Deep brain stimulation (DBS) is a brain circuit intervention that can modulate distinct neural pathways for the alleviation of neurological symptoms in patients with brain disorders. In Parkinson's disease, subthalamic DBS clinically mimics the effect of dopaminergic drug treatment, but the shared pathway mechanisms on cortex-basal ganglia networks are unknown. To address this critical knowledge gap, we combined fully-invasive neural multisite recordings in patients undergoing DBS surgery with MRI-based whole-brain connectomics. Our findings demonstrate that dopamine and DBS exert distinct mesoscale effects through modulation of local neural population synchrony. In contrast, at the macroscale, DBS mimics dopamine in its suppression of excessive interregional network synchrony associated with indirect and hyperdirect cortex-basal ganglia pathways. Our results provide a better understanding of the circuit mechanisms of dopamine and DBS, laying the foundation for advanced closed-loop neurostimulation therapies.

The ability to initiate movement is fundamental to human behavior. Loss of dopaminergic neurons in Parkinson9s disease (PD) is associated with impaired movement initiation, also termed akinesia. Dopamine and subthalamic deep brain stimulation (DBS) can alleviate akinesia, but the underlying mechanisms are unknown. We recorded invasive neural activity from both sensorimotor cortex and subthalamic nucleus (STN) in 25 PD patients performing self-initiated movements. Readiness potentials and brain signal decoding revealed long latencies between the neural representation of motor intention and execution. Dopamine and STN-DBS shortened these latencies, while shifting directional cortico-subthalamic oscillatory coupling from antikinetic beta (13-35 Hz) to prokinetic theta (4-10 Hz) rhythms. Our study highlights a key role for dopamine and basal ganglia in the evolution of preparatory brain signals and encoding of motor intention. It further reveals a therapeutic mechanism for acceleration of action initiation through modulation of pathological synchrony that may be leveraged with closed-loop neurostimulation.

Abstract Voluntary movements are usually preceded by a slow, negative-going brain signal over motor areas, the so-called readiness potential (RP). To date, the exact nature and causal role of the RP in movement preparation have remained heavily debated. One important open question is whether people can exert conscious control over their RP, for example by learning to suppress it. If people were able to initiate spontaneous movements without eliciting an RP, this would challenge the idea that the RP is a necessary stage of the causal chain leading up to a voluntary movement. We tested the ability of participants to control the magnitude of their RP in a neurofeedback experiment. Participants performed self-initiated movements and after every movement they were provided with immediate feedback about the magnitude of their RP. They were asked to find a mental strategy to perform voluntary movements such that the RPs were as small as possible. We found no evidence that participants were able to to willfully modulate or suppress their RPs while still eliciting voluntary movements. This suggests that the RP might be an involuntary component of voluntary action over which people cannot exert conscious control.