Neurorehabilitation approaches are frequently predicated on motor learning principles. However, much is left to be understood of how different kinds of motor learning are affected by stroke causing hemiparesis. Here we asked if two kinds of motor learning often employed in rehabilitation, (1) reinforcement learning and (2) error-based adaptation, are altered at different times after stroke.In a cross-sectional design, we compared learning in two groups of patients with stroke, matched for their baseline motor execution deficit on the paretic side. The early group was tested within 3 months following stroke (N = 35) and the late group was tested more than 6 months after stroke (N = 30). Two types of task were studied: one based on reinforcement learning and the other on error-based learning.We found that reinforcement learning was impaired in the early but not the late group, whereas error-based learning was unaffected compared to controls. These findings could not be attributed to differences in baseline execution, cognitive impairment, gender, age, or lesion volume and location.The presence of a specific impairment in reinforcement learning in the first 3 months after stroke has important implications for rehabilitation. It might be necessary to either increase the amount of reinforcement feedback given early or even delay onset of certain forms of rehabilitation training, e.g., like constraint-induced movement therapy, and instead emphasize others forms of motor learning in this early time period. A deeper understanding of stroke-related changes in motor learning capacity has the potential to facilitate the development of new, more precise treatment interventions.

Abstract Background Detailed assessments of upper limb disability are essential to understand and monitor sensorimotor recovery. Usually, multiple timeconsuming assessments are required to define a holistic sensorimotor profile of proximal (shoulder-elbow) and distal (wrist-hand) impairments and their impact on the capacity to perform activities. We propose and evaluate a novel physiologically-motivated computational framework for objectively assessing sensorimotor profiles in neurological patients using a single, rapid technology-based assessment involving goal-directed arm and hand movements. Methods The Virtual Peg Insertion Test (VPIT) was administered to 121 healthy and 80 neurological subjects. The framework provides 25 kinematic and kinetic metrics expected to describe 12 sensorimotor components representative of ataxia and paresis and their influence on task performance, as well as one overall disability measure. The feasibility (protocol duration), structural validity (factor analysis and correlations ρ between sensorimotor components), concurrent validity (correlation with Action Research Arm Test; ARAT), and discriminant validity (comparing healthy controls and patients, and patients with different disability levels) were evaluated. Results The median VPIT protocol duration was 16.5min in neurological patients. The sensor-based metrics could unambiguously be grouped into 12 mostly independent (median | ρ |=0.14) components. Ten components showed significant differences between healthy and impaired subjects and nine components indicated clear trends across disability levels, without any ceiling effects. The VPIT overall disability measure and ARAT were moderately correlated ( ρ =−0.53, p <0.001). Conclusions This work demonstrates the possibility to rapidly, holistically, and objectively assess proximal and distal sensorimotor impairments and their influence on the capacity to perform activities with a single assessment.

Abstract The proportional recovery rule (PRR) posits that most stroke survivors can expect to reduce a fixed proportion of their motor impairment. As a statistical model, the PRR explicitly relates change scores to baseline values – an approach that has the potential to introduce artifacts and flawed conclusions. We describe approaches that can assess associations between baseline and changes from baseline while avoiding artifacts due either to mathematical coupling or regression to the mean due to measurement error. We also describe methods that can compare different biological models of recovery. Across several real datasets, we find evidence for non-artifactual associations between baseline and change, and support for the PRR compared to alternative models. We conclude that the PRR remains a biologically-relevant model of recovery, and also introduce a statistical perspective that can be used to assess future models.

Background Accumulating evidence suggests that cardiac findings after stroke are an important, yet understudied, manifestation of brain–heart interactions. Our aim was to investigate and compare cardiac findings after different cerebrovascular events (acute ischemic stroke, transient ischemic attack, and hemorrhagic stroke). Methods and Results There were 7113 patients screened who were treated between December 2013 and December 2020 at the University Hospital Zurich for ischemic stroke, transient ischemic attack, and hemorrhagic stroke. Seven hundred twenty‐one patients without evidence of previous cardiac disease or presumed cardioembolic origin of their cerebrovascular disease and with at least 1 cardiac checkup were included. Clinical reports from the year following disease onset were screened for new cardiac findings, which were categorized as arrhythmia/electrocardiographic changes, myocardial alterations, valvular abnormalities, and coronary perfusion insufficiency. Differences in proportions of findings among groups were analyzed using the Pearson χ 2 test or Fisher exact test. ECG changes were observed in 81.7% (n=474) of patients with ischemic stroke, 71.4% (n=70) of patients with transient ischemic attack, and 55.8% (n=24) of patients with hemorrhagic stroke ( P <0.001). Myocardial alterations occurred often in all 3 groups (60.9% ischemic stroke [n=353], 59.2% transient ischemic attack [n=58], 44.2% hemorrhagic stroke [n=19]; P =0.396). Conclusions Cardiac findings are frequent in patients with cerebrovascular disease, even without prior cardiac problems or suspected cardiac cause. Similarities, especially between patients with ischemic stroke and transient ischemic attack, were observed. Our data suggest that all patients with acute cerebrovascular events should receive thorough workup searching for cardiac manifestations.

Abstract Background Assessing arm and hand sensorimotor impairments that are functionally relevant is essential to optimize the impact of neurorehabilitation interventions. Technology-aided assessments should provide a sensitive and objective characterization of upper limb impairments, but often provide arm weight support and neglect the importance of the hand, thereby questioning their functional relevance. The Virtual Peg Insertion Test (VPIT) addresses these limitations by quantifying arm movements and grip forces during a goal-directed manipulation task without arm weight support. The aim of this work was to evaluate the potential and robustness of the VPIT metrics to inform on sensorimotor impairments in arm and hand, and especially identify the functional relevance of the detected impairments. Methods Arm and hand sensorimotor impairments were systematically characterized in 30 chronic stroke patients using conventional clinical scales and the VPIT. For the latter, ten previously established kinematic and kinetic core metrics were extracted and compared to conventional clinical scales of impairment and activity limitations. Additionally, the robustness of the VPIT metrics was investigated by analyzing their clinimetric properties (test-retest reliability, measurement error, and learning effects). Results Twenty-three of the participants, the ones with mild to moderate sensorimotor impairments and without strong cognitive deficits, were able to successfully complete the VPIT protocol (duration 16.6 min). The VPIT metrics detected impairments in arm and hand in 90.0% of the participants, and were sensitive to increased muscle tone and pathological joint coupling. Most importantly, moderate to high significant correlations between conventional scales of activity limitations and the VPIT metrics were found, thereby indicating their functional relevance when grasping and transporting lightweight objects as well as dexterous finger manipulations. Lastly, the robustness of three out of the ten VPIT core metrics in post-stroke individuals was confirmed. Conclusions This work provides evidence that technology-aided assessments requiring goal-directed manipulations without arm weight support can provide an objective, robust, and clinically feasible way to assess functionally relevant sensorimotor impairments in arm and hand in chronic post-stroke individuals with mild to moderate deficits. This allows better identifying impairments with high functional relevance and can contribute to optimizing the functional benefits of neurorehabilitation interventions. Retrospectively registered: clinicaltrials.gov/ct2/show/ NCT03135093

Loss of hand function after stroke is a major cause of long-term disability. Hand function can be partitioned into strength and independent control of fingers (individuation). Here we developed a novel paradigm, which independently quantifies these two aspects of hand function, to track hand recovery in 54 patients with hemiparesis over the first year after their stroke. Most recovery of both strength and individuation occurred in the first three months after stroke. Improvement in strength and individuation were tightly correlated up to a strength level of approximately 60% of the unaffected side. Beyond this threshold, further gains in strength were not accompanied by improvements in individuation. Any observed improvements in individuation beyond the 60% threshold were attributable instead to a second independent stable factor. Lesion analysis revealed that damage to the hand area in motor cortex and the corticospinal tract (CST) correlated more with individuation than with strength. CST involvement correlated with individuation even after factoring out the strength-individuation correlation. The most parsimonious explanation for these behavioral and lesion-based findings is that most strength recovery, along with some individuation, can be attributed to descending systems other than the CST, whereas further recovery of individuation is CST dependent. (Note: Jing Xu and Naveed Ejaz contributed equally to this work.)

Accumulating behavioural and neurophysiological evidence suggests that upper-limb control relies on contributions from both cortical and subcortical motor circuits, with cortical inputs providing fine-finger function and subcortical inputs providing the ability for gross movements, respectively. During recovery of function after stroke, the relative contributions from these pathways may shift. Here we propose that mirror movements that appear after stroke provide a non-invasive assay through which relative contributions from cortical and subcortical pathways towards hand recovery can be studied. We hypothesized that mirror movements, like hand function, are generated by summed contributions from cortical and subcortical pathways, and suggest that subcortical contributions should be characterized by a broad recruitment of fingers, while cortical contributions primarily recruit the homologous finger in the passive hand. In a longitudinal stroke recovery study (Xu et al., 2016), we quantified mirror movements and paretic hand function in 53 stroke patients in the year following unilateral stroke. Mirror movements in the non-paretic hand were exaggerated early after damage (week 2), with paretic finger presses broadly recruiting multiple fingers in the non-paretic hand. On average, however, mirroring in homologous fingers was 1.76 times larger than in non-homologous fingers. Over the year, mirroring in the non-paretic hand progressively normalized with a time-course that mimicked that for the fine-finger deficits in the paretic hand. In comparison, during non-paretic finger presses, the homologous component of mirroring in the paretic hand was reduced early after stroke (week 2) but progressively normalized. Altogether, we conclude that the pattern of mirror movements across homologous and non-homologous fingers reflect the summed contributions of both cortical and subcortical systems, and we discuss the implications of our results towards hand recovery after stroke.

Cortical reorganization has been suggested as mechanism for recovery after stroke. It has been proposed that a form of cortical reorganization (changes in functional connectivity between brain areas) can be assessed with resting-state fMRI. Here we report the largest longitudinal data-set in terms of overall sessions in 19 patients with subcortical stroke and 11 controls. Patients were imaged up to 5 times over one year. We found no evidence for post-stroke cortical reorganization despite substantial behavioral recovery. These results could be construed as questioning the value of resting-state imaging. Here we argue instead that they are consistent with other emerging reasons to challenge the idea of motor recovery-related cortical reorganization post-stroke when conceived as changes in connectivity between cortical areas.

Abstract Recanalization is the mainstay of ischemic stroke treatment. However, even with timely clot removal, many stroke patients recover poorly. Leptomeningeal collaterals (LMCs) are pial anastomotic vessels with yet unknown functions. Utilizing a thrombin-based mouse model of stroke and the gold standard fibrinolytic treatment rt-PA, we here show that LMCs play a critical role in preserving vascular function in ischemic territories. We applied laser speckle contrast imaging, ultrafast ultrasound, and two-photon microscopy, to show that after thrombolysis, LMCs allow for gradual reperfusion resulting in small infarcts. On the contrary, in mice with poor LMCs, distal segments of recanalized arteries collapse and deleterious hyperemia causes hemorrhage and mortality. Accordingly, in stroke patients with poor collaterals undergoing thrombectomy, rapid reperfusion resulted in hemorrhagic transformation and unfavorable recovery. Thus, we identify LMCs as key components regulating reperfusion after stroke. Future therapeutic interventions should aim to enhance collateral function, allowing for gradual reperfusion of ischemic tissues after stroke.