Abstract The effect of a single oral dose of various antiepileptic drugs on the excitability of the motor system was studied in healthy volunteers by means of transcranial magnetic stimulation. Motor threshold, duration of the cortical silent period, and intracortical excitability after double‐shock transcranial stimulation were tested before and at defined intervals after drug intake. Antiepileptic drugs that support the action of the inhibitory neurotransmitter γ‐aminobutyric acid (GABA) in the neocortex (vigabatrin, baclofen) reduced intracortical excitability but had no effect on motor threshold. Gabapentin, whose mechanism of action has not yet been unequivocally identified, showed a similar profile. By contrast, sodium and calcium channel blockers without considerable neurotransmitter properties (carbamazepine, lamotrigine, losigamone) elevated motor threshold but did not change intracortical excitability. The cortical silent period was lengthened by gabapentin and carbamazepine. Changes in peripheral motor excitability (maximum M wave, peripheral silent period) were not observed. We conclude that the changes in intracortical excitability are caused by GABA‐controlled interneuronal circuits in the motor cortex while changes in motor threshold are dependent on ion channel conductivity and may reflect membrane excitability. Transcranial magnetic stimulation may be a promising noninvasive approach to study the selective effects of antiepileptic drugs on brain function.

1. In seven normal subjects, subthreshold transcranial magnetic conditioning stimuli (using a figure‐of‐eight coil) were applied over the motor cortex in order to evoke activity in intracortical neuronal circuits. The net effect on cortical excitability was evaluated by measuring the effect on the size of EMG responses elicited in the abductor digiti minimi (ADM) muscle by a subsequent suprathreshold test stimulus. 2. A single conditioning stimulus suppressed the size of the test response at interstimulus intervals (ISIs) of 1‐4 ms whereas the response was facilitated at ISIs of 6‐20 ms. The facilitation could be augmented if pairs of conditioning stimuli were given. 3. Inhibition and facilitation appeared to have separate mechanisms. The threshold for inhibition (0.7 active motor threshold) was slightly lower than that for facilitation (0.8 active threshold). Similarly, the inhibitory effect was independent of the direction of current flow induced in the cortex by the conditioning shock, whereas facilitation was maximal with posterior‐anterior currents and minimal with lateromedial current. 4. Direct corticospinal effects were probably not responsible for the results since facilitation of cortical test responses could be produced by conditioning stimuli which had no effect on the amplitude of H reflexes elicited in active ADM muscle. 5. Inhibition and facilitation appeared to interact in a roughly linear manner, consistent with separate inputs to a common neurone. 6. We suggest that subthreshold transcranial magnetic stimulation is capable of activating separate populations of excitatory and inhibitory interneurones in the motor cortex.

Abstract Background The diagnostic and pathophysiological relevance of antibodies to aquaporin-4 (AQP4-Ab) in patients with neuromyelitis optica spectrum disorders (NMOSD) has been intensively studied. However, little is known so far about the clinical impact of AQP4-Ab seropositivity. Objective To analyse systematically the clinical and paraclinical features associated with NMO spectrum disorders in Caucasians in a stratified fashion according to the patients' AQP4-Ab serostatus. Methods Retrospective study of 175 Caucasian patients (AQP4-Ab positive in 78.3%). Results Seropositive patients were found to be predominantly female (p < 0.0003), to more often have signs of co-existing autoimmunity (p < 0.00001), and to experience more severe clinical attacks. A visual acuity of ≤ 0.1 during acute optic neuritis (ON) attacks was more frequent among seropositives (p < 0.002). Similarly, motor symptoms were more common in seropositive patients, the median Medical Research Council scale (MRC) grade worse, and MRC grades ≤ 2 more frequent, in particular if patients met the 2006 revised criteria (p < 0.005, p < 0.006 and p < 0.01, respectively), the total spinal cord lesion load was higher (p < 0.006), and lesions ≥ 6 vertebral segments as well as entire spinal cord involvement more frequent (p < 0.003 and p < 0.043). By contrast, bilateral ON at onset was more common in seronegatives (p < 0.007), as was simultaneous ON and myelitis (p < 0.001); accordingly, the time to diagnosis of NMO was shorter in the seronegative group (p < 0.029). The course of disease was more often monophasic in seronegatives (p < 0.008). Seropositives and seronegatives did not differ significantly with regard to age at onset, time to relapse, annualized relapse rates, outcome from relapse (complete, partial, no recovery), annualized EDSS increase, mortality rate, supratentorial brain lesions, brainstem lesions, history of carcinoma, frequency of preceding infections, oligoclonal bands, or CSF pleocytosis. Both the time to relapse and the time to diagnosis was longer if the disease started with ON (p < 0.002 and p < 0.013). Motor symptoms or tetraparesis at first myelitis and > 1 myelitis attacks in the first year were identified as possible predictors of a worse outcome. Conclusion This study provides an overview of the clinical and paraclinical features of NMOSD in Caucasians and demonstrates a number of distinct disease characteristics in seropositive and seronegative patients.

Learning may alter rapidly the output organization of adult motor cortex. It is a long-held hypothesis that modification of synaptic strength along cortical horizontal connections through long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) forms one important mechanism for learning-induced cortical plasticity. Strong evidence in favor of this hypothesis was provided for rat primary motor cortex (M1) by showing that motor learning reduced subsequent LTP but increased LTD. Whether a similar relationship exists in humans is unknown. Here, we induced LTP-like and LTD-like plasticity in the intact human M1 by an established paired associative stimulation (PAS) protocol. PAS consisted of 200 pairs of electrical stimulation of the right median nerve, followed by focal transcranial magnetic stimulation of the hand area of the left M1 at an interval equaling the individual N20 latency of the median nerve somatosensory-evoked cortical potential (PAS N20 ) or N20-5 msec (PAS N20-5 ). PAS N20 induced reproducibly a LTP-like long-lasting (>30 min) increase in motor-evoked potentials from the left M1 to a thumb abductor muscle of the right hand, whereas PAS N20-5 induced a LTD-like decrease. Repeated fastest possible thumb abduction movements resulted in learning, defined by an increase in maximum peak acceleration of the practiced movements, and prevented subsequent PAS N20 -induced LTP-like plasticity but enhanced subsequent PAS N20-5 -induced LTD-like plasticity. The same number of repeated slow thumb abduction movements did not result in learning and had no effects on PAS-induced plasticity. Findings support the view that learning in human M1 occurs through LTP-like mechanisms.

Paired transcranial magnetic stimulation has greatly advanced our understanding of the mechanisms which control excitability in human motor cortex. While it is clear that paired-pulse excitability depends on the exact interstimulus interval (ISI) between the first (S1) and second stimulus (S2), relatively little is known about the effects of the intensities of S1 and S2, and the effects of manipulating neurotransmission through the GABA(A) receptor. When recording the motor evoked potential (MEP) from the resting abductor digiti minimi (ADM) muscle, using a fixed ISI of 1.5 ms, and expressing the interaction between S1 and S2 as MEP(S1+S2)/(MEP(S1) + MEP(S2)), then a systematic variation of the intensities of S1 and S2 revealed short-interval intracortical facilitation (SICF) if S1 and S2 were approximately equal to MEP threshold (RMT), or if S1 > RMT and S2 < RMT. In contrast, short-interval intracortical inhibition (SICI) occurred if S1 < RMT and S2 > RMT. Contraction of the ADM left SICI unchanged but reduced SICF. The GABA(A) receptor agonist diazepam increased SICI and reduced SICF in the resting ADM while diazepam had no effect during ADM contraction. Surface EMG and single motor unit recordings revealed that during ADM contraction SICI onset was at the I3-wave latency of S2, whereas SICF typically "jumped up" by one I-wave and started with the I2-wave latency of S2. Findings suggest that SICI is mediated through a low-threshold GABA(A) receptor-dependent inhibitory pathway and summation of IPSP from S1 and EPSP from S2 at the corticospinal neurone. In contrast, SICF originates through non-synaptic facilitation at the initial axon segment of interneurones along a high-threshold excitatory pathway.

Motor practice may lead to expansion of trained representations in the motor cortex, but it is unknown whether this practice-dependent plasticity can be purposefully enhanced or depressed. Evidence, mainly based on animal experiments, indicates that the activity of GABA-related cortical inhibition is important in controlling the extent to which plasticity may occur. We tested the role of GABA in modulating practice-dependent plasticity in the human motor cortex. A decrease in GABA-related cortical inhibition was achieved by ischaemic nerve block (INB) in the hand by deafferentation/deefferentation and an increase was achieved by administration of the GABAA receptor agonist lorazepam. In Experiment 1, healthy subjects performed motor practice (MP), consisting of repeated ballistic contractions of the biceps muscle in the absence (MP alone) or presence of INB (MP+INB). Changes in the biceps motor cortex representation were assessed by transcranial magnetic stimulation (TMS). MP+INB resulted in a dramatic increase in the size of the motor evoked potential (MEP) and in paired-pulse excitability compared with mild or no changes in the MP-alone and INB-alone conditions. In Experiment 2, this dramatic increase in biceps representation induced by MP+INB was replicated when subjects were pretreated with placebo, but this increase was prevented or even switched to a decrease when subjects were pretreated with lorazepam. These findings indicate that a decrease in GABA-related inhibition facilitates practice-dependent plasticity in the human motor cortex, whereas an increase depresses it. In Experiment 3, practice-dependent plasticity (assessed by TMS, as in the first two experiments) was also tested at the behavioural level. The dramatic increase in biceps MEP size induced by MP+INB was paralleled by an increase in peak acceleration of the fastest elbow flexion movements. Similarly, the lack of change in MEP size in the MP-alone condition was paralleled by a lack of change in peak acceleration. We propose that changes in GABA activity may be instrumented to modulate plasticity purposefully; for instance, to enhance plastic change and recovery of function after a lesion in neurological patients.

Intracortical inhibition and facilitation in different representations of the human motor cortex. J. Neurophysiol. 80: 2870-2881, 1998. Intracortical inhibition (ICI) and intracortical facilitation (ICF) of the human motor cortex can be studied with paired transcranial magnetic stimulation (TMS). Plastic changes and some neurological disorders in humans are associated with changes in ICI and ICF. Although well characterized in the hand representation, it is not known if ICI and ICF vary across different body part representations. Therefore we studied ICI and ICF in different motor representations of the human motor cortex. The target muscles were rectus abdominus (RA), biceps brachii (BB), abductor pollicis brevis (APB), quadriceps femoris (QF), and abductor hallucis (AH). For each muscle, we measured the rest and active motor thresholds (MTs), the motor-evoked potential (MEP) stimulus-response curve (MEP recruitment), ICI, and ICF. The effects of different interstimulus intervals (ISIs) were studied with a conditioning stimulus (CS) intensity of 80% active MT. The effects of different CS intensities were studied at ISI of 2 ms for ICI and ISI of 15 ms for ICF. MT was lowest for APB, followed by BB, AH, and QF, and was highest for RA. Except for BB, MEP recruitment was generally steeper for muscles with lower MT. ICI and ICF were present in all the motor representations tested. The stimulus intensity necessary to elicit ICI was consistently lower than that required to elicit ICF, suggesting that they are mediated by separate mechanisms. Despite wide differences in MT and MEP recruitment, the absolute CS intensities (expressed as percentage of the stimulator's output) required to elicit ICI and ICF appear unrelated to MT and MEP recruitment in the different muscles tested. These findings suggest that the intracortical mechanisms for inhibition and facilitation in different motor representations are not related to the strength of corticospinal projections.