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Combining Transcranial Magnetic Stimulation and fMRI to Examine the Default Mode Network

The default mode network is a group of brain regions that are active when an individual is not focused on the outside world and the brain is at "wakeful ...

The involvement of occipital cortex in sensory processing is not restricted solely to the visual modality. Tactile processing has been shown to modulate higher-order visual and multisensory integration areas in sighted as well as visually deprived subjects; however, the extent of involvement of early visual cortical areas remains unclear. To investigate this issue, we employed functional magnetic resonance imaging in normally sighted, briefly blindfolded subjects with well-defined visuotopic borders as they tactually explored and rated raised-dot patterns. Tactile task performance resulted in significant activation in primary visual cortex (V1) and deactivation of extrastriate cortical regions V2, V3, V3A, and hV4 with greater deactivation in dorsal subregions and higher visual areas. These results suggest that tactile processing affects occipital cortex via two distinct pathways: a suppressive top-down pathway descending through the visual cortical hierarchy and an excitatory pathway arising from outside the visual cortical hierarchy that drives area V1 directly.

Combined activation and deactivation of visual cortex during tactile sensory processing.

Die Beteiligung der okzipitale Kortex in der sensorischen Verarbeitung beschr&auml;nkt sich nicht ausschlie&szlig;lich auf die visuelle Modalit&auml;t. Nachweislich taktile Verarbeitung h&ouml;herer Ordnung Visual modulieren und multisensorische Integration in gesichtet sowie visuell vorenthalten Themen; das Ausma&szlig; der Beteiligung der fr&uuml;hen visuellen kortikalen Bereiche bleibt jedoch unklar. Um dieses Problem zu untersuchen, haben wir funktionelle Magnetresonanztomographie in normal sehenden, kurz mit verbunden Augen F&auml;chern mit klar definierten Visuotopic Rahmen als sie taktil erforscht und bewertet ausgel&ouml;st-Punktmuster angestellt. Taktile Aufgabeleistung f&uuml;hrte zu erheblichen Aktivierung in der prim&auml;ren Sehrinde (V1) und Deaktivierung der extrastriate kortikalen Regionen V2, V3, V3A, und hV4 mit gr&ouml;&szlig;eren Deaktivierung in dorsalen Subregionen und h&ouml;heren visuellen Bereichen. Diese Ergebnisse legen nahe, dass taktile Verarbeitung okzipitale Kortex &uuml;ber zwei unterschiedliche Wege betrifft: einer unterdr&uuml;ckende oben nach unten absteigend durch die visuelle kortikale Hierarchie und einem erregenden Weg aus au&szlig;erhalb der visuellen kortikalen Hierarchie, der Bereich V1 direkt antreibt.

Kombinierte Aktivierung und Deaktivierung der Sehrinde w&auml;hrend der taktilen sensorischen Verarbeitung.

Human parietal cortex is implicated in a wide variety of sensory and cognitive functions, yet its precise organization remains unclear. Visual field maps provide a potential structural basis for descriptions of functional organization. Here, we detail the topography of a series of five maps of the contralateral visual hemifield within human posterior parietal cortex. These maps are located along the medial bank of the intraparietal sulcus (IPS) and are revealed by direct visual stimulation during functional magnetic resonance imaging, allowing these parietal regions to be routinely and reliably identified simultaneously with occipital visual areas. Two of these maps (IPS3 and IPS4) are novel, whereas two others (IPS1 and IPS2) have previously been revealed only by higher-order cognitive tasks. Area V7, a previously identified visual map, is observed to lie within posterior IPS and to share a foveal representation with IPS1. These parietal maps are reliably observed across scan sessions; however, their precise topography varies between individuals. The multimodal organization of posterior IPS mirrors this variability in visual topography, with complementary tactile activations found immediately adjacent to the visual maps both medially and laterally. These visual maps may provide a practical framework in which to characterize the functional organization of human IPS.

Visual topography of human intraparietal sulcus.

Menschliche parietalen Kortex ist in einer Vielzahl von sensorischen und kognitiven Funktionen verwickelt, doch seine genaue Organisation bleibt unklar. Gesichtsfeld-Karten bieten eine m&ouml;gliche strukturelle Grundlage f&uuml;r Beschreibungen der funktionalen Organisation. Hier ausf&uuml;hrlich wir die Topographie aus einer Reihe von f&uuml;nf Karten von der kontralateralen visuelle Hemifield im menschlichen posterioren parietalen Kortex. Diese Karten befinden sich entlang des medialen der intraparietal Sulcus (IPS) und sind durch direkte visuelle Stimulation w&auml;hrend der funktionellen Kernspintomographie, erlauben diese parietalen Regionen routinem&auml;&szlig;ig sein und gleichzeitig zuverl&auml;ssig mit okzipitalen visuellen Bereiche identifiziert aufgedeckt. Zwei dieser Karten (IPS3 und IPS4) sind Roman, w&auml;hrend zwei andere (IPS1 und IPS2) bisher nur von h&ouml;herer Ordnung kognitive Aufgaben aufgedeckt worden sind. Bereich V7, der zuvor identifizierten visuelle Karte wird im hinteren IPS zu liegen und eine fovealen Darstellung mit IPS1 Teilen beobachtet. Diese parietalen Karten werden zuverl&auml;ssig Scan sitzungs&uuml;bergreifend beobachtet; jedoch variiert die genaue Topographie zwischen Individuen. Die multimodale Organisation von posterior IPS widerspiegelt diese Variabilit&auml;t im visuellen Topographie, mit erg&auml;nzenden taktile Aktivierungen, die unmittelbar neben den visuellen Maps gefunden, sowohl seitlich als auch medial. Diese visuellen Maps k&ouml;nnen einen praktischen Rahmen, um die funktionelle Organisation des menschlichen IPS zu charakterisieren.

Visuelle Topographie des menschlichen intraparietal Sulcus.

A variety of mechanisms have been proposed to explain illusory contour formation. However, since prior studies have focused on a single mechanism, there is no clear consensus regarding contour formation mechanisms. Here we developed a novel vivid dynamic display we call the chomping pacman that allows measurement of minute differences in contour clarity. This illusion is shown to be more vivid than traditional static displays. Using the method of adjustment, we are able to identify three mechanisms of contour formation: extrapolation, interpolation, and figural. We posit that these three mechanisms combine to form the general illusory contour percept in traditional static Kanizsa displays and likely contribute to real-world contour perception.

Multiple mechanisms of illusory contour perception.

Eine Vielzahl von Mechanismen erkl&auml;ren illusorische Kontur Bildung vorgeschlagen. Jedoch, da die fr&uuml;here Studien auf einen einzigen Mechanismus konzentriert haben, gibt es kein klarer Konsens hinsichtlich Kontur Bildung Mechanismen. Hier entwickelten wir eine neuartige lebendige dynamische Anzeige, nennen wir das Lily Pacman, das Messung der kleinste Unterschiede in der Augenpartie Klarheit erlaubt. Diese Illusion ist lebendiger als herk&ouml;mmliche statische Displays werden gezeigt. Mit der Methode der Anpassung, wir sind drei Mechanismen der Kontur-Formation erkennen: Extrapolation, Interpolation und figural. Wir postulieren, dass dieser drei Mechanismen zu kombinieren, um die allgemeine illusorische Kontur Percept im traditionellen statischen Kanizsa zeigt und wahrscheinlich zur realen Kontur Wahrnehmung beitragen.

Mehrere Mechanismen der illusorischen Kontur Wahrnehmung.

Patients with mesial temporal lobe epilepsy (TLE) due to hippocampal sclerosis (HS) often show ictal and interictal propagation of epileptiform EEG activity to the ipsilateral temporal neocortex, the ipsilateral frontal lobe or the contralateral hippocampus, although structural MRI only shows unilateral involvement of the hippocampal formation. We used whole-head diffusion Tensor Imaging (DTI) to delineate a network that facilitates propagation of interictal epileptiform and seizure activity in this patient group.

Changes in white matter microstructure in patients with TLE and hippocampal sclerosis.

Patienten mit mesiale Temporallappen Epilepsie (TLE) wegen hippocampale Sklerose (HS) oft iktale und interiktaler Vermehrung der EEG-Aktivit&auml;t Epileptiform ipsilateral temporalen Neocortex, ipsilateral Frontallappen oder der kontralateralen Hippocampus, zeigen, obwohl Sie strukturelle MRI zeigt nur einseitige Einbeziehung der hippocampal-Formation. Wir haben ganz-Kopf Diffusion Tensor Imaging (DTI) ein Netzwerk voneinander abzugrenzen, die Ausbreitung von interiktale Epileptiform und Beschlagnahme Aktivit&auml;t in dieser Patientengruppe erleichtert.

Ver&auml;nderungen in der Mikrostruktur der wei&szlig;en Substanz bei Patienten mit TLE und hippocampale Sklerose.

A long-standing debate in cognitive neuroscience pertains to the innate nature of language development and the underlying factors that determine this faculty. We explored the neural correlates associated with language processing in a unique individual who is early blind, congenitally deaf, and possesses a high level of language function. Using functional magnetic resonance imaging (fMRI), we compared the neural networks associated with the tactile reading of words presented in Braille, Print on Palm (POP), and a haptic form of American Sign Language (haptic ASL or hASL). With all three modes of tactile communication, indentifying words was associated with robust activation within occipital cortical regions as well as posterior superior temporal and inferior frontal language areas (lateralized within the left hemisphere). In a normally sighted and hearing interpreter, identifying words through hASL was associated with left-lateralized activation of inferior frontal language areas however robust occipital cortex activation was not observed. Diffusion tensor imaging -based tractography revealed differences consistent with enhanced occipital-temporal connectivity in the deaf-blind subject. Our results demonstrate that in the case of early onset of both visual and auditory deprivation, tactile-based communication is associated with an extensive cortical network implicating occipital as well as posterior superior temporal and frontal associated language areas. The cortical areas activated in this deaf-blind subject are consistent with characteristic cortical regions previously implicated with language. Finally, the resilience of language function within the context of early and combined visual and auditory deprivation may be related to enhanced connectivity between relevant cortical areas.

Neuroplasticity associated with tactile language communication in a deaf-blind subject.

Eine langj&auml;hrige Debatte f&uuml;r kognitive Neurowissenschaft betrifft der angeborenen Natur der Sprachentwicklung und die zugrunde liegenden Faktoren, die bestimmen, dieser Fakult&auml;t. Wir untersuchten die neuronale korreliert, die Sprache, die Verarbeitung in ein einzigartiges Individuum, der fr&uuml;hen verk&uuml;rztes taub, Blind und besitzt ein hohes Ma&szlig; an Sprache-Funktion zugeordnet. Verwenden die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI), verglichen wir die neuronale Netze, die das taktile Lesen von W&ouml;rtern dargestellt in Braille, Print auf Palm (POP) und eine haptische Form der amerikanischen Geb&auml;rdensprache (haptische ASL oder hASL) zugeordnet. Mit allen drei Modi der taktilen Kommunikation war die Kostenelemente Worte robuste Aktivierung innerhalb okzipitale kortikalen Regionen sowie posterior superior zeitliche und minderwertig frontal Sprachr&auml;umen (lateralized innerhalb der linken Hemisph&auml;re) zugeordnet. In einem normalerweise kurzsichtig und Geh&ouml;r-Interpreter war identifizieren W&ouml;rter durch hASL Links lateralized Aktivierung von minderwertigen frontalen Sprachgebieten zugeordnet aber robuste okzipitale Kortex Aktivierung nicht beobachtet wurde. Diffusion Tensor imaging - basierte Tractography offenbart Unterschiede mit erweiterten Occipital-zeitliche Anschlussm&ouml;glichkeiten in der Geh&ouml;rlosen-Blind-Thema. Unsere Ergebnisse zeigen, dass bei fr&uuml;hem Beginn von visuellen und auditiven Deprivation, taktile Kommunikation ein ausgedehntes kortikale Nicht&uuml;bernahme okzipitale sowie posterior superior zeitliche und frontale zugeordnete Sprache Bereiche zugeordnet ist. Die kortikalen Bereiche aktiviert in diesem Fach taub-blinden sind konsistent mit charakteristischen kortikalen Regionen, die zuvor mit Sprache verwickelt. Schlie&szlig;lich kann die Widerstandsf&auml;higkeit der Sprache-Funktion im Rahmen der fr&uuml;hen und kombinierte visuelle und auditive Entbehrung, verbesserte Konnektivit&auml;t zwischen relevanten kortikalen Bereiche zusammenh&auml;ngen.

Neuroplasticity taktile Sprache Kommunikation in einem Geh&ouml;rlosen-Blind-Thema zugeordnet.

To standardize a protocol for promoting visual rehabilitative outcomes in post-stroke hemianopia by combining occipital cortical transcranial direct current stimulation (tDCS) with Vision Restoration Therapy (VRT).

Combining visual rehabilitative training and noninvasive brain stimulation to enhance visual function in patients with hemianopia: a comparative case study.

Ein Protokoll f&uuml;r die F&ouml;rderung der visuellen Rehabilitation Ergebnissen im Hirninfarkt Hemianopia durch die Kombination von okzipitale kortikale transkranielle Gleichstrom Stimulation (tDCS) mit Vision Restaurierung Therapie (VRT) zu standardisieren.

Dem visuellen Rehabilitation Ausbildung und nicht-invasive Gehirnstimulation zur Verbesserung der visuellen Funktion bei Patienten mit Hemianopia: eine vergleichende Fallstudie.

Intrinsic activity in the brain is organized into networks. Although constrained by their anatomical connections, functional correlations between nodes of these networks reorganize dynamically. Dynamic organization implies that couplings between network nodes can be reconfigured to support processing demands. To explore such reconfigurations, we combined repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) and functional connectivity MRI (fcMRI) to modulate cortical activity in one node of the default network, and assessed the effect of this upon functional correlations throughout the network. Two different frequencies of rTMS to the same default network node (the left posterior inferior parietal lobule, lpIPL) induced two topographically distinct changes in functional connectivity. High-frequency rTMS to lpIPL decreased functional correlations between cortical default network nodes, but not between these nodes and the hippocampal formation. In contrast, low frequency rTMS to lpIPL did not alter connectivity between cortical default network nodes, but increased functional correlations between lpIPL and the hippocampal formation. These results suggest that the default network is composed of (at least) two subsystems. More broadly, the finding that two rTMS stimulation regimens to the same default network node have distinct effects reveals that this node is embedded within a network that possesses multiple, functionally distinct relationships among its distributed partners.

Transcranial magnetic stimulation modulates the brain's intrinsic activity in a frequency-dependent manner.

Intrinsische Aktivit&auml;t im Gehirn ist in Netzwerken organisiert. Obwohl durch ihre anatomischen Verbindungen eingeschr&auml;nkt, reorganisieren dynamisch funktionelle Zusammenh&auml;nge zwischen Knoten dieser Netzwerke. Dynamische Organisation impliziert, dass die Kupplungen zwischen Netzwerkknoten konfiguriert werden k&ouml;nnen, dass die um Verarbeitung Forderungen zu unterst&uuml;tzen. Um diese Umgestaltung zu untersuchen, wir kombinierten repetitive Transkranielle Magnetstimulation (rTMS) und funktionelle Konnektivit&auml;t MRI (FcMRI), kortikale Aktivit&auml;t in einem Knoten das Standardnetzwerk modulieren und beurteilt die Wirkung dieser auf die funktionalen Zusammenh&auml;nge im gesamten Netzwerk. Zwei verschiedene Frequenzen der rTMS an den gleichen Standard Network Node (linke posterior inferior parietal empfinden, LpIPL) induziert zwei topografisch deutliche &Auml;nderungen in funktionelle Konnektivit&auml;t. Hochfrequenz-rTMS zu LpIPL verringerte sich um funktionelle Zusammenh&auml;nge zwischen kortikalen Standardknoten Netzwerk, aber nicht zwischen diesen Knoten und der hippocampal-Formation. Im Gegensatz dazu Niederfrequenz rTMS zu LpIPL nicht Konnektivit&auml;t zwischen kortikalen Standard Netzwerkknoten nichts &auml;ndern funktionelle Zusammenh&auml;nge zwischen LpIPL und der hippocampal Bildung erh&ouml;ht. Diese Ergebnisse legen nahe, dass das Standardnetzwerk aus (mindestens) zwei Subsystemen besteht. Im weiteren Sinne die Feststellung, dass zwei rTMS Stimulierung Therapien an den gleichen Standard Network Node unterschiedliche Wirkungen haben offenbart, dass dieser Knoten in einem Netzwerk eingebettet ist, die mehrere, besitzt funktional unterschiedliche Beziehungen zwischen den verteilten Partnern.

Article	Year
Combined activation and deactivation of visual cortex during tactile sensory processing. Journal of neurophysiology\| PubMed ID: 17135476	2007
Visual topography of human intraparietal sulcus. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience\| PubMed ID: 17507555	2007
Multiple mechanisms of illusory contour perception. Journal of vision\| PubMed ID: 18831611	2008
Changes in white matter microstructure in patients with TLE and hippocampal sclerosis. Epileptic disorders : international epilepsy journal with videotape\| PubMed ID: 19736169	2009
Neuroplasticity associated with tactile language communication in a deaf-blind subject. Frontiers in human neuroscience\| PubMed ID: 20130756	2010
Combining visual rehabilitative training and noninvasive brain stimulation to enhance visual function in patients with hemianopia: a comparative case study. PM & R : the journal of injury, function, and rehabilitation\| PubMed ID: 21944300	2011
Transcranial magnetic stimulation modulates the brain's intrinsic activity in a frequency-dependent manner. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America\| PubMed ID: 22160708	2011

Mark A. Halko

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