the cranial corticospinal tracts, myelin-sensitive changes during training in the posterior part of the limb of the internal capsule were of greater magnitude in lower-limb trainees compared to upper limb trainees. Motor skill learning is depended on coherent waves of plasticity within a corticospinal-hippocampal loop.

Abstract The exact somatotopy of the human facial representation in the primary somatosensory cortex (S1) remains debated. One reason that progress has been hampered is due to the methodological challenge of how to apply automated vibrotactile stimuli to face areas in a manner that is: 1) reliable despite differences in the curvatures of face locations; and 2) MR-compatible and free of MR-interference artefacts when applied in the MR head-coil. Here we overcome this challenge by using soft pneumatic actuator (SPA) technology. SPAs are made of a soft silicon material and can be in- or deflated by means of airflow, have a small diameter, and are flexible in structure, enabling good skin contact even on curved body surfaces (as on the face). To validate our approach, we first mapped the well-characterised S1 finger layout using this novel device and confirmed that tactile stimulation of the fingers elicited characteristic somatotopic finger activations in S1. We then used the device to automatically and systematically deliver somatosensory stimulation to different face locations. We found that the forehead representation was least distant from the representation of the hand. Within the face representation, we found that the lip representation is most distant from the forehead representation, with the chin represented in between. Together, our results demonstrate that this novel MR compatible device produces robust and clear somatotopic representational patterns using vibrotactile stimulation through SPA-technology.

Diffusion MRI (dMRI) has become a crucial imaging technique within the field of neuroscience and has an increasing number of clinical applications. Although most studies still focus on the brain, there is a growing interest in utilizing dMRI to investigate the healthy or injured spinal cord. The past decade has also seen the development of biophysical models that link MR-based diffusion measures to underlying microscopic tissue characteristics. Building upon 13 years of research and development, we present an open-source, MATLAB-based academic software toolkit dubbed ACID: A Comprehensive Toolbox for Image Processing and Modeling of Brain, Spinal Cord, and Post-mortem Diffusion MRI Data. ACID is designed to process and model dMRI data of the brain, spinal cord, and post-mortem specimens by incorporating state-of-the-art artifact correction tools, diffusion and kurtosis tensor imaging, and biophysical models that enable the estimation of microstructural properties in white matter. Additionally, the software includes an array of linear and non-linear fitting algorithms for accurate diffusion parameter estimation. By adhering to the Brain Imaging Data Structure (BIDS) data organization principles, ACID facilitates standardized analysis, ensures compatibility with other BIDS-compliant software, and aligns with the growing availability of large databases utilizing the BIDS format. Furthermore, ACID seamlessly integrates into the popular Statistical Parametric Mapping (SPM) framework, benefitting from a wide range of established segmentation, spatial processing, and statistical analysis tools as well as a large and growing number of SPM extensions. As such, this comprehensive toolbox covers the entire processing chain from raw DICOM data to group-level statistics, all within a single software package.

Abstract Blood-oxygen-level dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) can be used to map neuronal function in the cervical cord, yet conclusive evidence supporting its applicability in the lumbosacral cord is still lacking. This study aimed to (i) demonstrate the feasibility of BOLD fMRI in mapping neuronal activation in the lumbosacral cord during a unilateral lower extremity motor task and (ii) investigate the impact of echo time (TE) on the BOLD effect size. Twelve healthy volunteers underwent BOLD fMRI using four reduced-field-of-view single-shot gradient-echo echo planar imaging sequences, all with the same geometry but different TE values ranging from 20 to 42 ms. Each sequence was employed to acquire a single 6-minute rest run and two 10-minute task runs, which included alternating 15-second blocks of rest and unilateral ankle dorsi- and plantar flexion. We detected lateralized task-related neuronal activation at neurological levels S4 to L1, centered at the ipsilateral (right) ventral spinal cord but also extending into the ipsilateral dorsal spinal cord. This pattern of activation is consistent with our current understanding of spinal cord organization, wherein lower motor neurons are located in the ventral gray matter horn, while sensory neurons of the proprioceptive pathway, activated during the movement, are located in the dorsal horns. At the subject level, BOLD activation showed considerable variability but was lateralized in all participants. The highest BOLD effect size within the ipsilateral ventral spinal cord was observed at TE=42 ms. Sequences with a shorter TE (20 and 28 ms) also detected activation in the medioventral part of the spinal cord, likely representing a large vein effect. In summary, our results demonstrate the feasibility of detecting neuronal activation in the lumbosacral cord induced by voluntary lower limb movements. BOLD fMRI in the lumbosacral cord has significant implications for assessing motor function and its alterations in disease or after spinal cord injury.

Abstract Following spinal cord injury (SCI), the motor output flow to the limb(s) and sensory input to the brain is largely lost. While attempted movements with the paralysed and sensory deprived body part can still evoke signals in the sensorimotor system, this task-related “net” brain activity of SCI patients differs substantially from healthy controls. Such reorganised and/or altered activity is thought to reflect abnormal processing. It is however possible that this altered ‘net’ sensorimotor activity in SCI patients conceals preserved somatotopically-specific representations of the paralysed and sensory deprived body parts that could be exploited in a functionally meaningful manner (e.g. via neuroprosthetics). In this cross-sectional study, we investigated whether a functional connection between the periphery and the brain is necessary to maintain somatosensory representations. We used functional MRI and an (attempted) finger movement task to characterise the somatotopic hand layout in the primary somatosensory cortex and structural MRI to assess spared spinal tissue bridges. We tested 14 tetraplegic SCI patients (mean age ± s.e.m.=55 ± 3.6; 1 female) who differed in terms of lesion completeness, retained sensorimotor functioning, and time since injury, as well as 18 healthy control participants (mean age ± s.e.m.=56 ± 3.6 years; 1 female). Our results revealed somatotopically organised representations of patients’ hands in which neighbouring clusters showed selectivity for neighbouring fingers in contralateral S1, qualitatively similar to those observed in healthy controls. To quantify whether these representations were normal in tetraplegic SCI patients we correlated each participant’s intricate representational distance pattern across all fingers (revealed using representational similarity analysis) with a canonical inter-finger distance pattern obtained from an independent sample. The resulting hand representation typicality scores were not significantly different between patients and controls. This was even true when considering two individual patients with no sensory hand functioning, no hand motor functioning, and no spared spinal tissue bridges. However, a correlational analysis revealed that over years since SCI the hand representation typicality in primary somatosensory cortex deteriorates. We show that somatosensory representations can be maintained for several years following SCI even in the absence of perhiperhal inputs. Such preserved cortical hand representations could therefore be exploited in a functionally meaningful way by rehabilitation approaches that attempt to establish new functional connections between the hand and the brain after an SCI (e.g. through neuroprosthetics). However, time since injury may critically influence the somatotopic representations of SCI patients and might thereby impact the success of such rehabilitation approaches.

Neurofeedback (NF) training based on motor imagery is increasingly used in neurorehabilitation with the aim to improve motor functions. However, the neuroplastic changes underpinning these improvements are poorly understood. Here, we used mental finger individuation, i.e., the selective facilitation of single finger representations without producing overt movements, as a model to study neuroplasticity induced by NF. To enhance mental finger individuation, we used transcranial magnetic stimulation (TMS)-based NF training. During motor imagery of individual finger movements, healthy participants were provided visual feedback on the size of motor evoked potentials, reflecting their finger-specific corticospinal excitability. We found that TMS-NF improved the top-down activation of finger-specific representations. First, intracortical inhibitory circuits in the primary motor cortex were tuned after training such that inhibition was selectively reduced for the finger that was mentally activated. Second, motor imagery finger representations in sensorimotor areas assessed with functional MRI became more distinct after training. Together, our results indicate that the neural underpinnings of finger individuation, a well-known model system for neuroplasticity, can be modified using TMS-NF guided motor imagery training. These findings demonstrate that TMS-NF induces neuroplasticity in the sensorimotor system, highlighting the promise of TMS-NF on the recovery of fine motor function.