Abstract

 It has been 30 years since the discovery that repeated electrical stimulation of neural pathways can lead to long-term potentiation in hippocampal slices. With its relevance to processes such as learning and memory, the technique has produced a vast literature on mechanisms of synaptic plasticity in animal models. To date, the most promising method for transferring these methods to humans is repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS), a noninvasive method of stimulating neural pathways in the brain of conscious subjects through the intact scalp. However, effects on synaptic plasticity reported are often weak, highly variable between individuals, and rarely last longer than 30 min. Here we describe a very rapid method of conditioning the human motor cortex using rTMS that produces a controllable, consistent, long-lasting, and powerful effect on motor cortex physiology and behavior after an application period of only 20–190 s.

1. In ten normal volunteers, a transcranial magnetic or electric stimulus that was subthreshold for evoking an EMG response in relaxed muscles was used to condition responses evoked by a later, suprathreshold magnetic or electric test shock. In most experiments the test stimulus was given to the lateral part of the motor strip in order to evoke EMG responses in the first dorsal interosseous muscle (FDI). 2. A magnetic conditioning stimulus over the hand area of cortex could suppress responses produced in the relaxed FDI by a suprathreshold magnetic test stimulus at interstimulus intervals of 1‐6 ms. At interstimulus intervals of 10 and 15 ms, the test response was facilitated. 3. Using a focal magnetic stimulus we explored the effects of moving the conditioning stimulus to different scalp locations while maintaining the magnetic test coil at one site. If the conditioning coil was moved anterior or posterior to the motor strip there was less suppression of test responses in the FDI. In contrast, stimulation at the vertex could suppress FDI responses by an amount comparable to that seen with stimulation over the hand area. With the positions of the two coils reversed, conditioning stimuli over the hand area suppressed responses evoked in leg muscles by vertex test shocks. 4. The intensity of both conditioning and test shocks influenced the amount of suppression. Small test responses were more readily suppressed than large responses. The best suppression was seen with small conditioning stimuli (0.7‐0.9 times motor threshold in relaxed muscle); increasing the intensity to motor threshold or above resulted in less suppression or even facilitation. 5. Two experiments suggested that the suppression was produced by an action on cortical, rather than spinal excitability. First, a magnetic conditioning stimulus over the hand area failed to produce any suppression of responses evoked in active hand muscles by a small (approximately 200 V, 50 microsecond time constant) anodal electric test shock. Second, a vertex conditioning shock had no effect on forearm flexor H reflexes even though responses in the same muscles produced by magnetic cortical test shocks were readily suppressed at appropriate interstimulus intervals. 6. Small anodal electric conditioning stimuli were much less effective in suppressing magnetic test responses than either magnetic or cathodal electric conditioning shocks.(ABSTRACT TRUNCATED AT 400 WORDS)

1. Using two magnetic stimulators, we investigated the effect of a conditioning magnetic stimulus over the motor cortex of one hemisphere on the size of EMG responses evoked in the first dorsal interosseous (FDI) muscle by a magnetic test stimulus given over the opposite hemisphere. 2. A single conditioning shock to one hemisphere produced inhibition of the test response evoked from the opposite hemisphere when the conditioning-test interval was 5-6 ms or longer. We shall refer to this as interhemispheric inhibition. However, the minimum latency of inhibition observed using surface EMG responses may have underestimated the true interhemispheric conduction time. Single motor unit studies suggested values 4-7 ms longer than the minimum interval observed with surface EMG. 3. Interhemispheric inhibition was seen when the test muscle was active or relaxed. Increasing the intensity of the conditioning stimulus increased the duration of inhibition: increasing the intensity of the test stimulus reduced the depth of inhibition. 4. The conditioning coil had to be placed on the appropriate area of scalp for inhibition to occur. The effect of the conditioning stimulus was maximal when it was applied over the hand area of motor cortex, and decreased when the stimulus was moved medial or lateral to that point. 5. The inhibitory effect on the test stimulus probably occurred at the level of the cerebral cortex. In contrast to the inhibition of test responses evoked by magnetic test stimuli, test responses evoked in active FDI by a small anodal electric shock were not significantly inhibited by a contralateral magnetic conditioning stimulus. Similarly, H reflexes in relaxed forearm flexor muscles were unaffected by conditioning stimuli to the ipsilateral hemisphere. However, inhibition was observed if the experiment was repeated with the muscles active.

Neural transplantation can restore striatal dopaminergic neurotransmission in animal models of Parkinson's disease. It has now been shown that mesencephalic dopamine neurons, obtained from human fetuses of 8 to 9 weeks gestational age, can survive in the human brain and produce marked and sustained symptomatic relief in a patient severely affected with idiopathic Parkinson's disease. The grafts, which were implanted unilaterally into the putamen by stereotactic surgery, restored dopamine synthesis and storage in the grafted area, as assessed by positron emission tomography with 6-L-[ 18 F]fluorodopa. This neurochemical change was accompanied by a therapeutically significant reduction in the patient's severe rigidity and bradykinesia and a marked diminuation of the fluctuations in the patient's condition during optimum medication (the "on-off" phenomenon). The clinical improvement was most marked on the side contralateral to the transplant.

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.

1. The effects of different forms of brain stimulation on the discharge pattern of single motor units were examined using the post‐stimulus time histogram (PSTH) technique and by recording the compound surface electromyographic (EMG) responses in the first dorsal interosseous (FDI) muscle. Electrical and magnetic methods were used to stimulate the brain through the intact scalp of seven normal subjects. Electrical stimuli were applied either with the anode over the lateral central scalp and the cathode at the vertex (anodal stimulation) or with the anode at the vertex and the cathode lateral (cathodal stimulation). Magnetic stimulation used a 9 cm diameter coil centred at the vertex; current in the coil flowed either clockwise or anticlockwise when viewed from above. 2. Supramotor threshold stimuli produced one or more narrow (less than 2 ms) peaks of increased firing in the PSTH of all thirty‐two units studied. Anodal stimulation always produced an early peak. The latencies of the peaks produced by other forms of stimulation, or by high intensities of anodal stimulation, were grouped into four time bands relative to this early peak, at intervals of ‐0.5 to 0.5, 1‐2, 2.5‐3.5 and 4‐5.5 ms later. Peaks occurring within these intervals are referred to as P0 (the earliest anodal), P1, P2 and P3 respectively. 3. At threshold, anodal stimulation evoked only the P0 peak; at higher intensities, the P2 or more commonly the P3 peak also was recruited. The size of the P0 peak appeared to saturate at high intensities. 4. In five of six subjects, cathodal stimulation behaved like anodal stimulation, except that there was a lower threshold for recruitment of the P2 or P3 peak relative to that of the P0 peak. In the other subject, the P3 peak was recruited before the P0 peak. 5. Anticlockwise magnetic [corrected] stimulation, at threshold, often produced several peaks. These always included a P1 peak, and usually a P3 peak. A P0 peak in the PSTH was never produced by an anticlockwise stimulation [corrected] at intensities which we could explore with the technique. 6. Clockwise magnetic [corrected] stimulation never recruited a P1 peak; in most subjects a P3 peak was recruited first and at higher intensities was accompanied by P0 or P2 peaks. 7. On most occasions when more than one peak was observed in a PSTH, the unit fired in only one of the preferred intervals after each shock. However, double firing was seen in five units when high intensities of stimulation were used.(ABSTRACT TRUNCATED AT 400 WORDS)

We have studied manual motor function in a man deafferented by a severe peripheral sensory neuropathy. Motor power was almost unaffected. Our patient could produce a very wide range of preprogrammed finger movements with remarkable accuracy, involving complex muscle synergies of the hand and forearm muscles. He could perform individual finger movements and outline figures in the air with his eyes closed. He had normal pre- and postmovement EEG potentials, and showed the normal bi/triphasic pattern of muscle activation in agonist and antagonist muscles during fast limb movements. He could also move his thumb accurately through three different distances at three different speeds, and could produce three different levels of force at his thumb pad when required. Although he could not judge the weights of objects placed in his hands without vision, he was able to match forces applied by the experimenter to the pad of each thumb if he was given a minimal indication of thumb movement. Despite his success with these laboratory tasks, his hands were relatively useless to him in daily life. He was unable to grasp a pen and write, to fasten his shirt buttons or to hold a cup in one hand. Part of his difficulty lay in the absence of any automatic reflex correction in his voluntary movements, and also to an inability to sustain constant levels of muscle contraction without visual feedback over periods of more than one or two seconds. He was also unable to maintain long sequences of simple motor programmes without vision.

Abstract Transcranial direct current stimulation (tDCS) of the primary motor hand area (M1) can produce lasting polarity‐specific effects on corticospinal excitability and motor learning in humans. In 16 healthy volunteers, O positron emission tomography (PET) of regional cerebral blood flow (rCBF) at rest and during finger movements was used to map lasting changes in regional synaptic activity following 10 min of tDCS (± 1 mA). Bipolar tDCS was given through electrodes placed over the left M1 and right frontopolar cortex. Eight subjects received anodal or cathodal tDCS of the left M1, respectively. When compared to sham tDCS, anodal and cathodal tDCS induced widespread increases and decreases in rCBF in cortical and subcortical areas. These changes in rCBF were of the same magnitude as task‐related rCBF changes during finger movements and remained stable throughout the 50‐min period of PET scanning. Relative increases in rCBF after real tDCS compared to sham tDCS were found in the left M1, right frontal pole, right primary sensorimotor cortex and posterior brain regions irrespective of polarity. With the exception of some posterior and ventral areas, anodal tDCS increased rCBF in many cortical and subcortical regions compared to cathodal tDCS. Only the left dorsal premotor cortex demonstrated an increase in movement related activity after cathodal tDCS, however, modest compared with the relatively strong movement‐independent effects of tDCS. Otherwise, movement related activity was unaffected by tDCS. Our results indicate that tDCS is an effective means of provoking sustained and widespread changes in regional neuronal activity. The extensive spatial and temporal effects of tDCS need to be taken into account when tDCS is used to modify brain function.

Responses to a number of different plasticity-inducing brain stimulation protocols are highly variable. However there is little data available on the variability of response to transcranial direct current stimulation (TDCS).We tested the effects of TDCS over the motor cortex on corticospinal excitability. We also examined whether an individual's response could be predicted from measurements of onset latency of motor evoked potential (MEP) following stimulation with different orientations of monophasic transcranial magnetic stimulation (TMS).Fifty-three healthy subjects participated in a crossover-design. Baseline latency measurements with different coil orientations and MEPs were recorded from the first dorsal interosseous muscle prior to the application of 10 min of 2 mA TDCS (0.057 mA/cm2). Thirty MEPs were measured every 5 min for up to half an hour after the intervention to assess after-effects on corticospinal excitability.Anodal TDCS at 2 mA facilitated MEPs whereas there was no significant effect of 2 mA cathodal TDCS. A two-step cluster analysis suggested that approximately 50% individuals had only a minor, or no response to TDCS whereas the remainder had a facilitatory effect to both forms of stimulation. There was a significant correlation between the latency difference of MEPs (anterior-posterior stimulation minus latero-medial stimulation) and the response to anodal, but not cathodal TDCS.The large variability in response to these TDCS protocols is in line with similar studies using other forms of non-invasive brain stimulation. The effects highlight the need to develop more robust protocols, and understand the individual factors that determine responsiveness.

Objective: To induce prolonged motor cortical excitability reductions by transcranial direct current stimulation in the human. Methods: Cathodal direct current stimulation was applied transcranially to the hand area of the human primary motor cortex from 5 to 9 min in separate sessions in twelve healthy subjects. Cortico-spinal excitability was tested by single pulse transcranial magnetic stimulation. Transcranial electrical stimulation and H-reflexes were used to learn about the origin of the excitability changes. Neurone specific enolase was measured before and after the stimulation to prove the safety of the stimulation protocol. Results: Five and 7 min direct current stimulation resulted in motor cortical excitability reductions, which lasted for minutes after the end of stimulation, 9 min stimulation induced after-effects for up to an hour after the end of stimulation, as revealed by transcranial magnetic stimulation. Muscle evoked potentials elicited by transcranial electric stimulation and H-reflexes did not change. Neurone specific enolase concentrations remained stable throughout the experiments. Conclusions: Cathodal transcranial direct current stimulation is capable of inducing prolonged excitability reductions in the human motor cortex non-invasively. These changes are most probabely localised intracortically.