ABSTRACT Visual motion discrimination involves reciprocal interactions in the alpha band between the primary visual cortex (V1) and the mediotemporal area (V5/MT). We investigated whether modulating alpha phase synchronization using individualized multisite transcranial alternating current stimulation (tACS) over V5 and V1 regions would improve motion discrimination. We tested 3 groups of healthy subjects: 1) an individualized In-Phase V1 alpha -V5 alpha tACS (0° lag) group, 2) an individualized Anti-Phase V1 alpha -V5 alpha tACS (180° lag) group and 3) a sham tACS group. Motion discrimination and EEG activity were compared before, during and after tACS. Performance significantly improved in the Anti-Phase group compared to that in the In-Phase group at 10 and 30 minutes after stimulation. This result could be explained by changes in bottom-up alpha-V1 gamma-V5 phase-amplitude coupling. Thus, Anti-Phase V1 alpha -V5 alpha tACS might impose an optimal phase lag between stimulation sites due to the inherent speed of wave propagation, hereby supporting optimized neuronal communication. IMPACT STATEMENT Alpha multisite (V1 and V5) tACS influences global motion discrimination and integration Phase-amplitude coupling is associated with visual performance Multisite Anti-Phase stimulation of strategic visual areas (V1 and V5) is associated with connectivity changes in the visual cortex and thus, associated with changes in direction acuity

Abstract Understanding the causal relationship between a focal lesion and network (re)organization is crucial to accurately predict the resulting large-scale symptoms of a lesion. In this study, we applied short trains of 10 Hz TMS to healthy participants over the early visual areas (EVA) or the medio-temporal area (hMT+/MT) during a motion discrimination task and at rest, while concurrent fMRI was acquired. TMS applied in the early stage of motion processing induced a specific deficit in judging motion direction in both sites, while global motion perception was preserved. This was associated with a common suppression of local brain activity and network activity. In contrast, we report distinct topological network properties depending on the disrupted site. Networks associated with EVA perturbation displayed a more robust and efficient functional reorganization, suggesting that EVA might be more resilient to focal perturbations. While contributing to a better understanding of the impact and potential mechanisms of TMS perturbation, these results provide a model for focal lesions in the visual motion processing system. Highlights TMS-induced perturbation of the early visual areas (EVA) or the mediotemporal area (hMT+/V5) area selectively impairs motion direction discrimination. The TMS perturbation is associated with a local down-scaling of BOLD activity in both areas, potentially specific to task-related neuronal populations during motion discrimination. The two visual areas display distinct topological networks’ adaptations in response to TMS, reflecting different levels of networks resilience to a focal lesion. TMS-fMRI coupling can be used to assess ‘disconnectomics’ and to precisely map how a local perturbation propagates to large-scale behavioural deficits. Graphical abstract

Abstract Cortico-cortical paired associative stimulation (ccPAS), which repeatedly pairs single pulse TMS over two distant brain regions with a specific time interval, is thought to modulate synaptic plasticity. Applied to the motion cortical pathway, ccPAS has been shown to improve motion discrimination when specifically targeting backward projections, stimulating the medio-temporal area (MT) followed by the primary visual cortex (V1). However, there is no direct neuroimaging evidence of the spatial selectivity of the ccPAS effects (i.e., pathway or direction specificity) or detailing the exact nature of the ccPAS effects (i.e., the oscillatory signature, timing…). In this study, we applied ccPAS along the motion discrimination pathway, in the top-down direction (MT-to-V1: “Backward ccPAS”) and in the bottom-up direction (V1-to-MT: “Forward ccPAS”) in sixteen healthy volunteers and compared changes in visual network activity in response to single pulse TMS over V1 and MT using spectral granger causality (sGC). The sGC results showed common increases in direct V1-to-MT and V1-to-IPS bottom-up inputs in the high Beta/low Gamma band (25-40 Hz) for both ccPAS, probably reflecting task exposure. However, a clear distinction in information transfer occurred in the re-entrant MT-to-V1 signals, which were only modulated by Backward ccPAS. This difference was predictive of the behavioural improvements at the motion discrimination task. Our results support the view of the possibility to specifically enhance re-entrant Alpha oscillatory signals from MT-to-V1 to promote motion discrimination performance through Backward ccPAS. These findings contribute to better understanding visual processing in healthy subjects and how it can be modulated to pave the way to clinical translation in vision handicapped patients. The changes in re-entrant MT-to-V1 inputs could help to provide single-subject prediction scenarios in patients suffering from a visual system stroke, in whom visual recovery might partly rely on the top-down inputs to the spared V1 neurons.

Training and immobilization are powerful drivers of use-dependent plasticity in human primary motor hand area (M1HAND). Here we used transcranial magnetic stimulation to clarify how training and immobilisation of a single finger interact within M1HAND. Healthy volunteers trained to track a moving target with a finger for one week. The tracking skill acquired with the trained finger was transferred to a non-trained finger of the same hand. The cortical representations of the trained and non-trained finger muscle converged in proportion with skill transfer. Finger immobilisation alone attenuated the corticomotor representation and preexisting tracking skill of the immobilized finger. The detrimental effects of finger immobilization were blocked by concurrent training of the non-immobilized finger. Conversely, immobilization of the non-trained fingers accelerated learning during the first two days of training. The results provide novel insight into usedependent cortical plasticity, revealing synergistic rather than competitive interaction patterns within M1HAND.

Reorganization of the sensorimotor cortex following amputation and other interventions has revealed large-scale plastic changes between the hand and face representations. To investigate whether hand-face interactions are also present in the normal state of the system we measured sensorimotor interactions between these two areas using an afferent inhibition transcranial magnetic stimulation (TMS) protocol in which the TMS motor evoked potential (MEP) is inhibited when it is preceded by an afferent stimulus. We hypothesized that if hand-face interactions exist in the normal state of the system then stimulation of the face would inhibit hand MEPs. In two separate experiments we delivered an electrocutaneous stimulus to either the right upper lip (Experiment 1) or right cheek (Experiment 2) and recorded muscular activity from the right first dorsal interosseous (FDI). Both lip and cheek stimulation inhibited FDI MEPs. To investigate the specificity of this effect we conducted two additional experiments in which cutaneous stimulation was applied to either the right forearm (Experiment 3) or right arm (Experiment 4). Neither forearm nor arm stimulation inhibited FDI MEPs. These data provide the first evidence for face-to-hand afferent inhibition and we suggest that the mechanisms underlying these sensorimotor interactions could contribute to face/hand interactions observed following sensorimotor reorganisation.