Abstract Astronauts returning from spaceflight typically show transient declines in mobility and balance. These whole-body postural control behaviors have been investigated thoroughly, while study of the effects of spaceflight on other sensorimotor behaviors is prevalent. Here, we tested the effects of the spaceflight environment of microgravity on various sensorimotor and cognitive tasks during and after missions to the International Space Station (ISS). We obtained mobility (Functional Mobility Test), balance (Sensory Organization Test-5), bimanual coordination (bimanual Purdue Pegboard), cognitive-motor dual-tasking and various cognitive measures (Digit Symbol Substitution Test, Cube Rotation, Card Rotation, Rod and Frame Test) before, during and after 15 astronauts completed 6+ month missions aboard the ISS. We used linear mixed effect models to analyze performance changes due to entering the microgravity environment, behavioral adaptations aboard the ISS and subsequent recovery from microgravity. We identified declines in mobility and balance from pre- to post-flight, suggesting possible disruption and/or downweighting of vestibular inputs; these behaviors recovered to baseline levels within 30 days post-flight. We also identified bimanual coordination declines from pre- to post-flight and recovery to baseline levels within 30 days post-flight. There were no changes in dual-task performance during or following spaceflight. Cube rotation response time significantly improved from pre- to post-flight, suggestive of practice effects. There was a trend for better in-flight cube rotation performance on the ISS when crewmembers had their feet in foot loops on the “floor” throughout the task. This suggests that tactile inputs to the foot sole aided orientation. Overall, these results suggest that sensory reweighting due to the microgravity environment of spaceflight affected sensorimotor performance, while cognitive performance was maintained. A shift from exocentric (gravity) spatial references on Earth towards an egocentric spatial reference may also occur aboard the ISS. Upon return to Earth, microgravity adaptions become maladaptive for certain postural tasks, resulting in transient sensorimotor performance declines that recover within 30 days.

ABSTRACT Almost 25% of all older adults experience difficulty walking. Mobility difficulties for older adults are more pronounced when performing a simultaneous cognitive task while walking (i.e., dual task walking). Although it is known that aging results in widespread brain atrophy, few studies have integrated across more than one neuroimaging modality to comprehensively examine the structural neural correlates that may underly dual task walking in older age. We collected spatiotemporal gait data during single and dual task walking for 37 young (18-34 years) and 23 older adults (66-86 years). We also collected T 1 -weighted and diffusion-weighted MRI scans to determine how brain structure differs in older age and relates to dual task walking. We addressed two aims: 1) to characterize age differences in brain structure across a range of metrics including volumetric, surface, and white matter microstructure; and 2) to test for age group differences in the relationship between brain structure and the dual task cost (DTcost) of gait speed and variability. Key findings included widespread brain atrophy for the older adults, with the most pronounced age differences in brain regions related to sensorimotor processing. We also found multiple associations between regional brain atrophy and greater DTcost of gait speed and variability for the older adults. The older adults showed a relationship of both thinner temporal cortex and shallower sulcal depth in the frontal, sensorimotor, and parietal cortices with greater DTcost of gait. Additionally, the older adults showed a relationship of ventricular volume and superior longitudinal fasciculus free-water corrected axial and radial diffusivity with greater DTcost of gait. These relationships were not present for the young adults. Stepwise multiple regression found sulcal depth in the left precentral gyrus, axial diffusivity in the superior longitudinal fasciculus, and sex to best predict DTcost of gait speed, and cortical thickness in the superior temporal gyrus to best predict DTcost of gait variability for older adults. These results contribute to scientific understanding of how individual variations in brain structure are associated with mobility function in aging. This has implications for uncovering mechanisms of brain aging and for identifying target regions for mobility interventions for aging populations. CONTRIBUTION TO THE FIELD Older age is associated with poorer mobility, including difficulties in performing a cognitive task while walking (i.e., dual task walking). Our work contributes to the field by examining multimodal structural neuroimaging data to characterize how brain structure relates to dual task walking in young versus older adults. We extracted multiple indices from T 1 -weighted and diffusion-weighted magnetic resonance imaging (MRI) scans that describe morphological characteristics of brain gray matter, white matter, and cerebrospinal fluid. We analyzed MRI and gait data from 37 young (18-34 years) and 23 older (66-86 years) adults. We identified multiple relationships between regional brain atrophy and greater dual task costs (DTcosts) to gait, i.e., greater slowing of gait speed and greater increases in gait variability from single to dual task walking. Specifically, for the older adults only, thinner temporal cortex and shallower sulcal depth in the frontal, sensorimotor, and parietal cortices were associated with larger DTcosts to walking. Additionally, for the older adults only, ventricular volume and superior longitudinal fasciculus free-water corrected axial and radial diffusivity were associated with larger DTcosts. These findings illustrate that temporal, frontoparietal and sensorimotor brain structures are associated with walking DTcosts in older adults, highlighting potential targets for interventions.

Abstract Nearly 75% of older adults in the United States report balance problems. Balance difficulties are more pronounced during sensory feedback perturbation (e.g., standing with the eyes closed or on foam). Although it is known that aging results in widespread brain atrophy, less is known about how brain structure relates to balance performance under varied sensory conditions in older age. We measured postural sway of 36 young (18-34 years) and 22 older (66-84 years) adults during four conditions: eyes open, eyes closed, eyes open on foam, and eyes closed on foam. We calculated three summary measures indicating visual, proprioceptive, and vestibular contributions to balance. We also collected T 1 -weighted and diffusion-weighted anatomical MRI scans. We aimed to: 1) test for age group differences in brain structure-balance relationships across a range of structural brain measures (i.e., volumetric, surface, and white matter microstructure); and 2) assess how brain structure measures relate to balance, regardless of age. Across both age groups, thinner cortex in multisensory integration regions was associated with greater reliance on visual inputs for balance. Greater gyrification within sensorimotor and parietal cortices was associated with greater reliance on proprioceptive inputs for balance. Poorer vestibular function was correlated with thinner vestibular cortex, greater gyrification within sensorimotor, parietal, and frontal cortices, and lower free water-corrected axial diffusivity in the superior-posterior corona radiata and across the corpus callosum. These results contribute to our scientific understanding of how individual differences in brain structure relate to balance. This has implications for developing brain stimulation interventions to improve balance. Significance Statement Older age is associated with greater postural sway, particularly when sensory information is perturbed (e.g., by closing one’s eyes). Our work contributes to the field by identifying how individual differences in regional brain structure relate to balance under varying sensory conditions in young and older adults. Across both age groups, lower cortical thickness in sensory integration and vestibular regions, greater gyrification within sensorimotor, parietal, and temporal regions, and lower free water-corrected axial diffusivity in the corpus callosum and corona radiata were related to individual differences in balance scores. We identified brain structures that are associated with specific sensory balance scores; therefore, these results have implications for which brain regions to target in future interventions for different populations.

ABSTRACT Following long-duration spaceflight, some astronauts exhibit ophthalmic structural changes referred to as Spaceflight Associated Neuro-ocular Syndrome (SANS). Optic disc edema is a common sign of SANS. The origin and effects of SANS are not understood as signs of SANS have not manifested in previous spaceflight analog studies. In the current spaceflight analog study, eleven subjects underwent 30 days of strict head down-tilt bed rest in elevated ambient carbon dioxide (HDBR+CO 2 ). Using functional magnetic resonance imaging (fMRI), we acquired resting-state fMRI data at 6 time points: before (2), during (2), and after (2) the HDBR+CO 2 intervention. Five participants developed optic disc edema during the intervention (SANS subgroup) and 6 did not (NoSANS group). This occurrence allowed us to explore whether development of signs of SANS during the spaceflight analog impacted resting-state functional connectivity during HDBR+CO 2 . In light of previous work identifying genetic and biochemical predictors of SANS, we further assessed whether the SANS and NoSANS subgroups exhibited differential patterns of resting-state functional connectivity prior to the HDBR+CO 2 intervention. We found that the SANS and NoSANS subgroups exhibited distinct patterns of resting-state functional connectivity changes during HDBR+CO 2 within visual and vestibular-related brain networks. The SANS and NoSANS subgroups also exhibited different resting-state functional connectivity prior to HDBR+CO 2 within a visual cortical network and within a large-scale network of brain areas involved in multisensory integration. We further present associations between functional connectivity within the identified networks and previously identified genetic and biochemical predictors of SANS. Subgroup differences in resting-state functional connectivity changes may reflect differential patterns of visual and vestibular reweighting as optic disc edema develops during the spaceflight analog. This finding suggests that SANS impacts not only neuro-ocular structures, but also functional brain organization. Future prospective investigations incorporating sensory assessments are required to determine the functional significance of the observed connectivity differences. HIGHLIGHTS We investigated resting-state functional connectivity (FC) during a spaceflight analog with elevated CO 2 (HDBR+CO 2 ). During the HDBR+CO 2 intervention, a subset of participants developed optic disc edema, a sign of spaceflight-associated neuro-ocular syndrome (SANS). Participants with signs of SANS exhibited a distinct pattern of resting-state functional connectivity changes within visual and vestibular-related networks during HDBR+CO 2 . Participants who developed optic disc edema exhibited different FC prior to the spaceflight analog within a visual cortical network and within a large-scale network of brain areas involved in multisensory integration.

Abstract Dopamine signaling is thought to mediate reward-based learning. We tested for a role of dopamine in motor adaptation by administering the dopamine precursor levodopa to healthy participants in two experiments involving reaching movements. Levodopa has been shown to impair reward-based learning in cognitive tasks. Thus, we hypothesized that levodopa would selectively impair aspects of motor adaptation that depend on reinforcement of rewarding actions. In the first experiment, participants performed two separate tasks in which adaptation was driven either by visual error-based feedback of the hand position or binary reward feedback. We used EEG to measure event-related potentials evoked by task feedback. We hypothesized that levodopa would specifically diminish adaptation and the neural responses to feedback in the reward learning task. However, levodopa did not affect motor adaptation in either task nor did it diminish event-related potentials elicited by reward outcomes. In the second experiment, participants learned to compensate for mechanical force field perturbations applied to the hand during reaching. Previous exposure to a particular force field can result in savings during subsequent adaptation to the same force field or interference during adaptation to an opposite force field. We hypothesized that levodopa would diminish savings and anterograde interference, as previous work suggests that these phenomena result from a reinforcement learning process. However, we found no reliable effects of levodopa. These results suggest that reward-based motor adaptation, savings, and interference may not depend on the same dopaminergic mechanisms that have been shown to be disrupted by levodopa during various cognitive tasks. New and Noteworthy Motor adaptation relies on multiple processes including reinforcement of successful actions. Cognitive reinforcement learning is impaired by levodopa-induced disruption of dopamine function. We administered levodopa to healthy adults who participated in multiple motor adaptation tasks. We found no effects of levodopa on any component of motor adaptation. This suggests that motor adaptation may not depend on the same dopaminergic mechanisms as cognitive forms or reinforcement learning that have been shown to be impaired by levodopa.

ABSTRACT Spaceflight has numerous untoward effects on human physiology. Various countermeasures are under investigation including artificial gravity (AG). Here, we investigated whether AG alters resting-state brain functional connectivity changes during head-down tilt bed rest (HDBR), a spaceflight analog. Participants underwent 60 days of HDBR. Two groups received daily AG administered either continuously (cAG) or intermittently (iAG). A control group received no AG. We assessed resting-state functional connectivity before, during, and after HDBR. We also measured balance and mobility changes from pre-to post-HDBR. We examined how functional connectivity changes throughout HDBR and whether AG is associated with differential effects. We found differential connectivity changes by group between posterior parietal cortex and multiple somatosensory regions. The control group exhibited increased functional connectivity between these regions throughout HDBR whereas the cAG group showed decreased functional connectivity. This finding suggests that AG alters somatosensory reweighting during HDBR. We also observed brain-behavioral correlations that differed significantly by group. Control group participants who showed increased connectivity between the putamen and somatosensory cortex exhibited greater mobility declines post-HDBR. For the cAG group, increased connectivity between these regions was associated with little to no mobility declines post-HDBR. This suggests that when somatosensory stimulation is provided via AG, functional connectivity increases between the putamen and somatosensory cortex are compensatory in nature, resulting in reduced mobility declines. Given these findings, AG may be an effective countermeasure for the reduced somatosensory stimulation that occurs in both microgravity and HDBR.

ABSTRACT Astronauts are exposed to microgravity and elevated CO 2 levels onboard the International Space Station. Little is known about how microgravity and elevated CO 2 combine to affect the brain and sensorimotor performance during and after spaceflight. Here we examined changes in resting-state functional connectivity (FC) and sensorimotor behavior associated with a spaceflight analog environment. Participants underwent 30 days of strict 6 ° head-down tilt bed rest with elevated ambient CO 2 (HDBR+CO 2 ). Resting-state functional magnetic resonance imaging and sensorimotor assessments were collected 13 and 7 days prior to bed rest, on days 7 and 29 of bed rest, and 0, 5, 12, and 13 days following bed rest. We assessed the time course of FC changes from before, during, to after HDBR+CO 2 . We then compared the observed connectivity changes with those of a HDBR control group, which underwent HDBR in standard ambient air. Moreover, we assessed associations between post-HDBR+CO 2 FC changes and alterations in sensorimotor performance. HDBR+CO 2 was associated with significant changes in functional connectivity between vestibular, visual, somatosensory and motor brain areas. Several of these sensory and motor regions showed post-HDBR+CO 2 FC changes that were significantly associated with alterations in sensorimotor performance. We propose that these FC changes reflect multisensory reweighting associated with adaptation to the HDBR+CO 2 microgravity analog environment. This knowledge will further improve HDBR as a model of microgravity exposure and contribute to our knowledge of brain and performance changes during and after spaceflight.

Action observation can facilitate the acquisition of novel motor skills, however, there is considerable individual variability in the extent to which observation promotes motor learning. Here we tested the hypothesis that individual differences in brain function or structure can predict subsequent observation-related gains in motor learning. Subjects underwent an anatomical MRI scan and resting-state fMRI scans to assess pre-observation grey matter volume and pre- observation resting-state functional connectivity (FC), respectively. On the following day, subjects observed a video of a tutor adapting her reaches to a novel force field. After observation, subjects performed reaches in a force field as a behavioral assessment of gains in motor learning resulting from observation. We found that individual differences in resting-state FC, but not grey matter volume, predicted post-observation gains in motor learning. Pre-observation resting-state FC between left S1 and bilateral PMd, M1, S1 and left SPL was positively correlated with behavioral measures of post-observation motor learning. Sensory-motor resting-state FC can thus predict the extent to which observation will promote subsequent motor learning.

Abstract The microgravity environment results in transient changes in sensorimotor behavior upon astronauts’ return to Earth; the effects on behavior inflight are less understood. We examined whether adaptation to sensory conflict is disrupted in microgravity, suggesting competition for adaptive resources. We evaluated sensorimotor adaptation pre-, in-, and post-flight, as well as functional brain changes at pre- and post-flight, in astronauts participating in International Space Station missions. Astronauts (n = 13) performed this task pre- and four times post-flight within an MRI scanner and performed the task three times in microgravity during a 6-mo mission. We collected behavioral data from Earth-bound controls (n = 13) along the same timeline. Astronauts displayed no change in adaptation from pre- to inflight or following their return to Earth. They showed greater aftereffects of adaptation inflight; controls did not. Astronauts also displayed increased brain activity from pre- to post-flight. These increases did not return to baseline levels until 90 d post-flight. This pattern of brain activity may reflect compensation, allowing astronauts to maintain pre-flight performance levels. These findings indicate that microgravity does not alter short-term visuomotor adaptation; however, it does affect de-adaptation, and post-flight sensorimotor neural activation can take up to 90 d to return to pre-flight levels.

While many of our motor skills are acquired through physical practice, we can also learn how to make movements by observing others. For example, individuals can learn how to reach in novel dynamical environments ("force fields", FF) by observing the movements of a tutor. Previous neurophysiology and neuroimaging studies in humans suggest a role for the motor system in motor learning by observing. Here we tested the role of primary motor cortex (M1) in motor learning by observing. We used single-pulse transcranial magnetic stimulation (TMS) to elicit motor evoked potentials (MEPs) in right hand muscles at rest. MEPs were elicited before and after participants observed either a video adapting her reaches to a FF or a control video showing a tutor performing reaches in an unlearnable FF. We predicted that observing motor learning would increase M1 excitability to a greater extent than observing movements that did not involve learning. We found that observing FF learning increased MEP amplitudes recorded from right first dorsal interosseous (FDI) and right abductor pollicis brevis (APB) muscles. There were no changes in MEP amplitudes for control participants who observed a tutor performing reaches in an unlearnable, randomly varying FF. The observed MEP changes can thus be specifically linked to observing motor learning. These results are consistent with the idea that observing motor learning produces functional changes in M1, or corticospinal networks or both.