While reducing the burden of brain disorders remains a top priority of organizations like the World Health Organization and National Institutes of Health (BRAIN, 2013), the development of novel, safe and effective treatments for brain disorders has been slow. In this paper, we describe the state of the science for an emerging technology, real time functional magnetic resonance imaging (rtfMRI) neurofeedback, in clinical neurotherapeutics. We review the scientific potential of rtfMRI and outline research strategies to optimize the development and application of rtfMRI neurofeedback as a next generation therapeutic tool. We propose that rtfMRI can be used to address a broad range of clinical problems by improving our understanding of brain-behavior relationships in order to develop more specific and effective interventions for individuals with brain disorders. We focus on the use of rtfMRI neurofeedback as a clinical neurotherapeutic tool to drive plasticity in brain function, cognition, and behavior. Our overall goal is for rtfMRI to advance personalized assessment and intervention approaches to enhance resilience and reduce morbidity by correcting maladaptive patterns of brain function in those with brain disorders.

Abstract Persistent sensorimotor impairments after stroke can negatively impact quality of life. The hippocampus is involved in sensorimotor behavior but has not been widely studied within the context of post-stroke upper limb sensorimotor impairment. The hippocampus is vulnerable to secondary degeneration after stroke, and damage to this region could further weaken sensorimotor circuits, leading to greater chronic sensorimotor impairment. The purpose of this study was to investigate the cross-sectional association between non-lesioned hippocampal volume and upper limb sensorimotor impairment in people with chronic stroke. We hypothesized that smaller ipsilesional hippocampal volumes would be associated with worse upper-limb sensorimotor impairment. Cross-sectional T1-weighted brain MRIs were pooled from 357 participants at the chronic stage after stroke (>180 days post-stroke) compiled from 18 research cohorts worldwide in the ENIGMA Stroke Recovery Working Group (age: median = 61 years, interquartile range = 18, range = 23-93; 135 women and 222 men). Sensorimotor impairment was estimated from the Fugl-Meyer Assessment of Upper Extremity scores. Robust mixed-effects linear models were used to test associations between post-stroke sensorimotor impairment and hippocampal volumes (ipsilesional and contralesional separately; Bonferroni-corrected, p - value < 0.025), controlling for age, sex, lesion volume, and lesioned hemisphere. We also performed an exploratory analysis to test whether sex differences influence the relationship between sensorimotor impairment and hippocampal volume. Upper limb sensorimotor impairment was positively associated with ipsilesional ( p = 0.005; d = 0.33) but not contralesional ( p = 0.96; d = 0.01) hippocampal volume, such that impairment was worse for participants with smaller ipsilesional hippocampal volume. This association remained significant independent of lesion volume or other covariates ( p = 0.001; d = 0.36). Evidence indicates an interaction between sensorimotor impairment and sex for both ipsilesional ( p = 0.008; d = −0.29) and contralesional ( p = 0.006; d = −0.30) hippocampal volumes, whereby women showed progressively worsening sensorimotor impairment with smaller hippocampal volumes compared to men. The present study has identified a novel association between chronic post-stroke sensorimotor impairment and ipsilesional, but not contralesional, hippocampal volume. This finding was not due to lesion size and may be stronger in women. We also provide supporting evidence that smaller hippocampal volume post-stroke is likely a consequence of ipsilesional damage, which could provide a link between vascular disease and other disorders, such as dementia.

Abstract Sensorimotor performance after stroke is strongly related to focal injury measures such as corticospinal tract lesion load. However, the role of global brain health is less clear. Here, we examined the impact of brain age, a measure of neurobiological aging derived from whole brain structural neuroimaging, on sensorimotor outcomes. We hypothesized that stroke lesion damage would result in older brain age, which would in turn be associated with poorer sensorimotor outcomes. We also expected that brain age would mediate the impact of lesion damage on sensorimotor outcomes and that these relationships would be driven by post-stroke secondary atrophy (e.g., strongest in the ipsilesional hemisphere in chronic stroke). We further hypothesized that structural brain resilience, which we define in the context of stroke as the brain’s ability to maintain its global integrity despite focal lesion damage, would differentiate people with better versus worse outcomes. We analyzed cross-sectional high-resolution brain MRI and outcomes data from 963 people with stroke from 38 cohorts worldwide using robust linear mixed-effects regressions to examine the relationship between sensorimotor behavior, lesion damage, and brain age. We used a mediation analysis to examine whether brain age mediates the impact of lesion damage on stroke outcomes and if associations are driven by ipsilesional measures in chronic (≥180 days) stroke. We assessed the impact of brain resilience on sensorimotor outcome using logistic regression with propensity score matching on lesion damage. Stroke lesion damage was associated with older brain age, which in turn was associated with poorer sensorimotor outcomes. Brain age mediated the impact of corticospinal tract lesion load on sensorimotor outcomes most strongly in the ipsilesional hemisphere in chronic stroke. Greater brain resilience, as indexed by younger brain age, explained why people have better versus worse sensorimotor outcomes when lesion damage was fixed. We present novel evidence that global brain health is associated with superior post-stroke sensorimotor outcomes and modifies the impact of focal damage. This relationship appears to be due to post-stroke secondary degeneration. Brain resilience provides insight into why some people have better outcomes after stroke, despite similar amounts of focal injury. Inclusion of imaging-based assessments of global brain health may improve prediction of post-stroke sensorimotor outcomes compared to focal injury measures alone. This investigation is important because it introduces the potential to apply novel therapeutic interventions to prevent or slow brain aging from other fields (e.g., Alzheimer’s disease) to stroke.