Questa tesi indaga come l’integrazione sensorimotoria e il controllo motorio emergano dall’attività coordinata di circuiti corticali e sottocorticali distribuiti nell’uomo. Il lavoro esamina in che modo popolazioni neuronali distinte, a livello della corteccia motoria primaria (M1) e delle vie cerebello–talamo–corticali, contribuiscano alla trasformazione, integrazione e modulazione plastica dell’output motorio attraverso diversi stati comportamentali e di rete. Nel primo studio, l’integrazione sensorimotoria è stata esaminata durante condizioni di riposo, presa di precisione e presa di forza mediante la misurazione della short-latency afferent inhibition (SAI) sotto diverse direzioni di corrente della stimolazione magnetica transcranica (AP e PA). Coinvolgendo selettivamente popolazioni neuronali distinte all’interno della corteccia motoria primaria (M1), questo studio ha caratterizzato l’impatto circuito-specifico e stato-dipendente dell’input afferente sull’output corticospinale. I risultati indicano che i circuiti superficiali e profondi di M1 vengono reclutati in modo differenziale nelle diverse condizioni d’azione e contribuiscono in maniera distinta all’eccitabilità corticospinale e ai processi inibitori. Nel secondo studio, il ruolo della modulazione cerebellare nel modellare la plasticità cortico-motoria e la stabilità delle risposte è stato indagato combinando la stimolazione elettrica transcranica a corrente alternata specifica per frequenza (tACS) con la stimolazione cerebellare a burst theta (iTBS e cTBS). Questo approccio ha rivelato che protocolli di stimolazione distinti influenzano selettivamente l’eccitabilità corticospinale, l’inibizione intracorticale e la variabilità intra-soggetto attraverso interazioni cerebello–corticali dipendenti dalla frequenza, evidenziando l’importanza dello stato oscillatorio nel modellare e regolare l’induzione della plasticità e, in ultima analisi, lo stato funzionale di M1. In questo contesto, il controllo sensorimotorio emerge da un’architettura neurale dinamica e stratificata, nella quale molteplici elementi circuitali, dotati di proprietà fisiologiche distinte, operano su diverse scale spaziali e temporali. Attraverso l’analisi selettiva delle risposte dei microcircuiti intracorticali alle informazioni afferenti e del loro coinvolgimento nelle interazioni cerebello–corticali, questo lavoro dimostra che specifiche componenti del sistema sensorimotorio possono essere investigate in base alle loro caratteristiche funzionali e alla loro dinamica stato-dipendente, fornendo ulteriori elementi per comprendere i meccanismi alla base del controllo motorio e dell’integrazione sensorimotoria.
This thesis investigates how sensorimotor integration and motor control emerge from the coordinated activity of distributed cortical and subcortical circuits in humans. The work examines how distinct neural populations at the level of primary motor cortex (M1) and cerebello–thalamo–cortical pathways contribute to the transformation, integration, and plastic modulation of motor output across behavioral and network states. In the first study, sensorimotor integration was examined during rest, precision grip, and power grip by measuring short-latency afferent inhibition (SAI) under different transcranial magnetic stimulation current directions (AP and PA). By selectively engaging distinct neuronal populations within primary motor cortex (M1), this study characterized the circuit-specific and state-dependent impact of afferent input on corticospinal output. The results indicate that superficial and deeper M1 circuits are differentially recruited across action conditions and contribute in distinct ways to corticospinal excitability and inhibitory processing. In the second study, the role of cerebellar modulation in shaping motor cortical plasticity and response stability was investigated by combining frequency-specific transcranial alternating current stimulation (tACS) with cerebellar theta-burst stimulation (iTBS and cTBS). This approach revealed that distinct stimulation protocols selectively influence corticospinal excitability, intracortical inhibition, and intra-subject variability through frequency-dependent cerebello–cortical interactions, highlighting the importance of oscillatory state in shaping and regulating plasticity induction and, ultimately, the functional state of M1. In this context, sensorimotor control emerges from a dynamic and stratified neural architecture in which multiple circuit elements with distinct physiological properties operate across different spatial and temporal scales. By selectively probing how intracortical microcircuits respond to afferent information and engage in cerebello–cortical interactions, this work demonstrates that specific components of the sensorimotor system can be interrogated according to their functional characteristics and state-dependent dynamics, providing further insight into the mechanisms underlying motor control and sensorimotor integration.
Dynamic Sensorimotor Integration in Humans: Circuit-Specific Processing and Cerebellar Modulation
BOTTA, KATIA
2026
Abstract
Questa tesi indaga come l’integrazione sensorimotoria e il controllo motorio emergano dall’attività coordinata di circuiti corticali e sottocorticali distribuiti nell’uomo. Il lavoro esamina in che modo popolazioni neuronali distinte, a livello della corteccia motoria primaria (M1) e delle vie cerebello–talamo–corticali, contribuiscano alla trasformazione, integrazione e modulazione plastica dell’output motorio attraverso diversi stati comportamentali e di rete. Nel primo studio, l’integrazione sensorimotoria è stata esaminata durante condizioni di riposo, presa di precisione e presa di forza mediante la misurazione della short-latency afferent inhibition (SAI) sotto diverse direzioni di corrente della stimolazione magnetica transcranica (AP e PA). Coinvolgendo selettivamente popolazioni neuronali distinte all’interno della corteccia motoria primaria (M1), questo studio ha caratterizzato l’impatto circuito-specifico e stato-dipendente dell’input afferente sull’output corticospinale. I risultati indicano che i circuiti superficiali e profondi di M1 vengono reclutati in modo differenziale nelle diverse condizioni d’azione e contribuiscono in maniera distinta all’eccitabilità corticospinale e ai processi inibitori. Nel secondo studio, il ruolo della modulazione cerebellare nel modellare la plasticità cortico-motoria e la stabilità delle risposte è stato indagato combinando la stimolazione elettrica transcranica a corrente alternata specifica per frequenza (tACS) con la stimolazione cerebellare a burst theta (iTBS e cTBS). Questo approccio ha rivelato che protocolli di stimolazione distinti influenzano selettivamente l’eccitabilità corticospinale, l’inibizione intracorticale e la variabilità intra-soggetto attraverso interazioni cerebello–corticali dipendenti dalla frequenza, evidenziando l’importanza dello stato oscillatorio nel modellare e regolare l’induzione della plasticità e, in ultima analisi, lo stato funzionale di M1. In questo contesto, il controllo sensorimotorio emerge da un’architettura neurale dinamica e stratificata, nella quale molteplici elementi circuitali, dotati di proprietà fisiologiche distinte, operano su diverse scale spaziali e temporali. Attraverso l’analisi selettiva delle risposte dei microcircuiti intracorticali alle informazioni afferenti e del loro coinvolgimento nelle interazioni cerebello–corticali, questo lavoro dimostra che specifiche componenti del sistema sensorimotorio possono essere investigate in base alle loro caratteristiche funzionali e alla loro dinamica stato-dipendente, fornendo ulteriori elementi per comprendere i meccanismi alla base del controllo motorio e dell’integrazione sensorimotoria.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
