ALTHOUGH phantom-limb pain is a frequent consequence of the amputation of an extremity, little is known about its origin1-4. On the basis of the demonstration of substantial plasticity of the somatosensory cortex after amputation5 or somatosensory deafferentation in adult monkeys6, it has been suggested that cortical reorganization could account for some non-painful phantom-limb phenomena in amputees and that cortical reorganization has an adaptive (that is, pain-preventing) function2,5,7,8. Theoretical and empirical work on chronic back pain9,10 has revealed a positive relationship between the amount of cortical alteration and the magnitude of pain, so we predicted that cortical reorganization and phantom-limb pain should be positively related. Using non-invasive neuromagnetic imaging techniques to determine cortical reorganization in humans11-13, we report a very strong direct relationship (r = 0.93) between the amount of cortical reorganization and the magnitude of phantom limb pain (but not non-painful phantom phenomena) experienced after arm amputation. These data indicate that phantom-limb pain is related to, and may be a consequence of, plastic changes in primary somatosensory cortex.

In most people the left hemisphere of the brain is dominant for language. Because of the increased incidence of atypical right-hemispheric language in left-handed neurological patients, a systematic association between handedness and dominance has long been suspected. To clarify the relationship between handedness and language dominance in healthy subjects, we measured lateralization directly by functional transcranial Doppler sonography in 326 healthy individuals using a word-generation task. The incidence of right-hemisphere language dominance was found to increase linearly with the degree of left-handedness, from 4% in strong right-handers (handedness = 100) to 15% in ambidextrous individuals and 27% in strong left-handers (handedness = -100). The relationship could be approximated by the formula: f1.gif" BORDER="0">. These results clearly demonstrate that the relationship between handedness and language dominance is not an artefact of cerebral pathology but a natural phenomenon.

Regular physical exercise improves cognitive functions and lowers the risk for age-related cognitive decline. Since little is known about the nature and the timing of the underlying mechanisms, we probed whether exercise also has immediate beneficial effects on cognition. Learning performance was assessed directly after high impact anaerobic sprints, low impact aerobic running, or a period of rest in 27 healthy subjects in a randomized cross-over design. Dependent variables comprised learning speed as well as immediate (1 week) and long-term (>8 months) overall success in acquiring a novel vocabulary. Peripheral levels of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and catecholamines (dopamine, epinephrine, norepinephrine) were assessed prior to and after the interventions as well as after learning. We found that vocabulary learning was 20 percent faster after intense physical exercise as compared to the other two conditions. This condition also elicited the strongest increases in BDNF and catecholamine levels. More sustained BDNF levels during learning after intense exercise were related to better short-term learning success, whereas absolute dopamine and epinephrine levels were related to better intermediate (dopamine) and long-term (epinephrine) retentions of the novel vocabulary. Thus, BDNF and two of the catecholamines seem to be mediators by which physical exercise improves learning.

Animal studies suggest that diets low in calories and rich in unsaturated fatty acids (UFA) are beneficial for cognitive function in age. Here, we tested in a prospective interventional design whether the same effects can be induced in humans. Fifty healthy, normal- to overweight elderly subjects (29 females, mean age 60.5 years, mean body mass index 28 kg/m 2 ) were stratified into 3 groups: ( i ) caloric restriction (30% reduction), ( ii ) relative increased intake of UFAs (20% increase, unchanged total fat), and ( iii ) control. Before and after 3 months of intervention, memory performance was assessed under standardized conditions. We found a significant increase in verbal memory scores after caloric restriction (mean increase 20%; P < 0.001), which was correlated with decreases in fasting plasma levels of insulin and high sensitive C-reactive protein, most pronounced in subjects with best adherence to the diet (all r values < −0.8; all P values <0.05). Levels of brain-derived neurotrophic factor remained unchanged. No significant memory changes were observed in the other 2 groups. This interventional trial demonstrates beneficial effects of caloric restriction on memory performance in healthy elderly subjects. Mechanisms underlying this improvement might include higher synaptic plasticity and stimulation of neurofacilitatory pathways in the brain because of improved insulin sensitivity and reduced inflammatory activity. Our study may help to generate novel prevention strategies to maintain cognitive functions into old age.

Our knowledge about the variability of cerebral language lateralization is derived from studies of patients with brain lesions and thus possible secondary reorganization of cerebral functions. In healthy right-handed subjects 'atypical', i.e. right hemisphere language dominance, has generally been assumed to be exceedingly rare. To test this assumption we measured language lateralization in 188 healthy subjects with moderate and strong right-handedness (59% females) by a new non-invasive, quantitative technique previously validated by direct comparison with the intracarotid amobarbital procedure. During a word generation task the averaged hemispheric perfusion differences within the territories of the middle cerebral arteries were determined. (i) The natural distribution of language lateralization was found to occur along a bimodal continuum. (ii) Lateralization was equivalent in men and women. (iii) Right hemisphere dominance was found in 7.5% of subjects. These findings indicate that atypical language dominance in healthy right-handed subjects of either sex is considerably more common than previously suspected.

Previous studies have suggested beneficial effects of physical activity on cognition. Here, we asked in an interventional approach if physical activity performed at different intensity levels would differentially affect episodic memory function. Additionally, we tried to identify mechanisms mediating these changes. Sixty-two healthy elderly individuals were assessed for level of physical activity, aerobic fitness, episodic memory score, neurotrophin and catecholamine levels, and received a magnetic resonance image of the brain at baseline and after a six months intervention of medium or low-intensity physical activity or control. Increase in total physical activity was positively associated with increase in memory score over the entire cohort, without significant differences between intensity groups. It was also positively associated with increases in local gray matter volume in prefrontal and cingulate cortex, and BDNF levels (trend). In conclusion, we showed that physical activity conveys the beneficial effects on memory function independently of its intensity, possibly mediated by local gray matter volume and neurotrophic factors. Our findings may carry significant implications for prevention of cognitive decline in the elderly.

MAGNETIC source imaging revealed that the topographic representation in the somatosensory cortex of the face area in upper extremity amputees was shifted an average of 1.5 cm toward the area that would normally receive input from the now absent nerves supplying the hand and fingers. Observed alterations provide evidence for extensive plastic reorganization in the adult human cortex following nervous system injury, but they are not a sufficient cause of the phantom phenomenon termed 'facial remapping'.

Abstract Anodal transcranial direct current stimulation (tDCS) is a reliable technique to improve motor learning. We here wanted to test its potential to enhance associative verbal learning, a skill crucial for both acquiring new languages in healthy individuals and for language reacquisition after stroke-induced aphasia. We applied tDCS (20 min, 1 mA) over the posterior part of the left peri-sylvian area of 19 young right-handed individuals while subjects acquired a miniature lexicon of 30 novel object names. Every subject participated in one session of anodal tDCS, one session of cathodal tDCS, and one sham session in a randomized and double-blinded design with three parallel versions of the miniature lexicon. Outcome measures were learning speed and learning success at the end of each session, and the transfer to the subjects' native language after the respective stimulation. With anodal stimulation, subjects showed faster and better associative learning as compared to sham stimulation. Mood ratings, reaction times, and response styles were comparable between stimulation conditions. Our results demonstrate that anodal tDCS is a promising technique to enhance language learning in healthy adults and may also have the potential to improve language reacquisition after stroke.

To determine whether atrial fibrillation (AF) in stroke-free patients is associated with impaired cognition and structural abnormalities of the brain. AF contributes to stroke and secondary cognitive decline. In the absence of manifest stroke, AF can activate coagulation and cause cerebral microembolism which could damage the brain. We cross-sectionally evaluated 122 stroke-free individuals with AF recruited locally within the German Competence Network on AF. As comparator, we recruited 563 individuals aged 37–84 years without AF from the same community. Subjects underwent 3 T magnetic resonance imaging to assess covert territorial brain infarction, white matter lesions, and brain volume measures. Subjects with evidence for stroke, dementia, or depression were excluded. Cognitive function was assessed by an extensive neuropsychological test battery covering the domains learning and memory, attention and executive functions, working memory, and visuospatial skills. Cognitive scores and radiographic measures were compared across individuals with and without AF by stepwise multiple regression models. Stroke-free individuals with AF performed significantly worse in tasks of learning and memory (ß = −0.115, P < 0.01) as well as attention and executive functions (ß = −0.105, P < 0.01) compared with subjects without AF. There was also a trend (P = 0.062) towards worse performance in learning and memory tasks in patients with chronic as compared with paroxysmal AF. Corresponding to the memory impairment, hippocampal volume was reduced in patients with AF. Other radiographic measures did not differ between groups. Even in the absence of manifest stroke, AF is a risk factor for cognitive impairment and hippocampal atrophy. Therefore, cognition and measures of structural brain integrity should be considered in the evaluation of novel treatments for AF.