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.