Summary: Purpose: A significant number of patients with epilepsy remain poorly controlled despite antiepileptic medication (AED) treatment and are not eligible for resective surgery. Novel therapeutic methods are required to decrease seizure burden in this population. Several observations have indicated that the anterior thalamic region plays an important role in the maintenance and propagation of seizures. We investigated neuromodulation of the anterior thalamus by using deep‐brain stimulation (DBS) in patients with intractable seizures. Methods: Five patients with medically refractory epilepsy underwent stereotactic placement of and received stimulation through bilateral DBS electrodes in the anterior thalamus. Results: Treatment showed a statistically significant decrease in seizure frequency, with a mean reduction of 54% (mean follow‐up, 15 months). Two of the patients had a seizure reduction of ≥75%. No adverse effects were observed after DBS electrode insertion or stimulation. Unexpectedly, the observed benefits did not differ between stimulation‐on and stimulation‐off periods. Conclusions: DBS of the anterior thalamus is a safe procedure and possibly effective in patients with medically resistant seizures.

Recent studies suggest that beta (15–30 Hz) oscillatory activity in the subthalamic nucleus (STN) is dramatically increased in Parkinson's disease (PD) and may interfere with movement execution. Dopaminergic medications decrease beta activity and deep brain stimulation (DBS) in the STN may alleviate PD symptoms by disrupting this oscillatory activity. Depth recordings from PD patients have demonstrated beta oscillatory neuronal and local field potential (LFP) activity in STN, although its prevalence and relationship to neuronal activity are unclear. In this study, we recorded both LFP and neuronal spike activity from the STN in 14 PD patients during functional neurosurgery. Of 200 single- and multiunit recordings 56 showed significant oscillatory activity at about 26 Hz and 89% of these were coherent with the simultaneously recorded LFP. The incidence of neuronal beta oscillatory activity was significantly higher in the dorsal STN ( P = 0.01) and corresponds to the significantly increased LFP beta power recorded in the same region. Of particular interest was a significant positive correlation between the incidence of oscillatory neurons and the patient's benefit from dopaminergic medications, but not with baseline motor deficits off medication. These findings suggest that the degree of neuronal beta oscillatory activity is related to the magnitude of the response of the basal ganglia to dopaminergic agents rather than directly to the motor symptoms of PD. The study also suggests that LFP beta oscillatory activity is generated largely within the dorsal portion of the STN and can produce synchronous oscillatory activity of the local neuronal population.

Abstract Commonly used for Parkinson’s disease (PD), deep brain stimulation (DBS) produces marked clinical benefits when optimized. However, assessing the large number of possible stimulation settings (i.e., programming) requires numerous clinic visits. Here, we examine whether functional magnetic resonance imaging (fMRI) can be used to predict optimal stimulation settings for individual patients. We analyze 3 T fMRI data prospectively acquired as part of an observational trial in 67 PD patients using optimal and non-optimal stimulation settings. Clinically optimal stimulation produces a characteristic fMRI brain response pattern marked by preferential engagement of the motor circuit. Then, we build a machine learning model predicting optimal vs. non-optimal settings using the fMRI patterns of 39 PD patients with a priori clinically optimized DBS (88% accuracy). The model predicts optimal stimulation settings in unseen datasets: a priori clinically optimized and stimulation-naïve PD patients. We propose that fMRI brain responses to DBS stimulation in PD patients could represent an objective biomarker of clinical response. Upon further validation with additional studies, these findings may open the door to functional imaging-assisted DBS programming.

Abstract Background Deep brain stimulation (DBS) provides symptomatic relief in a growing number of neurological indications, but local synaptic dynamics in response to electrical stimulation that may relate to its mechanism of action have not been fully characterized. Objective The objectives of this study were to (1) study local synaptic dynamics during high frequency extracellular stimulation of the subthalamic nucleus (STN), and (2) compare STN synaptic dynamics with those of the neighboring substantia nigra pars reticulata (SNr). Methods Two microelectrodes were advanced into the STN and SNr of patients undergoing DBS surgery for PD. Neuronal firing and evoked field potentials (fEPs) were recorded with one microelectrode during stimulation from an adjacent microelectrode. Results Excitatory and inhibitory fEPs could be discerned within the STN and their amplitudes predicted bidirectional effects on neuronal firing (p = .007). There were no differences between STN and SNr inhibitory fEP dynamics at low stimulation frequencies (p > .999). However, inhibitory neuronal responses were sustained over time in STN during high frequency stimulation, but not SNr (p < .001) where depression of inhibitory input was coupled with a return of neuronal firing (p = .003). Interpretation Persistent inhibitory input to the STN suggests a local synaptic mechanism for the suppression of subthalamic firing during high frequency stimulation. Moreover, differences in the resiliency versus vulnerability of inhibitory inputs to the STN and SNr suggest a projection source- and frequency-specificity for this mechanism. The feasibility of targeting electrophysiologically-identified neural structures may provide insight into how DBS achieves frequency-specific modulation of neuronal projections.

Abstract Deep brain stimulation procedures offer an invaluable opportunity to study disease through intracranial recordings from awake patients. Herein, we address the relationship between singleneuron and aggregate-level (local field potential; LFP) activities in the subthalamic nucleus (STN) and thalamic ventral intermediate nucleus (Vim) of patients with Parkinson’s disease (n=19) and essential tremor (n=16), respectively. Both disorders have been characterized by pathologically elevated LFP oscillations, as well as an increased tendency for neuronal bursting. Our findings suggest that periodic single-neuron bursts encode both pathophysiological beta (13-33Hz; STN) and tremor (4-10Hz; Vim) LFP oscillations, evidenced by strong time-frequency and phase-coupling relationships between the bursting and LFP signals. Spiking activity occurring outside of bursts had no relationship to the LFP. In STN, bursting activity most commonly preceded the LFP oscillation, suggesting that neuronal bursting generated within STN may give rise to an aggregate-level LFP oscillation. In Vim, LFP oscillations most commonly preceded bursting activity, suggesting that neuronal firing may be entrained by periodic afferent inputs. In both STN and Vim, the phasecoupling relationship between LFP and high-frequency oscillation (HFO) signals closely resembled the relationships between the LFP and single-neuron bursting. This suggests that periodic singleneuron bursting is likely representative of a higher spatial and temporal resolution readout of periodic increases in the amplitude of HFOs, which themselves may be a higher resolution readout of aggregate-level LFP oscillations. Overall, our results may reconcile “rate” and “oscillation” models of Parkinson’s disease and shed light onto the single-neuron basis and origin of pathophysiological oscillations in movement disorders. Significance In surgical patients with Parkinson’s disease and essential tremor, we leverage intracranial recordings to establish a link between pathophysiological phenomena across various scales of observation (spatio-temporal resolutions). We provide insights and reconcile theories about aberrant neurocircuit phenomena which underly theses debilitating, medically refractory movement disorders. Furthermore, our connectivity analyses between single-neuron and local field potential activities may shed light on the origin of the deleterious neural oscillations underlying these disorders. Ultimately, our findings may aid in the development or investigation of targeted therapies to address or correct underlying neurocircuit dysfunction, which can include neuropharmaceuticals, but also novel neuromodulatory strategies like closed-loop deep brain stimulation targeting pathophysiological oscillations and phase-dependent stimulation methods seeking to stimulate “at the right time/phase.”

ABSTRACT Thalamic ventral intermediate nucleus (Vim) is the primary surgical target of deep brain stimulation (DBS) for reducing symptoms of essential tremor. In-vivo single unit recordings of patients with essential tremor revealed that low frequency Vim-DBS (≤50Hz) induces periodic excitatory responses and high-frequency Vim-DBS (≥100Hz) induces a transient excitatory response lasting for ≤600ms followed by a suppressed steady-state. Yet, the neural mechanisms that generate Vim firing rate in response to different DBS frequencies are not fully uncovered. Previously developed models of Vim neurons could not capture the full dynamics of Vim-DBS despite incorporating the dynamics of short-term synaptic plasticity. In this work, we developed a network rate model and a novel parameter optimization method to accurately track the instantaneous firing rate of Vim neurons in response to various DBS frequencies, ranging in low- and high-frequency (5 to 200Hz) Vim-DBS. We showed that the firing rate dynamics during high frequency Vim-DBS are best characterized when incorporating an inhibitory population into the network model. Further, we discovered that the Vim firing rate in response to varying frequencies of DBS pulses can be explained by a balanced amplification mechanism, in which strong excitation (Vim) is stabilized by equally strong feedback inhibition. As a further validation of this work, we demonstrated similar behavior in a detailed biophysical model consisting of spiking neural networks in which the Vim neural-network can implement balanced amplification and explain in-vivo human Vim-DBS observations. Graphical abstract

Abstract With the growing interest in the expansion of deep brain stimulation indications, we aimed to provide experimental and computational insights into the brain-region-specific and frequency-dependent effects of extracellular stimulation on human neuronal activity. Experimentally, we demonstrated microstimulation-evoked excitatory neuronal responses in the ventral intermediate nucleus and reticular thalamus, and inhibitory responses in the subthalamic nucleus and substantia nigra pars reticulata; hypothesized to be the result of simultaneous activations of convergent afferent inputs. Higher stimulation frequencies led to a loss of site-specificity and convergence towards neuronal suppression; hypothesized to be mediated by synaptic depression. These experimental findings were reproduced by a computational framework in which relative distributions of convergent excitatory/inhibitory afferents were embedded within a model of short-term synaptic plasticity for the prediction of site-specific and frequency-dependent responses to extracellular stimulation. This theoretical framework may aid in the design of physiologically-informed stimulation paradigms in existing or prospective deep brain stimulation indications.

Abstract Background The dichotomy between the hypo-versus hyperkinetic nature of Parkinson’s disease (PD) and dystonia, respectively, is thought to be reflected in the underlying basal ganglia pathophysiology. Objective Investigate differences in globus pallidus internus (GPi) neuronal activity, and short- and long-term plasticity of direct pathway projections. Results GPi neurons were slower, burstier, and less regular in dystonia. In PD, symptom severity positively correlated with the power of low-beta frequency spiketrain oscillations. In dystonia, symptom severity negatively correlated with firing rate, and positively correlated with neuronal variability and the power of theta frequency spiketrain oscillations. Dystonia was moreover associated with less long-term plasticity and slower synaptic depression. Conclusion We substantiated claims of hyper-versus hypofunctional GPi output in PD versus dystonia, and provided cellular-level validation of the pathological nature of theta and low-beta oscillations in respective disorders. Such circuit changes may be underlain by disease-related differences in plasticity of striato-pallidal synapses.

Abstract Background There remains high variability in clinical outcomes when the same magnetic resonance image‐guided focused ultrasound (MRgFUS) thalamotomy target is used for both essential tremor (ET) and tremor‐dominant Parkinson's disease (TDPD). Objective Our goal is to refine the MRgFUS thalamotomy target for TDPD versus ET. Methods We retrospectively performed voxel‐wise efficacy and structural connectivity mapping using 3‐12‐month post‐procedure hand tremor scores for a multicenter cohort of 32 TDPD patients and a previously published cohort of 79 ET patients, and 24‐hour T1‐weighted post‐MRgFUS brain images. We validated our findings using Unified Parkinson's Disease Rating Scale part III scores for an independent cohort of nine TDPD patients. Results The post‐MRgFUS clinical improvements were 45.9% ± 35.9%, 55.5% ± 36%, and 46.1% ± 18.6% for ET, multicenter TDPD and validation TDPD cohorts, respectively. The TDPD and ET efficacy maps differed significantly ( p permute < 0.05), with peak TDPD improvement (87%) at x = −13.5; y = −15.0; z = 1.5, ~3.5 mm anterior and 3 mm dorsal to the ET target. Discriminative connectivity projections were to the motor and premotor regions in TDPD, and to the motor and somatosensory regions in ET. The disorder‐specific voxel‐wise efficacy map could be used to estimate outcome in TDPD patients with high accuracy ( R = 0.8; R 2 = 0.64; P < 0.0001). The model was validated using the independent cohort of nine TDPD patients ( R = 0.73; R 2 = 0.53; P = 0.025—voxel analysis). Conclusion We demonstrated that the most effective MRgFUS thalamotomy target in TDPD is in the ventral intermediate nucleus/ventralis oralis posterior border region. This finding offers new insights into the thalamic regions instrumental in tremor control, with pivotal implications for improving treatment outcomes. © 2024 The Author(s). Movement Disorders published by Wiley Periodicals LLC on behalf of International Parkinson and Movement Disorder Society.