Monitoring cortical excitability during repetitive transcranial magnetic stimulation in children with ADHD: a single-blind, sham-controlled TMS-EEG study

Background: Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) allows non-invasive stimulation of the human brain. However, no suitable marker has yet been established to monitor the immediate rTMS effects on cortical areas in children. Objective: TMS-evoked EEG potentials (TEPs) could present a well-suited marker for real-time monitoring. Monitoring is particularly important in children where only few data about rTMS effects and safety are currently available. Methods: In a single-blind sham-controlled study, twenty-five school-aged children with ADHD received subthreshold 1 Hz-rTMS to the primary motor cortex. The TMS-evoked N100 was measured by 64-channel-EEG pre, during and post rTMS, and compared to sham stimulation as an intraindividual control condition. Results: TMS-evoked N100 amplitude decreased during 1 Hz-rTMS and, at the group level, reached a stable plateau after approximately 500 pulses. N100 amplitude to supra-threshold single pulses post rTMS confirmed the amplitude reduction in comparison to the pre-rTMS level while sham stimulation had no influence. EEG source analysis indicated that the TMS-evoked N100 change reflected rTMS effects in the stimulated motor cortex. Amplitude changes in TMS-evoked N100 and MEPs (pre versus post 1 Hz-rTMS) correlated significantly, but this correlation was also found for pre versus post sham stimulation. Conclusion: The TMS-evoked N100 represents a promising candidate marker to monitor rTMS effects on cortical excitability in children with ADHD. TMS-evoked N100 can be employed to monitor real-time effects of TMS for subthreshold intensities. Though TMS-evoked N100 was a more sensitive parameter for rTMS-specific changes than MEPs in our sample, further studies are necessary to demonstrate whether clinical rTMS effects can be predicted from rTMS-induced changes in TMS-evoked N100 amplitude and to clarify the relationship between rTMS-induced changes in TMS-evoked N100 and MEP amplitudes. The TMS-evoked N100 amplitude reduction after 1 Hz-rTMS could either reflect a globally decreased cortical response to the TMS pulse or a specific decrease in inhibition

Influence of Stimulant Medication and Response Speed on Lateralization of Movement-Related Potentials in Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder

Hyperactivity is one of the core symptoms in attention deficit hyperactivity disorder (ADHD). However, it remains unclear in which way the motor system itself and its development are affected by the disorder. Movement-related potentials (MRP) can separate different stages of movement execution, from the programming of a movement to motor post-processing and memory traces. Pre-movement MRP are absent or positive during early childhood and display a developmental increase of negativity. We examined the influences of response-speed, an indicator of the level of attention, and stimulant medication on lateralized MRP in 16 children with combined type ADHD compared to 20 matched healthy controls. We detected a significantly diminished lateralisation of MRP over the pre-motor and primary motor cortex during movement execution (initial motor potential peak, iMP) in patients with ADHD. Fast reactions (indicating increased visuo-motor attention) led to increased lateralized negativity during movement execution only in healthy controls, while in children with ADHD faster reaction times were associated with more positive amplitudes. Even though stimulant medication had some effect on attenuating group differences in lateralized MRP, this effect was insufficient to normalize lateralized iMP amplitudes.A reduced focal (lateralized) motor cortex activation during the command to muscle contraction points towards an immature motor system and a maturation delay of the (pre-) motor cortex in children with ADHD. A delayed maturation of the neuronal circuitry, which involves primary motor cortex, may contribute to ADHD pathophysiology

Sensorimotor planning, integration, and execution processes in autism spectrum disorders

The focus of this thematic thesis was to conduct an examination into the autistic differences to underlying sensorimotor planning, integration, and execution processes. The distinct protocols in the current programme of work: imitation in upper-limb motor control (chapter two), upper-limb single and two-segment manual aiming (chapter three) and stepping behaviour in obstacle crossing (chapter four), provide independent, yet related, examinations of underlying autistic sensorimotor behaviour compared to typically developing controls. Chapter two revealed that autistic participants successfully imitated atypical biological motion kinematics when the imitation environment was structured to facilitate trial-by-trial processing, and interference in the inter-trial delay over time influenced consolidatory offline sensorimotor processes related to planning. Chapter three revealed that autistic adolescents show significant alterations to sensorimotor planning processes during single and two-segment manual aiming. Chapter four revealed significant sensorimotor integration differences during obstacle crossing in autistic participants who require substantial or very substantial support. Across all experimental chapters in the current thesis, there also appeared to be significant autistic variability increases across several key dependant variables, implicating altered sensorimotor feedforward planning processes. Additionally, there also appears to be evidence of intact sensorimotor feedback processes whereby autistic participants utilise the online integration of sensory information to compensate for earlier variabilities. This thesis will seek to synthesise, summarise, and appraise key findings between experimental chapters, relative to current literature, with both theoretical and wider implications for the motor control and autistic communities discussed and future directions identified

Análisis global y local de la predicción mediante Potenciales Relacionados con Eventos. Aplicación al Trastorno del Espectro Autista

Bajo la perspectiva teórica de la codificación predictiva, el cerebro humano funciona como una sofisticada máquina que está constantemente evaluando las características de los estímulos percibidos y la relación existente entre ellos, con el objetivo de extraer nuevos patrones de diferentes niveles de abstracción para anticipar el siguiente evento. Esta dinámica automática de generación o modificación de las predicciones con el fin de dirigir la atención y ajustar la respuesta, es considerada uno de los procesos psicofisiológicos más fundamentales que existen, por lo que su alteración está relacionada con diversas patologías. El presente trabajo describe dos estudios desarrollados mediante EEG, en los que fueron analizados (i) la habituación y discriminación auditiva preatencional mostrada por un grupo de niños con TEA en comparación con uno control, y (ii) el establecimiento y actualización de las predicciones desarrolladas por un grupo de adultos sanos en paradigmas de diferente complejidad. Para conseguir estos objetivos, todos los sujetos registrados en ambos estudios recibieron una estimulación auditiva pasiva similar a la del tipo Oddball, aunque las características y la organización de los estímulos fueron diferentes en ambos experimentos. La estimulación auditiva presentada en el estudio de TEA estuvo compuesta por tonos generados electrónicamente o producidos por una cantante profesional, con el objetivo de investigar si la alteración en el desarrollo del lenguaje, típicamente descrita para estos niños, es causada por un déficit selectivo al procesar las características internas de la voz humana. Los componentes analizados para el estudio del TEA fueron el P1 y la MMN. Los niños con TEA presentaron una menor amplitud para los componentes P1 y MMN en comparación con el grupo control, lo cual sugiere una habituación y discriminación auditivas reducidas tanto para el sonido electrónico como el humano. Dado que la MMN también se ha relacionado con la codificación predictiva, los sujetos con TEA tendrían disminuida esta capacidad. El diseño experimental presentado al grupo adulto sano estuvo compuesto por dos paradigmas experimentales diferentes según el nivel de abstracción requerido para extraer un patrón: en un caso, la predicción dependía de las características físicas de los estímulos presentados (las frecuencias de los tonos) mientras que, en el otro caso, dependía de su organización (la dirección ascendente o descendente de las secuencias de tonos). Un componente similar a la MMN (“MMN-like”) y uno lento (posiblemente una Postimperative Negative Variation, PINV) fueron analizados con el objetivo de comprobar la hipótesis de la codificación predictiva. Los resultados obtenidos son detallados en dos artículos. Estos componentes registrados en población adulta fueron, primero, propuestos como una MMN y una Slow Preceding Negativity (SPN) y, posteriormente, reconceptualizados en el segundo artículo como un N1 tardío y una PINV. Ambos componentes se desarrollaban en la latencia de la MMN y el intervalo entre ensayos, respectivamente. Los resultados obtenidos en la investigación realizada en el grupo adulto, mostraron una mayor amplitud ante los ensayos desviantes y el paradigma más complejo, en ambos componentes analizados, lo que sugiere que están involucrados en el establecimiento y actualización de las predicciones basadas no solo en las características físicas de los estímulos, sino también en reglas abstractas. Además, tanto el N1 tardío como la PINV presentaron respuestas de diferente amplitud dependiendo del ensayo previamente presentado, lo que sugeriría una actualización continua de los ensayos, hasta donde sabemos, no descrita para estos componentes en la literatura previa