Exercise interventions in individuals with Parkinson's disease incorporate goal-based motor skill training to engage cognitive circuitry important in motor learning. With this exercise approach, physical therapy helps with learning through instruction and feedback (reinforcement) and encouragement to perform beyond self-perceived capability. Individuals with Parkinson's disease become more cognitively engaged with the practice and learning of movements and skills that were previously automatic and unconscious. Aerobic exercise, regarded as important for improvement of blood flow and facilitation of neuroplasticity in elderly people, might also have a role in improvement of behavioural function in individuals with Parkinson's disease. Exercises that incorporate goal-based training and aerobic activity have the potential to improve both cognitive and automatic components of motor control in individuals with mild to moderate disease through experience-dependent neuroplasticity. Basic research in animal models of Parkinson's disease is beginning to show exercise-induced neuroplastic effects at the level of synaptic connections and circuits.

Fisher BE, Wu AD, Salem GJ, Song J, Lin C-H, Yip J, Cen S, Gordon J, Jakowec M, Petzinger G. The effect of exercise training in improving motor performance and corticomotor excitability in people with early Parkinson's disease. Objectives To obtain preliminary data on the effects of high-intensity exercise on functional performance in people with Parkinson's disease (PD) relative to exercise at low and no intensity and to determine whether improved performance is accompanied by alterations in corticomotor excitability as measured through transcranial magnetic stimulation (TMS). Design Cohort (prospective), randomized controlled trial. Setting University-based clinical and research facilities. Participants Thirty people with PD, within 3 years of diagnosis with Hoehn and Yahr stage 1 or 2. Interventions Subjects were randomized to high-intensity exercise using body weight–supported treadmill training, low-intensity exercise, or a zero-intensity education group. Subjects in the 2 exercise groups completed 24 exercise sessions over 8 weeks. Subjects in the zero-intensity group completed 6 education classes over 8 weeks. Main Outcome Measures Unified Parkinson's Disease Rating Scales (UPDRS), biomechanic analysis of self-selected and fast walking and sit-to-stand tasks; corticomotor excitability was assessed with cortical silent period (CSP) durations in response to single-pulse TMS. Results A small improvement in total and motor UPDRS was observed in all groups. High-intensity group subjects showed postexercise increases in gait speed, step and stride length, and hip and ankle joint excursion during self-selected and fast gait and improved weight distribution during sit-to-stand tasks. Improvements in gait and sit-to-stand measures were not consistently observed in low- and zero-intensity groups. The high-intensity group showed lengthening in CSP. Conclusions The findings suggest the dose-dependent benefits of exercise and that high-intensity exercise can normalize corticomotor excitability in early PD.

Studies have suggested that there are beneficial effects of exercise in patients with Parkinson's disease, but the underlying molecular mechanisms responsible for these effects are poorly understood. Studies in rodent models provide a means to examine the effects of exercise on dopaminergic neurotransmission. Using intensive treadmill exercise, we determined changes in striatal dopamine in the 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP)-lesioned mouse. C57BL/6J mice were divided into four groups: (1) saline, (2) saline plus exercise, (3) MPTP, and (4) MPTP plus exercise. Exercise was started 5 d after MPTP lesioning and continued for 28 d. Treadmill running improved motor velocity in both exercise groups. All exercised animals also showed increased latency to fall (improved balance) using the accelerating rotarod compared with nonexercised mice. Using HPLC, we found no difference in striatal dopamine tissue levels between MPTP plus exercise compared with MPTP mice. There was an increase detected in saline plus exercise mice. Analyses using fast-scan cyclic voltammetry showed increased stimulus-evoked release and a decrease in decay of dopamine in the dorsal striatum of MPTP plus exercise mice only. Immunohistochemical staining analysis of striatal tyrosine hydroxylase and dopamine transporter proteins showed decreased expression in MPTP plus exercise mice compared with MPTP mice. There were no differences in mRNA transcript expression in midbrain dopaminergic neurons between these two groups. However, there was diminished transcript expression in saline plus exercise compared with saline mice. Our findings suggest that the benefits of treadmill exercise on motor performance may be accompanied by changes in dopaminergic neurotransmission that are different in the injured (MPTP-lesioned) compared with the noninjured (saline) nigrostriatal system.

We have previously demonstrated changes in dopaminergic neurotransmission after intensive exercise in the 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine-lesioned mouse model of Parkinson's disease (PD), including an increase in the dopamine D2 receptor (DA-D2R), using noninvasive PET imaging with the radioligand [18F]fallypride. The purpose of this feasibility and translational study was to examine whether intensive exercise leads to similar alterations in DA-D2R expression using PET imaging with [18F]fallypride in individuals with early-stage PD. In this pilot study, four patients with early-stage PD were randomized to receive intensive exercise (treadmill training sessions three times/week for 8 weeks) or no exercise. Two healthy age-matched individuals participated in treadmill training. Alterations in the DA-D2R binding potential (BP) as a marker for receptor expression were determined using PET imaging with [18F]fallypride. Turning performance in the patients with PD as a measure of postural control and the Unified Parkinson's Disease Rating Scale scores pre-exercise and postexercise were determined. Our data showed an exercise-induced increase in [18F]fallypride BP as well as improved postural control in patients with PD who exercised. Changes in DA-D2R BP were not observed in patients with PD who did not exercise. These results suggest that exercise can lead to neuroplasticity in dopaminergic signaling and contribute to improved function that may be task specific (postural control) in early-stage PD.

Abstract Monocarboxylate transporters (MCTs) shuttle molecules, including L-lactate, involved in metabolism and cell signaling of the central nervous system. Astrocyte-specific MCT4 is a key component of the astrocyte-neuron lactate shuttle (ANLS) and is important for neuroplasticity and learning of the hippocampus. However, the importance of astrocyte-specific MCT4 in neuroplasticity of the M1 primary motor cortex remains unknown. In this study, we investigated astrocyte-specific MCT4 in motor learning and neuroplasticity of the M1 primary motor cortex using a cell-type specific shRNA knockdown of MCT4. Knockdown of astrocyte-specific MCT4 resulted in impaired motor performance and learning on the accelerating rotarod. In addition, MCT4 knockdown was associated with a reduction of neuronal dendritic spine density and spine width and decreased protein expression of PSD95 and Arc. Using near-infrared-conjugated 2-deoxyglucose uptake as a surrogate marker for neuronal activity, MCT4 knockdown was also associated with decreased neuronal activity in the M1 primary motor cortex and associated motor regions including the dorsal striatum and ventral thalamus. Our study supports a potential role for astrocyte-specific MCT4 and the ANLS in the neuroplasticity of the M1 primary motor cortex. Targeting MCT4 may serve to enhance neuroplasticity and motor repair in several neurological disorders, including Parkinson’s disease and stroke.

Pathologic perivascular spaces (PVS), the fluid-filled compartments surrounding brain vasculature, may underlie cognitive decline in Parkinson's disease (PD). However, whether this impacts specific cognitive domains has not been investigated.

ABSTRACT The basal ganglia are important modulators of the cognitive and motor benefits of exercise. However, the neural networks underlying these benefits remain poorly understood. Our study systematically analyzed exercise-associated changes in functional connectivity in the cortico-basal ganglia-thalamic network during the performance of a new motor task, with regions-of-interest defined based on mesoscopic domains recently defined in the mouse brain structural connectome. Mice were trained on a motorized treadmill for six weeks or remained sedentary (control), thereafter undergoing [ 14 C]-2-deoxyglucose metabolic brain mapping during wheel walking. Regional cerebral glucose uptake (rCGU) was analyzed in 3-dimensional brains reconstructed from autoradiographic brain sections using statistical parametric mapping. Functional connectivity was assessed by inter-regional correlation of rCGU. Compared to controls, exercised animals showed broad decreases in rCGU in motor areas, but increases in limbic areas, as well as the visual and association cortices. In addition, exercised animals showed (i) increased positive connectivity within and between the motor cortex and caudoputamen (CP), (ii) newly emerged negative connectivity of the substantia nigra pars reticulata with the globus pallidus externus, and CP, and (iii) reduced functional connectivity of the prefrontal cortex (PFC). Increased functional connectivity in the motor circuit in the absence of increases in rCGU strongly suggests greater network efficiency, which is also supported by the reduced involvement of PFC-mediated cognitive control during the performance of a new motor task. Our study delineates exercise-associated changes in functional circuitry at the subregional level and provides a framework for understanding the effects of exercise on new motor learning.

L-lactate is an energetic and signaling molecule that is key to the metabolic and neuroplastic connection between astrocytes and neurons and may be involved in exercise-induced neuroplasticity. This study sought to explore the role of L-lactate in astrocyte reactivity and neuroplasticity. Using in vitro cultures of primary astrocytes, we show L-lactate increased expression of plasticity-related genes, including neurotrophic factors, Bdnf, Gdnf, Cntf and the immediate early gene cFos. L-lactate's promotion of neurotrophic factor expression may be mediated in part by the lactate receptor HCAR1 since application of the HCAR1 agonist 3,5-DHBA also increased expression of Bdnf in primary astrocytes. In vivo L-lactate administration to healthy mice caused a similar increase in the expression of plasticity-related genes as well as increased astrocyte morphological complexity in a region-specific manner, with increased astrocytic response found in the striatum but not the ectorhinal cortex, regions of the brain where increases in regional cerebral blood flow are increased or unaltered, respectively, with motor behavior. Additionally, L-lactate administration did not cause synaptogenesis or improve motor behavior based on the latency to fall on the accelerating rotarod, suggesting that L-lactate administration can initiate astrocyte-specific gene expression, but the activation of motor circuits is necessary to initiate striatal neuroplasticity. These results suggest that peripheral L-lactate is likely an important molecular component of exercise-induced neuroplasticity by acting in an astrocyte-specific manner to prime the brain for neuroplasticity.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Understanding the sequential progression of cognitive impairments in Parkinson's disease (PD) is crucial for elucidating neuropathological underpinnings, refining the assessment of PD-related cognitive decline stages and enhancing early identification for targeted interventions. The first aim of this study was to use an innovative event-based modeling (EBM) analytic approach to estimate the sequence of cognitive declines in PD. The second aim was to validate the EBM by examining associations with EBM-derived individual-specific estimates of cognitive decline severity and performance on independent cognitive screening measures.