Plasticity of the interregional connectivity of the primary motor cortexa neurophysiological study by non-invasive brain stimulation

Resumen

ABSTRACT Background: The posterior parietal cortex is part of the cortical network involved in motor learning and is structurally and functionally connected with the primary motor cortex. Neuroplastic alterations of neuronal connectivity might be an important basis for learning processes. These have however not been explored for parieto-motor cortical connections in humans. Objective: We aimed to explore plastic alterations of parieto-motor cortical connections by transcranial direct current stimulation (tDCS) in healthy humans through four different experiments. Methods: In the first experiment, fourteen subjects received anodal and cathodal tDCS over the left posterior parietal cortex for 15 min (electrode position P3, stimulation intensity 0.5 mA, electrode size 15 cm2), six of them also received sham tDCS. In the second experiment, thirteen subjects received anodal, cathodal and sham tDCS over P3, and 3 cm posterior or lateral to P3 to explore spatial specificity of the effects. Subsequent neuroplastic changes of cortico-spinal excitability were monitored via motor evoked potentials (MEP) and Input-Output curve (I-O curve) elicited by single pulse transcranial magnetic stimulation (TMS). In the third experiment, fifteen subjects received anodal, cathodal and sham tDCS over P3, and short latency intracortical inhibition/intracortical facilitation (SICI/ICF) over the primary motor cortex were recorded before and after P3 tDCS. In the last experiment, parieto-motor short latency intracortical inhibition/intracortical facilitation (pmSICI/pmICF) were obtained via parieto-motor cortex TMS conducted by a paired-pulse twin coil TMS protocol before and after P3 tDCS. Results: The results show tDCS-induced polarity-dependent motor cortex excitability alterations primarily after tDCS over P3. Single pulse-TMS-elicited MEP, motor cortex SICI/ICF at 5-7ms and 10-15ms interstimulus intervals (ISIs), parieto-motor cortex intracortical excitability at 10-15 ms ISIs were enhanced by P3 anodal stimulation. Single pulse-TMS-elicited MEP, and parieto-motor cortex intracortical excitability at ISI 10-15 ms were reduced by parietal cathodal tDCS. Cortico-spinal excitability alterations lasted for at least 120 min after stimulation. Conclusion: These results show an effect of remote stimulation of parietal areas on primary motor cortex excitability. The spatial specificity of the effects as well as the impact on parieto-motor cortex connections are in accordance with an at least partially connectivity-driven effect. RESUMEN Antecedentes: La corteza parietal posterior es parte de la red cortical relacionada con el aprendizaje motor y está estructuralmente y funcionalmente conectada con la corteza motora primaria. Los cambios neuroplásticos de la conectividad neuronal entre estas dos estructuras podrían ser una base importante para el proceso de aprendizaje. Sin embargo, estos cambios entre las conexiones parieto-motoras no han sido explorados en humanos. Objetivos: El objetivo de esta investigación se centra en estudiar los cambios de las conexiones parieto-motoras, utilizando estimulación con corriente directa transcraneal (tDCS) en humanos sanos, mediante cuatro diferentes experimentos. Métodos: En el primer experimento se utilizó una muestra de 14 participantes, quienes recibieron tDCS anodal y catodal sobre la corteza parietal posterior (P3) por un periodo de 15 minutos, a una intensidad de 0.5 mA, utilizando un electrodo de 15 cm2. Además, seis de ellos formaron el grupo control, quienes recibieron falsa estimulación. En el segundo experimento, 13 participantes recibieron tDCS anodal, catodal y falsa estimulación sobre P3, y 3 cm posterior o lateral a P3 con el fin de explorar la especificidad espacial de los efectos. Los cambios neuroplásticos de la excitabilidad cortico-espinal subsecuentes se monitorizaron a través del registro de los potenciales evocados motores (MEP) inducidos mediante estimulación magnética transcraneal (TMS) de pulsos simples. En el tercer experimento, 15 participantes recibieron tDCS anodal, catodal y falsa estimulación sobre P3. Se registró la inhibición intracortical de intervalo corto y la facilitación intracortical (SICI/ICF) de la corteza motora primaria mediante TMS, antes y después de P3 tDCS. En el último experimento se registró la inhibición intracortical de intervalo corto/facilitación intracortical parieto-motora (pmSICI/pmICF), mediante parieto-motor TMS utilizando un protocolo de TMS de doble bobina con pulsos pareados, antes y después de P3 tDCS. Resultados: Los resultados muestran alteraciones de la excitabilidad de la corteza motora dependientes de la polaridad inducidas mediante tDCS, después de la aplicación de tDCS sobre P3. Los MEPs inducidos mediante TMS de pulsos simples, la SICI/ICF de la corteza motora a los 5-7 ms y 10-15 ms intervalos inter estímulos (ISIs), y la excitabilidad intracortical parieto motora a los 10-15 ms ISIs aumentaron tras anodal sobre P3. Los MEPs inducidos mediante TMS de pulsos simples, y la excitabilidad intracortical parieto-motora a los 10-15 ms ISIs se redujeron mediante corriente catodal tDCS. Las modificaciones de la excitabilidad cortico-espinal tuvieron una duración de hasta 120 minutos después de la estimulación. Conclusiones: Estos resultados muestran un efecto de estimulación a distancia de las zonas parietales sobre la excitabilidad de la corteza motora primaria. La especificidad espacial de los efectos, así como el impacto en las conexiones de la corteza parietal-motora son compatibles, al menos parcialmente, con un efecto derivado de la conectividad cortical.