Modulation of preparatory volitional motor cortical activity by paired associative and repetitive transcranial magnetic stimulation in humans

Paired associative transcranial magnetic stimulation (PAS) has been shown to induce long-term potentiation (LTP)-like or long-term depression (LTD)-like change in excitability of human primary motor cortex (M1), as probed by motor evoked potential (MEP) amplitude. In contrast, little is known about PAS effects on volitional motor cortical activity. In the first experiment, we recorded movement related cortical potentials (MRCP) from 10 healthy subjects to index volitional motor cortical activity during preparation of simple thumb abduction (prime mover: abductor pollicis brevis, APB) or wrist extension movements (prime mover: extensor carpi radialis, ECR). PASLTP increased, PASLTD decreased, and PAScontrol did not change MEPAPB, while MEPECR, not targeted by PAS, remained unchanged in all PAS conditions. PASLTP decreased MRCP negativity during the late Bereitschaftspotential (-500 to 0 ms before movement onset), only in the APB task, and predominantly over central scalp electrodes contralateral to the thumb movements. This effect correlated negatively with the PASLTP induced increase in MEPAPB. PASLTD and PAScontrol did not affect MRCP amplitude. Findings indicate a specific interference of PAS with preparatory volitional motor cortical activity, suggestive of a net result caused by increased M1 excitability and disrupted effective connectivity between premotor areas and M1. Modulation of dorsolateral premotor cortex (PMd) by repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) changes corticospinal excitability in M1. The effects of PMd-rTMS on preparatory processes for volitional, sequential movement remain unclear. Contingent negative variation (CNV) represents preparatory processes of externally cued movements while Bereitschaftspotential (BP) represents those of internally triggered movements. Both were studied before and after PMd-rTMS in the second experiment. Three CNV recording sessions (total 243 trials) were acquired while the right-handed subjects were performing a two-item finger movement sequence based on visual instructions before and after left PMd-rTMS. 1 Hz and 5 Hz rTMS at intensity of 110% of active motor threshold were independently tested under individual MRI-navigated guide. BP was recorded using the same motor tasks without external cues. The mean amplitude of early and late component of the CNV (CNV1:1500-500 ms before the imperative go-signal (S2); CNV2: 500-0 ms before S2) and the BP (BP1: 1500-500 ms before EMG onset; BP2: 500-0 ms before EMG onset) were quantitatively compared for 25 central electrode positions. CNV2 showed significant facilitation over the frontal-central scalp area with slight predominance over the left hemisphere after 1 Hz PMd-rTMS but remained unchanged after 5 Hz PMd-rTMS. BP did not show any significant alterations after 1 Hz or 5 Hz PMd-rTMS. These findings suggest that the dominant PMd plays a more important function in preparation of externally cued than intrinsic movements. The CNV2 response may indicate an intensive interaction, probably based on a compensatory-like mechanism within the motor control network in humans.Gepaarte assoziative Magnetstimulation (PAS) kann im primären menschlichen Motorkortex (M1) sowohl langzeitpotenzierungs- (LTP) als auch langzeitdepressionsähnliche (LTD) Erregbarkeitsveränderungen hervorrufen. Dies kann durch die Untersuchung magnetisch evozierter Potentiale (MEP) erfasst werden. Dagegen ist wenig über die Auswirkungen von PAS auf willkürliche Aktivität des motorischen Kortex bekannt. Im ersten Experiment haben wir bewegungsabhängige kortikale Potentiale (MRCP) bei zehn gesunden Probanden im EEG registriert, um die willkürliche Aktivität im Motorkortex während der Vorbereitung zweier motorischer Aufgaben zu erfassen. Die Probanden mussten dabei entweder den Daumen abduzieren (Hauptmuskel: Musculus abductor pollicis brevis, APB) oder das Handgelenk strecken (Hauptmuskel: Musculus extensor carpi radialis, ECR). Die Amplituden der motorisch evozierten Potentiale im APB wurden dabei durch PASLTP gesteigert, durch PASLTD vermindert und blieben bei PAScontrol unverändert. Im Gegensatz dazu wurden sie im ECR durch keine PAS-Bedingungen verändert. PASLTP verminderte die Negativität der MRCP während des späten Bereitschaftspotentials (-500 bis 0 ms vor Bewegungsbeginn) nur in der APB-Aufgabe. Diese Veränderungen zeigten sich hauptsächlich über zentralen Elektroden kontralateral zur bewegten Hand. Dieser Effekt korrelierte negativ mit dem durch PASLTP induzierten MEP-Anstieg im APB. PASLTD und PAScontrol hatten dagegen keinen Einfluss auf die MRCP Amplituden. Unsere Ergebnisse deuten auf eine spezifische Wechselwirkung von PAS mit willkürlicher Aktivität im Motorkortex während der Vorbereitung motorischer Aufgaben hin. Dies könnte durch ein Zusammenspiel aus erhöhter Exzitabilität von M1 und einer unterbrochenen effektiven Konnektivität zwischen prämotorischen Arealen und M1 erklärt werden. Die Modulation des dorsolateralen prämotorischen Kortex (PMd) durch repetitive transkranielle Magnetstimulation (rTMS) verändert die kortikospinale Erregbarkeit in M1. Die Auswirkungen von PMd-rTMS auf vorbereitende Prozesse für willkürliche Bewegungsabläufe sind jedoch unklar. Contingent negative variation (CNV) repräsentiert im EEG kortikale Vorbereitungsprozesse äußerlich getriggerter Bewegungen während das Bereitschaftspotential (BP) Vorbereitungsprozesse intern getriggerter Bewegungen repräsentiert. Im zweiten Experiment wurden CNV und BP jeweils vor und nach PMd-rTMS untersucht. Das Experiment bestand aus drei CNV-Versuchsblöcken mit insgesamt 243 Durchgängen. Dabei mussten die Probanden auf visuelle Anweisung hin eine zwei-Item Finger-Bewegungssequenz durchführen. RTMS wurde sowohl mit 1 Hz als auch mit 5 Hz bei einer Intensität von 110% der aktiven motorischen Schwelle (AMT) unter individueller MR-Navigation appliziert. Die Erfassung des BP erfolgte während der Durchführung derselben motorischen Aufgaben, allerdings bekamen die Probanden keine Anweisungen. Die Durchschnittsamplituden der frühen und späten Komponente von CNV (CNV1:1500-500 ms vor dem Startsignal (S2); CNV: 500-0 ms vor S2) und der frühen und späten Komponente des BP (BP1: 1500-500 ms vor EMG Beginn; BP2: 500-0 ms vor EMG-Beginn) wurden quantitativ für 25 zentrale Elektrodenpositionen verglichen. CNV2 zeigte eine signifikante Bahnung über dem frontal-zentralen Bereich nach 1 Hz PMd-rTMS, blieb aber unverändert nach 5 Hz PMd-rTMS. CNV1, BP1 und BP2 blieben durch 1 Hz und 5 Hz PMd-rTMS unbeeinflusst. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass der dominante PMd eine wichtigere Rolle in der Vorbereitung extern getriggerter Bewegungen spielt, als dies bei intern getriggerten Bewegungen der Fall zu sein scheint. Die CNV2-Antwort könnte eine intensive Interaktion innerhalb des menschlichen motorischen Kontrollnetzwerks anzeigen, die möglicherweise auf kompensationsähnlichen Mechanismen beruht