Akinesia, the inability to initiate movement, is a key clinical sign of Parkinson’s disease. Both dopaminergic medication and deep brain stimulation can be effective for the treat-ment of akinesia. However, the neural dynamics of akinesia in cortex and basal ganglia and the influence of dopamine and deep brain stimulation on these dynamics remain elu-sive. Uncovering the neural mechanisms underlying akinesia and its treatment may lead to new therapeutic paradigms for Parkinson’s disease, where deep brain stimulation is triggered in a temporally targeted manner to support phasic dopamine release in rein-forcing healthy movement patterns. We recorded invasive brain signals from 25 patients (12 female) with Parkinson’s dis-ease undergoing deep brain stimulation surgery. Local field potentials from the subtha-lamic nucleus and subdural electrocorticography from the sensorimotor cortex were ob-tained while patients performed self-initiated upper limb movements. Machine learning-based brain signal decoders were then trained to detect movement intention. The latency between movement intention and movement execution, measured via machine learning classification and readiness potentials, was compared for recordings OFF therapy (N=22), ON dopaminergic medication (N=18), and ON subthalamic deep brain stimula-tion (N=8). We found that decoders trained on subthalamic local field potentials and sensorimotor electrocorticography were able to separate resting from movement intention periods at above-chance accuracy. However, decoders derived from electrocorticography were sig-nificantly more accurate than from subthalamic local field potentials. We also found that latencies between movement intention and movement execution in sensorimotor cortex, measured via decoding output and readiness potentials, were significantly longer OFF therapy than ON dopaminergic medication and ON subthalamic deep brain stimulation. To examine the motor preparation period in more detail, we measured directed cortico-subthalamic connectivity via Granger causality. We found that cortico-subthalamic drive in the theta band (4 – 8 Hz) correlated with motor execution latencies ON dopaminergic medication. Importantly, administration of both dopaminergic medication and deep brain stimulation shifted cortico-subthalamic connectivity from antikinetic beta (13 – 35 Hz) to prokinetic theta activity during motor preparation. This study demonstrates the modulation of cortical activity in Parkinson’s disease pa-tients during movement preparation through both dopaminergic medication and subtha-lamic deep brain stimulation. Our findings suggest a therapeutic mechanism for the alle-viation of akinesia via modulation of cortico-subthalamic oscillatory network activity. This work may pave the way toward a new paradigm for clinical brain-computer interfaces in movement disorders, where decoding of the patient’s intention to move is translated into temporally specific stimulation that accelerates action initiation.
Akinesie, die Unfähigkeit, Bewegungen zu initiieren, ist ein wichtiges klinisches Zeichen der Parkinson-Krankheit. Dopaminerge Medikamente und Tiefe Hirnstimulation sind bei der Behandlung von Akinesie wirksam. Dennoch sind die neuronalen Mechanismen der Akinesie in Kortex und Basalganglien sowie ihrer Behandlung teilweise unerforscht. Das Verständnis dieser Mechanismen könnte den Weg zu neuen Therapien ebnen, bei de-nen die Tiefe Hirnstimulation zeitlich gezielt eingesetzt wird, um phasische Dopaminfrei-setzung zu unterstützen und gesunde Bewegungsmuster zu verstärken. Um die neuronale Repräsentation der Bewegungsintention zu untersuchen, rekrutierten wir 25 Parkinson-Patient:innen (12 weiblich) nach Operation zur Tiefen Hirnstimulation. Lokale Feldpotentiale des Nucleus subthalamicus und Elektrokortikographie des senso-motorischen Kortex wurden während selbstinitiierter Bewegungen der oberen Extremitä-ten gemessen. Maschinelle Lernalgorithmen wurden trainiert die Bewegungsintention anhand dieser Hirnsignale zu erkennen. Die Latenzzeit zwischen Bewegungsintention und -ausführung, quantifiziert durch Algorithmus-basierte Klassifizierung und Bereit-schaftspotenziale, wurde für drei Zustände verglichen: im OFF nach Entzug dopaminer-ger Medikation (N=22), im ON nach Gabe von Medikation (N=18) und unter Tiefer Hirn-stimulation (N=8). Sowohl auf subthalamischen als auch auf kortikalen Signalen trainierte Modelle konnten Ruhephasen und Bewegungsintention unterscheiden. Jedoch waren Elektrokortikogra-phie-basierte Modelle signifikant präziser, und aufgrund unzuverlässiger Schätzungen des Intentionsbeginns aus subthalamischen Signalen wurden nur kortikale Schätzungen weiter untersucht. Latenzen zwischen Bewegungsintention und -ausführung im senso-motorischen Kortex, gemessen sowohl über Dekodierer als auch Bereitschaftspotenzia-le, waren im OFF signifikant länger als im ON oder unter Tiefer Hirnstimulation. Um die Bewegungsvorbereitung genauer zu untersuchen, berechneten wir zudem gerichtete kortiko-subthalamische Konnektivität mittels Granger-Kausalität. Die Konnektivität zwi-schen Kortex und Nucleus subthalamicus im Theta-Band (4 – 8 Hz) korrelierte mit den Latenzen der motorischen Ausführung unter dopaminerger Medikation. Bedeutsam ist zudem, dass Medikation und Stimulation die Konnektivität von antikinetischem Beta (13 – 35 Hz) zu prokinetischer Theta-Aktivität während der motorischen Vorbereitung ver-schob. Diese Studie zeigt wie dopaminerge Medikation und Tiefe Hirnstimulation kortikale Aktivi-tät bei Parkinson-Patient:innen während der Bewegungsvorbereitung modulieren. Unsere Ergebnisse deuten auf einen therapeutischen Mechanismus zur Linderung von Akinesie durch Modulation der kortiko-subthalamischen oszillatorischen Netzwerkaktivität hin. Diese Arbeit ebnet den Weg für klinische Gehirn-Computer-Schnittstellen, bei denen die Dekodierung der Bewegungsintention in eine zeitlich spezifische Stimulation übersetzt wird, die die Handlungsinitiierung beschleunigt.
