James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this...

136
  The effect of primary motor cortex stimulation on the timing of motor responses in a timedresponse task James E. Stewart, BSc. (Hons) School of Psychology 2015 THIS THESIS IS PRESENTED FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY AND PARTIAL FULFILMENT OF THE MASTER OF PSYCHOLOGY (CLINICAL NEUROPSYCHOLOGY) OF THE UNIVERSITY OF WESTERN AUSTRALIA 

Transcript of James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this...

Page 1: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

   

The effect of primary motor cortex stimulation on the timing of motor responses in a 

timed‐response task 

James E. Stewart, BSc. (Hons) 

School of Psychology 

2015 

THIS THESIS IS PRESENTED FOR THE DEGREE OF 

DOCTOR OF PHILOSOPHY 

AND PARTIAL FULFILMENT OF THE 

MASTER OF PSYCHOLOGY (CLINICAL NEUROPSYCHOLOGY) 

OF 

THE UNIVERSITY OF WESTERN AUSTRALIA 

Page 2: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment
Page 3: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

     

    iii 

Abstract 

The generation of a motor action requires both the preparation and execution of 

a motor  plan  that  specifies  the  necessary motor  commands.  Previous  research  has 

demonstrated  that  transcranial magnetic  stimulation  (TMS)  over  the  primary motor 

cortex (M1) can advance the onset of a motor response in a reaction time (RT) task when 

delivered early in the response latency (Pascual‐Leone, Valls‐Solé, et al., 1992; Sawaki, 

Okita,  Fujiwara, & Mizuno,  1999).  It  has  been  hypothesized  that  this  advancement 

reflects the facilitation of preparatory motor processes necessary for the generation of 

the response (Pascual‐Leone, Valls‐Solé, et al., 1992; Sawaki et al., 1999; Soto, Valls‐Solé, 

& Kumru, 2010), although  the precise mechanisms  for  this effect remain unclear. The 

interpretation of these findings is complicated by the occurrence of stimulus recognition, 

motor  preparation,  and motor  execution  processes  in  close  proximity  to  each  other, 

which makes  it difficult to disentangle the effects of TMS on different perceptual and 

motor processes (Miller, 1982; Sawaki et al., 1999). 

The experiments  reported  in  this  thesis  investigated  the effect of TMS on  the 

timing of motor responses  in a  timed‐response  task. The  task required  the onset of a 

pinch to be synchronized with the last tone in a sequence of four evenly spaced tones, 

which were presented at an interstimulus interval of 1000 ms. This timed‐response task 

permits  the advanced preparation of a motor  response  (Carlsen & MacKinnon, 2010; 

Hening,  Favilla, & Ghez,  1988;  Steglich, Heuer,  Spijkers, & Kleinsorge,  1999), which 

temporally  separates  preparation  and  execution‐related  processes  and  may  help 

disentangle  the  effects  of  TMS  on  different  stages  of  motor  processing.  M1  TMS 

advanced  both  ipsilateral  and  contralateral  pinches  by  a  constant  amount, without 

affecting  the  kinematics  of  the  response, when  administered  over  a wide  range  of 

intervals preceding the target response time. Left M1 TMS was found to advance pinch 

onsets more than right M1 TMS, consistent with the hypothesis that the left M1 has more 

influence than the right M1 over the control of the limbs ipsilateral and contralateral to 

each M1  (Haaland, 2006). TMS similarly advanced unimanual and bimanual pinches, 

suggesting that the each hemisphere makes similar contributions to the control of the 

timing of unimanual and bimanual responses. Similar levels of corticomotor excitability 

were  also  observed  prior  to  the  execution  of  unimanual  and  bimanual  pinches, 

Page 4: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

iv  Abstract     

suggesting  that  interhemispheric  interactions  involved  in  the  control  of  bimanual 

pinches do not affect corticomotor excitability during motor preparation. 

The specificity of M1 stimulation to the advancement of pinches, produced by 

TMS, was investigated by comparing the effects of M1 and occipital TMS on the timing 

of these responses. M1 and occipital TMS were both found to advance responses to a 

similar extent, indicating that non‐specific mechanisms, such as a startle‐like response, 

could mediate this effect. However, occipital TMS was also found to increase the force 

of the response, indicating that occipital TMS might not be an appropriate control for 

non‐specific effects of M1 TMS. In the final study reported in this thesis, TMS was found 

to advance the onset of responses that required muscle contractions but not responses 

which  required  the  relaxation of a sustained contraction. These  findings suggest  that 

TMS does not facilitate preparatory processes  that are shared between responses  that 

require a muscle contraction and those that require a muscle relaxation. 

The findings of this thesis suggest that TMS advances the execution of muscle 

contractions by  increasing M1 excitability, thereby abbreviating a period of rising M1 

excitability that precedes the execution of a response. The results also suggest that M1 

can make small modifications  to  the  timing of a motor  response by altering  the  time 

taken to execute the prepared motor plan. Overall, the results of this thesis demonstrate 

the importance of neural processes separable from the motor plan in cued sensorimotor 

tasks. 

Page 5: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

     

    v 

Contents 

Abstract ................................................................................................................................. iii

Contents ................................................................................................................................. v

Acknowledgements ............................................................................................................ vii

Abbreviations ....................................................................................................................... ix

Chapter 1. General introduction ............................................................................................. 1

The neural control of motor actions ........................................................................... 2

The control of bimanual movements ......................................................................... 3

Left hemisphere dominance in motor control .......................................................... 5

Perturbing cortical activity with transcranial magnetic stimulation ..................... 7

Current thesis .............................................................................................................. 11

Chapter 2. General methods .................................................................................................. 15

Subjects ......................................................................................................................... 15

Materials and procedures .......................................................................................... 15

Data analysis ................................................................................................................ 19

Chapter 3. Single‐pulse transcranial magnetic stimulation over the left M1 advances 

responses in a timed‐response task across a wide range of latencies prior to the 

response ................................................................................................................................ 21

Methods ........................................................................................................................ 22

Results ........................................................................................................................... 23

Discussion .................................................................................................................... 27

Chapter 4. The effect of single‐pulse transcranial magnetic stimulation over the left or 

right M1 on the timing of unimanual and bimanual pinches ...................................... 33

Methods ........................................................................................................................ 35

Results ........................................................................................................................... 36

Discussion .................................................................................................................... 39

Page 6: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

vi  Contents     

Chapter 5. Corticomotor excitability during the preparation of bimanual forces of 

equal and unequal magnitude ........................................................................................... 45

Methods ........................................................................................................................ 46

Results ........................................................................................................................... 47

Discussion ..................................................................................................................... 50

Chapter 6. Specific and non‐specific mechanisms of transcranial magnetic stimulation 

induced response facilitation ............................................................................................. 55

Methods ........................................................................................................................ 57

Results ........................................................................................................................... 58

Discussion ..................................................................................................................... 61

Chapter 7. Mechanisms of transcranial magnetic stimulation induced changes in the 

timing of a voluntary motor response .............................................................................. 65

Methods ........................................................................................................................ 66

Results ........................................................................................................................... 70

Discussion ..................................................................................................................... 75

Chapter 8. General discussion ............................................................................................... 81

Overview of research .................................................................................................. 81

Comparison of the effects of transcranial magnetic stimulation in timed‐response 

and reaction time tasks .......................................................................................... 83

Specificity of effects of M1 stimulation..................................................................... 85

Conclusions .................................................................................................................. 90

References ............................................................................................................................. 91

Appendix 1. Supplementary statistics for Experiment 1 ............................................ 121

Appendix 2. Supplementary statistics for Experiment 2 ............................................ 123

Appendix 3. Supplementary statistics for Experiment 3 ............................................ 125

 

Page 7: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

     

    vii 

Acknowledgements 

First and foremost, I would like to thank my supervisors, Geoff Hammond, Gary 

Thickbroom  and  Allison  Fox,  for  their  invaluable  feedback,  support  and  academic 

guidance. Special thanks must go to my primary supervisor, Geoff, who has supervised 

me  since Honors  and has  continued  to generously provide  time  for me,  even  in his 

retirement. Geoff has always provided extensive, helpful feedback on all of my work, 

which has been critical to the development of my academic writing. Thank you Geoff for 

continuing  to provide advice on what  sometimes  seemed  like an  endless number of 

drafts and revisions to the thesis. 

I would  like  to  thank my partner, Zenobia, who  also went  through  the PhD 

program with me, and has not only supported me throughout all these years, but has 

endured constant discussions about my research and has even provided comments on 

some of my writing. Thanks also to all my peers within the School of Psychology for all 

the  support  that  you have  given me,  and  for making my  time  in  the PhD program 

enjoyable, or at least bearable. I’m not sure I would have got to the end of this degree 

without the community that I have found here. 

I would like to thank my former (now finished) lab‐mates, Ann‐Maree, Li‐Ann 

and Michelle, along with all those in my adopted EEG and Doppler lab‐group, for their 

support, advice and encouragement. I would also like to thank all those who have taken 

time out of their busy schedules to participate in my studies and those who helped me 

pilot  test my  experiments. This  thesis  could not have  been  completed without  your 

contribution to this work. 

This  research  has  been  supported  by  Australian  Postgraduate  Awards  and 

University  of  Western  Australia  Safety  Net  Top‐Up  scholarships.  The  School  of 

Psychology and the Graduate Research School have also provided travel, equipment and 

other funding which have helped support this research. As such, thanks must go to these 

organizations and funding bodies for making this work possible. 

Page 8: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment
Page 9: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

     

    ix 

Abbreviations 

ADM  Abductor digiti minimi 

APB  Abductor pollicis brevis 

CME  Corticomotor excitability 

CSP  Cortical silent period 

EMG  Electromyography 

FDI  First dorsal interosseous 

ISI  Inter‐stimulus interval 

M  Mean 

M1  Primary motor cortex 

MEP  Motor evoked potential 

MVC  Maximum voluntary contraction 

RMS  Root mean square 

rMT  Resting motor threshold 

RT  Reaction time 

SD  Standard deviation 

SEM  Standard error of the mean 

SMA  Supplementary motor area 

TMS  Transcranial magnetic stimulation 

Page 10: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment
Page 11: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

     

    1 

Chapter 1. 

General introduction 

The generation of a motor response, such as hitting a tennis ball with a racquet, 

is preceded by a cascade of neural events. The generation of a motor response requires, 

first, the recognition of a cue that signals the required response, such as the ball being 

hit by an opposing player. After  this cue has been recognized,  the appropriate motor 

response must be selected from a list of possible alternatives, such as list of tennis shots. 

Then,  the  commands  for  the  response must be programmed  into  a motor plan  and, 

finally, the response itself must be executed (Schmidt & Lee, 2011). The completion of 

each  of  these  stages  requires  a  certain  amount  of  time  to  complete  the  necessary 

processing, which  all  contribute  to  the  total  reaction  time  (RT)  for  the  response. An 

examination  of  the  timing  of  a motor  response  can  therefore  give  insight  into  the 

processing  required  to prepare and execute  the  response and how  this processing  is 

affected by different neural and behavioral factors. 

The existence of a motor plan, which is prepared prior to the execution of a motor 

response, has been well supported over years of research (Schmidt, 2003). Its existence 

has  been  supported  by  findings  that  more  complex  movements  require  more 

preparation time, consistent with greater complexity of the corresponding motor plan 

(Henry  &  Rogers,  1960). Movements  requiring  the  coordination  of  multiple  limbs 

(Sternberg,  Monsell,  Knoll,  &  Wright,  1978)  and  movement  sequences  (Franks, 

Nagelkerke, Ketelaars, & Van Donkelaar, 1998; Klapp & Zelaznik, 1996) have also been 

found to require more preparation time, consistent with the greater complexity of these 

actions. More direct evidence for the existence of a motor plan has been demonstrated 

by findings that the removal of critical information immediately prior to the execution 

of  a  response  does  not  substantially  affect  the  initial  execution  of  the  response, 

suggesting that these actions were planned in advance. Subsequent components of the 

response may be influenced by feedback, however, suggesting that an error‐correction 

process monitors and corrects errors in the preparation or execution of the motor plan 

(Cheng, Luis, & Tremblay, 2008; Elliott & Allard, 1985; Keele & Posner, 1968; Paulignan, 

Page 12: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

2  Chapter 1     

Jeannerod, MacKenzie, & Marteniuk, 1991; Pélisson, Prablanc, Goodale, &  Jeannerod, 

1986; Zelaznik, Hawkins, & Kisselburgh, 1983). 

 The neural control of motor actions 

Multiple cortical areas are involved in the preparation and execution of a motor 

response. Early stages of motor preparation appear to primarily involve anterior motor 

areas, including the dorsal premotor cortex and supplementary motor area (Koch et al., 

2006;  O’Shea,  Sebastian,  Boorman,  Johansen‐Berg,  &  Rushworth,  2007;  Rushworth, 

Johansen‐Berg, Göbel, & Devlin,  2003;  Schluter,  Krams,  Rushworth, &  Passingham, 

2001). Associative  areas  in  the  parietal  cortex  also  appear  to  assist  in  transforming 

relevant perceptual information into the motor response (Rushworth et al., 2003). The 

primary motor cortex (M1) is particularly important to the generation of motor actions 

as both an area  that contributes  to  the preparation of  the motor plan and  the  largest 

origin of pyramidal neurons through which these motor plans are executed (Davidoff, 

1990; Holmes & May, 1909; Schieber, 2001). M1 appears to become more involved in later 

stages of motor preparation, whereas the contribution of the premotor cortex decreases 

closer to the onset of the response (Schluter, Rushworth, Passingham, & Mills, 1998; J. L. 

Taylor, Wagener, & Colebatch, 1995). 

The execution of a motor response requires the buildup of excitability within the 

cortico‐motor system, including M1. Corticomotor excitability (CME), as measured by 

transcranial magnetic stimulation (TMS) has consistently been found to increase prior to 

the onset of a motor action (R. Chen & Hallett, 1999; R. Chen, Yaseen, Cohen, & Hallett, 

1998; Hoshiyama  et  al.,  1996; Leocani, Cohen, Wassermann,  Ikoma, & Hallett,  2000; 

Pascual‐Leone, Valls‐Solé,  et  al.,  1992;  Starr, Caramia, Zarola, & Rossini,  1988). This 

increase in CME is accompanied by an increase in the firing rate of neurons in M1, which 

is  observed  shortly  prior  to  the  onset  a  voluntary movement  and  continues  until  a 

threshold is reached for discharging motor neurons (Evarts, 1966). Spinal motor neurons 

also  show  increased  excitability  prior  to movement  onset  (Schieppati,  Nardone,  & 

Musazzi, 1985). These changes in excitability appear to be distinct from changes in motor 

activity  related  to  the preparation  of  a motor  response, which does not  require  any 

increase in CME (Kaufman, Churchland, Ryu, & Shenoy, 2014). 

The control of a motor response is influenced by circuits of interneurons which 

excite or  inhibit pyramidal neurons  in M1. Multiple different circuits of  interneurons 

Page 13: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    General introduction  3 

have been identified that either raise or lower the excitability of M1 cells (Ferbert et al., 

1992; Kujirai et al., 1993; Nakamura, Kitagawa, Kawaguchi, & Tsuji, 1997; Valls‐Solé, 

Pascual‐Leone, Wassermann, & Hallett, 1992).  Inhibitory processes within M1 and  in 

higher cortical areas are important for the prevention of premature responding and the 

inhibition  of  competing,  but  inappropriate,  responses  (Duque,  Lew,  Mazzocchio, 

Olivier, & Ivry, 2010; Jahfari, Stinear, Claffey, Verbruggen, & Aron, 2010; Mostofsky & 

Simmonds, 2008; Stinear, Coxon, & Byblow, 2009; Tandonnet, Garry, & Summers, 2011). 

Different circuits of interneurons appear to mediate different inhibitory processes such 

as  the  inhibition  of  a  specific  competing  response  and  the  global  inhibition  of  any 

response  (Criaud, Wardak,  Ballanger, &  Boulinguez,  2012; Duque,  Labruna, Verset, 

Olivier, & Ivry, 2012; Duque et al., 2010; Jaffard et al., 2008). The activity of inhibitory 

circuits appears to be adaptively modified in response to task demands, both in reaction 

to  and  in  advance of  a  cue  to  inhibit  a  response  (Boulinguez, Ballanger, Granjon, & 

Benraiss, 2009; Criaud et al., 2012; Wardak, Ramanoël, Guipponi, Boulinguez, & Ben 

Hamed, 2012). Motor responses appear to be inhibited by default by the motor system 

(Criaud  et  al.,  2012), meaning  that  the  execution  of  a motor  response  requires  the 

withdrawal of inhibition. Consistent with this, a reduction in intracortical inhibition has 

been found to precede changes in CME related to the execution of a motor response and 

is sustained  into  the execution of  the response  (C. Reynolds & Ashby, 1999; Ridding, 

Taylor, & Rothwell, 1995; Zoghi, Pearce, & Nordstrom, 2003). Preparation to respond to 

an upcoming signal is also associated with a reduction in intracortical inhibition, along 

with an increase in intracortical facilitation (Sinclair & Hammond, 2009, 2009; Tandonnet 

et al., 2012; Tandonnet, Garry, & Summers, 2010), further supporting the role of changes 

in excitability in the initiation of motor actions. 

The control of bimanual movements 

The control of bimanual actions appears to involve neural interactions between 

the  two  hemispheres.  These  interactions  are  reflected  in  associations  between  the 

movements produced by each  limb,  including a  tendency  towards  the production of 

symmetrical,  synchronous actions,  referred  to as bimanual coupling  (Swinnen, 2002). 

Two aspects of bimanual coupling are spatial coupling and temporal coupling. Spatial 

coupling,  the  tendency  towards  symmetrical  actions,  has  been  observed  in drawing 

tasks which require different shapes to be simultaneously drawn with each hand. The 

Page 14: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

4  Chapter 1     

shapes produced in this task commonly take on characteristics of the shape drawn with 

the other hand (Franz, 1997; Franz, Zelaznik, & McCabe, 1991). Spatial coupling has also 

been  observed  in  bimanual  reaching  tasks.  When  reaching  to  targets  at  different 

distances, people typically overshoot the closer target while undershooting the further 

target, such that the movements for both hands converge (Sherwood, 2006; Sherwood & 

Nishimura,  1992).  Similar  effects  are  also  observed  in  force  production  tasks 

(Diedrichsen, Hazeltine, Nurss, & Ivry, 2003; Rinkenauer, Ulrich, & Wing, 2001). 

Temporal  coupling,  the  tendency  towards  synchronous  actions,  is  observed 

during naturalistic, goal oriented movements such as opening a drawer and retrieving 

an  object  (Kazennikov  et  al.,  1994;  Perrig,  Kazennikov,  & Wiesendanger,  1999)  or 

pouring liquid into a glass (Weiss & Jeannerod, 1998). During reaching movements, the 

initiation  and  termination  of  the movements  produced  by  each  hand  occurs  almost 

simultaneously even when reaching to targets at different distances (Kelso, Southard, & 

Goodman, 1979b). During force production, the times taken by each hand to reach peak 

force from the onset of each response are also closely associated (Diedrichsen et al., 2003; 

Rinkenauer et al., 2001; Steglich et al., 1999) and this association is preserved even when 

subjects are instructed to increase the forces produced by each hand over different time 

periods (Rinkenauer et al., 2001). 

The neural mechanisms mediating bimanual coupling appear to differ between 

spatial and  temporal coupling. Spatial coupling appears  to depend on  the  transfer of 

pre‐motor and motor  information via  the corpus callosum. This hypothesis has been 

supported by several ablation studies (Eliassen, Baynes, & Gazzaniga, 1999, 2000; Franz, 

Eliassen, Ivry, & Gazzaniga, 1996). Individuals with a surgical section or agenesis of the 

corpus  callosum  are  impaired  on  tasks  requiring  coordinated  bimanual movements 

(Eliassen et al., 2000; Preilowski, 1972) but appear to have an advantage in decoupling 

spatial aspects of movements, as they are able to produce two different shapes with little 

interference between the hands (Franz et al., 1996; Ivry & Hazeltine, 1999; Tuller & Kelso, 

1989). Similarly, force coupling between the limbs is lower in individuals with a surgical 

section or agenesis of the corpus callosum than it is in normal controls (Diedrichsen et 

al., 2003). 

In  contrast  to  spatial  coupling,  temporal  coupling appears  to be mediated by 

either callosal or subcortical and cerebellar interactions, depending on the action being 

performed (Ivry & Richardson, 2002; Kennerley, Diedrichsen, Hazeltine, Semjen, & Ivry, 

Page 15: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    General introduction  5 

2002). The temporal coupling of continuous movements, such as those in a continuous 

circle drawing  task,  appears  to depend on  connections  through  the  corpus  callosum 

since people with a callosotomy show reduced coupling on these tasks (Kennerley et al., 

2002;  Serrien,  Nirkko,  & Wiesendanger,  2001).  Similarly,  associations  between  the 

temporal characteristics of a movement, such as the time taken by each hand to reach 

the peak force of a pinch, are reduced in individuals with a callosotomy. However, these 

associations are not completely eliminated in either individuals with a callosotomy or 

callosal agenesis, suggesting that other connections, such as subcortical connections, also 

contribute to these associations (Diedrichsen et al., 2003). Unlike continuous movements, 

the coupling between movement onsets in a discrete tapping task persist in callosotomy 

patients, suggesting  that  these associations are not primarily mediated by  the corpus 

callosum (Kennerley et al., 2002). Temporal coupling is similarly preserved (Franz et al., 

1996; Ivry & Hazeltine, 1999) or even enhanced (Tuller & Kelso, 1989) in other tasks with 

discrete components such as opening a drawer with one hand and retrieving an object 

inside with the other (Serrien et al., 2001). The associations between the actions produced 

by each hand in these tasks could be mediated by subcortical or spinal interactions, as 

well as shared contributions from cerebellar structures (Ivry & Richardson, 2002). 

Left hemisphere dominance in motor control 

Each  limb appears  to be primarily  controlled by  the  contralateral hemisphere 

(Brinkman & Kuypers, 1973). However, in right‐handed individuals, the left hemisphere 

appears  to be dominant  and  to  contribute  to  the  control  of both  limbs. Left‐handed 

individuals also exhibit hemispheric dominance, although dominance tends to be more 

variable within this group (Hammond, 2002). Early studies showed that lesions to either 

hemisphere impaired movements performed by the contralateral upper limb but only 

left‐hemisphere  lesions  impaired  movements  performed  by  the  ipsilateral  limb 

(Liepman, 1908, 1920, as cited in Goble & Brown, 2008; Wyke, 1968, 1971). Left but not 

right‐hemisphere lesions have been found to impair multiple aspects of motor control 

including  impairments  in  the  control  of  bimanual  motor  sequences  (Haaland  & 

Harrington, 1994), motor preparation (Haaland & Harrington, 1989) and complex goal‐

directed  behavior  (Haaland,  Harrington,  &  Knight,  2000).  Imaging  data  have  also 

supported the role of the left M1 in the control of both limbs. Greater activation has been 

found in the premotor and motor areas of the left hemisphere than the right hemisphere 

Page 16: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

6  Chapter 1     

during the performance of bimanual sequential finger‐thumb movements (Jäncke et al., 

1998) and ellipse drawing (Viviani, Perani, Grassi, Bettinardi, & Fazio, 1998). Increased 

left M1 activation has been observed during the preparation of complex movements for 

either  hand  (Haaland,  Elsinger, Mayer, Durgerian, &  Rao,  2004;  Singh  et  al.,  1998), 

further supporting the role of the left M1 in the control of both limbs. 

The  left  hemisphere  appears  to  be more  involved  in  the  control  of  complex 

movements than simple movements. Greater activation has been consistently found in 

the motor areas of  the  left  than right hemisphere during  the performance of complex 

movements with the ipsilateral hand (Callaert et al., 2011; Haaland, 2006; Haaland et al., 

2000;  Koeneke,  Lutz, Wüstenberg,  &  Jäncke,  2004;  Serrien,  Ivry,  &  Swinnen,  2006; 

Swinnen et al., 2010).  In  contrast,  similar  levels of activation have been  found  in  the 

motor areas of the left and right hemisphere during the production of simple movements 

with  the  ipsilateral hand  (Jäncke et al., 1998; Volkmann, Schnitzler, Witte, & Freund, 

1998) and during simple bimanual tapping movements (Pollok, Muller, Aschersleben, 

Schnitzler, & Prinz, 2004). Greater left hemisphere activation has also been found during 

the performance of a choice RT task than during a simple RT task with the ipsilateral 

hand, which could be due to the greater complexity of the choice RT task (Schluter et al., 

2001). 

TMS studies have supported the dominant role of the left M1 in the performance 

of complex tasks. Greater increases in CME have been observed during the performance 

of a complex task than a simple task with the ipsilateral hand (Tinazzi & Zanette, 1998; 

van den Berg, Swinnen, & Wenderoth, 2011; Ziemann & Hallett, 2001). The increase in 

CME during the performance of a complex task was also greater in the left than right M1 

(van den Berg et al., 2011; Ziemann & Hallett, 2001). In contrast, similar increases in CME 

have  been  observed  in  the  left  and  right M1  during  the  performance  of  a  simple 

unimanual  contraction with  the  ipsilateral  hand  (Stinear, Walker, &  Byblow,  2001). 

Furthermore, another  study  found  that  repetitive TMS over  either M1 disrupted  the 

performance of a  simple  tapping  task, performed with  the  ipsilateral hand, but only 

repetitive TMS over the left M1 disrupted the performance of a more complex reach‐to‐

grasp task, performed with the same hand (Dafotakis, Grefkes, Wang, Fink, & Nowak, 

2008). These data  further  support  the dominant  role of  the  left M1  in  the  control of 

complex motor tasks. 

Page 17: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    General introduction  7 

The left M1 also appears to be particularly important in the control of the timing 

of  motor  responses.  Increased  left  M1  activation  has  been  observed  during  the 

production of force responses with precise durations with either hand. This activation 

was not observed when the task was modified to require precise forces, suggesting that 

it did not  result  from  increased  task  complexity  but  is  specific  to  the  control  of  the 

temporal aspects of the response (Macar, Anton, Bonnet, & Vidal, 2004). Further support 

for the role of the left M1 in the control of movement timing comes from an rTMS study 

which  found  that  rTMS  to  the  left M1  could  advance  or  delay  the  onset  of muscle 

recruitment in the ipsilateral hand, depending on the time at which this stimulation was 

administered,  relative  to  the  expected  onset  of  the  response  (Davare,  Duque, 

Vandermeeren, Thonnard, & Olivier, 2007). Another study  found  that disrupting M1 

with rTMS can  induce  timing errors  in  the execution of metronome‐paced movement 

sequences performed with the ipsilateral hand. These errors were produced by both left 

and  right  M1  stimulation  although  the  effects  were  stronger  and  outlasted  the 

stimulation period when rTMS was applied to the left M1 (R. Chen, Gerloff, Hallett, & 

Cohen, 1997), further supporting the role of the left M1 in the control of the timing of 

motor actions. 

Perturbing cortical activity with transcranial magnetic stimulation 

It has been proposed that TMS may be used to investigate the involvement of a 

stimulated region in a function or behavior of interest (Paus, 2005). TMS can be used to 

perturb or  facilitate ongoing neural activity  (Bohning et al., 2000; Silvanto, Cattaneo, 

Battelli, & Pascual‐Leone, 2008), which may disrupt or  improve  the performance of a 

behavior being investigated. If TMS disrupts the performance of a behavior, it may be 

concluded that the regions activated by TMS are required, but not necessarily sufficient, 

for  the  performance  of  this  behavior  (Chouinard  &  Paus,  2010).  Similarly,  if  TMS 

improves performance, this demonstrates that modulating the activity of the stimulated 

region alters the control of this behavior, and that this region must therefore contribute 

to  the  control  of  this  action.  This  approach  has  been  used  in  a  number  of  studies, 

discussed below, which investigated the effect of TMS on the timing of a motor response 

in RT tasks. 

Page 18: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

8  Chapter 1     

Reaction time responses delayed by transcranial magnetic stimulation 

Suprathreshold TMS over M1 has been shown to delay RT  in the contralateral 

hand  by  up  to  150 ms  when  administered  within  approximately  120 ms  prior  to 

movement onset (Burle, Bonnet, Vidal, Possamaï, & Hasbroucq, 2002; Day et al., 1989; 

Hashimoto,  Inaba, Matsumura, & Naito,  2004; McMillan, Nougier, &  Byblow,  2004; 

Romaiguère, Possamaı̈, & Hasbroucq, 1997; Schluter et al., 1998; Schluter, Rushworth, 

Mills, & Passingham, 1999; Ziemann, Tergau, Netz, & Hömberg, 1997). TMS has been 

found to only delay responses when delivered at suprathreshold intensities (Burle et al., 

2002; Day et al., 1989; Hashimoto et al., 2004; McMillan et al., 2004; Meyer & Voss, 2000; 

Romaiguère et al., 1997; Schluter et al., 1998, 1999; Ziemann et al., 1997). Suprathreshold 

TMS has been found to delay responses in both the contralateral and ipsilateral hand. 

However, delays in ipsilateral responses are only observed at high stimulus intensities 

(approximately twice the resting motor threshold intensity) (Foltys et al., 2001; Meyer & 

Voss, 2000) and are  typically shorter  (40 ms)  than  those observed  in  the contralateral 

hand (Day et al., 1989; Meyer & Voss, 2000). Delays in contralateral responses are longer 

at higher stimulus intensities (J. L. Taylor et al., 1995; Ziemann et al., 1997) and when 

TMS  is applied closer  to  the expected movement onset  time  (Day et al., 1989). Motor 

responses  executed  following  these  delays  appear  to  be  intact,  as  they  exhibit  the 

triphasic  pattern  of  electromyographic  (EMG)  activity  characteristic  of  a  ballistic 

voluntary motor  response, consisting of  sequential agonist‐antagonist‐agonist muscle 

activation. This finding that TMS does not disrupt the structure of the response suggests 

that the motor plan is not disrupted by TMS, which has led to the hypothesis that TMS 

delays  responses  by  temporarily  blocking  the  transfer  of  the motor  program  to  the 

circuitry responsible for executing the response (Day et al., 1989). 

Reaction time responses advanced by transcranial magnetic stimulation 

Single‐pulse  TMS  has  been  found  to  advance  responses  in  both  the  hands 

contralateral and ipsilateral to TMS when administered during the response latency of 

an RT  task  (Foltys  et  al.,  2001; Hallett, Cohen, & Bierner,  1991; Leocani  et  al.,  2000; 

Molinuevo,  Valls‐Solé,  &  Valldeoriola,  2000;  Pascual‐Leone,  Valls‐Solé,  et  al.,  1992; 

Pascual‐Leone, Brasil‐Neto, Valls‐Solé, Cohen, & Hallett,  1992; Pascual‐Leone, Valls‐

Solé, Brasil‐Neto, Cohen, & Hallett,  1994;  Soto  et  al.,  2010). TMS  has  been  found  to 

advance contralateral responses more at lower, subthreshold intensities (Hashimoto et 

Page 19: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    General introduction  9 

al.,  2004;  Pascual‐Leone,  Valls‐Solé,  et  al.,  1992),  whereas  it  advances  ipsilateral 

responses more at higher, suprathreshold  intensities  (Hashimoto et al., 2004; Pascual‐

Leone, Valls‐Solé, et al., 1992). However, TMS has been found to advance contralateral 

responses  at  both  subthreshold  (Brasil‐Neto,  Pascual‐Leone,  Valls‐Solé,  Cohen,  & 

Hallett,  1992;  Pascual‐Leone  et  al.,  1994;  Sawaki  et  al.,  1999)  and  suprathreshold 

intensities (Burle et al., 2002; Foltys et al., 2001; Leocani et al., 2000; Pascual‐Leone, Valls‐

Solé, et al., 1992; Romaiguère et al., 1997; Soto et al., 2010) when administered early in 

the response latency. Later in the response latency, shortly before the expected onset of 

the response, TMS has been shown to advance contralateral responses at subthreshold 

intensities but to delay them at suprathreshold intensities (Hashimoto et al., 2004). The 

effector of the response does not appear to moderate the extent to which TMS advances 

a responses (Pascual‐Leone, Valls‐Solé, et al., 1992), nor is this effected by whether the 

response  is  executed  unimanually  or  bimanually  (Foltys  et  al.,  2001).  Responses 

advanced by TMS have been found to exhibit the same pattern of EMG activity as those 

in conditions in which TMS was not administered, suggesting that TMS does not disrupt 

the integrity of the response (Hashimoto et al., 2004). 

Non‐specific mechanisms 

The advancement of RT  responses by TMS might be due  to both non‐specific 

mechanisms and mechanisms specific to the stimulation of M1, which will be discussed 

in  turn.  Previous  studies  have  produced mixed  findings  concerning  whether  non‐

specific factors, such as the sound or tactile stimulation produced by TMS, contribute to 

the advancement of responses produced in RT tasks. Some studies have found that off‐

scalp  stimulation  or  the  stimulation  of  non‐motor  areas  can  advance  responses  to  a 

similar extent to M1 TMS (Romaiguère et al., 1997; Terao et al., 1997). However, other 

studies have found that TMS produces greater reductions in RT when delivered over M1 

than when delivered off‐scalp or over non‐motor areas (Burle et al., 2002; Pascual‐Leone, 

Valls‐Solé, et al., 1992; Ziemann et al., 1997). It has been suggested that differences  in 

these  findings may be due  to differences  in  the TMS  intensity used between  studies 

(Hashimoto et al., 2004) or the use of different control stimulation conditions (off‐scalp 

or non‐motor TMS) (Burle et al., 2002). However, it appears that both non‐specific and 

specific effects contribute to the advancement of RT responses produced by TMS in most 

Page 20: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

10  Chapter 1     

studies (Burle et al., 2002; Foltys et al., 2001; Hashimoto et al., 2004; Pascual‐Leone, Valls‐

Solé, et al., 1992; Sawaki et al., 1999). 

It  has  been  suggested  that  TMS  could  produce  non‐specific  effects  through 

intersensory facilitation (Terao et al., 1997), a reduction in RT to an imperative stimulus, 

produced by the presentation of an accessory stimulus (Nickerson, 1973). The imperative 

stimulus is the stimulus which is used to cue the response (the ‘go’ signal), whereas the 

accessory stimulus is an additional stimulus that is not necessary to perform the task. 

The sound and tactile stimulation produced by TMS could act as accessory stimuli to 

produce intersensory facilitation. Intersensory facilitation may be mediated by the faster 

detection of the imperative stimulus (Mordkoff & Yantis, 1991; Otto & Mamassian, 2012) 

or temporal preparation, preparing to respond at a certain time (Los, Hoorn, Grin, & Van 

der Burg, 2013). 

A loud acoustic stimulus, such as the one associated with TMS (Counter & Borg, 

1992; Nikouline, Ruohonen, &  Ilmoniemi, 1999), could also elicit a startle response, a 

pattern of bilateral muscle activity including include eye closure, facial grimacing and 

neck flexion  in response to an  intense stimulus with a sudden onset (short rise time), 

which  could  advance  responses  by  involuntarily  triggering  the  early  execution  of  a 

prepared motor plan (Blumenthal, 1988; Blumenthal et al., 2005; Carlsen, Maslovat, Lam, 

Chua, & Franks, 2011; Valls‐Solé, Kumru, & Kofler, 2008). The startle response is more 

reliably triggered at high auditory stimulus intensities (>100 dB) but components of the 

startle response can be triggered at stimulus intensities as low as 50 to 70 dB (Blumenthal 

et al., 2005; Blumenthal & Goode, 1991; Blumenthal & Keith Berg, 1986; Hoffman & Ison, 

1980). These  sound  levels are  exceeded by  that produced by TMS, which  is often  in 

excess of 100 dB, even at low stimulation intensities, and can exceed 130 dB at maximum 

stimulator output (Counter & Borg, 1992; Gilbert et al., 2004; Nikouline et al., 1999). TMS 

also produces tactile stimulation which may contribute separately to a startle response 

(Nikouline  et  al.,  1999;  B.  K.  Taylor,  Casto,  &  Printz,  1991;  Yeomans,  Li,  Scott,  & 

Frankland, 2002). Although the startle response habituates rapidly when a loud acoustic 

stimulus is presented at rest (Abel, Waikar, Pedro, Hemsley, & Geyer, 1998; Brown et al., 

1991; M. Davis & Heninger, 1972; Leaton, Cassella, & Borszcz, 1985), the habituation of 

this response greatly diminished when a loud acoustic stimulus is presented during the 

preparation  of  a motor  response  (Carlsen, Chua,  Inglis,  Sanderson, &  Franks,  2003; 

Siegmund, Inglis, & Sanderson, 2001; Valls‐Solé, Valldeoriola, Tolosa, & Nobbe, 1997). 

Page 21: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    General introduction  11 

As such, a startle response may be present throughout a prolonged motor task (Carlsen 

et al., 2003). A loud (startling) acoustic stimulus has been shown to advance responses 

in RT tasks (see Valls‐Solé et al., 2008 for a review), and it has been suggested that this 

phenomenon may contribute some of the advancement of responses produced by TMS 

(Leocani et al., 2000). 

M1‐stimulation specific mechanisms 

TMS could advance RT responses by reducing the duration of motor processes 

required to prepare or execute the response. TMS has been argued to advance responses 

by reducing the duration of late motor processes, particularly the transfer of the motor 

program from higher motor areas (e.g. premotor cortex) to the output circuitry in M1 

(Pascual‐Leone, Brasil‐Neto, et al., 1992; Sawaki et al., 1999). TMS has been  found  to 

produce  the greatest advancement of  the response when administered approximately 

120 ms before the onset of EMG activity, approximately 30 ms before the onset of the 

lateralized  movement  related  potential  (Sawaki  et  al.,  1999).  As  the  lateralized 

movement related potential has been argued to reflect M1 activation, coincident with the 

transfer of the motor program to the output circuitry, these findings indicate that TMS 

produces  its  strongest  effects  on  the  timing  of  responses  when  administered 

immediately prior to this event (Sawaki et al., 1999). While this finding could indicate 

that  the  effects  of TMS  are mediated  by  the  facilitation  of  the  transfer  of  the motor 

program to the output circuitry, TMS could also abbreviate subsequent motor processes 

required for the execution of the response, such as the development of a sufficient level 

of M1 excitability  for response execution, by  increasing M1 or subcortical excitability 

(Molinuevo et al., 2000; Pascual‐Leone et al., 1994). 

Current thesis 

As outlined above, TMS could advance responses  in RT  tasks  through several 

different mechanisms. Different perceptual and motor processes occur in close proximity 

and may even overlap in RT tasks, which makes it difficult for experiments using these 

tasks to delineate the effects of TMS on different motor and perceptual processes (Miller, 

1982; Romaiguère et al., 1997; Sawaki et al., 1999). Therefore,  the experiments  in  this 

thesis  used  a  timed‐response  task which  permits  advanced  preparation  of  a motor 

response to examine the effect of TMS on motor processing (Carlsen & MacKinnon, 2010; 

Page 22: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

12  Chapter 1     

Hening, Favilla, et al., 1988; Hening, Vicario, & Ghez, 1988; Steglich et al., 1999). This 

task required the synchronized execution of a pinch response with the last of four tones, 

presented  at  an  interstimulus  interval  (ISI)  of  1000 ms.  The  use  of  this  task  allows 

potential effects of TMS on stimulus recognition and response selection processes to be 

excluded as these processes can be completed well in advance of the administration of 

TMS. Tasks  that require  the anticipation of a motor response such as  timed‐response 

tasks have also been  argued  to be more  ecologically  relevant  than RT  tasks as most 

everyday motor  actions  involve  predictable  stimuli  that  can  be  reliably  anticipated, 

rather than a rapid execution of a response to an unexpected event (Schmidt & Lee, 2011). 

Thesis outline 

This thesis assessed the contribution of M1 to the control of the timing of motor 

responses by perturbing M1 with single‐pulse TMS during the performance of a timed‐

response task. The details of this task and general methods for all of the experiments in 

this thesis are presented in Chapter 2. 

Chapter 3 presents a study which investigated the effect of TMS on the timing of 

a  response, when  administered  at  various  times  prior  to  the  expected  onset  of  the 

response. TMS was  found  to advance  responses made with either hand over a wide 

range of TMS‐response intervals. Chapter 4 describes an experiment which compared 

the effects of TMS over the left and right M1 during the performance of a timed‐response 

task which required either unimanual or bimanual pinches. Left and right M1 TMS were 

both  found  to  advance  responses  in  the  hands  contralateral  and  ipsilateral  to  TMS, 

regardless of the required response. TMS produced stronger effects on the timing of both 

ipsilateral and contralateral responses when administered over the left M1 than when 

administered over the right M1. Both bimanual and unimanual pinches were similarly 

advanced  by TMS. Chapter  5 presents  findings  indicating  that CME does not differ 

between the preparation of these unimanual and bimanual pinches. 

Chapter 6 presents  findings  from an experiment which aimed  to quantify  the 

contribution of non‐specific effects to the advancement of response onsets produced by 

TMS, by comparing the effects of left M1 and left occipital TMS. TMS over the occipital 

cortex was found to advance responses to a similar extent to TMS over the left M1. This 

finding  could  suggest  that  non‐specific mechanisms,  such  as  a  startle‐like  response, 

mediate this effect. However, occipital TMS was also found to increase the force of the 

Page 23: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    General introduction  13 

response, which may indicate that occipital TMS was an inappropriate control for non‐

specific effects of TMS over M1. 

The  experiment  presented  in  Chapter  7  examined  whether  TMS  facilitated 

processes  involved  in  the  preparation  or  execution  of  a motor  response.  This was 

accomplished by examining the effect of TMS on the timing of responses that required a 

muscle  contraction  or  the  relaxation  of  a  sustained  contraction. These  responses  are 

hypothesized to  involve shared preparatory processes but opposing changes  in CME, 

related to the execution of the response. TMS was observed to advance contraction but 

not  relaxation  responses  suggesting  that  TMS  advances  responses  by  facilitating 

processes required for the execution of a muscle contraction. 

Chapter  8  integrates  the  findings  from  the  thesis  and discusses  the potential 

implications of these findings. 

 

Page 24: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment
Page 25: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

     

    15 

Chapter 2. 

General methods 

All  experiments  in  this  thesis used a  timed‐response  task which  required  the 

synchronized execution of a unimanual or bimanual pinch with  the  fourth  tone  in a 

sequence of equally spaced  tones. Experiment 1–3  (Chapter 3–6) required brief pinch 

responses whereas Experiment 4 (Chapter 3) required either the application or release 

of a sustained contraction in separate conditions. In each experiment, the required force 

and hand of the response were specified with a pair of force targets which represented 

the  left  and  right  hand  and were  presented  on  corresponding  sides  of  a  computer 

monitor.  Practice  trials  familiarized  subjects with  the  task  in  each  session  of  every 

experiment. TMS was administered during the experimental trials of each experiment to 

quantify CME and to examine the effect of TMS on the timing of pinch onsets. 

Subjects 

Right‐handed subjects were recruited separately  for each experiment using an 

online notice board. Handedness was determined via self‐report. Subjects were either 

awarded course credit or provided with a small remuneration for their time and travel 

expenses. All  subjects gave written  informed consent and were  screened  for medical 

conditions which might make them unsuitable for testing with TMS such as a history of 

brain  surgery,  epilepsy,  episodes  of  faintness,  or  the  current  use  of  psycho‐active 

medication.  All  experimental  protocols  were  accordance  with  the  Declaration  of 

Helsinki and were approved by a local research ethics committee. 

Materials and procedures 

Pinch response 

Subjects sat with their forearms supported on a table with the index finger and 

thumb  of  each  hand  lightly  touching  either  side  of  a  Loadstar  LAD‐050‐025‐S  force 

transducer or a pair of back‐to‐back force transducers. In Experiment 2, fingertip pinches 

were made by pressing the tips of the index finger and thumb against opposite sides of 

Page 26: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

16  Chapter 2     

a pair of back‐to‐back  force  transducers  In Experiment 1, 3 and 4,  lateral  (key) pinch 

responses were made by pressing the radial side of the index finger and thumb against 

opposite sides of a force transducer. The lateral pinch response was used in these later 

experiments  to  ensure  that  the  first  dorsal  interosseous  (FDI) muscle,  to which  all 

magnetic stimulation was calibrated, was the prime mover for the response1. Subjects 

were instructed to keep their hands relaxed between trials in each experiment. 

Maximum voluntary contraction determination 

Maximum voluntary contraction  (MVC) forces were determined as  the  largest 

peak force amplitude from five successive bimanual pinches, with each bimanual pinch 

separated by 6 s. Pinches were recorded separately for each hand. The pinch onset times 

for  each hand were  required  to  be  separated  by  less  than  150 ms  and pinches were 

required to be less than 1 s in duration. Visual feedback was given on these criteria and 

trials were discarded and repeated if these criteria were not met. 

Task 

The task used in Experiment 1–3 is described below. This task was modified in 

Experiment 4. The details of these modifications are presented in Chapter 7. 

At the start of each trial, subjects fixated on a cross displayed in the center of a 

monitor. Four tones, each 60 ms in duration, were presented at an inter‐stimulus interval 

of 1000 ms. Subjects were required to synchronize the onset of their responses with the 

last of these four tones. In Experiment 2–4, the force targets were presented 600 ms before 

the onset of the final tone. These targets were presented 800 ms before the final tone in 

Experiment 1  to compensate  for  the administration of TMS at earlier  intervals  in  this 

experiment.  The  force  targets  were  contained  within  two  vertical  bars,  which 

represented  the  left and  right hand, and were displayed on corresponding sides of a 

computer monitor (see Fig. 1). These bars displayed force on a linear scale, from 0% MVC 

at  the  bottom  to  100% MVC  at  the  top.  The  target  force was  indicated with  three 

horizontal lines that spanned the width of the bar corresponding to the relevant hand. 

                                                      

 

1  Experiments  are  labelled  in  their  order  of  presentation  in  this  thesis,  rather  than 

chronologically. Experiment 2 was completed prior to Experiment 1 and all other experiments. 

Page 27: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    General methods  17 

The center horizontal line represented the target force (10% or 30% MVC) and the upper 

and lower lines indicated the range of forces that were considered correct (±30% of the 

target force). 

 

Fig. 1  Screen shot of the display used for the experimental task, as seen immediately following 

a correct response to a 30% MVC target for the left hand. The force target, maximum acceptable 

force and minimum acceptable force are indicated by the three horizontal lines on the left hand 

bar. The  subject’s peak  force  is  shown  in blue  and was displayed both during  and  after  the 

response. The LED‐style indicators shown at the top of the screen were displayed following the 

response and were each lit (filled with green) when the relevant criterion was met. 

Forces were digitized at 200 Hz from the onset of the third tone until 800 ms after 

the onset of the final tone. The vertical bars and force targets remained on screen during 

and immediately after the pinch response. The onset of the pinch response was taken as 

the first time point at which force exceeded 5% of the maximum force exerted on that 

trial. Feedback on  the  force of  the  response was displayed by  filling  the appropriate 

vertical bar with color as force increased, similar to a thermometer. The bars remained 

Page 28: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

18  Chapter 2     

filled up to the peak force recorded on that trial. The bars remained on screen for 2 s after 

the response had been completed while additional feedback was displayed with a set of 

LED‐style  indicators  (Fig.  1).  Each  of  these  indicators was  labelled with  a  response 

criterion, each of which had to be met for the response to be considered correct on that 

trial. These criteria varied slightly between experiments and included restrictions on the 

timing  and  duration  of  the  response.  The  next  trial  commenced  immediately  after 

feedback had been displayed. 

Practice trials 

During the practice trials, subjects produced unimanual pinches in response to 

the force  targets. The  target  force and response hand was randomly selected  for each 

trial.  Practice  continued  until  correct  responses were  recorded  on  seven  out  of  ten 

consecutive  trials.  A  correct  response was  considered  one  in which  all  the  criteria 

specified by the LED‐style indicators were met and the peak force was within the force 

range indicated by the target lines. 

Stimulation and recording 

TMS was  delivered  through  a  figure‐of‐eight  coil,  90 mm  in  diameter,  by  a 

Magstim 200 stimulator. TMS was delivered to M1 with the coil placed tangential to the 

scalp with  the  handle  posterior  such  that  the  induced  current  flows  in  the  postero‐

anterior direction (Kammer, Beck, Thielscher, Laubis‐Herrmann, & Topka, 2001). Scalp 

sites were marked on a tight fitting cap with a 1 cm spaced grid referenced to C3 and C4 

on the international 10‐20 system for EEG recording. EMG activity was recorded with 

Ag‐AgCl electrodes, placed  in a belly‐tendon  configuration. A ground electrode was 

placed over the  lateral posterior tubercle of the radius of the right forearm. The EMG 

signal was digitized at 4 kHz, amplified  (1,000×) and bandpass  filtered  (10–1,000 Hz). 

Root‐mean‐square  (RMS) EMG activity was recorded  in  the period 45–15 ms prior  to 

TMS  stimulation  as  a measure  of  the post‐synaptic  state  of  the  spinal motoneurons. 

MEPs were  recorded  as  the  peak‐to‐peak  EMG  amplitudes  in  the  period  10–45 ms 

following stimulation. Stimulation and data acquisition was controlled by locally written 

software. 

The  optimal  site  for  eliciting  a  motor  evoked  potential  (MEP)  in  the  FDI 

contralateral to the stimulated M1 was determined as the site over which TMS elicited 

Page 29: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    General methods  19 

the  largest median MEP  amplitude  over  five  successive  pulses.  The  TMS  intensity 

required to elicit an MEP of approximately 1 mV in the relaxed FDI was determined as 

the TMS intensity which produced a median peak‐to‐peak MEP amplitude of 1 mV ±33% 

over  five  successive pulses.  In  experiments with multiple  sessions,  these parameters 

were determined separately for each session. For several subjects a reliable 1 mV ±33% 

MEP could not be obtained, so the minimum TMS intensity that produced an MEP of at 

least 1 mV was used instead. All test pulses for M1 were delivered at the optimal site for 

eliciting an MEP in the FDI at the intensity which produced a 1 mV MEP in that muscle. 

The resting motor threshold (rMT) was also determined in Experiment 1, 3, and 4 as the 

minimum intensity required to elicit an MEP of at least 50 μV in five out of ten trials. 

Data analysis 

Kernel density estimates showing the distribution of response onset times were 

fitted  in  each  experiment  using  publicly  available  R  software  (Botev, Grotowski, & 

Kroese,  2010).  Kernel  density  estimation  is  a  non‐parametric method  of  frequency 

estimation  that  has  been  argued  to  provide  a more  accurate  representation  of  the 

underlying distribution than histogram methods (Wand, 1997; Wand & Jones, 1995). 

Within‐subject  medians  were  calculated  for  each  dependent  variable  and 

condition analyzed in each experiment. MEP data were normalized with the square root 

transformation  as  Shapiro‐Wilk  tests  indicated  that  the  normality  assumption  was 

violated  for  these  data  in  multiple  experiments  (p < 0.05).  In  experiments  which 

examined  the  relationship  between  behavioral  or  electrophysiological  measures, 

correlation  coefficients were  calculated using  20% percentage‐bend  correlations. The 

percentage‐bend correlation is a robust alternative to the Pearsonʹs correlation which is 

less susceptible to distortion from outliers (Wilcox, 2012). Correlation coefficients were 

normalized with  the  Fisher’s r‐to‐z  transformation  prior  to  subsequent  analysis. All 

transformed data have been back‐transformed for reporting in‐text and in the relevant 

figures. 

Behavioral and electrophysiological data were analyzed with repeated measures 

ANOVAs. An  alpha  level  of  0.05 was used  for  all  inferential  statistics. Greenhouse‐

Geisser  corrections were  used  for  all  relevant  analyses  in which Mauchlyʹs  test  of 

sphericity indicated that the sphericity assumption was violated. Significant effects in an 

ANOVA were further investigated with Bonferroni‐Holm‐corrected post‐hoc pairwise 

Page 30: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

20  Chapter 2     

comparisons. Partial eta‐squared was used as the effect size measure for the ANOVAs 

and Hedges’ g was used for mean differences. For comparisons across factors comprised 

of more than two groups, within‐subject Hedges’ g statistics were calculated using the 

pooled error variance for the relevant factor, as calculated in the ANOVA. Within‐subject 

confidence  intervals  were  also  determined  from  this  variance  estimate,  using  the 

procedure described by Masson and Loftus (1994). 

Page 31: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

     

    21 

Chapter 3. 

Single‐pulse transcranial magnetic stimulation over 

the left M1 advances responses in a timed‐response 

task across a wide range of latencies prior to the 

response 

Single‐pulse TMS has been found to advance the onset of responses in RT tasks 

when delivered over M1 in synchrony with or closely following the presentation of an 

imperative signal (Brasil‐Neto et al., 1992; Burle et al., 2002; Foltys et al., 2001; Leocani et 

al., 2000; Pascual‐Leone, Valls‐Solé, et al., 1992; Pascual‐Leone et al., 1994; Sawaki et al., 

1999; Soto et al., 2010). TMS has also been found to delay responses when administered 

at later intervals, close to the expected onset of the response (Burle et al., 2002; Day et al., 

1989; Hashimoto et al., 2004; McMillan et al., 2004; Meyer & Voss, 2000; Romaiguère et 

al., 1997; Schluter et al., 1998, 1999; Ziemann et al., 1997). These delays appear  to be 

caused by an interruption of late motor processes that is induced by the TMS pulse (Day 

et al., 1989; Ziemann et al., 1997). 

TMS might  advance  responses  by  disrupting  an  inhibitory  process,  such  as 

proactive  inhibition, which  is  engaged  to  prevent  premature  responding.  Proactive 

inhibition  is  a  form  of  volitional  inhibition  that  is  applied  proactively,  prior  to  the 

occurrence of any  stimulus,  to prevent  the premature execution of a motor  response 

(Boulinguez et al., 2009; Criaud et al., 2012; Wardak et al., 2012). Proactive  inhibition 

appears  to  originate  from  prefrontal  and  parietal  areas  (Jaffard  et  al.,  2008),  and  is 

associated with a reduction in M1 excitability, which may mediate the inhibition of the 

motor response (Claffey, Sheldon, Stinear, Verbruggen, & Aron, 2010; Criaud et al., 2012; 

Duque & Ivry, 2009; Jaffard et al., 2008; Sinclair & Hammond, 2009; Stinear et al., 2009). 

Longer RTs have been observed  in  tasks which are hypothesized  to  require  the  later 

removal of proactive  inhibition, such as those  in which there  is uncertainty about the 

upcoming  stimuli,  suggesting  that  the  time  taken  to  release  proactive  inhibition 

contributes to the latency of the response (Boulinguez et al., 2009; Boulinguez, Jaffard, 

Granjon, & Benraiss, 2008; Criaud et al., 2012; Wardak et al., 2012). TMS might therefore 

Page 32: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

22  Chapter 3     

advance the execution of a motor response by disrupting or counteracting changes in 

M1  excitability  that  mediate  the  suppressive  effects  of  proactive  inhibition  on  the 

response. 

The current study examined the effect of TMS on the timing of response onsets 

in a timed‐response task which required the synchronized execution of force responses 

with a predictable auditory tone. This task permits the advanced preparation of a motor 

response, which must be withheld until  the appropriate  time (Carlsen & MacKinnon, 

2010; Hening, Favilla, et al., 1988; Steglich et al., 1999). It was hypothesized  that TMS 

would trigger the premature execution of the prepared voluntary response, consistent 

with the disruption of an inhibitory process, such as proactive inhibition, which prevents 

premature  responding.  Proactive  inhibition  appears  to  be  engaged,  and  may  be 

vulnerable to disruption, from early stages of motor preparation (Boulinguez et al., 2009; 

Criaud et al., 2012; Wardak et al., 2012). Thus,  it was  further hypothesized  that TMS 

would advance responses more when administered further before the target response 

time,  consistent  with  the  expectation  that  this  earlier  stimulation  would  disrupt 

proactive inhibition earlier, leading to the earlier initiation of the response. It was also 

expected  that TMS would delay  responses when  administered  close  to  the  expected 

execution of the response, consistent with the hypothesis that TMS interrupts late motor 

processes that are common to both timed‐response and RT tasks. 

Methods 

Subjects 

Nineteen right‐handed first‐year psychology undergraduates (7 male, 12 female) 

participated in the study. The subjectsʹ ages ranged from 17 to 26 years (median = 18). 

Procedures 

The  timed‐response  task  required  brief unimanual pinches  to  be  executed  in 

response to 10% and 30% MVC force targets. Force targets were presented for both the 

left  and  right  hand.  During  the  experimental  trials,  TMS  was  either  withheld  or 

administered over the left M1 350 ms, 300 ms, 250 ms, 200 ms or 150 ms before the target 

response time. EMG activity was recorded from the FDI, abductor pollicis brevis (APB) 

and abductor digiti minimi (ADM) muscles of the right hand. Ten trials were completed 

Page 33: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    TMS advances responses across a wide range of TMS‐response latencies  23 

for each of the 24 experimental conditions (6 TMS × 2 force × 2 hand), giving a total of 

240  trials. An  equal number  of  trials was  completed  for  each  condition. Trials were 

arranged into blocks of 24 trials, each of which contained all possible combinations of 

force, hand and TMS conditions. Condition order was randomized within each block. 

Trials were discarded and repeated if responses were not made with correct hand 

or if the duration between the onset and the peak force of the response (force rise time) 

exceeded  300 ms.  Feedback  was  given  on  both  of  these  criteria  using  LED‐style 

indicators. During the practice trials, subjects were also required to ensure that the onset 

of their responses occurred within 150 ms of the target time and feedback was given on 

this  criterion. This  feedback was withheld during  the  experimental  trials  to prevent 

subjects from using this information to compensate for any potential effects of TMS on 

the timing of their responses. Subjects were, however, requested to continue to attempt 

to  commence  their  responses  as  close  as  possible  to  the  target  time  during  the 

experimental trials. 

Data analysis 

In addition to the analyses outlined in the general methods, a mixed‐effect model 

was used to examine the effect of TMS administration time on pinch onset times. The 

no‐TMS  condition was  excluded  from  this  analysis.  TMS,  response  hand  and  force 

condition were  entered  into  the model  as  fixed  effects  and  subject was  entered  as  a 

random effect. TMS administration time was included as a second‐order polynomial to 

examine both potential linear and quadratic effects of administration time on pinch onset 

times. The model was fitted with random slopes and random intercepts for the effect of 

TMS across subjects. Degrees of freedom for p value calculations were estimated using 

the Satterthwaite approximation. 

Results 

Behavioral Data 

Right hand MVCs were an average of 1.5% greater (SD = 17.5%) than left hand 

MVCs, within  subjects. Mean MVCs were 43.6 N  for  the  left hand  (SD = 17.0 N) and 

43.3 N  (SD = 15.8 N)  for  the  right  hand.  During  the  experimental  task,  forces were 

generally accurate, with mean forces falling within the target range in both the 10% MVC 

Page 34: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

24  Chapter 3     

and  30%  MVC  conditions.  Summary  statistics  showing  the  means  and  standard 

deviations  of  peak  forces  in  each  condition  are  shown  in Table  1.  Peak  forces,  as  a 

percentage  of MVC,  did  not  significantly  differ  between  the  hands,  F(1, 18) = 2.79, 

p = 0.11,  ηg2 = 0.01.  Peak  forces were  less  precise,  as measured  by  the  coefficient  of 

variation,  in  the  10%  MVC  condition  (M = 0.28)  than  in  the  30%  MVC  condition 

(M = 0.22), F(1, 18) = 46.79, p < 0.001, ηg2 = 0.17. Force precision did not significantly differ 

between the hands, F(1, 18) = 0.15, p = 0.70, ηg2 = 0.00.

Table 1  Means  and  standard  deviations  (in  brackets)  for  peak  forces  in  each  condition, 

expressed as a percentage of MVC. TMS was either withheld  (none) or administered 350 ms, 

300 ms, 250 ms, 200 ms, or 150 ms before the target pinch onset time. 

TMS 

(ms) 

Left hand force (% MVC)  Right hand force (% MVC) 

10% MVC 

target 

30% MVC 

target 

10% MVC 

target 

30% MVC 

target 

None  11.5 (1.5)  26.9 (2.4)  11.3 (1.9)  27.8 (3.6) 

350  11.9 (1.7)  28.5 (3.1)  11.1 (2.1)  27.3 (5.0) 

300  11.9 (1.7)  27.9 (2.9)  11.1 (2.0)  27.8 (3.8) 

250  11.7 (1.7)  28.0 (3.8)  11.6 (1.4)  26.7 (3.4) 

200  11.6 (1.9)  27.9 (3.6)  11.2 (1.7)  27.7 (3.4) 

150  11.6 (1.7)  28.5 (3.7)  11.5 (1.8)  27.5 (3.1) 

 

Summary statistics showing the means and standard deviations of pinch onset 

times in each condition are shown in Table 2. Supplementary statistics, which describe 

other characteristics of the pinch response, are listed in Appendix 1. Pinch onset times 

did  not  significantly  differ  between  the  hands,  F(1, 18) = 0.50,  p = 0.49,  ηg2 = 0.00  or 

between the production of 10% and 30% MVC forces, F(1, 18) = 0.32, p = 0.58, ηg2 = 0.00. 

Mean force rise times (onset‐to‐peak durations) varied between 124 and 186 ms across 

all experimental conditions. Force rise times were significantly longer, by 15 ms, in the 

right  than  left  hand,  F(1, 18) = 31.74,  p < 0.001,  ηg2 = 0.12,  and  were  longer  for  the 

production  of  30%  MVC  forces  (M = 174 ms)  than  10%  MVC  forces  (M = 134 ms), 

F(1, 18) = 208.08, p < 0.001, ηg2 = 0.48. Similarly total pinch durations were 84 ms longer 

for pinches produced by the right than  left hand, F(1, 18) = 117.84, p < 0.001, ηg2 = 0.32, 

and 151 ms  longer  for  the production of 30%  than 10% MVC  forces, F(1, 18) = 449.66, 

p < 0.001, ηg2 = 0.61. 

Page 35: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    TMS advances responses across a wide range of TMS‐response latencies  25 

Table 2  Means and standard deviations (in brackets) for pinch onset times in each condition, in 

milliseconds. TMS was either withheld (none) or administered 350 ms, 300 ms, 250 ms, 200 ms, 

or 150 ms before the target pinch onset time. Target forces are expressed as a percentage of MVC. 

TMS 

(ms) 

Left hand onset (ms)  Right hand onset (ms) 

10% MVC 

target 

30% MVC 

target 

10% MVC 

target 

30% MVC 

target 

None  ‐63 (56)  ‐70 (61)  ‐60 (61)  ‐64 (51) 

350  ‐96 (70)  ‐76 (81)  ‐62 (64)  ‐92 (64) 

300  ‐91 (59)  ‐79 (75)  ‐71 (62)  ‐83 (61) 

250  ‐93 (49)  ‐84 (64)  ‐82 (48)  ‐95 (61) 

200  ‐81 (67)  ‐87 (60)  ‐83 (53)  ‐75 (51) 

150  ‐70 (60)  ‐81 (58)  ‐74 (53)  ‐78 (65) 

TMS significantly advanced pinch onsets by an average of 18 ms across all TMS 

conditions, F(5, 90) = 3.99, p < 0.01, ηg2 = 0.02. TMS advanced  the entire distribution of 

pinch onset times for both the ipsilateral and contralateral hand (Fig. 2) The effects of 

TMS on pinch onsets in the ipsilateral and contralateral hand did not significantly differ, 

as  indicated  by  the  absence  of  a  significant  TMS  ×  hand  condition  interaction, 

F(5, 90) = 0.41,  p = 0.84,  ηg2 = 0.00. A mixed‐effect model  did  not  find  any  significant 

linear,  t(18.13) = 0.59,  p = 0.56,  or  quadratic  effect,  t(47.81) = 1.68,  p = 0.10,  of  TMS 

administration  time on pinch onsets, across both hands. Although pinch onsets were 

advanced  in  time,  the  integrity of  the response was unaffected by TMS. TMS did not 

significantly affect the size of peak forces, F(5, 90) = 0.33, p = 0.89, ηg2 = 0.00, the precision 

of peak forces, F(5, 90) = 0.59, p = 0.71, ηg2 = 0.00, force rise times, F(5, 90) = 1.20, p = 0.32, 

ηg2 = 0.00, or total pinch durations F(5, 90) = 1.09, p = 0.37, ηg2 = 0.00. 

Electrophysiological data 

The mean TMS intensity required to elicit a 1 ±33% mV MEP in the FDI muscle 

of the right hand was 50.4% maximum simulator output (SD = 8.9%). This intensity was 

equivalent to 109.1% rMT, on average (SD = 4.4%). RMS EMG activity in the right FDI 

muscle, measured  immediately prior  to  the administration of TMS,  increased as TMS 

was administered closer to the target response time for a pinch with the right hand, from 

56.6 μV at 350 ms before the target response time to 164.7 μV at 150 ms before the target 

response time. RMS EMG activity in the right FDI varied between 53.6 μV and 57.2 μV 

before the administration of TMS 350–200 ms prior to the target response time for a left‐

Page 36: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

26  Chapter 3     

hand response, and rose to 64.9 μV immediately prior to the administration of TMS at 

150 ms before the target response time for this response. MEP amplitudes increased in 

all muscles examined (FDI, APB, ADM) as TMS was administered closer to the target 

pinch  onset  time  for  a  pinch  produced  by  the  hand  contralateral  to  TMS.  MEP 

amplitudes were similar for 10% and 30% MVC pinches (Fig. 3). 

 

Fig. 2  Kernel density estimates showing that TMS shifted the distribution of pinch onset times 

towards earlier responses when administered over a wide range of latencies prior to the target 

response  time.  The  panels  show,  from  top  to  bottom,  conditions  in  which  TMS  was  not 

administered  and  conditions  in which  it was  administered  350 ms,  300 ms,  250 ms,  200 ms, 

150 ms before the target pinch onset time. Data were pooled across force conditions. The solid 

dots mark the median pinch onset time in each condition. Dotted vertical lines indicate the time 

at which TMS was administered in each condition. 

Left Hand Right Hand

0.000

0.002

0.004

0.000

0.002

0.004

0.000

0.002

0.004

0.000

0.002

0.004

0.000

0.002

0.004

0.000

0.002

0.004

No TMS

350

300

250

200

150

−400 −200 0 200 −400 −200 0 200

Pinch onset time (ms to target)

Den

sity

Page 37: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    TMS advances responses across a wide range of TMS‐response latencies  27 

 

Fig. 3  Mean MEP  amplitudes  for  conditions  in which  either  a  left or  right hand pinch was 

required at 10% or 30% of the MVC for that hand. Recordings were taken from the ADM, APB 

and FDI muscles of the right hand. The data show that MEPs increased as TMS was administered 

closer to the target response time for a right‐hand response, and that the rate of this increase was 

not affected by the force of the required response. Error bars show the within‐subjects SEM for 

TMS condition comparisons. These error bars were calculated separately for each muscle using 

the Greenhouse–Geisser correction. The data were square‐root‐transformed prior to calculation 

of these values and have been back‐transformed for presentation here. 

Discussion 

The current study investigated the effect of left M1 TMS on the timing of pinch 

onsets  in a  timed‐response  task. TMS was  found  to advance pinch onsets  in both  the 

ipsilateral  and  contralateral  hand  by  a  constant  amount, when  administered  over  a 

200 ms range of  latencies between TMS and  the  target pinch onset  time. This  finding 

does not support the hypothesis that TMS would trigger the premature execution of the 

prepared response, as  this would have resulted  in greater  facilitation when TMS was 

administered further before the target response time. Furthermore, pinch onsets did not 

follow TMS by a constant interval, as would be expected if TMS triggered the response, 

but were distributed around a point which slightly preceded the target response time. 

As proactive inhibition is thought to prevent the premature execution of the response, 

these findings suggest that that TMS did not disrupt proactive inhibition or any other 

process which prevents the premature execution of the response. 

ADM APB FDI

0

1

2

3

4

5

350 300 250 200 150 350 300 250 200 150 350 300 250 200 150

TMS administration time (ms to target)

Mea

n M

EP

am

plitu

de (m

V)

Response (% MVC)Left hand 10Left hand 30Right hand 10Right hand 30

Page 38: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

28  Chapter 3     

In  contrast  to  the  hypothesis  that  TMS  would  delay  responses  when 

administered close to the expected onset of the response, TMS was found not to delay 

responses at any interval, even when administered at the latest interval, 150 ms before 

the target response time. This time point corresponded to approximately 70 ms before 

the mean response onset time, as responses typically preceded the target response time. 

There was also no reduction in the frequency of responding in the interval immediately 

following TMS (Fig. 2), indicating that responses were not suppressed over this period. 

In  contrast,  TMS  has  been  found  to  delay  responses  when  administered  within 

approximately 120 ms of movement onset in RT tasks (Burle et al., 2002; Day et al., 1989; 

Hashimoto et al., 2004; Leocani et al., 2000; Romaiguère et al., 1997; Schluter et al., 1998, 

1999; J. L. Taylor et al., 1995; Ziemann et al., 1997). The absence of this effect in the current 

study could result from a reduction in the activity of inhibitory circuits which mediate 

this delay in responding (Burle et al., 2002; Day et al., 1989; Ziemann et al., 1997). These 

circuits are likely to be distinct from those mediating proactive inhibition, as delays in 

responding following TMS appear to result from an interruption of late motor processes 

(Ziemann  et al., 1997), whereas proactive  inhibition appears  to be withdrawn before 

these process are initiated (Criaud et al., 2012; Wardak et al., 2012). 

The advancement of responses by TMS in the current study cannot be attributed 

the results of a TMS‐evoked twitch, as TMS did not disrupt the integrity of the response. 

Responses onset times also did not tend to coincide with the interval over which MEPs 

were observed, which further demonstrates that the advancement of responses is not the 

result of a TMS‐evoked twitch. This advancement of responses following TMS could be 

explained  by  a  reduction  in  the  duration  of  preparation  or  execution‐related motor 

processes, which will be discussed in turn. Reduced preparation time appears unlikely 

to contribute  to the advancement of responses  in  the  timed‐response  task used  in  the 

present  study,  although  it  has  been  hypothesized  to  mediate  the  advancement  of 

responses in RT tasks (Pascual‐Leone, Valls‐Solé, et al., 1992; Sawaki et al., 1999; Soto et 

al., 2010). Responses  in  timed‐response  tasks must be withheld until  the appropriate 

execution time, irrespective of the time at which preparation is completed, which limits 

the  influence of preparation  time on  the  timing of  the  response, as  long as sufficient 

preparation  time  is provided.  In  the  timed‐response  task used  in  the present  study, 

motor preparation appears to be completed within 400 ms following the presentation of 

the force target, as previous studies using similar tasks have found that force accuracy 

Page 39: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    TMS advances responses across a wide range of TMS‐response latencies  29 

ceases to improve following this period (Hening, Favilla, et al., 1988; Steglich et al., 1999). 

TMS was not administered until at least 450 ms after the presentation of the force target 

in the present study, suggesting that motor preparation was essentially complete at the 

time  TMS  was  administered.  Therefore,  reduced  motor  preparation  time  appears 

unlikely to mediate the advancement of response onsets following TMS in the present 

study. However, TMS could have facilitated some  late preparatory processes, such as 

the  transfer of  the prepared motor program  to M1  (Pascual‐Leone, Valls‐Solé,  et  al., 

1992), which might not have been completed until close to the execution of the response. 

TMS  could  have  advanced  responses  by  reducing  the  duration  of  motor 

processes  required  to execute  the  response. M1 cell activity gradually  increases  from 

approximately 100 ms prior to EMG onset, indicating a block of time normally required 

to  execute  the  response  (R. Chen & Hallett,  1999; R. Chen  et  al.,  1998; Evarts,  1966; 

Hoshiyama et al., 1996). TMS could abbreviate this process by increasing M1 excitability, 

which  would  contribute  to  the  increase  in M1  excitability  required  to  execute  the 

response. TMS was  found  to advance responses by a constant amount, across a wide 

range  of  intervals  prior  to  the  response,  whereas  CME  in  the  contralateral  hand 

gradually  increased over  this period. These  findings demonstrate  that TMS advanced 

responses when administered both prior to and during the development of changes in 

CME, associated with the execution of the response. These findings also indicate that the 

advancement  of  response  onsets  by  TMS  does  not  depend  upon  the  level  of M1 

excitability at the time of TMS administration. These findings are consistent with a long‐

lasting  increase  in M1 excitability  that  is  cumulative with  changes  in M1 excitability 

related to the voluntary initiation of the response. Previous research has found evidence 

for such long‐lasting changes in cortical activity following single‐pulse TMS, with some 

effects of TMS exceeding 100 ms in duration (Cash, Ziemann, Murray, & Thickbroom, 

2010;  Fuggetta,  Fiaschi,  & Manganotti,  2005;  Thut  et  al.,  2003;  Vallence,  Schneider, 

Pitcher, & Ridding, 2014). 

TMS was  found  to  advance  responses  over  a wider  range  of  TMS‐response 

latencies than has been observed in RT tasks. In RT tasks, TMS has typically been found 

to  advance  responses only when  administered within  a narrow  interval  close  to  the 

presentation of an  imperative signal  (Foltys et al., 2001; Leocani et al., 2000; Pascual‐

Leone, Brasil‐Neto, et al., 1992; Sawaki et al., 1999; Soto et al., 2010). The longer interval 

over which  responses were  advanced  in  the  in  the  current  study may  relate  to  the 

Page 40: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

30  Chapter 3     

advanced preparation of  the motor  response  in  the  timed‐response  task used  in  this 

study (Carlsen & MacKinnon, 2010; Hening, Favilla, et al., 1988; Steglich et al., 1999). The 

advanced preparation of responses in this task provides a wide range of intervals over 

which a well‐prepared motor response must be maintained prior to the commencement 

of motor  processes  required  for  the  execution  of  the  response.  TMS may  advance 

response  over  a wider  interval  in  tasks which  require  this  preparatory  state  to  be 

maintained over an extended period, consistent with  findings  that  the effects of TMS 

depend  on  the  state  of  the  motor  system  at  the  time  of  administration  (Silvanto, 

Muggleton, & Walsh, 2008). In contrast, responses must be executed rapidly in RT tasks, 

which could limit the interval over which TMS facilitates responses. 

In RT  tasks, TMS has been  found  to  advance  responses  through non‐specific 

mechanisms, which may result from the sound or tactile stimulation produced by TMS. 

The  presence  of  non‐specific  effects  is  supported  by  findings  that  TMS  similarly 

advances responses when it is delivered off‐scalp or over non‐motor areas (Romaiguère 

et al., 1997; Terao et al., 1997). Non‐specific effects have been primarily attributed  to 

intersensory facilitation (Burle et al., 2002; Romaiguère et al., 1997; Terao et al., 1997), the 

advancement of a response by an accessory stimulus presented in close proximity to an 

imperative signal (Nickerson, 1973). Intersensory facilitation  is unlikely to explain the 

advancement of responses in the timed‐response task used in current study, as there is 

no  imperative  stimulus  in  this  task  and  responses  typically  commenced  before  the 

response‐synchronization signal, which may be considered the closest analogue  to an 

imperative signal in this task. While the force targets used in the current study are similar 

to  imperative signals used  in some choice RT  tasks,  in  that  they specify  the  required 

response, ample time was provided to prepare responses following the presentation of 

these targets (800 ms). Furthermore, the duration between the presentation of the force 

targets and  the  administration of TMS  (550 ms) was well  in  excess of  the maximum 

interval over which  intersensory  facilitation  is observed  (Diederich & Colonius, 2008; 

Nickerson,  1973),  suggesting  that  intersensory  facilitation  did  not  contribute  to  the 

present findings. 

In addition to intersensory facilitation, the loud sound produced by TMS might 

evoke a startle response, a pattern of bilateral muscle activity in response to an intense 

stimulus (Carlsen et al., 2011; Valls‐Solé et al., 2008). Loud acoustic stimuli, capable of 

producing a  startle  response, have been  found  to advance  responses  in both RT and 

Page 41: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    TMS advances responses across a wide range of TMS‐response latencies  31 

timed‐response  tasks  (Carlsen  &  MacKinnon,  2010;  Valls‐Solé,  Kofler,  Kumru, 

Castellote, & Sanegre, 2005; Valls‐Solé, Rothwell, Goulart, Cossu, & Muñoz, 1999). A 

loud acoustic stimulus has been found to trigger the execution of voluntary responses in 

a  timed‐response  task  in which  responses were  cued with  a  slowly  flashing  signal 

(1000 ms ISI), such that responses were executed within 150 ms of the presentation of the 

loud acoustic stimulus (Carlsen & MacKinnon, 2010). TMS had a much weaker influence 

on response onset times in the current study, with responses frequently observed more 

than 150 ms following TMS. This suggests that the effect of TMS on response onset times 

in the current study differs from the effect produced by a  loud acoustic stimulus  in a 

similar task (Carlsen & MacKinnon, 2010). However, a loud acoustic stimulus has also 

been found to produce similar advancement of responses to that observed in the current 

study  in  a  timed‐response  task  in which  responses were  cued with  a  continuously 

updated  clock  display  (Carlsen  & MacKinnon,  2010). While  this  cueing method  is 

thought  to discourage advanced motor preparation,  in contrast  to  the cueing method 

used  in  the  current  study  (Carlsen  & MacKinnon,  2010),  this  finding  nevertheless 

suggests a mechanism through which a loud acoustic stimulus can facilitate responses 

which could contribute to the present findings. 

In summary, the present findings demonstrate that TMS advances the onset of a 

prepared  response  in  a  timed‐response  task.  The  extent  to  which  responses  were 

advanced was not affected by the time of TMS administration, which is not consistent 

with the hypothesis that TMS triggers responses by disrupting proactive inhibition. TMS 

may instead advance response onsets by reducing the duration of processes required to 

execute  the  response. This effect may be produced by an  increase  in M1 excitability, 

which abbreviates an interval of increasing M1 excitability preceding the execution of 

the response. 

Page 42: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment
Page 43: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

     

    33 

Chapter 4. 

The effect of single‐pulse transcranial magnetic 

stimulation over the left or right M1 on the timing 

of unimanual and bimanual pinches 

Single‐pulse TMS over M1 has been found to advance the onset of unimanual 

responses when delivered early in the response latency of an RT task (Burle et al., 2002; 

Foltys et al., 2001; Leocani et al., 2000; Pascual‐Leone, Valls‐Solé, et al., 1992; Pascual‐

Leone et al., 1994). As shown in the previous chapter, TMS similarly advances the onset 

of a unimanual response when TMS is delivered prior to the expected response time in 

a  timed‐response  task. TMS has also been  found  to delay unimanual responses when 

administered close to the expected onset of the response in an RT task (Burle et al., 2002; 

Day  et  al.,  1989;  Foltys  et  al.,  2001; Hashimoto  et  al.,  2004; Romaiguère  et  al.,  1997; 

Ziemann et al., 1997), but this effect was not observed in the experiment presented in the 

previous chapter. 

Bimanual coordination differs  from unimanual coordination  in  that  it engages 

intermanual interactions which are reflected in the tendency towards the production of 

synchronous,  symmetrical actions  (Swinnen, 2002). Temporal  coupling,  the  tendency 

towards synchronous action,  is observed during reaching and force production tasks. 

Temporal  coupling  is  even  observed  for movements which  typically  have  different 

durations  when  performed  unimanually  (Corcos,  1984;  Fowler,  Duck,  Mosher,  & 

Mathieson, 1991; Kelso, Southard, & Goodman, 1979a; Marteniuk, MacKenzie, & Baba, 

1984). In reaching  tasks,  the  initiation and  termination of reaching movements occurs 

almost simultaneously (Kelso et al., 1979b). Similarly, in force production tasks, the times 

taken  by  each  hand  to  reach  peak  force  from  the  onset  of  a  response  are  closely 

associated. This association is also preserved when subjects are instructed to increase the 

forces produced by each hand over different time periods, demonstrating the persistence 

of  temporal coupling  in  these  tasks  (Diedrichsen et al., 2003; Rinkenauer et al., 2001; 

Steglich et al., 1999). 

Interactions which mediate temporal coupling could cause TMS to differentially 

affect the timing of responses in unimanual and bimanual tasks. Bimanual coordination 

Page 44: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

34  Chapter 4     

requires interactions between the hemispheres, as motor actions are primarily controlled 

by  the contralateral hemisphere  (Brinkman & Kuypers, 1973). These  interactions may 

allow  the  ipsilateral  hemisphere  to  exert  greater  control  over  the  timing  of motor 

responses during the performance of bimanual actions. Consistent with this hypothesis, 

a study which used an rhythmic tapping task found that TMS over either M1 disrupted 

tapping  in  the hand  ipsilateral  to TMS more during  the performance of bimanual  in‐

phase tapping than during unimanual tapping, while opposite effects were observed for 

the contralateral hand (J.‐T. Chen et al., 2005). In a simple RT task, however, TMS over 

either  M1  was  found  to  similarly  affect  the  timing  of  unimanual  and  bimanual 

movements,  suggesting  that  each hemisphere  is  similarly  involved  in  the  control  of 

unimanual and bimanual movements in this task (Foltys et al., 2001). The difference in 

these findings may be due to the requirement to maintain a constant rhythm in the study 

conducted by J.‐T Chen and colleagues (2005), which may invoke additional coupling 

mechanisms that are not involved in the performance of a simple RT task. In particular, 

the  requirement  to maintain a constant  rhythm with each hand  is  thought  to  require 

interhemispheric interactions to keep the time‐keeping mechanisms of each hemisphere 

in synchrony (J.‐T. Chen et al., 2005; Helmuth & Ivry, 1996; Ivry, 1996; Ivry & Hazeltine, 

1999; Ivry & Richardson, 2002), which may influence the effect of TMS on the timing of 

responses in the ipsilateral and contralateral hand. 

The current study investigated the effect of single‐pulse TMS on ipsilateral and 

contralateral response onset times in a timed‐response task, which required the onset of 

a unimanual or bimanual pinch to be synchronized with a predictable auditory tone. It 

was  expected  that TMS would  advance  ipsilateral  responses more  and  contralateral 

responses less in the bimanual than unimanual response conditions, consistent with the 

hypothesis  that  the  ipsilateral  hemisphere  has  greater  influence  over  the  timing  of 

bimanual than unimanual responses. The study also investigated whether the bimanual 

coupling of forces or response durations interacts with the effect of TMS on the timing 

of response onsets. This was accomplished through the manipulation of bimanual force 

targets  so  that  forces  of  either  equal  or  unequal  magnitude  were  required.  These 

responses  have  been  associated with  different  levels  of  force  coupling  in  previous 

research  (Diedrichsen et al., 2003; Rinkenauer et al., 2001).  It was expected  that TMS 

would  also  advance  responses  to  a  similar  extent  in  both  equal  and  unequal  force 

conditions, consistent with research suggesting force coupling is mediated by different 

Page 45: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    The effect of TMS on the timing of unimanual and bimanual pinches  35 

neural pathways to those mediating the coupling of response onsets (Diedrichsen et al., 

2003; Kennerley et al., 2002). 

Methods 

Subjects 

Fourteen right‐handed first‐year psychology undergraduates (3 male, 11 female) 

participated in the study. The subjects’ ages ranged from 17 to 28 years (median = 19). 

Experimental design 

The study was completed over two sessions, the order of which was randomized 

for each subject. The sessions were identical except that TMS was applied to the left M1 

during one session and to the right M1 during the other. Muscle recordings were always 

taken from the FDI contralateral to the stimulated M1. All possible combinations of 0%, 

10% and 30% force targets for the left and right hand, including no pinch, unimanual 

pinch and bimanual pinch conditions, were included in the experiment. Only unimanual 

conditions were included in the practice trials to limit the effects of practice on bimanual 

coupling (Wenderoth, Puttemans, Vangheluwe, & Swinnen, 2003). 

Materials and procedures 

Twenty  trials  were  completed  for  each  of  the  nine  force  conditions  (all 

combinations  of  0%,  10%  or  30% MVC  targets  for  each  hand)  giving  a  total  of  180 

experimental trials. TMS was administered 250 ms before the final tone on 50% of the 

trials in each force condition. This administration time was selected to precede the onset 

of EMG activity for responses occurring within the target response time interval. Trials 

were arranged into blocks of 18 trials, each of which contained all possible combinations 

of force and TMS conditions. Condition order was randomized within blocks. 

Feedback was given with LED‐style indicators which showed whether responses 

were made with the correct hand, the responses for each hand were less than 600 ms in 

duration, the onset of the response for at least one hand occurred within 150 ms of the 

final  (target)  tone and  the response onset  times  for each hand were separated by  less 

than 150 ms. Trials were discarded and repeated if any of these criteria, apart from the 

response duration criterion, was not met. A more lenient criterion (800 ms) was used to 

Page 46: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

36  Chapter 4     

exclude  trials  with  excessive  response  durations,  as  some  subjects  had  difficulty 

consistently meeting the 600 ms response duration criterion and visual inspection of the 

data indicated that responses with durations between 600 ms and 800 ms were similar 

to other trials that were included in the analysis. 

Data analysis 

Data for right M1 (left hand) recordings were missing for two subjects who failed 

to attend the second session. Missing data were excluded listwise for repeated‐measures 

ANOVAs  and  pairwise  for  all  other  analyses. Data  for  the  no‐TMS  condition were 

combined across sessions prior to further analysis. 

Results 

Summary statistics for pinch onset times are shown in Table 3. Pinch onset times 

did not significantly differ between the left and right hand, across all TMS conditions, 

F(1, 11) = 0.37,  p = 0.55,  ηg2 = 0.00.  Pinch  onset  times  significantly  varied  across  force 

conditions,  F(5, 55) = 19.20,  p < 0.001,  ηg2 = 0.17,  with  pinch  onset  times  occurring 

significantly later in the bimanual unequal conditions than in all other force conditions 

(g = 0.69–1.13). The bimanual coupling of pinch onset times, measured by the SD of onset 

asynchronies between  the hands  (Diedrichsen et al., 2003), varied significantly across 

force conditions, F(3, 33) = 10.26, p < 0.001, ηg2 = 0.16, with significantly weaker coupling 

(higher SDs) in the two unequal force conditions (M = 26 ms) than in the two equal force 

conditions (M = 17 ms) (g = 0.80–1.03). 

Page 47: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    The effect of TMS on the timing of unimanual and bimanual pinches  37 

Table 3  Means and standard deviations (in brackets) for pinch onset times for each condition, 

in milliseconds, relative to the target time. ʺLʺ and ̋ Rʺ denote the target force for the left and right 

hand. Target forces are expressed as a percentage of MVC. 

Response 

condition 

Force 

condition 

(% MVC) 

No TMS  Left M1 TMS  Right M1 TMS 

Left 

hand  

Right 

hand 

Left 

hand 

Right 

hand 

Left 

hand 

Right 

hand 

Unimanual L10 or R10  ‐44 (41)  ‐43 (42)  ‐91 (33)  ‐89 (33)  ‐65 (34)  ‐76 (32) 

L30 or R30  ‐43 (38)  ‐43 (34)  ‐87 (36)  ‐86 (36)  ‐64 (48)  ‐79 (39) 

Bimanual 

equal 

L10 & R10  ‐34 (47)  ‐34 (43)  ‐75 (28)  ‐93 (42)  ‐49 (40)  ‐49 (41) 

L30 & R30  ‐40 (42)  ‐38 (35)  ‐80 (28)  ‐89 (35)  ‐71 (41)  ‐70 (39) 

Bimanual 

unequal 

L10 & R30  ‐2 (43)  0 (42)  ‐54 (35)  ‐60 (45)  ‐35 (59)  ‐31 (58) 

L30 & R10  ‐8 (44)  6 (51)  ‐52 (40)  ‐49 (45)  ‐22 (64)  ‐15 (61) 

 

Summary  statistics  for pinch durations are  shown  in Table 4. Supplementary 

statistics, describing other characteristics of the response, are listed in Appendix 2. Pinch 

durations  were  significantly  longer  in  the  right  hand  than  in  the  left  hand, 

F(1, 11) = 120.62,  p < 0.001,  ηg2 = 0.43,  and  varied  significantly  across  force  conditions, 

F(5, 55) = 127.93, p < 0.001, ηg2 = 0.60. Pinch durations were significantly  longer  for  the 

production of a 30%  force  than a 10% MVC  force,  in both unimanual and bimanual 

conditions (g = 1.27–2.82). Pinch durations for the production of a 10% MVC force were 

significantly longer when the other hand produced a 30% MVC force than when the it 

produced  a  10% MVC  force  (g = 1.42) or no  response at  all  (g = 1.33). These  findings 

demonstrate convergence (assimilation) between pinch durations in the unequal force 

conditions. Significant correlations between the pinch durations for each hand, reflecting 

bimanual  coupling, were  observed  in  all  bimanual  conditions. Duration  correlations 

varied significantly across force conditions, F(3, 33) = 5.72, p < 0.01, ηg2 = 0.08, and were 

significantly  larger  in  the condition  in which both hands produced a 10% MVC  force 

(r = 0.63) than in the conditions in which the hands produced unequal forces (left 10%, 

right  30%:  r = 0.43,  g = 0.79;  left  30%,  right  10%:  r = 0.42,  g = 0.81).  There  were  no 

significant differences  between duration  correlations  in  the  condition  in which  both 

hands produced a 30% MVC force (r = 0.57) and conditions in which the hands produced 

unequal  forces  (left  10%,  right  30%:  p = 0.19,  g = 0.52;  left  30%,  right  10%:  p = 0.19, 

g = 0.53). There were also no significant differences between duration correlations in the 

Page 48: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

38  Chapter 4     

condition in which both hand produced a 30% MVC force and the condition in which 

both hands produced a 10% MVC force (p = 0.60; g = 0.28).

Table 4  Means  and  standard  deviations  (in  brackets)  for  total  pinch  durations  for  each 

condition, in milliseconds. ʺLʺ and ʺRʺ denote the target force for the left and right hand. Target 

forces are expressed as a percentage of MVC. 

Response 

condition 

Force 

condition 

(% MVC) 

No TMS  Left M1 TMS  Right M1 TMS 

Left 

hand 

Right 

hand 

Left 

hand 

Right 

hand 

Left 

hand 

Right 

hand 

Unimanual L10 or R10  354 (46)  418 (47)  347 (48)  423 (45)  362 (51)  430 (52) 

L30 or R30  474 (37)  557 (27)  465 (46)  559 (34)  459 (41)  550 (37) 

Bimanual 

Equal 

L10 & R10  355 (43)  416 (48)  351 (44)  421 (44)  362 (66)  410 (61) 

L30 & R30  472 (34)  550 (27)  467 (40)  555 (36)  464 (36)  538 (31) 

Bimanual 

Unequal 

L10 & R30  418 (49)  546 (42)  419 (44)  560 (39)  414 (56)  525 (50) 

L30 & R10  465 (41)  471 (51)  461 (42)  479 (46)  462 (51)  477 (67) 

 

TMS  was  administered  at  similar  intensities,  as  a  percentage  of  maximum 

stimulator output, for the stimulation of both the left (M = 50.7%, SD = 12.3%) and right 

M1 (M = 48.4%, SD = 11.3%). These intensities were set to produce a 1 ±33% mV MEP in 

the contralateral FDI muscle. TMS significantly advanced the entire distribution of pinch 

onset  times  (Fig.  4),  F(2, 22) = 13.45,  p < 0.001,  ηg2 = 0.23. No  significant  TMS  ×  force 

condition  interaction was  found,  F(10, 110) = 1.02,  p = 0.43,  ηg2 = 0.01,  indicating  that 

there was no differences  in  the  effect  of TMS  across unimanual  and bimanual  force 

conditions or between bimanual conditions  in which  forces were of equal or unequal 

magnitude.  Left M1  and  right M1  TMS  significantly  advanced  pinch  onsets  by  an 

average of 53 ms  (g = 0.61) and 26 ms  (g = 0.30),  respectively. Left M1 TMS advanced 

pinch  onset  times  significantly  more  than  right M1  TMS  (g = 0.31).  TMS  similarly 

advanced pinches in the ipsilateral and contralateral hand, as indicated by the absence 

of a TMS × hand condition interaction, F(2, 22) = 1.18, p = 0.33, ηg2 = 0.00. Although TMS 

advanced pinches  in time,  it did not affect the  integrity of the response. TMS did not 

produce any significant effect on the size of peak forces, F(2, 22) = 1.28, p = 0.30, ηg2 = 0.01, 

the precision of peak  forces  (measured by  the coefficient of variation), F(2, 22) = 0.26, 

p = 0.68, ηg2 = 0.00, or pinch durations, F(2, 22) = 0.15, p = 0.74, ηg2 = 0.00. 

Page 49: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    The effect of TMS on the timing of unimanual and bimanual pinches  39 

 

Fig. 4  Kernel  density  estimates  showing  that  TMS  advanced  pinch  onset  times  in  all  force 

conditions  (unimanual,  bimanual  equal,  bimanual  unequal),  particularly  when  TMS  was 

administered over the left M1. From top to bottom, the panels shown conditions which required 

unimanual pinches, bimanual pinches of equal  force and bimanual pinches of unequal  force. 

Equivalent conditions have been combined across both sessions. The dotted vertical line marks 

the time at which TMS was administered. 

Discussion 

The current study investigated the effect of TMS on the timing of unimanual and 

bimanual pinch onsets  in  a  timed‐response  task which  required  the onset of  a  force 

response  to  be  synchronized with  a  predictable  auditory  signal.  TMS was  found  to 

significantly  advance  both  ipsilateral  and  contralateral  responses  in  all  conditions, 

consistent  with  previous  findings  (Chapter  3).  TMS  was  found  not  to  affect  the 

kinematics of the response, suggesting that  it advanced the execution of the prepared 

response, consistent with previous findings (Chapter 3). 

TMS advanced responses by a similar amount in both bimanual and unimanual 

conditions, in contrast to the hypothesis that TMS would advance ipsilateral responses 

more and contralateral responses less in bimanual than unimanual conditions, as a result 

Left hand Right hand

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

Unimanual

BimanualEqual

BimanualUnequal

−400 −200 0 200 400 −400 −200 0 200 400

Pinch onset time (ms relative to target)

Den

sity

TMSNoneLeft M1Right M1

Page 50: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

40  Chapter 4     

of  intermanual  interactions  associated with  temporal  coupling. Although  responses 

occurred slightly  later  in  the bimanual unequal  force condition  than  in  the bimanual 

equal force or unimanual condition, all of these responses were similarly advanced by 

TMS. The  tendency  to  respond  later  in  the  bimanual unequal  force  condition  could 

suggest  that  insufficient  time was  provided  to  permit  the  complete  preparation  of 

responses in this condition, although the amount of preparation time permitted in this 

study (600 ms) was greater than RTs observed for unequal bimanual forces in a previous 

study (Diedrichsen et al., 2003) and the time required to produce clearly differentiated 

bimanual forces in a timed‐response task (Heuer, Spijkers, Kleinsorge, van der Loo, & 

Steglich, 1998; Steglich et al., 1999). It is likely, however, that unimanual and bimanual 

equal  responses,  which  exhibit  shorter  preparation  times  (Diedrichsen  et  al.,  2003; 

Hening, Favilla, et al., 1988), were consistently prepared in advance in the current study. 

The absence of any differences  in  the effect of TMS on  the  timing of response onsets 

between unimanual and bimanual conditions is consistent with previous observations 

in a simple RT task (Foltys et al., 2001). The current findings suggest that intermanual 

interactions, related to the synchronization of bimanual responses with a rhythmic cue, 

do not moderate  the effect of TMS on  the  timing of  these  responses. Thus, previous 

finding that TMS disrupted ipsilateral responses more and contralateral responses less 

during the bimanual than unimanual performance of a rhythmic tapping task cannot be 

attributed to the coupling of response timing processes that are engaged in both timed‐

response  and  rhythmic  tapping  tasks  (J.‐T. Chen  et  al.,  2005). The  finding  that TMS 

differentially affected bimanual and unimanual responses  in a rhythmic  tapping  task 

could  instead be explained by  the coupling of  feedback processes, such as conflict or 

reinforcement between  the  sensory  signals originating  from  each hand  (Klapp  et al., 

1985). The coupling of these feedback processes could affect responses on later cycles of 

a periodic task (Heuer & Klein, 2005), such as that used by Chen and colleagues (2005), 

but would  have minimal  effect  on  the  performance  of  the  brief,  solitary  responses 

required for the timed‐response task used in the current study. 

Left and right M1 TMS were both found to advance ipsilateral and contralateral 

responses suggesting that both hemispheres contribute to the control of the timing of 

these responses in the task used in the current study. Effects of TMS on the timing of 

ipsilateral  responses  could  be  mediated  by  either  interhemispheric  cortico‐cortical 

connections  or  ipsilateral  motor  pathways  (Bawa,  Hamm,  Dhillon,  &  Gross,  2004; 

Page 51: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    The effect of TMS on the timing of unimanual and bimanual pinches  41 

Kagerer, Summers, & Semjen, 2003; Pascual‐Leone, Valls‐Solé, et al., 1992). However, 

interhemispheric cortico‐cortical connections appear more  likely to mediate this effect 

since  increased M1 excitability has been  found during  the performance of  ipsilateral 

motor tasks in the absence of ipsilateral MEPs, ipsilateral silent periods, or changes in 

ipsilateral  spinal  excitability  (Carson  et al., 2004; Kobayashi, Hutchinson, Schlaug, & 

Pascual‐Leone,  2003; Tinazzi & Zanette,  1998; Ziemann & Hallett,  2001).  It has been 

suggested that TMS may enhance motor preparation through these connections or that 

TMS may enhance the transfer of motor information between the hemispheres (Foltys et 

al., 2001; Pascual‐Leone, Valls‐Solé, et al., 1992). However, this suggestion is inconsistent 

with findings suggesting that the timed‐response task used in the present study permits 

advanced  preparation  (Carlsen  &  MacKinnon,  2010;  Hening,  Vicario,  et  al.,  1988; 

Schluter et al., 2001), which would be expected to limit effects of enhanced preparation 

on the timing of the response. TMS may instead advance ipsilateral responses through 

interhemispheric effects on the execution of the response, consistent with evidence that 

interhemispheric pathways  contribute  to  the  initiation of a motor  response  (Tazoe & 

Perez, 2013). 

The effects of TMS on the timing of ipsilateral and contralateral responses were 

not  significantly  different,  as  reflected  by  the  absence  of  any  significant  interaction 

between the effects of the TMS location and the responding hand on the time at which 

the response was executed. The absence of this observation could be due to the stimulus 

intensity used in the present study, as differences in the effects of TMS on ipsilateral and 

contralateral responses may only be apparent at specific stimulus intensities. In an RT 

task, TMS was  found  to advance  responses more  in  the  ipsilateral  than  contralateral 

hand early in the response latency and delayed responses more in the contralateral than 

ipsilateral hand later in the response latency, when delivered at an intensity of 120% rMT 

(Foltys  et  al.,  2001).  In  the  current  study,  TMS was  delivered  at  an  intensity which 

produced an MEP of approximately 1 mV  in  the  resting FDI, which  is  equivalent  to 

approximately 109% rMT (Chapter 3). In RT studies, TMS has been found to advance 

responses  in  the  ipsilateral hand more at higher  stimulus  intensities and  to advance 

responses in the contralateral hand more at lower stimulus intensities (Foltys et al., 2001; 

Hashimoto et al., 2004; Leocani et al., 2000; Pascual‐Leone, Valls‐Solé, et al., 1992). TMS 

has also been found to advance ipsilateral and contralateral responses by a similar extent 

at slightly suprathreshold stimulus intensities, similar to those used in the current study 

Page 52: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

42  Chapter 4     

(Burle et al., 2002; Pascual‐Leone, Valls‐Solé, et al., 1992; Romaiguère et al., 1997). These 

findings suggest that differences in the relative effects of TMS on the timing of ipsilateral 

and  contralateral  responses  between  the  current  study  and  those  of  Foltys  and 

colleagues  (2001)  can  be  accounted  for  by  differences  in  stimulus  intensity  and  are 

therefore unlikely to be due to the differences in the tasks used in each of these studies. 

Left M1  TMS  advanced  responses more  than  right M1  TMS.  This  finding  is 

consistent  with  findings  that  the  left  hemisphere  is  more  involved  than  the  right 

hemisphere in the control of both the ipsilateral and contralateral hand (Callaert et al., 

2011; Haaland,  2006; Haaland  et  al.,  2000; Koeneke  et  al.,  2004;  Serrien  et  al.,  2006; 

Swinnen et al., 2010). As the timed‐response task used in the current study permits the 

advanced  preparation  of  a  motor  response  (Carlsen  &  MacKinnon,  2010;  Hening, 

Vicario, et al., 1988; Schluter et al., 2001), this finding suggests that the left M1 makes 

greater contributions than the right M1 to the control of late motor processes, related to 

the execution of  the  response.  In  contrast  to  this  finding, no differences between  the 

effects of left and right M1 TMS were observed in a study which used a simple RT task 

(Foltys et al., 2001). However, left M1 TMS also produced stronger effects than right M1 

TMS on the timing of unimanual responses in a rhythmic tapping task (J.‐T. Chen et al., 

2005). The stronger effects of left M1 TMS in the current study could be influenced by 

the requirement  to control  the  timing of  the response, which was present  in both  the 

current study and in the study conducted by J.‐T Chen and colleagues (2005), as previous 

imaging findings have shown that precise temporal control requirements can increase 

left M1 involvement in a motor task (Macar et al., 2004). 

The  finding  that  left M1 TMS  advanced  responses more  than  right M1 TMS 

suggest  that  the  effects of  left M1 TMS  cannot be  entirely  explained by non‐specific 

effects such as intersensory facilitation or a startle‐like response. Previous studies have 

found that non‐specific effects are either not lateralized (Nickerson, 1973; Nijhuis et al., 

2007; Stoffels, Van Der Molen, & Keuss, 1985) or are stronger  for  right‐side  stimulus 

presentations  (Maslovat, Carlsen, & Franks, 2012),  in  contrast  to  the  findings  for  the 

effects of TMS  in  the current study. Some non‐specific effects have been  found  to be 

stronger when  the  side  of presentation  and  the  side  of  the  response  are  compatible 

(Nickerson, 1973). However, no such interaction between the side of stimulation and the 

side of the response was observed in the present study, which further suggests that the 

Page 53: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    The effect of TMS on the timing of unimanual and bimanual pinches  43 

effect of left M1 TMS on the timing of responses onsets cannot be accounted for by non‐

specific effects. 

In  conclusion,  the  present  findings  show  that M1 TMS  advances  unimanual, 

bimanual equal and bimanual unequal responses to a similar extent when administered 

prior  to  the performance of  responses  in a  timed‐response  task, suggesting  that each 

hemisphere makes similar contributions to the control of the timing of unimanual and 

bimanual actions. Left M1 TMS was also found to advance responses more than right 

M1 TMS, consistent with findings that the left hemisphere makes stronger contributions 

to the control of motor actions than the right hemisphere. 

Page 54: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment
Page 55: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

     

    45 

Chapter 5. 

Corticomotor excitability during the preparation of 

bimanual forces of equal and unequal magnitude 

Bimanual  actions  tend  towards  symmetrical  coordination  patterns,  a 

phenomenon referred  to as force or spatial coupling, depending on  the  feature of  the 

response  being measured  (Swinnen,  2002).  Force  and  spatial  coupling  are  forms  of 

bimanual  coupling which  are  reflected  in  correlations between  the  amplitude  of  the 

responses  produced  by  each  hand  in  both  force  production  and  reaching  tasks 

(Diedrichsen  et  al.,  2003;  Sherwood,  2006;  Sherwood  &  Nishimura,  1992).  These 

intermanual  interactions may  reflect  common  input  to  the motor  cortices  or  direct 

interaction between them (Cardoso de Oliveira, 2002; Carson, 2005). Force and spatial 

coupling  persist,  albeit  to  a  lesser  extent, when  the  hands  are  required  to  produce 

asymmetrical  responses  such  as  bimanual  forces  or  reaches  of  unequal magnitudes 

(Diedrichsen et al., 2003; Sherwood & Nishimura, 1992), demonstrating that intermanual 

interactions are  suppressed but not  eliminated during  the production of asymmetric 

responses. 

The preparation of a bimanual motor response engages intermanual interactions 

associated with the selection and specification of the response (Hazeltine, Diedrichsen, 

Kennerley, & Ivry, 2003; Heuer & Klein, 2006; Heuer et al., 1998; Swinnen, 2002) which 

may be reflected in CME. CME, as determined by the amplitude of the MEP to TMS, has 

been used to investigate the preparation of both bimanual and unimanual actions. CME 

has been found to be suppressed during the preparation of bimanual responses in mirror 

but not parallel directions (Duque et al., 2005). Excitability in the right M1 has also been 

found to be greater during the production of a left‐hand force when the hand performs 

a unimanual task than when performing the same force in a bimanual task (Soteropoulos 

& Perez, 2011; Yedimenko & Perez, 2010). Furthermore, this effect was stronger during 

the production of forces in the same extrinsic direction (parallel directions), rather than 

in  opposite  extrinsic  (mirror) directions  (Yedimenko & Perez,  2010),  suggesting  that 

CME is modulated differently during motor preparation and execution. 

Page 56: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

46  Chapter 5     

Studies examining CME during motor production have required the production 

of unequal forces with each hand across all bimanual conditions (Soteropoulos & Perez, 

2011;  Yedimenko  &  Perez,  2010),  whereas  the  amplitude  of  the  response  was  not 

restricted in the study examining CME during motor preparation (Duque et al., 2005). 

The production of unequal forces may involve interhemispheric interactions necessary 

to overcome the tendency towards symmetrical movements resulting in the suppression 

of  CME,  similar  to  the  hypothesized  interactions  regulating  bimanual  coupling  of 

movement direction (Duque et al., 2005; Swinnen, 2002; Yedimenko & Perez, 2010). The 

current study examined the effect of force coupling on CME by measuring CME during 

the preparation of unimanual  isometric forces and bimanual  isometric forces of equal 

and unequal magnitudes. In order to limit variation in voluntary response times across 

conditions,  the  study  used  a  timed‐response  task  which  required  responses  to  be 

synchronized with an auditory pacing cue, similar to that used in previous behavioral 

experiments (Hening, Favilla, et al., 1988; Steglich et al., 1999). This synchronization task 

permits  the  measurement  of  CME  at  an  advanced  and  stable  state  of  response 

preparation, as demonstrated in tasks which used similar methods of response cueing 

(Carlsen & MacKinnon, 2010; Hening, Favilla, et al., 1988; Steglich et al., 1999). It was 

hypothesized  that  CME  prior  to  the  response  would  be  lower  for  bimanual  than 

unimanual  force  preparation,  consistent  with  previous  findings.  It  was  also 

hypothesized  that  the  suppression of bimanual  coupling,  to produce unequal  forces, 

would lead to lower CME in the unequal than equal force conditions. 

Methods 

The data used in the present study were extracted from the dataset collected for 

the study presented in Chapter 4. The same subjects were used in both studies. 

Data for the right M1 session were missing for two subjects who failed to attend 

the second session. Missing data were excluded listwise for analyses directly comparing 

left  and  right M1  TMS  conditions  and  pairwise  for  all  other  analyses. Analyses  of 

behavioral  data were  performed  on  the  no‐TMS  condition,  to  exclude  any  possible 

effects of TMS on  the pinch response. Data  for  the no‐TMS condition were combined 

across both  sessions. Trials were  excluded  from  analyses of MEP data  if RMS EMG 

activity was greater  than 50 μV  in  the period 45–15 ms prior  to  the administration of 

TMS. Less than 2% of trials were discarded for this reason. 

Page 57: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    CME during the preparation of bimanual forces  47 

Results 

Behavioral data 

Pinch onsets in unimanual and bimanual equal‐force conditions in which TMS 

was not administered preceded the target time by a mean of 40 ms, across all trials in 

these  conditions,  whereas  pinch  onset  times  in  bimanual  unequal‐force  conditions 

preceded the target time by 1 ms (Fig. 5). Pinch onset times varied significantly across 

force  conditions,  F(5, 65) = 17.88,  p < 0.001,  ηg2 = 0.17,  with  pinch  onsets  occurring 

significantly later, by an average of 39 ms, in the two unequal force conditions (left 10% 

MVC,  right  30% MVC  and  left  30% MVC,  right  10% MVC)  than  in  all  other  force 

conditions (g = 1.17–1.78). No significant differences in pinch onsets times were found 

between any other  force  conditions  (p ≥ 0.99, g ≤ 0.38) or between pinches performed 

with the left and right hand, F(1, 13) = 0.78, p = 0.39, ηg2 = 0.00. 

 

Fig. 5  Means  of  median  pinch  onset  times  relative  to  the  target  onset  time  for  no‐TMS 

conditions  across  both  testing  sessions.  Pinch  onsets  occurred  significantly  later  in  the  two 

bimanual  unequal  conditions  than  in  all  other  conditions.  Onset  times  are  displayed 

in milliseconds, relative to the target onset time (the fourth auditory tone). Error bars show the 

within‐subjects SEM for the force condition comparison. ʺLʺ and ʺRʺ denote the target force for 

the left and right hand, as a percentage of MVC. 

UnimanualBimanual

equalBimanualunequal

−60

−40

−20

0

20

L10 o

r R10

L30 o

r R30

L10 &

R10

L30 &

R30

L10 &

R30

L30 &

R10

Force condition (% MVC)

Pin

ch o

nset

asy

nchr

ony

(ms)

HandLeftRight

Page 58: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

48  Chapter 5     

Right hand MVCs were 20.5% greater (SD = 24.9%), on average, than left hand 

MVCs. No  significant differences were observed between  left and  right hand  forces, 

expressed as a percentage of MVC, during the experimental task, F(1, 13) = 1.42, p = 0.25, 

ηg2 = 0.01. However, the 30% MVC force was consistently under‐produced by both hands 

in all relevant force conditions (Fig. 6). Forces produced  in response to the 10% MVC 

target were significantly stronger (overproduced) in the unequal force conditions than 

in  the  equal  (g = 1.48)  and  unimanual  force  conditions  (g = 1.49)  but  there were  no 

significant differences  in  the production of  forces  in response  to  the 30% MVC  target 

across  conditions  (ps ≥ 0.15,  g ≤ 0.56).  These  findings  demonstrate  convergence 

(assimilation) between  the  left and right hand  forces  in  the unequal  force conditions. 

Significant correlations, reflecting bimanual coupling, were observed between the peak 

forces produced by each hand in all bimanual force conditions. Peak force correlations 

were consistently stronger in the equal than unequal force conditions (Table 5). 

 

Fig. 6  Means of each subjectʹs median left and right hand peak forces as a percentage of MVC 

in no‐TMS  conditions, across both  testing  sessions. The data  show a  tendency  for  subjects  to 

underproduce forces in the 30% MVC force conditions, as well as assimilation of the 10% MVC 

force in the bimanual unequal force conditions. Horizontal dotted lines indicate the target forces 

(10%  and  30%  MVC).  Error  bars  show  the  within‐subjects  SEM  for  the  force  condition 

comparison, calculated with the Greenhouse–Geisser correction. 

UnimanualBimanual

equalBimanualunequal

0

10

20

30

40

L10 o

r R10

L30 o

r R30

L10 &

R10

L30 &

R30

L10 &

R30

L30 &

R10

Force condition (% MVC)

Peak

forc

e (%

MV

C)

HandLeftRight

Page 59: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    CME during the preparation of bimanual forces  49 

Table 5  Means and within‐subjects 95% confidence  intervals of  the correlations between  the 

peak forces produced by each hand in the no‐TMS condition, across both testing sessions. 

Force Condition (% MVC) Mean force 

correlation 95% CI 

Left 10%, Right 10%  0.63  0.54 – 0.70 

Left 30%, Right 30%  0.67  0.59 – 0.74 

Left 10%, Right 30%  0.29  0.16 – 0.40 

Left 30%, Right 10%  0.45  0.34 – 0.55 

Electrophysiological data 

Immediately prior to the administration of TMS, mean RMS EMG activity in the 

hand  contralateral  to  TMS  varied  between  17.5 μV  (SD = 5.5 μV)  and  23.0 μV 

(SD = 10.0 μV), across all conditions. MEP amplitudes were substantially larger when a 

response was being prepared for the hand contralateral to the stimulated M1 (Fig. 7). A 

2 (side of TMS stimulation) × 2 (10% or 30% MVC force) × 3 (unimanual, bimanual equal 

force, bimanual unequal force) ANOVA revealed that MEPs were significantly larger for 

recordings taken from the right than left hand, F(1, 11) = 10.13, p < 0.01, ηg2 = 0.06. MEPs 

were not significantly affected by the force of the response produced by the contralateral 

hand,  F(1, 11) = 0.89,  p = 0.37,  ηg2 = 0.00,  or  by whether  the  response was  unimanual 

(contralateral), bimanual equal or bimanual unequal, F(2, 22) = 3.18, p = 0.06, ηg2 = 0.03 

(Fig.  7). No  significant  interactions were  found. Bonferroni‐Holm‐corrected pairwise 

comparisons found that the difference in MEPs between the unimanual pinch condition 

and  the bimanual unequal  force  condition  fell  slightly  short of  significance  (p = 0.06, 

g = 0.51) whereas the comparison between the bimanual equal force condition and the 

bimanual unequal  force  condition was  clearly non‐significant  (p = 0.42,  g = 0.25). The 

comparison between the unimanual condition and the bimanual equal force condition 

was also non‐significant (p = 0.42, g = 0.26). A 2 (side of TMS stimulation) × 9 (response 

condition)  ANOVA,  with  the  no  pinch  and  ipsilateral  pinch  conditions  included, 

revealed that MEPs were affected by the response condition, F(8, 88) = 17.40, p < 0.001, 

ηg2 = 0.28, with significantly larger MEPs being found in all conditions in which a pinch 

was being prepared for the hand contralateral to TMS than when an ipsilateral pinch or 

no pinch was being prepared (g = 1.22–2.04). 

Page 60: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

50  Chapter 5     

 

Fig. 7  Mean MEP amplitudes for FDI of each hand in each response condition. Error bars show 

the SEM. ʺIʺ denotes the force target for the hand ipsilateral to TMS and ʺCʺ denotes the force 

target for the hand contralateral to TMS. Target forces are expressed as a percentage of MVC. 

Error bars show the within‐subjects SEM for the response condition comparison, calculated with 

the Greenhouse–Geisser correction. 

Discussion 

The  current  study  investigated  the effect of  intermanual  interactions on CME 

during the preparation of isometric forces in a timed‐response task, which permits the 

advanced preparation of  a  response. Significantly  larger MEPs were  recorded  in  the 

hand for which a response was being prepared. MEPs were also larger in the right than 

left hand, consistent with previous research (De Gennaro et al., 2004; Perez & Cohen, 

2009; van den Berg et al., 2011; Ziemann & Hallett, 2001). However, no differences  in 

MEP amplitudes were found between the active hand in unimanual response conditions 

and  either  hand  in  bimanual  response  conditions.  There  were  also  no  significant 

differences  between MEP  amplitudes  recorded  during  the  preparation  of  bimanual 

forces of unequal and equal magnitudes, despite differences in force coupling between 

the equal and unequal force conditions. 

The absence of any observed differences  in CME between unequal and equal 

bimanual  force  conditions,  when  considered  with  previous  findings,  suggests  that 

different processes control the coupling of the force and direction of a motor response. 

Previous  research  has  found  that  responses  in mirror directions  are  associated with 

Left hand (Right M1) Right hand (Left M1)

0

1

2

3

I00 C

00

I10 C

00

I30 C

00

I00 C

10

I00 C

30

I10 C

10

I30 C

30

I10 C

30

I30 C

10

I00 C

00

I10 C

00

I30 C

00

I00 C

10

I00 C

30

I10 C

10

I30 C

30

I10 C

30

I30 C

10

Force condition (% MVC)

Mea

n M

EP

am

plitu

de (m

V)

ResponseNo pinchIpsilateral onlyContralateral onlyBimanual equal forceBimanual unequal force

Page 61: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    CME during the preparation of bimanual forces  51 

lower CME than parallel movements during preparation and with greater CME during 

sustained contraction (Duque et al., 2005; Yedimenko & Perez, 2010), in contrast to the 

absence of any comparable effects of force on CME in the present study. While the corpus 

callosum appears  to mediate both  the coupling of force and  the coupling of response 

direction (Diedrichsen et al., 2003; Eliassen et al., 1999, 2000; Franz et al., 1996), different 

neural  networks  have  been  implicated  in  each  of  these  forms  of  bimanual  coupling 

(Wenderoth,  Debaere,  Sunaert,  &  Swinnen,  2005).  This  dissociation  may  explain 

differences between  the present  findings and  those  from previous studies concerning 

response direction. The suppression of mirror contractions for the production of either 

parallel or strictly unimanual responses appears to involve inhibitory interhemispheric 

interactions  which  suppress  the  excitability  of  homologous  motor  representations 

ipsilateral  to  an  active  hand  (Hinder,  Schmidt,  Garry,  &  Summers,  2010;  Hübers, 

Orekhov,  &  Ziemann,  2008;  Yedimenko  &  Perez,  2010).  As  different  movement 

directions appear to have separate representations in motor cortex (Kakei, Hoffman, & 

Strick, 1999), these interactions may help resolve conflict between competing directional 

representations. Different  forces, however, appear  to be represented by differences  in 

the neural firing rate or through the recruitment of additional neurons (Milner‐Brown, 

Stein, & Yemm, 1973) so the suppression of contralateral force representation during the 

control of unequal force responses may inhibit the production of these responses, rather 

than helping to resolve conflict. This may also explain the recent finding that individuals 

who exhibited high levels of interhemispheric inhibition performed more poorly on an 

asymmetric  force production  task, despite displaying  less mirror  activity during  the 

production of strictly unimanual forces (Fling & Seidler, 2012). 

The absence of any significant differences  in CME between  the preparation of 

unimanual  and  bimanual  forces  contrasts  with  findings  that  CME  differs  between 

unimanual and bimanual conditions during motor execution. In particular, CME in the 

right M1 has been found to be greater during the production of a unimanual left hand 

force  than during  the production of unequal bimanual  forces  (Soteropoulos & Perez, 

2011; Yedimenko & Perez, 2010). The difference between these findings and those of the 

present study suggests that additional or different intermanual interactions are engaged 

in  the  preparation  and  execution  of  a  force  response, which may  include  increased 

communication  between  the  motor  cortices  during  response  execution  (Serrien  & 

Brown,  2004).  The  presence  of  different  intermanual  interactions  during  motor 

Page 62: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

52  Chapter 5     

preparation and execution  is supported by  findings  that CME  in  the  inactive hand  is 

suppressed during the preparation of a unimanual response (Duque et al., 2005; Leocani 

et  al.,  2000)  but  facilitated  during  sustained  unimanual  contraction  (Hess, Mills, & 

Murray, 1986; Hortobágyi, Taylor, Petersen, Russell, & Gandevia, 2003; Muellbacher et 

al.,  2002;  Perez &  Cohen,  2008,  2009;  Stedman, Davey, &  Ellaway,  1998;  Tinazzi & 

Zanette,  1998).  Differences  between  the  effect  of  intermanual  interactions  on  CME 

between motor preparation and execution may be related to changes in the function of 

interhemispheric  inhibition.  Interhemispheric  inhibition  targeting  the active hand has 

been  found  to  decrease  or  even  shift  to  facilitation  between  the  preparation  and 

execution of a unimanual response (Duque et al., 2007; Tazoe & Perez, 2013), whereas 

greater  interhemispheric  inhibition  is  observed  during  the  production  of  bimanual 

forces, which appears to contribute to lower CME in these conditions (Soteropoulos & 

Perez, 2011; Yedimenko & Perez, 2010). 

No differences in CME were observed in an active hand between unimanual and 

bimanual  conditions  in  the  current  study.  In  contrast, Duque  and  colleagues  (2005) 

observed  lower  CME  during  the  preparation  of  bimanual  movements  in  mirror 

directions than during the preparation of unimanual movements (Duque et al., 2005). 

This difference in findings may be due to the activation of opposing effectors to produce 

the pinch responses  in the present study, which mean that the pinch responses  in the 

current  study  lacked  an  overall  extrinsic  response  direction,  unlike  the  index‐finger 

movements  required by Duque and  colleagues  (2005). This  lack of a global  extrinsic 

response direction may have contributed to a smaller reduction in CME in the bimanual 

conditions of the present study, as Duque and colleagues (2005) observed that reductions 

in CME were  dependent  on  the  extrinsic  direction  of  the  response,  rather  than  the 

effectors  involved.  The  responses  used  in  the  current  study  also  required  isometric 

muscles contractions whereas those  in the study conducted by Duque and colleagues 

(2005), involved isotonic contractions, which may have also influenced CME findings. 

Isometric contractions have been found to have a lower tendency to transition towards 

in‐phase movements patterns during  rhythmic movements  than  isotonic movements 

(Byblow, Carson, & Goodman, 1994; Carson, 1990). These phase transitions appear to 

have a neural rather than biomechanical origin (Carson, 1990), suggesting that isotonic 

and isometric responses involve different neural interactions (Perez, 2012), which may 

extend to the control of CME. 

Page 63: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    CME during the preparation of bimanual forces  53 

In conclusion, the present findings show that CME does not differ substantially 

during the preparation of forces with equal and unequal force magnitudes. These results 

suggest that the  intermanual  interactions  involved  in the coupling of bimanual forces 

differ  from  those  involved  in  the  control of movement direction  (Duque et al., 2005; 

Yedimenko & Perez, 2010), which may reflect differences in the way force and movement 

direction are  represented  in motor  cortex. The  finding of  this  study extend previous 

findings, which similarly suggest that intermanual interactions involved in the control 

of these responses do not alter the effects of TMS on the timing of the response (Chapter 

4). 

Page 64: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment
Page 65: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

     

    55 

Chapter 6. 

Specific and non‐specific mechanisms of 

transcranial magnetic stimulation induced response 

facilitation 

In previous chapters of this thesis, TMS was found to advance responses when 

administered prior  to  the  target  response  time  in a  timed‐response  task. As noted  in 

these chapters, TMS could advance responses in this task through mechanisms that are 

either specific or non‐specific to the stimulation of M1. 

In RT  tasks, TMS appears  to advance responses  through both M1‐specific and 

non‐specific mechanisms, when  administered  early  in  the  response  latency  (Davey, 

Romaiguère, Maskill, & Ellaway, 1994; Foltys et al., 2001; Hallett et al., 1991; Leocani et 

al., 2000; Pascual‐Leone, Valls‐Solé, et al., 1992; Pascual‐Leone, Brasil‐Neto, et al., 1992; 

Pascual‐Leone et al., 1994; Sawaki et al., 1999, 1999; Terao et al., 1997; Ziemann et al., 

1997). The presence  of M1‐specific  effects has been  supported by  findings  that TMS 

advances responses more when delivered over M1 than when discharged off‐scalp or 

over non‐motor areas  (Hashimoto  et al., 2004; Pascual‐Leone, Valls‐Solé,  et al., 1992; 

Sawaki  et  al.,  1999;  Soto  et  al.,  2010). M1‐specific  effects  could  be mediated  by  the 

facilitation of motor preparation or execution as a result of the magnetic stimulation of 

M1 neurons (Pascual‐Leone, Valls‐Solé, et al., 1992; Sawaki et al., 1999). The presence of 

non‐specific effects has been supported by findings that TMS also advances responses 

when discharged off‐scalp or over non‐motor areas (Romaiguère et al., 1997; Sawaki et 

al., 1999; Terao et al., 1997). Non‐specific effects of TMS have commonly been attributed 

to intersensory facilitation (Romaiguère et al., 1997; Sawaki et al., 1999; Terao et al., 1997), 

although it has also been suggested that TMS could advance responses by evoking of a 

startle‐like response (Leocani et al., 2000). In RT tasks, intersensory facilitation appears 

to facilitate responses through faster detection of the imperative stimulus (multisensory 

integration)  or  through  advanced  preparation  to  respond  to  this  stimulus, which  is 

enabled by the presentation of an accessory stimulus that warns of its arrival (temporal 

preparation; Diederich & Colonius, 2008; Los & Van der Burg, 2013; Nickerson, 1973). 

Timed‐response tasks, however, do not require rapid stimulus detection, as they do not 

Page 66: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

56  Chapter 6     

require  responses  to  be  rapidly  executed,  and  they  permit  temporal  preparation  by 

presenting a series of evenly‐spaced tones that can be used to predict the onset of the 

synchronization signal. These characteristics make it appear unlikely that intersensory 

facilitation  would  facilitate  responses  in  timed‐response  tasks.  In  contrast,  a  loud 

(startling)  acoustic  stimulus  has  been  found  to  advance  responses  in  both  timed‐

response and RT tasks (Carlsen & MacKinnon, 2010; Castellote, Van den Berg, & Valls‐

Solé, 2013; Valls‐Solé et al., 2008) and could therefore contribute to the facilitatory effects 

of TMS in both tasks. Facilitatory effects of a loud acoustic stimulus have been commonly 

associated with  a  startle  response,  although  a  loud  acoustic  stimulus  can  advance 

responses in the absence of an observable startle response (Delval et al., 2012; Kumru & 

Valls‐Solé, 2006; Marinovic, Rugy, Lipp, & Tresilian, 2013; Maslovat, Kennedy, Forgaard, 

Chua, & Franks, 2012; Nijhuis et al., 2007; R. F. Reynolds & Day, 2007; Valls‐Solé et al., 

2005). 

The current study investigated the contribution of M1‐specific and non‐specific 

mechanisms to the facilitation of responses produced by TMS in a timed‐response task. 

Non‐specific  effects were measured  by  administering  TMS  over  a  non‐motor  area. 

Active stimulation was used in this condition, with the TMS coil in direct contact with 

the scalp, to ensure that all non‐specific effects related to the sound or tactile stimulation 

produced by TMS were adequately controlled for. In particular, TMS produces sounds 

that are conducted  through both  the air and  through bone  (Nikouline et al., 1999), as 

well  as  tactile‐stimulation, which  are  difficult  to  reproduce with  sham  or  off‐scalp 

stimulation  (Arana et al., 2008; Burle et al., 2002; N.  J. Davis, Gold, Pascual‐Leone, & 

Bracewell,  2013;  Herwig,  Cardenas‐Morales,  Connemann,  Kammer,  &  Schönfeldt‐

Lecuona, 2010) but may contribute to non‐specific effects such as startle (B. K. Taylor et 

al., 1991; Yeomans et al., 2002). The occipital cortex was selected as the non‐motor area 

over which TMS was administered as  this site does not appear  to be  involved  in  the 

preparation of a motor response (Busan, Monti, Semenic, Pizzolato, & Battaglini, 2009). 

It  was  hypothesized  that  TMS  would  advance  responses  through  M1‐specific 

mechanisms, such that M1 TMS, but not occipital TMS, would advance the onset of the 

motor response. 

Page 67: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    Specific and non‐specific mechanisms of TMS‐induced response facilitation  57 

Methods 

Subjects 

Nineteen right‐handed psychology undergraduates and postgraduates (7 male, 

12  female)  participated  in  the  study.  The  subjectsʹ  ages  ranged  from  18  to  28  years 

(median = 20). 

Experimental design 

TMS was administered over  the  left M1,  the  left occipital  cortex, or withheld 

completely, to quantify M1‐specific and non‐specific effects of TMS on the timing of a 

force response. Unimanual force targets were presented for both the left and right hand. 

Materials and procedures 

Experimental trials 

Forty trials were completed for each combination of force (10% MVC; 30% MVC) 

and hand condition (2 force × 2 hand), giving a total of 160 trials. TMS was administered 

over  either  the  left  M1  or  left  occipital  cortex  on  50%  of  these  trials.  TMS  was 

administered over these sites on an equal number of trials and was always administered 

250 ms before the target response time. Trials were arranged into blocks of 16 trials, each 

of which contained all possible combinations of conditions, in the same proportions as 

in the experiment as a whole. Condition order was randomized within each block. 

Feedback was given on whether the response was made with the correct hand 

and had a force rise time of less than 300 ms. Trials in which these criteria was not met 

were discarded  and  repeated. Feedback was  also given on whether  the onset of  the 

response occurred within 150 ms of the target time. However, trials were only discarded 

and repeated if the onset of the response did not occur within 250 ms of the target time. 

Stimulation and recording 

The EMG signal was recorded from the FDI and the APB muscles of the right 

hand. TMS was delivered over  the  left M1 using  the same procedures as  in previous 

experiments. TMS was delivered to the left occipital cortex at the same intensity used for 

M1 stimulation, over the O1 site of the international 10‐20 system for EEG recording. The 

Page 68: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

58  Chapter 6     

coil was oriented with  the handle  lateral during occipital stimulation, which  induces 

current flow in the latero‐medial direction, and therefore avoids current flow towards 

the  parietal  and motor  areas  of  the  cortex  (Kammer  et  al.,  2001; Mills,  Boniface, & 

Schubert, 1992). 

Results 

Behavioral data 

Summary  statistics  for  pinch  onset  times  are  shown  in  Table  6.  Summary 

statistics for other characteristics of the response are listed in Appendix 3. Pinch onset 

times  in  the no‐TMS  condition were approximately normally distributed around  the 

target  time  (Fig. 8). Pinch onsets occurred significantly earlier when 30% MVC  forces 

were  required  than when  10% MVC  forces were  required,  F(1, 18) = 19.46,  p < 0.001, 

ηg2 = 0.02,  and did not  significantly differ  between  the hands,  F(1, 18) = 1.43,  p = 0.25, 

ηg2 = 0.00.  A  significant  hand  ×  force  interaction  was  found,  F(1, 18) = 6.36,  p = 0.02, 

ηg2 = 0.00, reflecting the presence of earlier pinch onsets for the left hand than the right 

hand in the 10% MVC condition but not the 30% MVC condition. No other significant 

interactions were found. 

 

Fig. 8  Kernel density estimates showing that the distributions of pinch onset times were shifted 

towards earlier responses in both M1 TMS and occipital TMS conditions for both the left and right 

hand. Data were pooled across force conditions. The dotted vertical line marks the time at which 

TMS was administered. 

Left Hand Right Hand

0.000

0.002

0.004

0.006

−400 −200 0 200 400 −400 −200 0 200 400

Pinch onset time (ms relative to target)

Den

sity

TMSNoneM1Occipital

Page 69: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    Specific and non‐specific mechanisms of TMS‐induced response facilitation  59 

Table 6  Means and standard deviations (in brackets) for pinch onset times in each condition, in 

milliseconds, relative to the target time. Target forces are expressed as a percentage of MVC. 

TMS Target force 

(% MVC) 

Left hand 

onset (ms) 

Right hand 

onset (ms) 

None 10  7 (51)  9 (59) 

30  ‐8 (51)  ‐15 (57) 

M1 10  ‐27 (53)  ‐15 (54) 

30  ‐43 (54)  ‐44 (49) 

Occipital 10  ‐44 (47)  ‐24 (63) 

30  ‐45 (59)  ‐42 (69) 

 

Forces were typically under‐produced during the experimental task, particularly 

in the 30% MVC force condition (Fig. 9). Peak forces did not significantly differ between 

the hands, when expressed as a percentage of MVC, F(1, 18) = 11.37, p < 0.01, ηg2 = 0.02. 

Peak  forces were  less precise, as measured by  the coefficient of variation,  in  the 10% 

MVC  (M = 0.28)  than  in  the  30%  MVC  force  condition  (M = 0.21),  F(1, 18) = 53.40, 

p < 0.001, ηg2 = 0.27. The precision of peak forces did not significantly differ between the 

hands, F(1, 18) = 0.10, p = 0.75, ηg2 = 0.00. 

 

Fig. 9  Means of each subjectʹs median left and right hand peak forces, as a percentage of MVC, 

for each TMS condition. Peak forces were significantly larger in occipital TMS conditions than in 

both no‐TMS and M1 TMS conditions. Horizontal dotted lines indicate the target forces (10% and 

30% MVC). Error bars show the within‐subjects SEM for the TMS condition comparison. 

Left Hand Right Hand

0

10

20

30

10 30 10 30

Force condition (% MVC)

Peak

forc

e (%

MV

C) TMS

NoneM1Occipital

Page 70: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

60  Chapter 6     

Pinch onset  times were  significantly affected by TMS  (Fig. 8), F(2, 36) = 22.57, 

p < 0.001, ηg2 = 0.08. M1 TMS significantly advanced pinch onsets by 30 ms (g = 0.84) and 

occipital TMS significantly advanced pinch onsets by 37 ms, over those in the no‐TMS 

condition (g = 1.02). Pinch onset times did not significantly differ between the M1 and 

occipital TMS conditions (p = 0.26, g = 0.18), with pinches in the occipital TMS condition 

preceding those in the M1 TMS condition by a mean of 7 ms. There was no significant 

difference between the effect of TMS on pinch onset times for responses produced by the 

ipsilateral and contralateral hand, as  indicated by  the absence of a significant TMS × 

hand condition interaction, F(2, 36) = 2.47, p = 0.10, ηg2 = 0.00. TMS did not significantly 

affect  force  rise  times,  F(2, 36) = 0.44,  p = 0.65,  ηg2 = 0.00,  total  pinch  durations 

F(2, 36) = 0.96, p = 0.39, ηg2 = 0.00, or the precision of peak forces, F(2, 36) = 1.87, p = 0.17, 

ηg2 = 0.02. 

The  size  of  peak  forces  significantly  varied  across  TMS  conditions  (Fig.  9), 

F(2, 36) = 7.01, p < 0.01, ηg2 = 0.01. Peak forces were 0.9% MVC larger in the occipital TMS 

condition than in the no‐TMS condition (g = 0.59) and 0.6% MVC larger in the occipital 

than M1 TMS condition (g = 0.42). Visual inspection of the force traces did not reveal any 

other differences in the force profile between these conditions (Fig. 10). Mean peak forces 

were higher  in  the occipital TMS  condition  than  in  the no‐TMS  condition  in  89% of 

subjects.  Left M1  TMS  did  not  significantly  affect  the  size  of  peak  forces  (p = 0.29, 

g = 0.17). 

Electrophysiological data 

The mean  TMS  intensity  required  to  produce  a  1 ±33% mV MEP  in  the  FDI 

muscle in the left M1 was 53.2% maximum stimulator output (SD = 10.6%). This intensity 

was equivalent to 114.0% rMT, on average (SD = 6.0%). Only one subject reported that 

left occipital TMS (O1) produced visual sensations, which they described as movement 

in the right periphery. 

Immediately prior to the administration of TMS, mean RMS EMG activity in the 

hand  that  produced  a  response  varied  between  60.1 μV  (SD = 62.1 μV)  and  83.8 μV 

(SD = 92.2 μV), across all force and TMS conditions. Mean RMS EMG activity in the hand 

that did not produce  a  response varied between  48.1 μV  (SD = 66.1 μV)  and  65.0 μV 

(SD = 79.4 μV). FDI MEP amplitudes were  larger when a pinch was prepared  for  the 

hand contralateral to TMS (right hand; M = 3.50 mV) than when a pinch was prepared 

Page 71: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    Specific and non‐specific mechanisms of TMS‐induced response facilitation  61 

for  the  hand  ipsilateral  to  TMS  (left  hand; M = 1.47 mV),  F(1, 18) = 32.99,  p < 0.001, 

ηg2 = 0.25. APB MEP amplitudes were also larger when a pinch was being prepared for 

the  contralateral  (M = 2.11 mV)  than  ipsilateral  hand  (M = 0.88 mV),  F(1, 18) = 35.57, 

p < 0.001, ηg2 = 0.17. MEP amplitudes were not significantly affected by  the size of  the 

target  force,  for recordings  taken  from both  the FDI, F(1, 18) = 0.09, p = 0.76, ηg2 = 0.00, 

and the APB, F(1, 18) = 0.06, p = 0.81, ηg2 = 0.00. 

Fig. 10  Force traces from a single subject for trials that were representative of the forces produced 

in each TMS and force condition. Forces are represented as a percentage of MVC. The data have 

been smoothed using a 20 ms rolling average to eliminate electrical noise from the recordings. 

Dotted vertical lines indicate the time at which TMS was administered in each condition. 

Discussion 

The  current  study  investigated  the  specificity  of  TMS‐induced  response 

facilitation  in  a  timed‐response  task.  TMS  over  the  left M1 was  found  to  advance 

responses  by  approximately  30 ms,  consistent with  previous  findings  in  this  thesis 

Left Hand Right Hand

0

10

20

30

0

10

20

30

0

10

20

30

No TMS

M1 TMS

OccipitalTMS

0 500 1000 0 500 1000

Time (ms relative to target)

Forc

e (%

MV

C)

Target (% MVC)1030

Page 72: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

62  Chapter 6     

(Chapter 3, 4). However, the hypothesis that this advancement of responses would be 

specific  to  the  stimulation of M1 was not  supported,  as occipital TMS was  found  to 

advance responses to a similar extent to M1 TMS. Although this indicates that the effects 

of TMS were solely non‐specific, peak forces were slightly larger  in the occipital TMS 

condition than in M1 TMS and no‐TMS conditions, indicating that occipital TMS may 

not be an appropriate control for non‐specific effects of M1 TMS in the task used in the 

current  study.  In  contrast  to  occipital  TMS, M1  TMS  did  not  affect  peak  forces  or 

otherwise  disrupt  the  integrity  of  the  response,  consistent  with  previous  findings 

(Chapter  3,  4),  suggesting  that  the  effect  of  TMS  on  peak  forces  is  specific  to  the 

stimulation of the occipital cortex. 

There are several ways in which occipital TMS might have increased the size of 

peak  forces. Occipital TMS could have  facilitated  force production, as  the  increase  in 

force in the occipital TMS condition improved the accuracy of the response, since forces 

were typically underproduced across all force conditions. Occipital TMS could have also 

disrupted or counteracted an adaptive strategy to minimize effort as mean forces were 

already within the range of forces required by the task in the no‐TMS condition. Occipital 

TMS could have increased the size of peak forces by altering the perception or processing 

of  the  visual  force  target, which may  influence  subsequent  preparation  of  the  force 

response. Occipital  TMS  has  previously  been  found  to  both  improve  (Abrahamyan, 

Clifford, Arabzadeh, & Harris, 2011; Mullin & Steeves, 2011; Perini, Cattaneo, Carrasco, 

& Schwarzbach, 2012) and disrupt the perception of visual stimuli, depending upon the 

type  of visual  stimulus  and  the  stimulation parameters used  (Amassian  et  al.,  1989; 

Beckers & Hömberg,  1991; Corthout, Uttl, Walsh, Hallett, & Cowey,  1999; de Graaf, 

Cornelsen, Jacobs, & Sack, 2011; Kammer & Nusseck, 1998; Kammer, Puls, Strasburger, 

Hill, & Wichmann,  2005; Kammer,  Scharnowski, & Herzog,  2003; Masur,  Papke, & 

Oberwittler,  1993).  Occipital  TMS  could  have  also  affected  visuomotor  processing 

through connection to parietal areas (Glickstein, 2000), which appear to be involved in 

the translation of visual information into a motor response (Busan et al., 2009; Galletti et 

al., 2001; Galletti, Kutz, Gamberini, Breveglieri, & Fattori, 2003). However, additional 

research is needed to determine the reliability and precise mechanism of the increase in 

pinch forces observed following occipital TMS in the present study. 

The  finding  that  occipital  TMS  increased  the  size  of  peak  forces  raises  the 

possibility  that  occipital  TMS may  have  advanced  responses  through  direct  cortical 

Page 73: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    Specific and non‐specific mechanisms of TMS‐induced response facilitation  63 

effects, rather  than  through  the sound or  tactile stimulation produced by TMS. Thus, 

occipital and  left M1 TMS may have advanced  responses  through  the  stimulation of 

different cortical regions involved in the control of a visuomotor response, rather than 

through shared non‐specific effects. This possibility is consistent with the finding that 

left M1 TMS produced stronger facilitation than right M1 TMS (Chapter 4), since this 

finding indicates that the facilitation produced by TMS is at least partially specific to the 

stimulation of the left M1. However, the findings of a previous RT study indicate that 

occipital TMS only advances responses through non‐specific mechanisms (Busan et al., 

2009). This study found that occipital TMS advanced responses when delivered in close 

proximity  to  the  imperative  signal.  However,  this  effect  was  shared  with  sham‐

stimulation  and  TMS  over  other  cortical  areas,  suggesting  that  it was  produced  by 

intersensory facilitation (Busan et al., 2009). Another RT study found that occipital TMS 

advanced responses to auditory but not visual stimuli (Romei, Murray, Merabet, & Thut, 

2007). However, the current study cued responses with visual force targets suggesting 

that the effect observed by Romei and colleagues (2007) did not contribute to facilitation 

in the current study. Specific facilitatory effects of occipital TMS may be specific to the 

task  or  visual  stimuli used  in  the  current  study. Unlike  the  current  study, previous 

studies did not observe any effects of occipital TMS on the motor response (Busan et al., 

2009;  Xivry,  Criscimagna‐Hemminger, &  Shadmehr,  2011),  suggesting  that  occipital 

TMS produces some distinct effects in the task used in the current study. 

The possibility that M1 and occipital TMS both advanced responses through non‐

specific mechanisms,  related  to  the  sound  or  tactile  stimulation  produced  by  TMS, 

cannot be excluded on the basis of the present findings. The present finding that TMS 

advanced ipsilateral and contralateral responses by a similar amount is consistent with 

the  advancement  of  responses  through  a  startle‐like  response,  as  a  loud  acoustic 

stimulus, capable of producing a startle response, has been found to similarly advance 

responses  produced  by  either  side  of  the  body,  apart  from  some  stimulus‐response 

compatibility  effects  that  are  observed  under  some monaural  stimulus  presentation 

conditions (Maslovat, Carlsen, et al., 2012; Nijhuis et al., 2007). A loud acoustic stimulus 

has previously been found to advance responses in both timed‐response and RT tasks 

(Carlsen & MacKinnon, 2010; Valls‐Solé et al., 2005, 1999). This effect has been attributed 

to a reduction in the duration of processes required for motor execution, which may be 

mediated  by  an  increase  in  M1  or  subcortical  excitability  (Carlsen,  Chua,  Inglis, 

Page 74: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

64  Chapter 6     

Sanderson, & Franks, 2004; Marinovic, Tresilian, de Rugy, Sidhu, & Riek, 2014; Maslovat, 

Carter, Kennefick, & Carlsen, 2014), similar to the previously proposed mechanism of 

M1‐stimulation‐specific effects of TMS (Chapter 4). 

The sound produced by TMS could have also altered the timing of responses in 

the  task used  in  the  current  study by distorting  temporal  judgments  concerning  the 

timing of the pacing stimuli. An accessory sound can influence response times through 

the filled duration illusion, the tendency for filled durations to appear longer (Adams, 

1977; Buffardi,  1971; Craig,  1973; Goldfarb & Goldstone,  1963; Hall &  Jastrow,  1886; 

Nakajima, 1987; Thomas & Brown, 1974; Wearden, Norton, Martin, & Montford‐Bebb, 

2007),  or  temporal  integration,  the  integration  of multiple  adjacent  stimuli  into  one 

percept (Mates, Müller, Radil, & Pöppel, 1994; Repp, 2004; Yabe et al., 1998). However, 

filling a duration with the sound produced by TMS would be expected to delay, rather 

than advance, responses (Repp, 2008; Repp & Bruttomesso, 2009; Wohlschläger & Koch, 

2000). Temporal integration is unlikely to have affected the timing of responses, as TMS 

was presented outside of  the  temporal  integration window of approximately 150 ms 

around the auditory pacing tones (Repp, 2004). Thus, it appears unlikely that perceptual 

illusions contributed to the facilitation produced by TMS in the present study. 

In summary, the present study found that both M1 and occipital TMS advance 

responses  in a  timed‐response  task. These effects could have been produced  through 

either shared non‐specific effects or through the stimulation of different cortical areas 

involved  in  the processing and preparation of a visuomotor  response. Occipital TMS 

appears to have increased the size of peak forces, which indicates that TMS over non‐

M1  sites may not be a  suitable  control condition  for non‐specific effects of TMS  in a 

visuomotor force‐production task. Non‐specific effects of TMS in timed‐response tasks 

are most likely to be mediated through a startle‐like response. 

Page 75: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

     

    65 

Chapter 7. 

Mechanisms of transcranial magnetic stimulation 

induced changes in the timing of a voluntary motor 

response 

In the previous chapters of this thesis, TMS was found to advance the onset of a 

response when  delivered  over M1  prior  to  the  required  response  time  in  a  timed‐

response task, similar to previous findings in RT tasks. M1 TMS could advance responses 

by reducing the time taken to transfer the motor program to the output structures or by 

facilitating the execution of the motor response by abbreviating the duration of changes 

in M1 excitability that precede the execution of the response (Pascual‐Leone, Valls‐Solé, 

et al., 1992; Pascual‐Leone et al., 1994; Sawaki et al., 1999; Soto et al., 2010). The execution 

of  the  response  could  be  facilitated  through  either  the  direct  stimulation  of M1  or 

through non‐specific effects related to a startle‐like response, as discussed in previous 

chapters. Previous studies demonstrating the advancement of responses following TMS 

have all used  responses  that  require  the contraction of one or more muscles. Muscle 

contractions are preceded by an increase in M1 excitability, indicating a period of time 

required to execute the response (R. Chen & Hallett, 1999; R. Chen et al., 1998; Evarts, 

1966; Hoshiyama et al., 1996; Leocani et al., 2000; Pascual‐Leone, Valls‐Solé, et al., 1992). 

TMS  might  therefore  facilitate  the  execution  of  these  responses  by  increasing M1 

excitability (Pascual‐Leone, Valls‐Solé, et al., 1992; Sawaki et al., 1999). 

In  contrast  to  a muscle  contraction,  the  relaxation  of  a  sustained  contraction 

appears  to  require  a  reduction  in  M1  excitability  (Begum  et  al.,  2005;  Buccolieri, 

Abbruzzese, & Rothwell, 2004; Motawar, Hur, Stinear, & Seo, 2012; Suzuki, Sugawara, 

Takagi,  & Higashi,  2015;  Yamanaka  et  al.,  2002),  and  therefore  the  relaxation  of  a 

sustained contraction would not be advanced, and could even be delayed, by an increase 

in M1 excitability. However, muscle contraction and relaxation appear to involve shared 

preparatory processes and, therefore, both responses could be advanced by processes 

which facilitate motor preparation or the transfer of the prepared motor program to the 

output  structures.  The  presence  of  shared  preparatory  processes  is  supported  by 

findings  that  both  contraction  and  relaxation  responses  are  preceded  by  similar 

Page 76: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

66  Chapter 7     

lateralized  readiness  potentials  (Pope, Holton, Hassan,  Kourtis,  &  Praamstra,  2007; 

Terada,  Ikeda, Nagamine, &  Shibasaki,  1995;  Terada,  Ikeda,  Yazawa, Nagamine, & 

Shibasaki, 1999), which appear to share neural generators in M1 and the supplementary 

motor areas (SMA) (Yazawa et al., 1998). Similarly, beta and alpha activity have been 

found  to decrease  1.5 s and  1 s prior  to  the onset of both  contraction  and  relaxation 

responses  (Alegre et al., 2003). Increased activation  in  the pre‐SMA, SMA proper and 

contralateral sensorimotor cortex has also been found for both contraction and relaxation 

responses  (Oga  et  al.,  2002;  Toma  et  al.,  1999,  2000),  which  further  supports  the 

involvement  of  shared  preparatory  processes  in  the  generation  of  each  of  these 

responses. 

The current study investigated the effect of TMS on the timing of responses in a 

timed‐response task that required either muscle contraction or relaxation in synchrony 

with  a  predictable  auditory  tone. As  timed‐response  tasks  have  been  found  permit 

advanced motor preparation (Hening, Favilla, et al., 1988; Steglich et al., 1999),  it was 

hypothesized that TMS primarily advances responses in this task by facilitating motor 

execution through an increase in M1 excitability. Therefore, it was expected that TMS 

would advance contraction responses, which require an increase in M1 excitability, but 

delay relaxation responses, which require an opposing decrease in M1 excitability. 

Methods 

Subjects 

Twelve right‐handed psychology postgraduates (4 male, 8 female) participated 

in the study. The subjectsʹ ages ranged from 23 to 40 years (median = 26.5). 

Experimental design 

The study was completed over two sessions. In each session, subjects completed 

a timed‐response task that required either the onset of a sustained muscle contraction 

(contraction condition) or the relaxation of a sustained contraction (relaxation condition) 

to be synchronized with the last of four auditory tones. These conditions were performed 

in alternating blocks. The hand that was required to produce or release a contraction (left 

or  right) was  randomized  from  trial  to  trial while  the  other  hand was  required  to 

maintain a relaxed or contracted state. In one session, TMS was administered at the same 

Page 77: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    Mechanisms of TMS‐induced changes in the timing of a motor response  67 

intensity in contraction and relaxation conditions. In the other session, the intensity of 

TMS was  reduced during  the  relaxation  condition  so  that matched MEP  amplitudes 

were obtained in contraction and relaxation conditions. The order of these sessions was 

counterbalanced across subjects. 

Materials and procedures   

Maximum voluntary contraction determination 

MVC  determination  was  performed  using  the  same  method  as  previous 

experiments except MVCs were measured in the first 500 ms of a sustained, rather than 

brief, response. 

Task 

Contraction trials started with both hands relaxed, which was taken as less than 

5% MVC. Relaxation trials started with both hands applying a force of 20–30% MVC. 

These force thresholds were displayed on the thermometer‐style force displayed used in 

previous experiments, along with the current force. Contraction or relaxation responses 

were performed with one hand, while the other hand remained in its starting, relaxed or 

contracted, state. Subjects were instructed to avoid moving their fingers in the antagonist 

direction during relaxation. 

Subjects were required to synchronize the onset of their response with the last of 

four  auditory  tones,  which  were  identical  to  those  used  in  previous  experiments. 

Contraction onsets were taken as the first time at which forces exceeded 5% MVC and 

relaxation onsets were taken as the first time at which forces fell below 20% MVC. These 

thresholds were marked on  the  force  targets and represented  the  first point at which 

forces exceeded or fell below the range in which forces were maintained prior to each 

contraction or relaxation response. This provided a clear and consistent indicator as to 

when  the onset of  the  response was  recorded,  to  aid  subjects  in  synchronizing  their 

responses with the final auditory tone. The required response hand was indicated with 

a horizontal line that was presented on the force display for the appropriate hand 600 ms 

before the onset of the final (fourth) tone. Trials were restarted if pinch forces were not 

kept within  the  starting  range until  this  line was presented. The horizontal  line was 

placed at the height which indicated a 20% MVC force during contraction trials and 5% 

Page 78: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

68  Chapter 7     

MVC on relaxation trials and also served to indicate the minimum force required for a 

contraction or  the maximum  force permitted  following  relaxation. These  forces were 

required to be reached within 300 ms of the onset of the response and maintained for at 

least 1 s. Trials were discarded and repeated  if this criterion was not met. Trials were 

also discarded and repeated if the response onset time did not fall within 150 ms of the 

target  time  (the  final  tone). Feedback on  these  criteria was provided using  the LED‐

display used in previous experiments. 

Practice trials 

Subjects practiced  contraction  trials,  followed by  relaxation  trials,  in  separate 

blocks, using  the  same procedures  as previous  experiments.  Subjects were provided 

with verbal feedback on their hand movements during the relaxation trials to help them 

learn  to  complete  these  responses  without  moving  their  fingers  in  the  antagonist 

direction. 

Experimental trials 

Forty  trials  were  completed  for  each  combination  of  hand  (left,  right)  and 

response type (contraction, relaxation) giving a total of 160 experimental trials. TMS was 

administered 250 ms before the final tone on 50% of the trials in each response condition. 

Contraction and relaxation trials were performed in alternating blocks of 8 trials. Each 

block contained all combinations of TMS and hand conditions (2 × 2) in equal numbers. 

Condition order was randomized within each block and the response performed during 

the  first block  (contraction or  relaxation) was  counterbalanced  across  subjects. Trials 

were discarded and repeated if any of the criteria for which feedback was given were 

not met. Fatigue was managed with  five‐minute breaks, which were given when  the 

experimental  trials were  25%,  50%  and  75%  complete.  Fatigue was  assessed  by  re‐

measuring MVCs immediately following the completion of the experimental trials. 

Stimulation and recording 

In addition to the stimulation parameters determined in previous experiments, 

the active motor threshold and the intensity which produced a MEP of 1 mV ±33% in the 

active FDI (1‐mV active intensity), were measured during a 20–30% MVC lateral pinch 

with the right hand. These parameters were measured using the same procedures that 

Page 79: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    Mechanisms of TMS‐induced changes in the timing of a motor response  69 

were used  to determine  the  resting motor  threshold and  intensity which produced a 

MEP of 1 mV ±33% in the resting FDI (1‐mV resting intensity) in previous experiments. 

TMS was  administered  at  the  intensity which  produced  a  1 mV MEP  in  the 

resting FDI in the contraction condition of both sessions. This intensity was also used in 

the relaxation condition  in one session. TMS was administered at  the  intensity which 

produced a 1 mV MEP in the active FDI in the relaxation condition of the other session. 

This  intensity was taken as the  intensity which produced a MEP of 1 mV ±33%  in the 

right FDI during the performance of a 20–30% MVC lateral pinch with the right hand. 

The  1‐mV  resting  and  active  intensities  were  intended  to  produce  matched  MEP 

amplitudes when administered prior  to  the execution of a contraction and  relaxation 

response  during  the  experimental  task.  EMG  activity was  recorded  from  both  FDI 

muscles.  EMG  activity was  amplified  at  a  lower  amplification  factor  (500×)  than  in 

previous  experiments  to  prevent  clipping  of  the  larger MEPs  elicited  during  active 

contraction at the 1‐mV resting intensity. 

Cortical  silent  periods  (CSPs)  were  calculated  as  an  index  of  intracortical 

inhibition at  the  time of TMS,  to explore potential relationships between  intracortical 

inhibition  and  the  effect  of  TMS  on  the  timing  of  the  response. CSPs  for  the  hand 

contralateral to TMS (right hand) were cursored manually from graphical displays of the 

EMG trace. The CSP was defined as an interruption of EMG activity of at least 50 ms, 

from the onset of the MEP until the return of EMG activity to the sustained background 

EMG level. CSPs could only be measured on trials in which EMG activity re‐emerged 

following TMS. This prevented CSPs being measured on some trials in which the right 

hand relaxed, as EMG activity failed to re‐emerge when this hand was relaxed prior to 

the end of  the silent period. CSPs were also measured outside  the experimental  task, 

over ten trials, during a sustained 20–30% MVC lateral pinch. CSPs were measured for 

each of the TMS intensities used in the relaxation condition. 

Data analysis 

Data  for  equivalent  conditions were  combined  across  both  sessions  prior  to 

subsequent analysis. Contraction and relaxation conditions were analyzed separately in 

repeated measures ANOVAs due to an unequal number of TMS conditions for each of 

these response types. 

Page 80: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

70  Chapter 7     

Grand‐average force waveforms were calculated to investigate the effect of TMS 

on the force response. To compute these waveforms, the forces produced for each trial 

was normalized to each subjects’ MVC and the arithmetic mean was calculated for each 

time‐point, across all trials in each condition. Within‐subject correlations were calculated 

between CSP durations  and  response  onset  times  for  each  condition  and  subject,  to 

examine  the  relationship  between  the  CSP  and  changes  in  response  onset  times 

produced by TMS. Only  trials  in which  the duration of  the CSP could be determined 

were included in this analysis. 

Results 

Behavioral data 

Right hand MVCs were 1.8% greater  (SD = 16.7%), on average,  than  left hand 

MVCs. Mean MVCs, across both hands, were 44.3 N prior to the commencement of the 

experimental  task and 41.4 N  immediately after completion of  the experimental  task. 

There  was  no  significant  fatigue  across  these  time  points,  F(1, 23) = 3.71,  p = 0.07, 

ηg2 = 0.02. 

Summary  statistics  for  response  onset  times  are  shown  in Table  7. Response 

onsets in no‐TMS conditions were approximately normally distributed around the target 

time in both the contraction and relaxation conditions (Fig. 11). Contraction onsets did 

not  significantly differ between  the hands, F(1, 11) = 2.78,  p = 0.12,  ηg2 = 0.01, whereas 

relaxation onsets occurred significantly earlier in the left than right hand, F(1, 11) = 5.17, 

p = 0.04, ηg2 = 0.01. 

TMS significantly advanced the entire distribution of contraction onsets (Fig. 11), 

F(1, 11) = 20.68, p < 0.001, ηg2 = 0.28. TMS advanced contraction onsets by 44 ms  in  the 

ipsilateral  (left) hand  (p < 0.01, g = 1.49) and by 42 ms  in  the contralateral  (right) hand 

(p = 0.02,  g = 1.01).  No  significant  hand × TMS  condition  interaction  was  found  for 

contraction onsets, F(1, 11) = 0.09, p = 0.77, ηg2 = 0.00. TMS advanced the execution of the 

entire  contraction  response, as  indicated by  the  attainment of  larger  forces  at  earlier 

intervals in the TMS condition (Fig. 12). There was no significant main effect of TMS on 

relaxation  onsets,  F(2, 22) = 0.93,  p = 0.41,  ηg2 = 0.03,  although  TMS  appears  to  have 

reduced the frequency of late relaxation responses, occurring more than 100 ms after the 

target  time  (Fig. 11). A  significant hand × TMS  condition  interaction was also  found, 

Page 81: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    Mechanisms of TMS‐induced changes in the timing of a motor response  71 

F(2, 22) = 3.80, p = 0.04, ηg2 = 0.03, which appears to reflect a reduction in the frequency of 

early  right  hand  relaxation  onsets  that was  only  present  in  the  1‐mV  resting  TMS 

condition  (Fig. 11). This effect was associated with a  transient  increase  in  force  in  the 

contralateral  (right)  hand  (Fig.  12),  which  commenced  within  50 ms  following  the 

administration  of  TMS. However,  no  significant  difference  in  relaxation  onsets was 

observed between  the hands  in  the 1‐mV resting TMS condition  (p = 0.15, g = 0.89) or 

between any other combination of hand and TMS condition (ps ≥ 0.74, g ≤ 0.63) in post‐

hoc pairwise‐t‐tests. 

 

Fig. 11  Kernel  density  estimates  showing  that  TMS  advanced  the  entire  distribution  of 

contraction onsets but only advanced the onset of late relaxation responses. The top panels show 

trials  in which a  timed muscle contraction was required and  the bottom panels show  trials  in 

which a muscle relaxation was required. Equivalent conditions have been combined across both 

sessions. The intensity of TMS was adjusted to produce a MEP of approximately 1 mV in resting 

or active FDI in the 1‐mV resting and active conditions. The dotted vertical line marks the time at 

which TMS was administered. 

   

Left Hand Right Hand

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

Contraction

Relaxation

−400 −200 0 200 400 −400 −200 0 200 400

Response onset (ms relative to target)

Den

sity

TMSNone1mV resting1mV active

Page 82: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

72  Chapter 7     

Table 7  Means and standard deviations (in brackets) for response onset times in conditions in 

which a contraction or relaxation of a sustained contraction was required. Response onset times 

are in milliseconds, relative to the target time. TMS was delivered over the left M1. The intensity 

of TMS was adjusted to produce a MEP of approximately 1 mV in resting or active FDI in the 

1‐mV resting and active conditions.

Response TMS Left hand 

onset (ms) 

Right hand 

onset (ms) 

Contraction None  ‐14 (43)  ‐7 (38) 

1‐mV resting  ‐59 (27)  ‐49 (32) 

Relaxation 

None  ‐5 (44)  ‐11 (49) 

1‐mV active  ‐26 (42)  ‐24 (42) 

1‐mV resting  ‐27 (26)  ‐1 (22) 

 

 

Fig. 12  Grand‐average force waveforms for each response and TMS condition showing that TMS 

caused higher forces to be achieved earlier in contraction conditions and that TMS produced a 

transient increase in right‐hand forces in the relaxation condition. Forces were normalized as a 

percentage of each subjectsʹ maximum voluntary contraction strength before averaging. The top 

panels show trials in which a timed muscle contraction was required and the bottom panels show 

trials in which a muscle relaxation was required. The intensity of TMS was adjusted to produce 

a MEP of approximately 1 mV in resting or active FDI in the 1‐mV resting and active conditions. 

The dotted vertical line marks the time at which TMS was administered. 

Left Hand Right Hand

0

10

20

30

40

0

10

20

30

40

Contraction

Relaxation

−400 −200 0 200 400 −400 −200 0 200 400

Time (ms relative to target)

Forc

e (%

MV

C)

TMSNone1mV resting1mV active

Page 83: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    Mechanisms of TMS‐induced changes in the timing of a motor response  73 

Electrophysiological data 

Motor evoked potentials 

The TMS intensity which produced a 1 ±33% mV MEP in the resting FDI muscle 

was 57.3% (SD = 12.7%) of maximum stimulator output. This intensity was equivalent to 

108.9% (SD = 4.8%) of resting motor threshold and 142.8% (SD = 17.5%) of active motor 

threshold.  The  TMS  intensity which  produced  a  1 ±33% mV MEP  in  the  active  FDI 

muscle  was  41.8%  (SD = 8.8%)  of  maximum  stimulator  output.  This  intensity  was 

equivalent  to 80.9%  (SD = 8.6%) of resting motor  threshold and 103.6% (SD = 3.0%) of 

active motor threshold. 

In the contraction condition, MEP amplitudes were larger when a response was 

prepared  for  the hand contralateral  to TMS  (M = 2.98 mV)  than when a response was 

prepared for the hand ipsilateral to TMS (M = 1.23 mV), t(11) = 3.73, p < 0.01, g = 1.08. In 

the  relaxation  condition,  the  size  of MEPs was  similar  between  trials  in which  the 

contralateral and ipsilateral hand responded, F(1, 11) = 2.72, p = 0.13, ηg2 = 0.02. MEPs in 

the relaxation condition were substantially  larger when TMS was administered at the 

1‐mV  resting  intensity  (contralateral  hand  response  M = 8.74 mV;  ipsilateral  hand 

M = 9.43 mV) than when administered at the weaker, 1‐mV active intensity (contralateral 

hand  response M = 1.35 mV;  ipsilateral  hand M = 1.78 mV),  F(1, 11) = 82.81,  p < 0.001, 

ηg2 = 0.75. 

Cortical silent periods 

Representative EMG  traces showing  the CSP during  trials  in which TMS was 

administered  at  the  1‐mV  resting  intensity  are  shown  in  Fig.  13. Table  8  shows  the 

proportion of trials in which the CSP was present in each condition and the duration of 

the CSP in conditions in which TMS was administered at the 1‐mV resting intensity. CSP 

durations are only shown for this TMS condition as the CSP was present on too few trials 

(≤ 5.0%) to accurately estimate its duration in the 1‐mV active condition. CSP durations 

in the 1‐mV resting condition, in which the contralateral hand performed a relaxation 

response, were determined  from 32.8% of  trials  in which a CSP was present as EMG 

activity did not  re‐emerge on  the  remaining 67.2% of  trials. There was no significant 

relationship between the duration of the CSP and the timing of relaxation onsets in the 

hand contralateral to TMS for trials in which TMS was administered at the 1‐mV resting 

Page 84: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

74  Chapter 7     

intensity (r = ‐0.02, 95% CI = ‐0.37–0.34). Similarly, there was no significant relationship 

between CSP durations  in the hand contralateral to TMS and the timing of relaxation 

onsets for the ipsilateral hand for trials in which TMS was administered at this intensity 

(r = ‐0.03, 95% CI = ‐0.28–0.23). 

Fig. 13  Representative EMG  traces showing  the CSP  in  the right hand  in conditions  in which 

TMS was set  to produce a MEP of approximately 1 mV  in  the resting FDI muscle. CSPs were 

measured during sustained contraction, in the absence of any task (no response), or during the 

experimental  task, prior  to  the  relaxation of  the hand  ipsilateral or  contralateral  to TMS. The 

dotted vertical lines mark the time at which TMS was administered and the asterisks mark the 

return of sustained EMG activity. 

****************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************

****************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************

********************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************

−5.0

−2.5

0.0

2.5

5.0

−5.0

−2.5

0.0

2.5

5.0

−5.0

−2.5

0.0

2.5

5.0

No response

Ipsilateral response

Contralateral response

0 100 200 300

Time (ms)

EM

G a

ctiv

ity (m

V)

Page 85: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    Mechanisms of TMS‐induced changes in the timing of a motor response  75 

Table 8  Percentage of trials in which the CSP was present and the mean and standard deviation 

of the CSP duration, in milliseconds. CSPs were measured during sustained contraction, in the 

absence of any task (none), or during the experimental task, prior to the relaxation of the hand 

ipsilateral  or  contralateral  to TMS. The  intensity  of TMS was  adjusted  to produce  a MEP of 

approximately 1 mV in resting or active FDI in the 1‐mV resting and active conditions. 

  1‐mV active TMS  1‐mV resting TMS 

Responding hand  % CSP present  % CSP present  Mean (ms)  SD (ms) 

None  5.0  78  116  35 

Ipsilateral  4.9  89.2  94  31 

Contralateral  3.6  87.4  98  41 

Discussion 

The current study investigated the effect of TMS on the timing of contraction and 

relaxation responses in a timed‐response task that permits the advanced preparation of 

a motor response. TMS advanced the onset of a muscle contraction but did not advance 

the onset of a muscle relaxation. Force waveforms for contraction responses were similar 

across TMS and no‐TMS condition, showing again that TMS did not  just advance the 

onset of a contraction response by producing a transient rise in force, such as that which 

may be associated with the MEP, but advanced the execution of the entire contraction 

response  (Chapter  3–6).  This  finding  demonstrates  that  TMS  does  not  affect  the 

kinematics of a sustained (> 1 s) contraction, consistent with previous findings that TMS 

does  not  affect  the  rise  time,  duration,  force  or  precision  of  a  brief  pinch  response 

(Chapter 3–6). 

The  finding  that  TMS  advanced  contraction  but  not  relaxation  responses  is 

consistent  with  the  hypothesis  that  TMS  advances  the  onset  of  a  contraction  by 

facilitating  execution‐related  processes  (Alegre  et  al.,  2003;  Buccolieri  et  al.,  2004; 

Motawar et al., 2012; Suzuki et al., 2015), rather than by facilitating preparatory processes 

that are shared between contraction and relaxation. This finding is consistent with the 

expectation that responses would be prepared in advance the timed‐response task used 

in this thesis (Carlsen & MacKinnon, 2010; Hening, Favilla, et al., 1988; Steglich et al., 

1999),  thereby  limiting  the effects of  faster preparation on  the  timing of  the  response 

(Chapter 3). 

The  specificity  of  the  advancement  of  response  onsets  to  the  contraction 

condition provides  further evidence against  the role of  intersensory  facilitation  in  the 

Page 86: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

76  Chapter 7     

advancement  of  responses  in  this  task  since  the  hypothesized  mechanisms  of 

intersensory  facilitation,  including  multisensory  integration  (Diederich  &  Colonius, 

2008)  and  facilitated preparation  (Los & Van der Burg,  2013), would be  expected  to 

advance  response equally  in both contraction and  relaxation conditions. This  finding 

also excludes the advancement of responses through the effect of perceptual illusions, 

such as temporal integration, on the prediction of the pacing signal (Mates et al., 1994; 

Repp, 2004; Yabe et al., 1998), as  these  illusions would also be expected  to affect  the 

timing of both contraction and relaxation responses. 

TMS could have  facilitated  the execution of contraction  responses  through an 

increase in M1 excitability, which could result from the magnetic stimulation of M1 or 

the elicitation of a startle‐like response, and could differentially affect the execution of 

contraction and relaxation responses. A startle‐like response could be produced by the 

loud sound associated with TMS and, unlike other non‐specific effects of TMS, this effect 

has been associated with an increase in both M1 and subcortical excitability (Carlsen et 

al., 2004; Marinovic et al., 2014; Maslovat et al., 2014). A loud acoustic stimulus has only 

been  found  to  increase  M1  excitability  when  presented  at  a  high  state  of  motor 

preparedness  (Marinovic  et  al.,  2014),  similar  to  the  conditions  in which  TMS was 

presented  in  the  current  study,  whereas  this  stimulus  appears  to  suppress  M1 

excitability when presented at rest (Furubayashi et al., 2000; Ilic et al., 2011). The increase 

in M1 excitability following the presentation of a loud acoustic stimulus appears to be 

mediated  by  a  reduction  in  intracortical  inhibition  and  an  increase  in  intracortical 

facilitation (Marinovic et al., 2014). An  increase  in CME and reduction  in  intracortical 

inhibition has similarly been observed following the magnetic stimulation of M1 (Cash 

et al., 2010; Chin, Cash, & Thickbroom, 2012), which may indicate that M1 stimulation 

and loud acoustic stimuli advance contraction responses through a shared mechanism. 

This  increase  in  CME  and  reduction  in  intracortical  inhibition  could  facilitate  the 

execution of a contraction response by contributing  to  the rise  in M1 excitability  that 

precedes the execution of these responses (R. Chen & Hallett, 1999; R. Chen et al., 1998; 

Hoshiyama et al., 1996; C. Reynolds & Ashby, 1999; Ridding et al., 1995; Zoghi et al., 

2003).  These  changes  in CME  and  intracortical  inhibition would  not  be  expected  to 

advance the onset of a relaxation response, consistent with the present findings, as these 

responses require opposing changes in CME and intracortical inhibition (Begum et al., 

2005; Motawar et al., 2012; Suzuki et al., 2015). 

Page 87: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    Mechanisms of TMS‐induced changes in the timing of a motor response  77 

TMS  was  found  to  reduce  the  frequency  of  early  relaxation  onsets  in  the 

contralateral (right) hand, when delivered at the intensity which produced a 1 mV MEP 

in the resting FDI, without significantly delaying the mean or modal response onset time 

in this condition. TMS also did not affect the frequency of early relaxation onsets when 

delivered at the intensity which produced a 1 mV MEP in the active FDI. TMS appears 

to have delayed only  the  initial execution of a muscle  relaxation  in  the  resting 1‐mV 

condition,  rather  than  the  response  as  a  whole,  as  forces  converged  across  TMS 

conditions  later  in  the  response  (Fig.  12).  The  delay  in  the  execution  of  a muscle 

relaxation  can be  accounted  for by  the  transient  increase  in  force  that was observed 

following TMS, which could have resulted  from  the  large MEPs  that were elicited by 

TMS in this condition. This interpretation is consistent with the absence of any delay in 

early relaxation onsets in the contralateral hand in the active 1‐mV TMS condition or in 

the  ipsilateral hand  in either TMS condition, as MEPs were smaller or absent  in these 

conditions. As  the  delay  in  relaxation  onsets  is  confined  to  the  period  immediately 

following  TMS  and  can  be  attributed  to  the MEP,  it  appears  unlikely  to  reflect  the 

influence  of  sustained  changes  in  CME  following  TMS, which  are  hypothesized  to 

mediate the advancement of responses in the contraction condition. 

The finding that TMS did not delay mean response onset times in the relaxation 

condition does not support the hypothesis that TMS would delay relaxation responses 

by increasing CME, thereby counteracting a reduction in CME that is required for the 

response (Begum et al., 2005; Buccolieri et al., 2004; Motawar et al., 2012; Suzuki et al., 

2015; Yamanaka et al., 2002). However, recent research has found that the reduction in 

CME required for muscle relaxation is preceded by a transient increase in CME (Suzuki 

et  al.,  2015).  A  TMS‐induced  increase  in  CME  could  therefore  facilitate  processes 

associated with this early increase in CME, while impeding the subsequent reduction in 

CME, leading to the absence of any net change in the timing of the response. TMS might 

also increase CME in the contraction condition, without affecting CME in the relaxation 

condition, as a result of differences between the levels of CME in each condition at the 

time of TMS administration. This hypothesis is consistent with findings that the effects 

of TMS, and the associated loud acoustic stimulus, depend upon cortical activity at the 

time of stimulation (Ilic et al., 2011; Kühn, Sharott, Trottenberg, Kupsch, & Brown, 2004; 

Marinovic et al., 2014; Silvanto, Cattaneo, et al., 2008; Silvanto, Muggleton, et al., 2008). 

The  absence  of  a  delay  in mean  relaxation  onsets  cannot  be  accounted  for  by  the 

Page 88: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

78  Chapter 7     

activation  of  inhibitory  circuits  associated with  the CSP, which  could  counteract  an 

increase  in CME, as there was no significant relationship between CSP durations and 

response  times.  CSPs  were  also  observed  much  more  frequently  when  TMS  was 

delivered at a higher stimulus intensity (1‐mV resting condition), but relaxation onsets 

did not occur earlier in this condition, which further suggests that CSP‐related inhibition 

did not affect the timing of relaxation onsets. 

TMS was observed  to reduce  the  frequency of  responses occurring more  than 

100 ms after the target time in all TMS conditions and both response conditions. While 

late responses occurred less frequently following TMS in both contraction and relaxation 

conditions,  the  entire  distribution  of  responses  was  advanced  in  the  contraction 

condition, similar to previous findings in this thesis, whereas only late responses were 

advanced  in  the  relaxation  condition.  The  advancement  of  late  responses  could  be 

explained  by  the  warning  of  the  arrival  of  the  synchronization  signal  by  the 

administration of TMS at a consistent interval (250 ms) prior to this signal. Although the 

arrival of  the  synchronization  signal was  already warned by  the presentation of  the 

preceding three auditory tones, these tones were played at a long ISI (1000 ms), which is 

associated with greater variability in response onset times than the shorter ISI between 

TMS and the synchronization signal (Repp, 2005). Thus, the administration of TMS may 

have provided an additional warning signal which permits more accurate estimation of 

the arrival time of the synchronization signal, reducing the deviation of response onset 

times from the target response time. Although this effect could explain the reduction in 

the frequency of late responses, it cannot explain the advancement of early response by 

TMS, as this effect increased the deviation of the response onset from the target response 

time and is therefore not consistent with the use of a strategy for minimizing error in the 

timing  of  the  response.  This  conclusion  is  also  supported  by  the  finding  that  the 

advancement of early responses was unique to the contraction condition, whereas TMS 

would  have  provided  a  cue  to  the  timing  of  the  synchronization  signal  in  both 

contraction and relaxation conditions. 

In  conclusion,  the  present  findings  show  that  TMS  advanced  the  onset  of 

contraction but not relaxation responses in a timed‐response task. This finding suggests 

that the effect of TMS on response times are not mediated by the facilitation of motor 

preparation  or  the  facilitation  of  the  transfer  of  the prepared motor program  to  the 

output  structures. This  finding  is also  consistent with  the hypothesis  that  the  timed‐

Page 89: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    Mechanisms of TMS‐induced changes in the timing of a motor response  79 

response  tasks used  in  this study permits advanced preparation,  thereby  limiting  the 

effects of faster preparation on the timing of the response. The results are consistent with 

the hypothesis that TMS facilitates motor execution by increasing CME. 

Page 90: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment
Page 91: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

     

    81 

Chapter 8. 

General discussion 

The experiments in this thesis used TMS to measure and perturb the activity of 

the corticomotor system to investigate the role of M1 in the control of the timing of motor 

actions. This was investigated in a timed‐response task which required the synchronized 

execution of a pinch response with the last tone in a sequence of evenly spaced tones. 

TMS  was  found  to  advance  the  onset  of  pinch  responses,  both  ipsilateral  and 

contralateral  to TMS,  in  all  experiments  of  this  thesis. M1 TMS did  not disrupt  the 

integrity of the response in any experiment, indicating that M1 TMS does not disrupt the 

motor  plan  or  prematurely  terminate  an  ongoing  preparatory  process.  This  chapter 

briefly reviews the findings of this thesis, discusses the  implications of these findings 

with  reference  to previous RT  studies, and discusses potential mechanisms  for  these 

findings. 

Overview of research 

In Experiment 1 (Chapter 3), TMS was administered over a range of  intervals, 

from 350 ms to 150 ms prior to the target response onset time in a timed‐response task. 

This  experiment  served  two  purposes:  to  determine whether  previously  established 

effects of TMS on the timing of response onsets in RT tasks (Foltys et al., 2001; Hashimoto 

et al., 2004; Leocani et al., 2000; Pascual‐Leone, Valls‐Solé, et al., 1992; Sawaki et al., 1999; 

Soto et al., 2010) generalize to a timed‐response task, and to determine whether these 

effects  could  be  produced  by  the disruption  of  proactive  inhibition  by  TMS.  It was 

expected that TMS would advance responses more when delivered further before the 

expected onset of the response, consistent with the hypothesis that TMS would disrupt 

proactive  inhibition,  triggering  the  execution  of  the  response.  In  contrast  to  this 

hypothesis, TMS was found to advance responses by a constant amount over the entire 

200 ms range of  intervals examined. This finding  indicates that TMS does not disrupt 

proactive  inhibition as  this would be expected  to have resulted  in earlier responding 

when TMS was administered at earlier times. TMS was also found not to delay responses 

Page 92: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

82  Chapter 8     

at any interval in this experiment, even when delivered close to the expected onset of the 

response, in contrast to typical findings in RT tasks. 

In Experiment 2, TMS was found to advance responses more when administered 

over the  left M1 than administered over the right M1 (Chapter 4), consistent with the 

hypothesis that the left M1 makes a greater contribution to the control of the ipsilateral 

and contralateral limb than the right M1 (Haaland, 2006). The effects of left and right M1 

TMS  did  not  differ  between  the  performance  of  unimanual  and  bimanual  pinches, 

suggesting  that  each  hemisphere  makes  similar  contributions  to  the  control  of 

unimanual and bimanual actions (Chapter 4). CME was also found to be similar between 

the performance of bimanual pinches of unequal or equal magnitude, in contrast to the 

hypothesis  that  the  preparation  of  bimanual  forces  of  unequal  magnitude  involve 

interhemispheric interactions which suppress CME (Chapter 5). These findings suggest 

that interhemispheric interactions involved in the preparation of bimanual forces do not 

influence either the laterality of the control of the timing of these responses or changes 

in CME related to the control of these responses. 

Experiment  3  (Chapter  6)  investigated  the  specificity  of  the  advancement  of 

responses to M1 stimulation by comparing the effects of M1 and occipital TMS on the 

timing of pinch responses. M1 and occipital TMS were both found to advance responses 

to a similar extent, which may indicate that non‐specific mechanisms, such as a startle‐

like response, mediate the advancement of responses by TMS. However, occipital TMS 

was  also  found  to  increase  the  force  of  the  response  in  this  experiment, which may 

indicate that occipital TMS was an inappropriate control for non‐specific effects of M1 

TMS in the timed‐response task used in this thesis. 

Experiment 4 (Chapter 7) found that TMS advanced the onset of responses that 

required muscle contraction but did not affect the timing of responses which required 

the relaxation of a sustained contraction, for which equal motor preparation time was 

provided. This finding suggests that TMS does not facilitate preparatory processes that 

are shared between  these  responses, but  facilitates execution‐related processes which 

differ between the production of contraction and relaxation responses. These findings, 

and those of the thesis as a whole, are consistent with the hypothesis that TMS advances 

the onset of a contraction response by increasing M1 excitability, which could reduce the 

duration of processes required to execute the response. 

Page 93: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    General discussion  83 

Comparison of the effects of transcranial magnetic stimulation in 

timed‐response and reaction time tasks 

Advancement of responses following transcranial magnetic stimulation 

This  thesis  extends  previous  findings  demonstrating  that  TMS  can  advance 

responses when delivered early in the response latency of an RT task (Foltys et al., 2001; 

Leocani et al., 2000; Pascual‐Leone, Valls‐Solé, et al., 1992; Pascual‐Leone et al., 1994; 

Sawaki et al., 1999; Soto et al., 2010; Ziemann et al., 1997). Timed‐response tasks differ 

from  RT  tasks  in  that  they  require  the  timed‐execution  of  a  well‐prepared  motor 

response (Carlsen & MacKinnon, 2010; Heuer et al., 1998; Steglich et al., 1999), rather 

than the rapid execution of a response. However, both tasks require the execution of a 

discrete motor response, with a rapid onset, suggesting that these tasks share late motor 

processes. Thus, comparisons between findings from RT and timed‐response task may 

provide insight as to whether TMS affects motor processes that are shared or not shared 

between these tasks. 

In  this  thesis, TMS was  found  to advance responses by a similar amount  (20–

50 ms)  to  that which has been observed  in RT  tasks  (Hashimoto et al., 2004; Pascual‐

Leone, Valls‐Solé, et al., 1992; Pascual‐Leone et al., 1994; Sawaki et al., 1999; Soto et al., 

2010). TMS over M1 also did not disrupt the integrity of the response in any study of this 

thesis, similar to previous RT findings (Hashimoto et al., 2004; Pascual‐Leone, Valls‐Solé, 

et al., 1992; Sawaki et al., 1999). The amplitude, precision, duration and rise time of the 

pinch response did not significantly differ between TMS and no‐TMS conditions in all 

studies of  this  thesis. This  thesis extends previous RT  findings, which have  typically 

used simple finger abduction movements, by demonstrating that TMS does not disrupt 

the  integrity  of  a  precise  force  response.  The  similarity  of  these  findings  in  timed‐

response and RT tasks suggests that TMS affects processes that are shared between the 

performance of these tasks. 

A  few differences were observed between  the effects of TMS on  the  timing of 

responses  in  this  thesis and on  responses  in previous RT  studies. TMS was  found  to 

advance responses when administered over a wider range of TMS‐response  intervals 

(350–150 ms) than has been found in previous RT studies, particularly simple RT tasks 

(Hashimoto et al., 2004; Pascual‐Leone, Valls‐Solé, et al., 1992; Pascual‐Leone et al., 1994; 

Page 94: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

84  Chapter 8     

Sawaki et al., 1999; Soto et al., 2010). This difference can be attributed to the prolonged 

maintenance of a prepared response in a timed‐response task (Chapter 3). TMS was also 

found  to  similarly  advance  the  onset  of  ipsilateral  and  contralateral  response  in  the 

experiments  in  this  thesis, whereas  the majority of RT  studies have  found  that TMS 

advances  contralateral  responses more  than  ipsilateral  responses  (Foltys  et  al.,  2001; 

Hallett et al., 1991; Pascual‐Leone, Brasil‐Neto, et al., 1992; Sawaki et al., 1999). However, 

pervious RT studies, which used slightly suprathreshold TMS intensities, similar to that 

used in this thesis, have found that TMS similarly advances the onset of responses both 

ipsilateral and contralateral to TMS (Burle et al., 2002; Romaiguère et al., 1997). Studies 

which have manipulated the intensity of TMS have also found that the effects of TMS on 

the contralateral hand are stronger at lower stimulus intensities whereas the effects of 

TMS on the ipsilateral hand are stronger at higher stimulus intensities (Hashimoto et al., 

2004; Pascual‐Leone, Valls‐Solé, et al., 1992; Sawaki et al., 1999). Thus, differences in the 

effect of TMS on contralateral and ipsilateral responses between the experiments in this 

thesis and in previous RT experiments may be better attributed to differences in the TMS 

intensity used between these experiments, rather than differences in the effects of TMS 

between timed‐response and RT tasks. 

Overall, the findings of this thesis, in comparison with previous finding from RT 

tasks, suggest that TMS advances responses in timed‐response and RT tasks in similar 

ways. 

Delay in responses following transcranial magnetic stimulation 

TMS was not observed to delay responses in any study of the current thesis, even 

when delivered as late as 150 ms prior to the target response time, which corresponded 

to approximately 70 ms before the mean pinch onset time (Chapter 3). Instead, TMS was 

found to advance responses at this time. TMS also did not suppress responses over any 

interval  following TMS  in any experiment of  this  thesis.  In contrast, RT studies have 

consistently  found  that  TMS  delays  responses  when  delivered  within  120 ms  of 

movement onset, both when the subject is at rest and during active contraction (Burle et 

al., 2002; Day et al., 1989; Hashimoto et al., 2004; McMillan et al., 2004; Romaiguère et al., 

1997; Schluter et al., 1998, 1999; Ziemann et al., 1997). This difference between previous 

RT  findings and  those observed  in  in  the  current  thesis  could be due  to  the need  to 

maintain a well‐prepared response during the timed‐response task used in this thesis. 

Page 95: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    General discussion  85 

This requirement might reduce the activity of inhibitory circuits which mediate the delay 

in responses following TMS (Burle et al., 2002; Day et al., 1989; Ziemann et al., 1997), 

which would  otherwise mask  the  advancement  of  responses  that was  produced  by 

administering TMS at late intervals, preceding the response, in the current thesis. 

Specificity of effects of M1 stimulation 

The experiments in this thesis produced mixed findings concerning whether the 

advancement of  responses  following TMS  in a  timed‐response  task  is  specific  to  the 

stimulation of M1. The finding of Experiment 2 that left M1 advanced response onsets 

more than right M1 TMS indicates that the advancement of responses produced by TMS 

is at  least partially  specific  to  the magnetic  stimulation of  the  left M1. Experiment 3, 

however,  found no difference  between  the  effects  of  left M1  and  left  occipital TMS, 

which, at first glance, suggests that TMS advances responses through exclusively non‐

specific mechanisms. The  inconsistency between the  implications of the Experiment 2 

and  3  findings,  regarding  the  specificity  of  the  effects  of  TMS,  is  similar  to  the 

inconsistency between the findings of previous RT studies investigating the specificity 

of  the advancement of responses by TMS  to  the stimulation of M1  (Burle et al., 2002; 

Hashimoto et al., 2004; Pascual‐Leone et al., 1994; Sawaki et al., 1999; Terao et al., 1997). 

Differences  in  the  task  and  stimulation parameters used have  been  suggested  as  an 

explanation for differences between the findings of different RT studies (Hashimoto et 

al., 2004; Sawaki et al., 1999). However, differences  in  the methodologies used  in  the 

experiments in this thesis are unlikely to account for this difference in findings since the 

same  task and stimulation parameters were used  in both Experiment 2 and 3 of  this 

thesis. Experiment 2 and 3 required a  fingertip and  lateral pinch, respectively, which 

could influence the effects of TMS in each of these experiments. However, a previous RT 

study found that TMS similarly advanced arm flexion and thumb abduction responses, 

suggesting  that  the effects of TMS are not moderated by  the effector of  the  response 

(Pascual‐Leone, Valls‐Solé, et al., 1992). 

The findings that left M1 TMS advanced response more than right M1 TMS in 

Experiment  2, but produced  similar  advancement  to occipital TMS  in Experiment  3, 

could be explained by cortical‐stimulation mediated effects of  left occipital TMS  that 

exceed  the effects of right M1 TMS. Pinch  forces were  larger  following occipital TMS 

than M1 or no‐TMS in Experiment 3, which indicates that the magnetic stimulation of 

Page 96: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

86  Chapter 8     

the  occipital  cortex  affected  the  control  of  the  pinch  responses  in  this  experiment. 

Although the change in pinch amplitude was small, this finding indicates that occipital 

stimulation affected the control of the pinch response through the magnetic stimulation 

of  the  occipital  cortex,  rather  than  through  non‐specific  effects  such  as  the  sound 

associated with TMS stimulation. Thus, occipital TMS may not be an appropriate control 

for non‐specific effects of TMS  in the visuomotor task used  in the experiments of this 

thesis. 

A  final possibility  is  that TMS primarily advanced pinch onsets  through non‐

specific mechanisms that were stronger for left than right‐side presentations of the sound 

and tactile stimulation associated with TMS. While this could explain findings that left 

M1 and left occipital TMS produced stronger effects on the timing of the response than 

right M1  TMS,  non‐specific  effects  of  TMS  are  unlikely  to  be  stronger  for  left‐side 

stimulus presentations. As the sound produced by TMS would have reached both ears, 

albeit at different intensities, differences in the non‐specific effects related to the side of 

TMS presentation are  likely  to be  limited  to  those  that depend on stimulus  intensity, 

such as those related to a startle response (Blumenthal, 1988). However, a loud acoustic 

stimulus has typically been found to produce stronger startle effects when presented to 

the right, rather than left, side (Bradley, Cuthbert, & Lang, 1996; Grillon & Davis, 1995). 

A  loud  acoustic  stimulus  has  also  been  found  to  similarly  advance  responses when 

presented  to  either  side  (Nijhuis  et  al.,  2007)  or  to  advance  responses more when 

presented to the right, rather than the left, side (Maslovat, Carlsen, et al., 2012). These 

findings  suggest  that  the  greater  advancement  of  responses  following  left  side TMS 

cannot be accounted for by lateralized differences in non‐specific effects. 

In  summary, non‐specific  effects  cannot  be  excluded  as  a mechanism  for  the 

effects of TMS observed in this thesis. However, the finding that left M1 TMS advanced 

responses more than right M1 TMS suggests that at least some of effects are mediated 

by the magnetic stimulation of M1. Differences between the findings of Experiment 2 

and 3 could  reflect cortical‐stimulation‐mediated effects of both  left M1 and occipital 

TMS on the timing of the pinch response. Future research, using alternative methods of 

controlling for non‐specific effects of TMS, may be useful in clarifying the role of non‐

specific effects  in  the advancement of responses produced by TMS  in  timed‐response 

tasks. 

Page 97: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    General discussion  87 

Mechanisms of non‐specific effects 

Non‐specific effects of TMS could include intersensory facilitation and the effects 

of a startle‐like response. Non‐specific effects of TMS have been primarily attributed to 

intersensory facilitation in studies using RT tasks (Burle et al., 2002; Romaiguère et al., 

1997; Terao et al., 1997). However, intersensory facilitation is unlikely to contribute to 

the advancement of responses observed in this thesis, as the timed‐response task used 

in the experiments in this thesis does not require rapid responses to an imperative signal. 

The closest analogues  to an  imperative signal  in  the  timed‐response  task used  in  this 

thesis  are  the  final  synchronization  tone  and  the  force  targets. However,  responses 

typically occurred before the onset of the synchronization tone in each experiment and 

TMS  therefore  could  not  have  facilitated  response  to  this  signal.  TMS  was  also 

administered well after the presentation of the force targets in each study, at which the 

effects of  intersensory  facilitation are  likely  to be absent  (Diederich & Colonius, 2008; 

Nickerson, 1973). Furthermore,  the advancement of responses produced by TMS was 

found  to  be  specific  to  muscle  contraction  responses,  whereas  muscle  relaxation 

responses would be expected to be similarly advanced by intersensory facilitation. Thus, 

the advancement of responses produced by TMS in this thesis cannot be accounted for 

by the effects of intersensory facilitation. 

The sound produced by TMS could also alter the timing of responses in a timed‐

response  task by distorting  temporal  judgments  concerning  the  timing of  the pacing 

stimuli. However, this mechanism is unlikely to account for the effects of TMS observed 

in this thesis. Certain illusions, such as the filled duration illusion would be expected to 

delay, rather than advance, responses following TMS (Repp, 2008; Repp & Bruttomesso, 

2009; Wohlschläger & Koch, 2000) whereas others, such as temporal integration, have a 

narrow window of effect and would not be expected to affect responses at the intervals 

over which TMS was administered in the experiments in this thesis (Repp, 2004, 2008). 

As these illusions are dependent on the timing of stimulus presentation, the role of these 

illusions  in  the  findings of  this  thesis  is  also  inconsistent with  the  finding  that TMS 

advanced responses by a similar amount across a wide range of TMS‐response latencies 

(Chapter 3). Further evidence against the role of these  illusions  in the findings of this 

thesis  is  also  demonstrated  by  the  finding  that  TMS  advanced  contraction  but  not 

relaxation responses (Chapter 7), as perceptual illusions would be expected to similarly 

Page 98: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

88  Chapter 8     

influence  the  timing  of  different  motor  responses.  This  finding  also  excludes  the 

contribution  of  any  other  non‐specific mechanisms  that  primarily  act  on  perceptual 

processes and would be expected  to similarly  influence  the  timing of different motor 

responses. 

Non‐specific effects of TMS could be accounted  for by a startle‐like effect  that 

may be produced by a  loud acoustic stimulus, such as that associated with TMS. The 

sound produced by TMS exceeds previously reported thresholds for eliciting a startle 

response, although the  intensity of the sound produced by TMS  is below the optimal 

intensity for eliciting an overt startle response (Blumenthal et al., 2005; Counter & Borg, 

1992; Gilbert et al., 2004; Hoffman & Ison, 1980; Nikouline et al., 1999). A loud acoustic 

stimulus  has  previously  been  shown  to  advance  responses  in  both  RT  and  timed‐

response  tasks  (Carlsen  &  MacKinnon,  2010;  Valls‐Solé  et  al.,  2005,  1999).  This 

mechanism  could  therefore  account  for  non‐specific  effects  of  TMS  in  both  the 

experiments of this thesis and in previous RT research. A loud acoustic stimulus appears 

to advance responses by increasing cortical and subcortical excitability (Carlsen et al., 

2004; Marinovic et al., 2014; Maslovat et al., 2014; Valls‐Solé, Hallett, Phillip, Schomer, & 

Massey, 2004), which is consistent with the finding that TMS only advanced the onset of 

contraction responses which require an increase in motor excitability, but not relaxation 

responses which  involve opposing changes  in motor excitability  (Chapter 7). As M1‐

stimulation could also produce changes in motor excitability, startle‐mediated and M1‐

specific  effects  of  TMS  might  advance  response  through  similar  mechanisms.  The 

similarity of these effects may have contributed to difficulty in distinguishing specific 

and non‐specific effects of TMS, both in this thesis and in previous RT studies. 

Mechanisms of M1‐specific effects 

M1‐specific effects of TMS, resulting from the magnetic stimulation of neurons 

in M1, could be mediated by the facilitation of processes required for the preparation or 

execution of the motor response. Specific effects in previous RT studies have primarily 

been attributed to the facilitation of late preparatory processes, particularly the transfer 

of the motor program from premotor areas to the output circuitry in M1 (Pascual‐Leone, 

Valls‐Solé, et al., 1992; Sawaki et al., 1999). In an RT task, TMS has been found to produce 

the largest advancement of responses when administered slightly before the onset of the 

lateralized movement  related  potential  and  increases  in  CME,  associated  with  the 

Page 99: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    General discussion  89 

execution of the response (Sawaki et al., 1999). These findings were cited in support of 

the  hypothesis  that  TMS  facilitates  the  transfer  of  the motor  program  as  this  time 

corresponds  to  that  at which  the  transfer  of  the motor program  is  thought  to  occur 

(Sawaki et al., 1999). However, TMS was found to advance responses across a range of 

intervals, over which a large increase in CME was observed, in the timed‐response task 

used in this thesis (Chapter 3). This finding could indicate that the time at which TMS 

produces  its maximal effects  in RT  tasks depends upon  the coincidence of TMS with 

other motor processes (Sawaki et al., 1999), or that different mechanisms mediate these 

effects in timed‐response and RT tasks. 

Reduced motor  preparation  time  is  unlikely  to  explain  the  advancement  of 

responses by TMS in a timed‐response task. Timed‐response tasks permit the advanced 

preparation of a motor response  (Carlsen & MacKinnon, 2010; Hening, Favilla, et al., 

1988; Steglich et al., 1999) and ample (≥600 ms) time was provided for motor preparation 

in all experiments of this thesis. As the prepared motor response must be withheld until 

the required response time, it appears unlikely that further advancing the completion of 

motor  preparation  would  advance  the  onset  of  the  response.  It  therefore  appears 

unlikely that TMS advanced the onset of responses in the experiments in this thesis by 

reducing the time required for motor preparation. Furthermore, Experiment 4 showed 

that TMS advanced the onset of a contraction response but not a relaxation response, 

which similarly requires motor preparation (Alegre et al., 2003; Pope et al., 2007; Suzuki 

et  al.,  2015;  Terada  et  al.,  1995,  1999;  Toma  et  al.,  1999,  2000;  Yazawa  et  al.,  1998), 

indicating that TMS did not facilitate preparatory processes that shared between these 

responses. 

The advancement of  responses observed  in  this  thesis may be explained by a 

reduction in the duration of the processes required to execute a motor response. TMS 

could increase M1 or subcortical excitability, which would contribute to the increase in 

M1 excitability required to execute the response (R. Chen & Hallett, 1999; R. Chen et al., 

1998; Evarts, 1966; Hoshiyama et al., 1996), as outlined previously  in  this  thesis. This 

mechanism could also explain the advancement of responses produced by TMS in an RT 

task  (Molinuevo  et  al.,  2000;  Pascual‐Leone  et  al.,  1994).  This  hypothesis  that  TMS 

facilitates the execution of a response through an increase in M1 excitability is consistent 

with  the  observation  that  TMS  advanced  contraction  responses,  which  require  an 

increase in CME (R. Chen & Hallett, 1999; R. Chen et al., 1998; Evarts, 1966; Hoshiyama 

Page 100: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

90  Chapter 8     

et al., 1996; Leocani et al., 2000; Pascual‐Leone, Valls‐Solé, et al., 1992), but not relaxation 

responses, which require a decrease in CME (Begum et al., 2005; Buccolieri et al., 2004; 

Motawar et al., 2012; Yamanaka et al., 2002). 

Left and right M1 TMS were found to advance both ipsilateral and contralateral 

pinches in all experiments of this thesis. These findings indicate that M1 contributes to 

the initiation of both ipsilateral and contralateral motor responses. The effect of TMS on 

ipsilateral responses may be mediated by interhemispheric cortico‐cortical connections, 

which have previously been implicated in the control of motor actions by the ipsilateral 

cortex,  including  the  initiation of motor  responses  (Carson, 2005; Duque  et al., 2007; 

Kobayashi  et  al.,  2003; Murase, Duque, Mazzocchio, & Cohen,  2004; Tazoe & Perez, 

2013).  The  finding  that  left M1  TMS  advanced  responses more  than  right M1  TMS 

suggests  that  the  left M1  exerts  greater  control  over  the  initiation  of motor  actions, 

consistent with  findings  indicating  that  the  left M1  contributes more  strongly  to  the 

control of ipsilateral and contralateral motor actions than right M1 (Callaert et al., 2011; 

Haaland, 2006; Haaland et al., 2000; Koeneke et al., 2004; Serrien et al., 2006; Swinnen et 

al., 2010; Wyke, 1968, 1971). 

Conclusions 

The experiments in this thesis have demonstrated that M1 TMS can advance the 

onset of responses in a timed‐response task. The findings of this thesis suggest that TMS 

advances responses by increasing M1 excitability, thereby abbreviating a period of rising 

M1 excitability that precedes the execution of a response. The results also suggest that 

M1 can make small modifications to the timing of a motor response by altering the time 

taken to execute the prepared motor plan. Overall, the results of this thesis demonstrate 

the importance of neural processes separable from the motor plan in cued sensorimotor 

tasks. 

Page 101: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

     

    91 

References 

Abel, K., Waikar, M., Pedro, B., Hemsley, D., & Geyer, M. (1998). Repeated testing of 

prepulse inhibition and habituation of the startle reflex: a study in healthy 

human controls. Journal of Psychopharmacology, 12(4), 330–337. 

http://doi.org/10.1177/026988119801200402 

Abrahamyan, A., Clifford, C. W. G., Arabzadeh, E., & Harris, J. A. (2011). Improving 

visual sensitivity with subthreshold transcranial magnetic stimulation. The 

Journal of Neuroscience, 31(9), 3290–3294. 

http://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.6256‐10.2011 

Adams, R. D. (1977). Intervening stimulus effects on category judgments of duration. 

Perception & Psychophysics, 21(6), 527–534. http://doi.org/10.3758/BF03198733 

Alegre, M., Labarga, A., Gurtubay, I., Iriarte, J., Malanda, A., & Artieda, J. (2003). 

Movement‐related changes in cortical oscillatory activity in ballistic, sustained 

and negative movements. Experimental Brain Research, 148(1), 17–25. 

http://doi.org/10.1007/s00221‐002‐1255‐x 

Amassian, V. E., Cracco, R. Q., Maccabee, P. J., Cracco, J. B., Rudell, A., & Eberle, L. 

(1989). Suppression of visual perception by magnetic coil stimulation of human 

occipital cortex. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology/Evoked 

Potentials Section, 74(6), 458–462. http://doi.org/10.1016/0168‐5597(89)90036‐1 

Arana, A. B., Borckardt, J. J., Ricci, R., Anderson, B., Li, X., Linder, K. J., … George, M. 

S. (2008). Focal electrical stimulation as a sham control for rTMS: Does it truly 

mimic the cutaneous sensation and pain of active prefrontal rTMS? Brain 

Stimulation, 1(1), 44–51. http://doi.org/10.1016/j.brs.2007.08.006 

Bawa, P., Hamm, J. D., Dhillon, P., & Gross, P. A. (2004). Bilateral responses of upper 

limb muscles to transcranial magnetic stimulation in human subjects. 

Experimental Brain Research, 158(3), 385–390. http://doi.org/10.1007/s00221‐004‐

2031‐x 

Beckers, G., & Hömberg, V. (1991). Impairment of visual perception and visual short 

term memory scanning by transcranial magnetic stimulation of occipital cortex. 

Experimental Brain Research, 87(2), 421–432. http://doi.org/10.1007/BF00231859 

Page 102: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

 92   References     

Begum, T., Mima, T., Oga, T., Hara, H., Satow, T., Ikeda, A., … Shibasaki, H. (2005). 

Cortical mechanisms of unilateral voluntary motor inhibition in humans. 

Neuroscience Research, 53(4), 428–435. http://doi.org/10.1016/j.neures.2005.09.002 

Blumenthal, T. D. (1988). The startle response to acoustic stimuli near startle threshold: 

Effects of stimulus rise and fall time, duration, and intensity. Psychophysiology, 

25(5), 607–611. http://doi.org/10.1111/j.1469‐8986.1988.tb01897.x 

Blumenthal, T. D., Cuthbert, B. N., Filion, D. L., Hackley, S., Lipp, O. V., & Van Boxtel, 

A. (2005). Committee report: Guidelines for human startle eyeblink 

electromyographic studies. Psychophysiology, 42(1), 1–15. 

http://doi.org/10.1111/j.1469‐8986.2005.00271.x 

Blumenthal, T. D., & Goode, C. T. (1991). The Startle Eyeblink Response to Low 

Intensity Acoustic Stimuli. Psychophysiology, 28(3), 296–306. 

http://doi.org/10.1111/j.1469‐8986.1991.tb02198.x 

Blumenthal, T. D., & Keith Berg, W. (1986). Stimulus rise time, intensity, and 

bandwidth effects on acoustic startle amplitude and probability. 

Psychophysiology, 23(6), 635–641. http://doi.org/10.1111/j.1469‐

8986.1986.tb00682.x 

Bohning, D. E., Shastri, A., Wassermann, E. M., Ziemann, U., Lorberbaum, J. P., Nahas, 

Z., … George, M. S. (2000). BOLD‐f MRI response to single‐pulse transcranial 

magnetic stimulation (TMS). Journal of Magnetic Resonance Imaging, 11(6), 569–

574. http://doi.org/10.1002/1522‐2586(200006)11:6<569::AID‐JMRI1>3.0.CO;2‐3 

Botev, Z. I., Grotowski, J. F., & Kroese, D. P. (2010). Kernel density estimation via 

diffusion. The Annals of Statistics, 38(5), 2916–2957. http://doi.org/10.1214/10‐

AOS799 

Boulinguez, P., Ballanger, B., Granjon, L., & Benraiss, A. (2009). The paradoxical effect 

of warning on reaction time: Demonstrating proactive response inhibition with 

event‐related potentials. Clinical Neurophysiology, 120(4), 730–737. 

http://doi.org/10.1016/j.clinph.2009.02.167 

Boulinguez, P., Jaffard, M., Granjon, L., & Benraiss, A. (2008). Warning signals induce 

automatic EMG activations and proactive volitional inhibition: Evidence from 

analysis of error distribution in simple RT. Journal of Neurophysiology, 99(3), 

1572–1578. http://doi.org/10.1152/jn.01198.2007 

Page 103: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    References  93 

Bradley, M. M., Cuthbert, B. N., & Lang, P. J. (1996). Lateralized startle probes in the 

study of emotion. Psychophysiology, 33(2), 156–161. http://doi.org/10.1111/j.1469‐

8986.1996.tb02119.x 

Brasil‐Neto, J. P., Pascual‐Leone, A., Valls‐Solé, J., Cohen, L. G., & Hallett, M. (1992). 

Focal transcranial magnetic stimulation and response bias in a forced‐choice 

task. Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry, 55(10), 964–966. 

http://doi.org/10.1136/jnnp.55.10.964 

Brinkman, J., & Kuypers, H. (1973). Cerebral control of contralateral and ipsilateral 

arm, hand and finger movements in the split‐brain rhesus monkey. Brain, 96, 

653. 

Brown, P., Rothwell, J. C., Thompson, P. D., Britton, T. C., Day, B. L., & Marsden, C. D. 

(1991). New observations on the normal auditory startle reflex in man. Brain, 

114(4), 1891–1902. http://doi.org/10.1093/brain/114.4.1891 

Buccolieri, A., Abbruzzese, G., & Rothwell, J. C. (2004). Relaxation from a voluntary 

contraction is preceded by increased excitability of motor cortical inhibitory 

circuits. The Journal of Physiology, 558(2), 685–695. 

http://doi.org/10.1113/jphysiol.2004.064774 

Buffardi, L. (1971). Factors affecting the filled‐duration illusion in the auditory, tactual, 

and visual modalities. Perception & Psychophysics, 10(4), 292–294. 

http://doi.org/10.3758/BF03212828 

Burle, B., Bonnet, M., Vidal, F., Possamaï, C.‐A., & Hasbroucq, T. (2002). A transcranial 

magnetic stimulation study of information processing in the motor cortex: 

Relationship between the silent period and the reaction time delay. 

Psychophysiology, 39(2), 207–217. http://doi.org/10.1111/1469‐8986.3920207 

Busan, P., Monti, F., Semenic, M., Pizzolato, G., & Battaglini, P. P. (2009). Parieto‐

occipital cortex and planning of reaching movements: A transcranial magnetic 

stimulation study. Behavioural Brain Research, 201(1), 112–119. 

http://doi.org/10.1016/j.bbr.2009.01.040 

Byblow, W. D., Carson, R. G., & Goodman, D. (1994). Expressions of asymmetries and 

anchoring in bimanual coordination. Human Movement Science, 13(1), 3–28. 

http://doi.org/10.1016/0167‐9457(94)90027‐2 

Callaert, D. V., Vercauteren, K., Peeters, R., Tam, F., Graham, S., Swinnen, S. P., … 

Wenderoth, N. (2011). Hemispheric asymmetries of motor versus nonmotor 

Page 104: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

 94   References     

processes during (visuo)motor control. Human Brain Mapping, 32(8), 1311–1329. 

http://doi.org/10.1002/hbm.21110 

Cardoso de Oliveira, S. (2002). The neuronal basis of bimanual coordination: recent 

neurophysiological evidence and functional models. Acta Psychologica, 110, 139–

159. http://doi.org/10.1016/S0001‐6918(02)00031‐8 

Carlsen, A. N., Chua, R., Inglis, J. T., Sanderson, D. J., & Franks, I. M. (2003). Startle 

response is dishabituated during a reaction time task. Experimental Brain 

Research, 152(4), 510–518. http://doi.org/10.1007/s00221‐003‐1575‐5 

Carlsen, A. N., Chua, R., Inglis, J. T., Sanderson, D. J., & Franks, I. M. (2004). Can 

prepared responses be stored subcortically? Experimental Brain Research, 159(3), 

301–309. http://doi.org/10.1007/s00221‐004‐1924‐z 

Carlsen, A. N., & MacKinnon, C. D. (2010). Motor preparation is modulated by the 

resolution of the response timing information. Brain Research, 1322, 38–49. 

http://doi.org/10.1016/j.brainres.2010.01.076 

Carlsen, A. N., Maslovat, D., Lam, M. Y., Chua, R., & Franks, I. M. (2011). 

Considerations for the use of a startling acoustic stimulus in studies of motor 

preparation in humans. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 35(3), 366–376. 

http://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2010.04.009 

Carson, R. G. (1990). The dynamics of isometric bimanual coordination. Experimental 

Brain Research, 105(3), 465–476. http://doi.org/10.1007/BF00233046 

Carson, R. G. (2005). Neural pathways mediating bilateral interactions between the 

upper limbs. Brain Research Reviews, 49, 641–662. 

http://doi.org/10.1016/j.brainresrev.2005.03.005 

Carson, R. G., Riek, S., Mackey, D. C., Meichenbaum, D. P., Willms, K., Forner, M., & 

Byblow, W. D. (2004). Excitability changes in human forearm corticospinal 

projections and spinal reflex pathways during rhythmic voluntary movement 

of the opposite limb. The Journal of Physiology, 560(3), 929–940. 

http://doi.org/10.1113/jphysiol.2004.069088 

Cash, R. F. H., Ziemann, U., Murray, K., & Thickbroom, G. W. (2010). Late cortical 

disinhibition in human motor cortex: A triple‐pulse transcranial magnetic 

stimulation study. Journal of Neurophysiology, 103(1), 511–518. 

http://doi.org/10.1152/jn.00782.2009 

Page 105: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    References  95 

Castellote, J. M., Van den Berg, M. E. L., & Valls‐Solé, J. (2013). The StartReact effect on 

self‐initiated movements. BioMed Research International, 2013. 

http://doi.org/10.1155/2013/471792 

Cheng, D. T., Luis, M., & Tremblay, L. (2008). Randomizing visual feedback in manual 

aiming: reminiscence of the previous trial condition and prior knowledge of 

feedback availability. Experimental Brain Research, 189(4), 403–410. 

http://doi.org/10.1007/s00221‐008‐1436‐3 

Chen, J.‐T., Lin, Y.‐Y., Shan, D.‐E., Wu, Z.‐A., Hallett, M., & Liao, K.‐K. (2005). Effect of 

transcranial magnetic stimulation on bimanual movements. Journal of 

Neurophysiology, 93, 53–63. http://doi.org/10.1152/jn.01063.2003 

Chen, R., Gerloff, C., Hallett, M., & Cohen, L. G. (1997). Involvement of the ipsilateral 

motor cortex in finger movements of different complexities. Annals of Neurology, 

41, 247–254. http://doi.org/10.1002/ana.410410216 

Chen, R., & Hallett, M. (1999). The time course of changes in motor cortex excitability 

associated with voluntary movement. The Canadian Journal of Neurological 

Sciences, 26(3), 163–169. 

Chen, R., Yaseen, Z., Cohen, L. G., & Hallett, M. (1998). Time course of corticospinal 

excitability in reaction time and self‐paced movements. Annals of Neurology, 

44(3), 317–325. http://doi.org/10.1002/ana.410440306 

Chin, O., Cash, R. F. H., & Thickbroom, G. W. (2012). Electromyographic bursting 

following the cortical silent period induced by transcranial magnetic 

stimulation. Brain Research, 1446, 40–45. 

http://doi.org/10.1016/j.brainres.2012.01.041 

Chouinard, P. A., & Paus, T. (2010). What have we learned from ‘perturbing’ the 

human cortical motor system with transcranial magnetic stimulation? Frontiers 

in Human Neuroscience, 4, 173. http://doi.org/10.3389/fnhum.2010.00173. 

Claffey, M. P., Sheldon, S., Stinear, C. M., Verbruggen, F., & Aron, A. R. (2010). Having 

a goal to stop action is associated with advance control of specific motor 

representations. Neuropsychologia, 48(2), 541–548. 

http://doi.org/10.1016/j.neuropsychologia.2009.10.015 

Corcos, D. M. (1984). Two‐handed movement control. Research Quarterly for Exercise and 

Sport, 55(2), 117–122. http://doi.org/10.1080/02701367.1984.10608386 

Page 106: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

 96   References     

Corthout, E., Uttl, B., Walsh, V., Hallett, M., & Cowey, A. (1999). Timing of activity in 

early visual cortex as revealed by transcranial magnetic stimulation. Neuroreport 

August 20, 1999, 10(12), 2631–2634. 

Counter, S. A., & Borg, E. (1992). Analysis of the coil generated impulse noise in 

extracranial magnetic stimulation. Electroencephalography and Clinical 

Neurophysiology/Evoked Potentials Section, 85(4), 280–288. 

http://doi.org/10.1016/0168‐5597(92)90117‐T 

Craig, J. C. (1973). A constant error in the perception of brief temporal intervals. 

Perception & Psychophysics, 13(1), 99–104. http://doi.org/10.3758/BF03207241 

Criaud, M., Wardak, C., Ballanger, B., & Boulinguez, P. (2012). Proactive inhibitory 

control of response as the default state of executive control. Frontiers in 

Cognitive Science, 3, 59. http://doi.org/10.3389/fpsyg.2012.00059 

Dafotakis, M., Grefkes, C., Wang, L., Fink, G., & Nowak, D. (2008). The effects of 1 Hz 

rTMS over the hand area of M1 on movement kinematics of the ipsilateral 

hand. Journal of Neural Transmission, 115, 1269. 

Davare, M., Duque, J., Vandermeeren, Y., Thonnard, J. L., & Olivier, E. (2007). Role of 

the ipsilateral primary motor cortex in controlling the timing of hand muscle 

recruitment. Cerebral Cortex, 17, 353–362. 

Davey, N. J., Romaiguère, P., Maskill, D. W., & Ellaway, P. H. (1994). Suppression of 

voluntary motor activity revealed using transcranial magnetic stimulation of 

the motor cortex in man. The Journal of Physiology, 477(2), 223–235. 

http://doi.org/10.1113/jphysiol.1994.sp020186 

Davidoff, R. A. (1990). The pyramidal tract. Neurology, 40(2), 332–339. 

http://doi.org/10.1212/WNL.40.2.332 

Davis, M., & Heninger, G. R. (1972). Comparison of response plasticity between the 

eyeblink and vertex potential in humans. Electroencephalography and Clinical 

Neurophysiology, 33(3), 283–293. http://doi.org/10.1016/0013‐4694(72)90155‐1 

Davis, N. J., Gold, E., Pascual‐Leone, A., & Bracewell, R. M. (2013). Challenges of 

proper placebo control for non‐invasive brain stimulation in clinical and 

experimental applications. European Journal of Neuroscience, 38(7), 2973–2977. 

http://doi.org/10.1111/ejn.12307 

Day, B. L., Rothwell, J. C., Thompson, P. D., Noordhout, A. M. D., Nakashima, K., 

Shannon, K., & Marsden, C. D. (1989). Delay in the execution of voluntary 

Page 107: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    References  97 

movement by electrical or magnetic brain stimulation in intact man evidence 

for the storage of motor programs in the brain. Brain, 112(3), 649–663. 

http://doi.org/10.1093/brain/112.3.649 

De Gennaro, L., Cristiani, R., Bertini, M., Curcio, G., Ferrara, M., Fratello, F., … Rossini, 

P. M. (2004). Handedness is mainly associated with an asymmetry of 

corticospinal excitability and not of transcallosal inhibition. Clinical 

Neurophysiology, 115(6), 1305–1312. http://doi.org/10.1016/j.clinph.2004.01.014 

de Graaf, T. A., Cornelsen, S., Jacobs, C., & Sack, A. T. (2011). TMS effects on subjective 

and objective measures of vision: Stimulation intensity and pre‐ versus post‐

stimulus masking. Consciousness and Cognition, 20(4), 1244–1255. 

http://doi.org/10.1016/j.concog.2011.04.012 

Delval, A., Dujardin, K., Tard, C., Devanne, H., Willart, S., Bourriez, J.‐L., … Defebvre, 

L. (2012). Anticipatory postural adjustments during step initiation: Elicitation 

by auditory stimulation of differing intensities. Neuroscience, 219, 166–174. 

http://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2012.05.032 

Diederich, A., & Colonius, H. (2008). Crossmodal interaction in saccadic reaction time: 

separating multisensory from warning effects in the time window of integration 

model. Experimental Brain Research, 186(1), 1–22. http://doi.org/10.1007/s00221‐

007‐1197‐4 

Diedrichsen, J., Hazeltine, E., Nurss, W. K., & Ivry, R. B. (2003). The role of the corpus 

callosum in the coupling of bimanual isometric force pulses. Journal of 

Neurophysiology, 90, 2409–2418. http://doi.org/10.1152/jn.00250.2003 

Duque, J., & Ivry, R. B. (2009). Role of corticospinal suppression during motor 

preparation. Cerebral Cortex, 19(9), 2013–2024. 

http://doi.org/10.1093/cercor/bhn230 

Duque, J., Labruna, L., Verset, S., Olivier, E., & Ivry, R. B. (2012). Dissociating the role 

of prefrontal and premotor cortices in controlling inhibitory mechanisms 

during motor preparation. The Journal of Neuroscience, 32(3), 806–816. 

http://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.4299‐12.2012 

Duque, J., Lew, D., Mazzocchio, R., Olivier, E., & Ivry, R. B. (2010). Evidence for two 

concurrent inhibitory mechanisms during response preparation. The Journal of 

Neuroscience, 30(10), 3793–3802. http://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.5722‐09.2010 

Page 108: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

 98   References     

Duque, J., Mazzocchio, R., Dambrosia, J., Murase, N., Olivier, E., & Cohen, L. G. (2005). 

Kinematically specific interhemispheric inhibition operating in the process of 

generation of a voluntary movement. Cerebral Cortex, 15, 588–593. 

http://doi.org/10.1093/cercor/bhh160 

Duque, J., Murase, N., Celnik, P., Hummel, F., Harris‐Love, M., Mazzocchio, R., … 

Cohen, L. G. (2007). Intermanual differences in movement‐related 

interhemispheric inhibition. Journal of Cognitive Neuroscience, 19, 204–213. 

http://doi.org/10.1162/jocn.2007.19.2.204 

Eliassen, J. C., Baynes, K., & Gazzaniga, M. S. (1999). Direction information coordinated 

via the posterior third of the corpus callosum during bimanual movements. 

Experimental Brain Research, 128, 573–577. http://doi.org/10.1007/s002210050884 

Eliassen, J. C., Baynes, K., & Gazzaniga, M. S. (2000). Anterior and posterior callosal 

contributions to simultaneous bimanual movements of the hands and fingers. 

Brain, 123, 2501–2511. http://doi.org/10.1093/brain/123.12.2501 

Elliott, D., & Allard, F. (1985). The utilization of visual feedback information during 

rapid pointing movements. The Quarterly Journal of Experimental Psychology 

Section A, 37(3), 407–425. http://doi.org/10.1080/14640748508400942 

Evarts, E. V. (1966). Pyramidal tract activity associated with a conditioned hand 

movement in the monkey. J Neurophysiol, 29(6), 1011–1027. 

Ferbert, A., Priori, A., Rothwell, J. C., Day, B. L., Colebatch, J. G., & Marsden, C. D. 

(1992). Interhemispheric inhibition of the human motor cortex. The Journal of 

Physiology, 453(1), 525–546. 

Fling, B. W., & Seidler, R. D. (2012). Task‐dependent effects of interhemispheric 

inhibition on motor control. Behavioural Brain Research, 226(1), 211–217. 

http://doi.org/10.1016/j.bbr.2011.09.018 

Foltys, H., Sparing, R., Boroojerdi, B., Krings, T., Meister, I. G., Mottaghy, F. M., & 

Töpper, R. (2001). Motor control in simple bimanual movements: a transcranial 

magnetic stimulation and reaction time study. Clinical Neurophysiology, 112(2), 

265–274. http://doi.org/10.1016/S1388‐2457(00)00539‐3 

Fowler, B., Duck, T., Mosher, M., & Mathieson, B. (1991). The coordination of bimanual 

aiming movements: Evidence for progressive desynchronization. The Quarterly 

Journal of Experimental Psychology Section A, 43(2), 205–221. 

http://doi.org/10.1080/14640749108400967 

Page 109: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    References  99 

Franks, I. M., Nagelkerke, P., Ketelaars, M., & Van Donkelaar, P. (1998). Response 

preparation and control of movement sequences. Canadian Journal of 

Experimental Psychology/Revue Canadienne de Psychologie Expérimentale, 52(2), 93–

102. http://doi.org/10.1037/h0087284 

Franz, E. A. (1997). Spatial coupling in the coordination of complex actions. The 

Quarterly Journal of Experimental Psychology Section A, 50(3), 684–704. 

http://doi.org/10.1080/713755726 

Franz, E. A., Eliassen, J. C., Ivry, R. B., & Gazzaniga, M. S. (1996). Dissociation of spatial 

and temporal coupling in the bimanual movements of callosotomy patients. 

Psychological Science, 7, 306–310. http://doi.org/10.1111/j.1467‐

9280.1996.tb00379.x 

Franz, E. A., Zelaznik, H. N., & McCabe, G. (1991). Spatial topological constraints in a 

bimanual task. Acta Psychologica, 77(2), 137–151. http://doi.org/10.1016/0001‐

6918(91)90028‐X 

Fuggetta, G., Fiaschi, A., & Manganotti, P. (2005). Modulation of cortical oscillatory 

activities induced by varying single‐pulse transcranial magnetic stimulation 

intensity over the left primary motor area: A combined EEG and TMS study. 

NeuroImage, 27(4), 896–908. http://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2005.05.013 

Furubayashi, T., Ugawa, Y., Terao, Y., Hanajima, R., Sakai, K., Machii, K., … 

Kanazawa, I. (2000). The human hand motor area is transiently suppressed by 

an unexpected auditory stimulus. Clinical Neurophysiology, 111(1), 178–183. 

http://doi.org/10.1016/S1388‐2457(99)00200‐X 

Galletti, C., Gamberini, M., Kutz, D. F., Fattori, P., Luppino, G., & Matelli, M. (2001). 

The cortical connections of area V6: an occipito‐parietal network processing 

visual information. European Journal of Neuroscience, 13(8), 1572–1588. 

http://doi.org/10.1046/j.0953‐816x.2001.01538.x 

Galletti, C., Kutz, D. F., Gamberini, M., Breveglieri, R., & Fattori, P. (2003). Role of the 

medial parieto‐occipital cortex in the control of reaching and grasping 

movements. Experimental Brain Research, 153(2), 158–170. 

http://doi.org/10.1007/s00221‐003‐1589‐z 

Gilbert, D. L., Garvey, M. A., Bansal, A. S., Lipps, T., Zhang, J., & Wassermann, E. M. 

(2004). Should transcranial magnetic stimulation research in children be 

Page 110: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

 100   References     

considered minimal risk? Clinical Neurophysiology, 115(8), 1730–1739. 

http://doi.org/10.1016/j.clinph.2003.10.037 

Glickstein, M. (2000). How are visual areas of the brain connected to motor areas for 

the sensory guidance of movement? Trends in Neurosciences, 23(12), 613–617. 

http://doi.org/10.1016/S0166‐2236(00)01681‐7 

Goble, D. J., & Brown, S. H. (2008). The biological and behavioral basis of upper limb 

asymmetries in sensorimotor performance. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 

32(3), 598–610. http://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2007.10.006 

Goldfarb, J. L., & Goldstone, S. (1963). Time judgment: a comparison of filled and 

unfilled durations. Perceptual and Motor Skills, 16(2), 376–376. 

http://doi.org/10.2466/pms.1963.16.2.376 

Grillon, C., & Davis, M. (1995). Acoustic startle and anticipatory anxiety in humans: 

Effects of monaural right and left ear stimulation. Psychophysiology, 32(2), 155–

161. http://doi.org/10.1111/j.1469‐8986.1995.tb03307.x 

Haaland, K. Y. (2006). Left hemisphere dominance for movement. The Clinical 

Neuropsychologist, 20(4), 609–622. http://doi.org/10.1080/13854040590967577 

Haaland, K. Y., Elsinger, C. L., Mayer, A. R., Durgerian, S., & Rao, S. M. (2004). Motor 

sequence complexity and performing hand produce differential patterns of 

hemispheric lateralization. Journal of Cognitive Neuroscience, 16(4), 621–636. 

http://doi.org/10.1162/089892904323057344 

Haaland, K. Y., & Harrington, D. L. (1989). Hemispheric control of the initial and 

corrective components of aiming movements. Neuropsychologia, 27(7), 961–969. 

http://doi.org/10.1016/0028‐3932(89)90071‐7 

Haaland, K. Y., & Harrington, D. L. (1994). Limb‐sequencing deficits after left but not 

right hemisphere damage. Brain and Cognition, 24(1), 104–122. 

http://doi.org/10.1006/brcg.1994.1006 

Haaland, K. Y., Harrington, D. L., & Knight, R. T. (2000). Neural representations of 

skilled movement. Brain, 123(11), 2306–2313. 

http://doi.org/10.1093/brain/123.11.2306 

Hallett, M., Cohen, L. G., & Bierner, S. M. (1991). Studies of sensory and motor cortex 

physiology: with observations on akinesia in Parkinson’s disease. 

Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. Supplement, 43, 76–85. 

Hall, G. S., & Jastrow, J. (1886). Studies of rhythm. Mind, 11(41), 55–62. 

Page 111: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    References  101 

Hammond, G. R. (2002). Correlates of human handedness in primary motor cortex: a 

review and hypothesis. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 26(3), 285–292. 

http://doi.org/10.1016/S0149‐7634(02)00003‐9 

Hashimoto, T., Inaba, D., Matsumura, M., & Naito, E. (2004). Two different effects of 

transcranial magnetic stimulation to the human motor cortex during the pre‐

movement period. Neuroscience Research, 50(4), 427–436. 

http://doi.org/10.1016/j.neures.2004.08.002 

Hazeltine, E., Diedrichsen, J., Kennerley, S. W., & Ivry, R. B. (2003). Bimanual cross‐talk 

during reaching movements is primarily related to response selection, not the 

specification of motor parameters. Psychological Research, 67, 56–70. 

http://doi.org/10.1007/s00426‐002‐0119‐0 

Helmuth, L. L., & Ivry, R. B. (1996). When two hands are better than one: Reduced 

timing variability during bimanual movements. Journal of Experimental 

Psychology, 22(2), 278–293. http://doi.org/10.1037/0096‐1523.22.2.278 

Hening, W., Favilla, M., & Ghez, C. (1988). Trajectory control in targeted force 

impulses: V. Gradual specification of response amplitude. Experimental Brain 

Research, 71(1), 116–128. http://doi.org/10.1007/BF00247527 

Hening, W., Vicario, D., & Ghez, C. (1988). Trajectory control in targeted force 

impulses. Experimental Brain Research, 71(1), 103–115. 

http://doi.org/10.1007/BF00247526 

Henry, F. M., & Rogers, D. E. (1960). Increased response latency for complicated 

movements and a ‘memory drum’ theory of neuromotor reaction. Research 

Quarterly. American Association for Health, Physical Education and Recreation, 31(3), 

448–458. http://doi.org/10.1080/10671188.1960.10762052 

Herwig, U., Cardenas‐Morales, L., Connemann, B. J., Kammer, T., & Schönfeldt‐

Lecuona, C. (2010). Sham or real—Post hoc estimation of stimulation condition 

in a randomized transcranial magnetic stimulation trial. Neuroscience Letters, 

471(1), 30–33. http://doi.org/10.1016/j.neulet.2010.01.003 

Hess, C. W., Mills, K. R., & Murray, N. M. F. (1986). Magnetic stimulation of the human 

brain: Facilitation of motor responses by voluntary contraction of ipsilateral and 

contralateral muscles with additional observations on an amputee. Neuroscience 

Letters, 71(2), 235–240. http://doi.org/10.1016/0304‐3940(86)90565‐3 

Page 112: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

 102   References     

Heuer, H., & Klein, W. (2005). Intermanual interactions in discrete and periodic 

bimanual movements with same and different amplitudes. Experimental Brain 

Research, 167, 220–237. 

Heuer, H., & Klein, W. (2006). The influence of movement cues on intermanual 

interactions. Psychological Research, 70(4), 229–244. http://doi.org/10.1007/s00426‐

005‐0218‐9 

Heuer, H., Spijkers, W., Kleinsorge, T., van der Loo, H., & Steglich, C. (1998). The time 

course of cross‐talk during the simultaneous specification of bimanual 

movement amplitudes. Experimental Brain Research, 118(3), 381–392. 

http://doi.org/10.1007/s002210050292 

Hinder, M., Schmidt, M., Garry, M., & Summers, J. (2010). Unilateral contractions 

modulate interhemispheric inhibition most strongly and most adaptively in the 

homologous muscle of the contralateral limb. Experimental Brain Research, 

205(3), 423–433. http://doi.org/10.1007/s00221‐010‐2379‐z 

Hoffman, H. S., & Ison, J. R. (1980). Reflex modification in the domain of startle: I. 

Some empirical findings and their implications for how the nervous system 

processes sensory input. Psychological Review, 87(2), 175–189. 

Holmes, G., & May, W. P. (1909). On the exact origin of the pyramidal tracts in man 

and other mammals. Proceedings of the Royal Society of Medicine, 2(Neurol Sect), 

92–100. 

Hortobágyi, T., Taylor, J. L., Petersen, N. T., Russell, G., & Gandevia, S. C. (2003). 

Changes in segmental and motor cortical output with contralateral muscle 

contractions and altered sensory inputs in humans. Journal of Neurophysiology, 

90(4), 2451–2459. http://doi.org/10.1152/jn.01001.2002 

Hoshiyama, M., Kitamura, Y., Koyama, S., Watanabe, S., Shimojo, M., & Kakigi, R. 

(1996). Reciprocal change of motor‐evoked potentials preceding voluntary 

movement in humans. Muscle & Nerve, 19(2), 125–131. 

http://doi.org/10.1002/(SICI)1097‐4598(199602)19:2<125::AID‐MUS1>3.0.CO;2‐G 

Hübers, A., Orekhov, Y., & Ziemann, U. (2008). Interhemispheric motor inhibition: Its 

role in controlling electromyographic mirror activity. European Journal of 

Neuroscience, 28, 364–371. http://doi.org/10.1111/j.1460‐9568.2008.06335.x 

Ilic, T. V., Pötter‐Nerger, M., Holler, I., Siebner, H. R., Ilic, N. V., Deuschl, G., & 

Volkmann, J. (2011). Startle stimuli exert opposite effects on human cortical and 

Page 113: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    References  103 

spinal motor system excitability in leg muscles. Physiological Research, 60, S101–

6. 

Ivry, R. B. (1996). The representation of temporal information in perception and motor 

control. Current Opinion in Neurobiology, 6(6), 851–857. 

http://doi.org/10.1016/S0959‐4388(96)80037‐7 

Ivry, R. B., & Hazeltine, E. (1999). Subcortical locus of temporal coupling in the 

bimanual movements of a callosotomy patient. Human Movement Science, 18, 

345–375. 

Ivry, R. B., & Richardson, T. C. (2002). Temporal control and coordination: The 

multiple timer model. Brain and Cognition, 48(1), 117–132. 

http://doi.org/10.1006/brcg.2001.1308 

Jaffard, M., Longcamp, M., Velay, J.‐L., Anton, J.‐L., Roth, M., Nazarian, B., & 

Boulinguez, P. (2008). Proactive inhibitory control of movement assessed by 

event‐related fMRI. NeuroImage, 42(3), 1196–1206. 

http://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2008.05.041 

Jahfari, S., Stinear, C. M., Claffey, M., Verbruggen, F., & Aron, A. R. (2010). Responding 

with restraint: What are the neurocognitive mechanisms? Journal of Cognitive 

Neuroscience, 22(7), 1479–1492. http://doi.org/10.1162/jocn.2009.21307 

Jäncke, L., Peters, M., Schlaug, G., Posse, S., Steinmetz, H., & Müller‐Gärtner, H.‐W. 

(1998). Differential magnetic resonance signal change in human sensorimotor 

cortex to finger movements of different rate of the dominant and subdominant 

hand. Cognitive Brain Research, 6(4), 279–284. http://doi.org/10.1016/S0926‐

6410(98)00003‐2 

Kagerer, F. A., Summers, J. J., & Semjen, A. (2003). Instabilities during antiphase 

bimanual movements: are ipsilateral pathways involved? Experimental Brain 

Research, 151, 489–500. 

Kakei, S., Hoffman, D. S., & Strick, P. L. (1999). Muscle and movement representations 

in the primary motor cortex. Science, 285(5436), 2136–2139. 

http://doi.org/10.1126/science.285.5436.2136 

Kammer, T., Beck, S., Thielscher, A., Laubis‐Herrmann, U., & Topka, H. (2001). Motor 

thresholds in humans: a transcranial magnetic stimulation study comparing 

different pulse waveforms, current directions and stimulator types. Clinical 

Neurophysiology, 112(2), 250–258. http://doi.org/10.1016/S1388‐2457(00)00513‐7 

Page 114: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

 104   References     

Kammer, T., & Nusseck, H. (1998). Are recognition deficits following occipital lobe 

TMS explained by raised detection thresholds? Neuropsychologia, 36(11), 1161–

1166. http://doi.org/10.1016/S0028‐3932(98)00003‐7 

Kammer, T., Puls, K., Strasburger, H., Hill, N. J., & Wichmann, F. A. (2005). 

Transcranial magnetic stimulation in the visual system. I. The psychophysics of 

visual suppression. Experimental Brain Research, 160(1), 118–128. 

http://doi.org/10.1007/s00221‐004‐1991‐1 

Kammer, T., Scharnowski, F., & Herzog, M. H. (2003). Combining backward masking 

and transcranial magnetic stimulation in human observers. Neuroscience Letters, 

343(3), 171–174. http://doi.org/10.1016/S0304‐3940(03)00376‐8 

Kaufman, M. T., Churchland, M. M., Ryu, S. I., & Shenoy, K. V. (2014). Cortical activity 

in the null space: permitting preparation without movement. Nature 

Neuroscience, 17(3), 440–448. http://doi.org/10.1038/nn.3643 

Kazennikov, O., Wicki, U., Corboz, M., Hyland, B., Palmeri, A., Rouiller, E. M., & 

Wiesendanger, M. (1994). Temporal structure of a bimanual goal‐directed 

movement sequence in monkeys. European Journal of Neuroscience, 6(2), 203–210. 

http://doi.org/10.1111/j.1460‐9568.1994.tb00262.x 

Keele, S. W., & Posner, M. I. (1968). Processing of visual feedback in rapid movements. 

Journal of Experimental Psychology, 77(1), 155. 

Kelso, J. A. S., Southard, D. L., & Goodman, D. (1979a). On the coordination of two‐

handed movements. Journal of Experimental Psychology: Human Perception and 

Performance, 5(2), 229–238. http://doi.org/10.1037/0096‐1523.5.2.229 

Kelso, J. A. S., Southard, D. L., & Goodman, D. (1979b). On the nature of human 

interlimb coordination. Science, 203, 1029–1031. 

Kennerley, S. W., Diedrichsen, J., Hazeltine, E., Semjen, A., & Ivry, R. B. (2002). 

Callosotomy patients exhibit temporal uncoupling during continuous bimanual 

movements. Nature Neuroscience, 5, 376. http://doi.org/10.1038/nn822 

Klapp, S. T., Hill, M. D., Tyler, J. G., Martin, Z. E., Jagacinski, R. J., & Jones, M. R. 

(1985). On marching to two different drummers: perceptual aspects of the 

difficulties. Journal of Experimental Psychology. Human Perception and Performance, 

11(6), 814–827. 

Klapp, S. T., & Zelaznik, H. N. (1996). Reaction time analysis of central motor control. 

Advances in Motor Learning and Control, 21, (pp. 13–35). 

Page 115: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    References  105 

Kobayashi, M., Hutchinson, S., Schlaug, G., & Pascual‐Leone, A. (2003). Ipsilateral 

motor cortex activation on functional magnetic resonance imaging during 

unilateral hand movements is related to interhemispheric interactions. 

NeuroImage, 20, 2259–2270. 

Koch, G., Franca, M., Fernandez Del Olmo, M., Cheeran, B., Milton, R., Alvarez Sauco, 

M., & Rothwell, J. C. (2006). Time course of functional connectivity between 

dorsal premotor and contralateral motor cortex during movement selection. The 

Journal of Neuroscience, 26, 7452–7459. http://doi.org/10.1523/jneurosci.1158‐

06.2006 

Koeneke, S., Lutz, K., Wüstenberg, T., & Jäncke, L. (2004). Bimanual versus unimanual 

coordination: what makes the difference? NeuroImage, 22(3), 1336–1350. 

http://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2004.03.012 

Kühn, A. A., Sharott, A., Trottenberg, T., Kupsch, A., & Brown, P. (2004). Motor cortex 

inhibition induced by acoustic stimulation. Experimental Brain Research, 158(1), 

120–124. http://doi.org/10.1007/s00221‐004‐1883‐4 

Kujirai, T., Caramia, M., Rothwell, J., Day, B., Thompson, P., Ferbert, A., … Marsden, 

C. (1993). Corticocortical inhibition in human motor cortex. The Journal of 

Physiology, 471, 501. http://doi.org/10.1113/jphysiol.1993.sp019912 

Kumru, H., & Valls‐Solé, J. (2006). Excitability of the pathways mediating the startle 

reaction before execution of a voluntary movement. Experimental Brain Research, 

169(3), 427–432. http://doi.org/10.1007/s00221‐005‐0156‐1 

Leaton, R. N., Cassella, J. V., & Borszcz, G. S. (1985). Short‐term and long‐term 

habituation of the acoustic startle response in chronic decerebrate rats. 

Behavioral Neuroscience, 99(5), 901–912. http://doi.org/10.1037/0735‐7044.99.5.901 

Leocani, L., Cohen, L. G., Wassermann, E. M., Ikoma, K., & Hallett, M. (2000). Human 

corticospinal excitability evaluated with transcranial magnetic stimulation 

during different reaction time paradigms. Brain, 123(6), 1161–1173. 

http://doi.org/10.1093/brain/123.6.1161 

Loftus, G. R., & Masson, M. E. J. (1994). Using confidence intervals in within‐subject 

designs. Psychonomic Bulletin & Review, 1(4), 476–490. 

http://doi.org/10.3758/BF03210951 

Page 116: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

 106   References     

Los, S. A., Hoorn, J. F., Grin, M., & Van der Burg, E. (2013). The time course of temporal 

preparation in an applied setting: A study of gaming behavior. Acta 

Psychologica, 144(3), 499–505. http://doi.org/10.1016/j.actpsy.2013.09.003 

Los, S. A., & Van der Burg, E. (2013). Sound speeds vision through preparation, not 

integration. Journal of Experimental Psychology, 39(6), 1612–1624. 

http://doi.org/10.1037/a0032183 

Macar, F., Anton, J.‐L., Bonnet, M., & Vidal, F. (2004). Timing functions of the 

supplementary motor area: an event‐related fMRI study. Cognitive Brain 

Research, 21(2), 206–215. http://doi.org/10.1016/j.cogbrainres.2004.01.005 

Marinovic, W., Rugy, A. de, Lipp, O. V., & Tresilian, J. R. (2013). Responses to loud 

auditory stimuli indicate that movement‐related activation builds up in 

anticipation of action. Journal of Neurophysiology, 109(4), 996–1008. 

http://doi.org/10.1152/jn.01119.2011 

Marinovic, W., Tresilian, J. R., de Rugy, A., Sidhu, S., & Riek, S. (2014). Corticospinal 

modulation induced by sounds depends on action preparedness. The Journal of 

Physiology, 592(1), 153–169. http://doi.org/10.1113/jphysiol.2013.254581 

Marteniuk, R. G., MacKenzie, C. L., & Baba, D. M. (1984). Bimanual movement control: 

Information processing and interaction effects. The Quarterly Journal of 

Experimental Psychology Section A, 36(2), 335–365. 

http://doi.org/10.1080/14640748408402163 

Maslovat, D., Carlsen, A. N., & Franks, I. M. (2012). Investigation of stimulus–response 

compatibility using a startling acoustic stimulus. Brain and Cognition, 78(1), 1–6. 

http://doi.org/10.1016/j.bandc.2011.10.010 

Maslovat, D., Carter, M. J., Kennefick, M., & Carlsen, A. N. (2014). Startle neural 

activity is additive with normal cortical initiation‐related activation. 

Neuroscience Letters. http://doi.org/10.1016/j.neulet.2013.11.009 

Maslovat, D., Kennedy, P. M., Forgaard, C. J., Chua, R., & Franks, I. M. (2012). The 

effects of prepulse inhibition timing on the startle reflex and reaction time. 

Neuroscience Letters, 513(2), 243–247. http://doi.org/10.1016/j.neulet.2012.02.052 

Masur, H., Papke, K., & Oberwittler, C. (1993). Suppression of visual perception by 

transcranial magnetic stimulation — experimental findings in healthy subjects 

and patients with optic neuritis. Electroencephalography and Clinical 

Neurophysiology, 86(4), 259–267. http://doi.org/10.1016/0013‐4694(93)90107‐7 

Page 117: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    References  107 

Mates, J., Müller, U., Radil, T., & Pöppel, E. (1994). Temporal integration in 

sensorimotor synchronization. Journal of Cognitive Neuroscience, 6(4), 332–340. 

http://doi.org/10.1162/jocn.1994.6.4.332 

McMillan, S., Nougier, V., & Byblow, W. D. (2004). Human corticospinal excitability 

during a precued reaction time paradigm. Experimental Brain Research, 156(1), 

80–87. http://doi.org/10.1007/s00221‐003‐1772‐2 

Meyer, B. U., & Voss, M. (2000). Delay of the execution of rapid finger movement by 

magnetic stimulation of the ipsilateral hand‐associated motor cortex. 

Experimental Brain Research, 134(4), 477–482. 

http://doi.org/10.1007/s002210000486 

Miller, J. (1982). Discrete versus continuous stage models of human information 

processing: In search of partial output. Journal of Experimental Psychology: Human 

Perception and Performance, 8(2), 273–296. http://doi.org/10.1037/0096‐

1523.8.2.273 

Mills, K. R., Boniface, S. J., & Schubert, M. (1992). Magnetic brain stimulation with a 

double coil: the importance of coil orientation. Electroencephalography and 

Clinical Neurophysiology/Evoked Potentials Section, 85(1), 17–21. 

http://doi.org/10.1016/0168‐5597(92)90096‐T 

Milner‐Brown, H. S., Stein, R. B., & Yemm, R. (1973). Changes in firing rate of human 

motor units during linearly changing voluntary contractions. The Journal of 

Physiology, 230(2), 371–390. 

Molinuevo, J. L., Valls‐Solé, J., & Valldeoriola, F. (2000). The effect of transcranial 

magnetic stimulation on reaction time in progressive supranuclear palsy. 

Clinical Neurophysiology, 111(11), 2008–2013. http://doi.org/10.1016/S1388‐

2457(00)00443‐0 

Mordkoff, J. T., & Yantis, S. (1991). An interactive race model of divided attention. 

Journal of Experimental Psychology, 17(2), 520–538. http://doi.org/10.1037/0096‐

1523.17.2.520 

Mostofsky, S. H., & Simmonds, D. J. (2008). Response inhibition and response selection: 

Two sides of the same coin. Journal of Cognitive Neuroscience, 20(5), 751–761. 

http://doi.org/10.1162/jocn.2008.20500 

Page 118: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

 108   References     

Motawar, B., Hur, P., Stinear, J., & Seo, N. J. (2012). Contribution of intracortical 

inhibition in voluntary muscle relaxation. Experimental Brain Research, 221(3), 

299–308. http://doi.org/10.1007/s00221‐012‐3173‐x 

Muellbacher, W., Richards, C., Ziemann, U., Wittenberg, G., Weltz, D., Boroojerdi, B., 

… Hallett, M. (2002). Improving hand function in chronic stroke. Arch Neurol, 

59, 1278–1282. http://doi.org/10.1001/archneur.59.8.1278 

Mullin, C. R., & Steeves, J. K. E. (2011). TMS to the lateral occipital cortex disrupts 

object processing but facilitates scene processing. Journal of Cognitive 

Neuroscience, 23(12), 4174–4184. http://doi.org/10.1162/jocn_a_00095 

Murase, N., Duque, J., Mazzocchio, R., & Cohen, L. G. (2004). Influence of 

interhemispheric interactions on motor function in chronic stroke. Annals of 

Neurology, 55(3), 400–409. http://doi.org/10.1002/ana.10848 

Nakajima, Y. (1987). A model of empty duration perception. Perception, 16(4), 485 – 520. 

http://doi.org/10.1068/p160485 

Nakamura, H., Kitagawa, H., Kawaguchi, Y., & Tsuji, H. (1997). Intracortical 

facilitation and inhibition after transcranial magnetic stimulation in conscious 

humans. The Journal of Physiology, 498(3), 817–823. 

http://doi.org/10.1113/jphysiol.1997.sp021905 

Nickerson, R. S. (1973). Intersensory facilitation of reaction time: Energy summation or 

preparation enhancement? Psychological Review, 80(6), 489–509. 

http://doi.org/10.1037/h0035437 

Nijhuis, L. B. O., Janssen, L., Bloem, B. R., Van Dijk, J. G., Gielen, S. C., Borm, G. F., & 

Overeem, S. (2007). Choice reaction times for human head rotations are 

shortened by startling acoustic stimuli, irrespective of stimulus direction. The 

Journal of Physiology, 584(1), 97–109. http://doi.org/10.1113/jphysiol.2007.136291 

Nikouline, V., Ruohonen, J., & Ilmoniemi, R. J. (1999). The role of the coil click in TMS 

assessed with simultaneous EEG. Clinical Neurophysiology, 110(8), 1325–1328. 

http://doi.org/10.1016/S1388‐2457(99)00070‐X 

Oga, T., Honda, M., Toma, K., Murase, N., Okada, T., Hanakawa, T., … Shibasaki, H. 

(2002). Abnormal cortical mechanisms of voluntary muscle relaxation in 

patients with writer’s cramp: an fMRI study. Brain, 125(4), 895–903. 

http://doi.org/10.1093/brain/awf083 

Page 119: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    References  109 

O’Shea, J., Sebastian, C., Boorman, E. D., Johansen‐Berg, H., & Rushworth, M. F. S. 

(2007). Functional specificity of human premotor–motor cortical interactions 

during action selection. European Journal of Neuroscience, 26(7), 2085–2095. 

http://doi.org/10.1111/j.1460‐9568.2007.05795.x 

Otto, T. U., & Mamassian, P. (2012). Noise and correlations in parallel perceptual 

decision making. Current Biology, 22(15), 1391–1396. 

http://doi.org/10.1016/j.cub.2012.05.031 

Pascual‐Leone, A., Brasil‐Neto, J. P., Valls‐Solé, J., Cohen, L. G., & Hallett, M. (1992). 

Simple reaction time to focal transcranial magnetic stimulation comparison 

with reaction time to acoustic, visual and somatosensory stimuli. Brain, 115(1), 

109–122. http://doi.org/10.1093/brain/115.1.109 

Pascual‐Leone, A., Valls‐Solé, J., Brasil‐Neto, J. P., Cohen, L. G., & Hallett, M. (1994). 

Akinesia in Parkinson’s disease. I. Shortening of simple reaction time with 

focal, single‐pulse transcranial magnetic stimulation. Neurology, 44(5), 884–884. 

http://doi.org/10.1212/WNL.44.5.884 

Pascual‐Leone, A., Valls‐Solé, J., Wassermann, E. M., Brasil‐Neto, J., Cohen, L. G., & 

Hallett, M. (1992). Effects of focal transcranial magnetic stimulation on simple 

reaction time to acoustic, visual and somatosensory stimuli. Brain, 115(4), 1045–

1059. http://doi.org/10.1093/brain/115.4.1045 

Paulignan, Y., Jeannerod, M., MacKenzie, C., & Marteniuk, R. (1991). Selective 

perturbation of visual input during prehension movements. 2. The effects of 

changing object size. Experimental Brain Research, 87(2), 407–420. 

http://doi.org/10.1007/BF00231858 

Paus, T. (2005). Inferring causality in brain images: a perturbation approach. 

Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 360(1457), 

1109–1114. http://doi.org/10.1098/rstb.2005.1652 

Pélisson, D., Prablanc, C., Goodale, M. A., & Jeannerod, M. (1986). Visual control of 

reaching movements without vision of the limb II. Evidence of fast unconsious 

processes correcting the trajectory of the hand to the final position of double‐

step stimulus. Experimental Brain Research, 62(2), 303–311. 

http://doi.org/10.1007/BF00238849 

Perez, M. A. (2012). The functional role of interhemispheric interactions in human 

motor control. In R. Chen & J. C. Rothwell (Eds.), Cortical connectivity: Brain 

Page 120: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

 110   References     

stimulation for assessing and modulating cortical connectivity and function. New 

York: Springer. 

Perez, M. A., & Cohen, L. G. (2008). Mechanisms underlying functional changes in the 

primary motor cortex ipsilateral to an active hand. The Journal of Neuroscience, 

28, 5631–5640. http://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.0093‐08.2008 

Perez, M. A., & Cohen, L. G. (2009). Scaling of motor cortical excitability during 

unimanual force generation. Cortex, 45(9), 1065–1071. 

http://doi.org/10.1016/j.cortex.2008.12.006 

Perini, F., Cattaneo, L., Carrasco, M., & Schwarzbach, J. V. (2012). Occipital transcranial 

magnetic stimulation has an activity‐dependent suppressive effect. The Journal 

of Neuroscience, 32(36), 12361–12365. http://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.5864‐

11.2012 

Perrig, S., Kazennikov, O., & Wiesendanger, M. (1999). Time structure of a goal‐

directed bimanual skill and its dependence on task constraints. Behavioural 

Brain Research, 103(1), 95–104. http://doi.org/10.1016/S0166‐4328(99)00026‐1 

Pollok, B. 1 2, Muller, K. 1, Aschersleben, G., Schnitzler, A., & Prinz, W. (2004). 

Bimanual coordination: neuromagnetic and behavioral data. NeuroReport, 15(3), 

449–452. 

Pope, P. A., Holton, A., Hassan, S., Kourtis, D., & Praamstra, P. (2007). Cortical control 

of muscle relaxation: A lateralized readiness potential (LRP) investigation. 

Clinical Neurophysiology, 118(5), 1044–1052. 

http://doi.org/10.1016/j.clinph.2007.02.002 

Preilowski, B. F. B. (1972). Possible contribution of the anterior forebrain commissures 

to bilateral motor coordination. Neuropsychologia, 10(3), 267–277. 

http://doi.org/10.1016/0028‐3932(72)90018‐8 

Repp, B. H. (2004). On the nature of phase attraction in sensorimotor synchronization 

with interleaved auditory sequences. Human Movement Science, 23(3–4), 389–

413. http://doi.org/10.1016/j.humov.2004.08.014 

Repp, B. H. (2005). Sensorimotor synchronization: A review of the tapping literature. 

Psychonomic Bulletin & Review, 12(6), 969–992. http://doi.org/10.3758/BF03206433 

Repp, B. H. (2008). Metrical subdivision results in subjective slowing of the beat. Music 

Perception: An Interdisciplinary Journal, 26(1), 19–39. 

http://doi.org/10.1525/mp.2008.26.1.19 

Page 121: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    References  111 

Repp, B. H., & Bruttomesso, M. (2009). A filled duration illusion in music: Effects of 

metrical subdivision on the perception and production of beat tempo. Advances 

in Cognitive Psychology, 5, 114–134. http://doi.org/10.2478/v10053‐008‐0071‐7 

Reynolds, C., & Ashby, P. (1999). Inhibition in the human motor cortex is reduced just 

before a voluntary contraction. Neurology, 53(4), 730–730. 

http://doi.org/10.1212/WNL.53.4.730 

Reynolds, R. F., & Day, B. L. (2007). Fast visuomotor processing made faster by sound. 

The Journal of Physiology, 583(3), 1107–1115. 

http://doi.org/10.1113/jphysiol.2007.136192 

Ridding, M. C., Taylor, J. L., & Rothwell, J. C. (1995). The effect of voluntary 

contraction on cortico‐cortical inhibition in human motor cortex. The Journal of 

Physiology, 487(2), 541–548. http://doi.org/10.1113/jphysiol.1995.sp020898 

Rinkenauer, G., Ulrich, R., & Wing, A. M. (2001). Brief bimanual force pulses: 

correlations between the hands in force and time. Journal of Experimental 

Psychology, 27, 1485–1497. http://doi.org/10.1037/0096‐1523.27.6.1485 

Romaiguère, P., Possamaı̈, C.‐A., & Hasbroucq, T. (1997). Motor cortex involvement 

during choice reaction time: a transcranial magnetic stimulation study in man. 

Brain Research, 755(2), 181–192. http://doi.org/10.1016/S0006‐8993(97)00095‐4 

Romei, V., Murray, M. M., Merabet, L. B., & Thut, G. (2007). Occipital transcranial 

magnetic stimulation has opposing effects on visual and auditory stimulus 

detection: Implications for multisensory interactions. The Journal of Neuroscience, 

27(43), 11465–11472. http://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2827‐07.2007 

Rushworth, M. F. ., Johansen‐Berg, H., Göbel, S. ., & Devlin, J. . (2003). The left parietal 

and premotor cortices: motor attention and selection. NeuroImage, 20, 

Supplement 1, S89–S100. http://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2003.09.011 

Sawaki, L., Okita, T., Fujiwara, M., & Mizuno, K. (1999). Specific and non‐specific 

effects of transcranial magnetic stimulation on simple and go/no‐go reaction 

time. Experimental Brain Research, 127(4), 402–408. 

http://doi.org/10.1007/s002210050808 

Schieber, M. H. (2001). Constraints on somatotopic organization in the primary motor 

cortex. Journal of Neurophysiology, 86(5), 2125–2143. 

Schieppati, M., Nardone, A., & Musazzi, M. (1985). Modulation of the Hoffmann reflex 

by rapid muscle contraction or release. Human Neurobiology, 5(1), 59–66. 

Page 122: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

 112   References     

Schluter, N. D., Rushworth, M. F., Passingham, R. E., & Mills, K. R. (1998). Temporary 

interference in human lateral premotor cortex suggests dominance for the 

selection of movements. A study using transcranial magnetic stimulation. Brain, 

121(5), 785–799. http://doi.org/10.1093/brain/121.5.785 

Schluter, N. ., Krams, M., Rushworth, M. F. ., & Passingham, R. . (2001). Cerebral 

dominance for action in the human brain: the selection of actions. 

Neuropsychologia, 39(2), 105–113. http://doi.org/10.1016/S0028‐3932(00)00105‐6 

Schluter, N. ., Rushworth, M. F. ., Mills, K. ., & Passingham, R. . (1999). Signal‐, set‐, 

and movement‐related activity in the human premotor cortex. Neuropsychologia, 

37(2), 233–243. http://doi.org/10.1016/S0028‐3932(98)00098‐0 

Schmidt, R. A. (2003). Motor schema theory after 27 years: reflections and implications 

for a new theory. Research Quarterly for Exercise and Sport, 74(4), 366–375. 

http://doi.org/10.1080/02701367.2003.10609106 

Schmidt, R. A., & Lee, T. (2011). Motor control and learning (5th ed.). Champaign: 

Human kinetics. 

Serrien, D. J., & Brown, P. (2004). Changes in functional coupling patterns during 

bimanual task performance. NeuroReport, 15(9), 1387–1390. 

http://doi.org/10.1097/01.wnr.0000131009.44068.51 

Serrien, D. J., Ivry, R. B., & Swinnen, S. P. (2006). Dynamics of hemispheric 

specialization and integration in the context of motor control. Nature Reviews 

Neuroscience, 7(2), 160–166. http://doi.org/10.1038/nrn1849 

Serrien, D. J., Nirkko, A. C., & Wiesendanger, M. (2001). Role of the corpus callosum in 

bimanual coordination: a comparison of patients with congenital and acquired 

callosal damage. European Journal of Neuroscience, 14(11), 1897–1905. 

http://doi.org/10.1046/j.0953‐816x.2001.01798.x 

Sherwood, D. E. (2006). Intermovement interval and spatial assimilation effects in 

sequential bimanual and unimanual movements. Human Movement Science, 

25(2), 145–164. http://doi.org/10.1016/j.humov.2005.11.006 

Sherwood, D. E., & Nishimura, K. M. (1992). EMG amplitude and spatial assimilation 

effects in rapid bimanual movement. Research Quarterly for Exercise and Sport, 

63(3), 284–291. http://doi.org/10.1080/02701367.1992.10608744 

Page 123: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    References  113 

Siegmund, G. P., Inglis, J. T., & Sanderson, D. J. (2001). Startle response of human neck 

muscles sculpted by readiness to perform ballistic head movements. The Journal 

of Physiology, 535(1), 289–300. http://doi.org/10.1111/j.1469‐7793.2001.00289.x 

Silvanto, J., Cattaneo, Z., Battelli, L., & Pascual‐Leone, A. (2008). Baseline cortical 

excitability determines whether TMS disrupts or facilitates behavior. Journal of 

Neurophysiology, 99(5), 2725–2730. http://doi.org/10.1152/jn.01392.2007 

Silvanto, J., Muggleton, N., & Walsh, V. (2008). State‐dependency in brain stimulation 

studies of perception and cognition. Trends in Cognitive Sciences, 12(12), 447–454. 

http://doi.org/10.1016/j.tics.2008.09.004 

Sinclair, C., & Hammond, G. R. (2009). Excitatory and inhibitory processes in primary 

motor cortex during the foreperiod of a warned reaction time task are unrelated 

to response expectancy. Experimental Brain Research, 194(1), 103–113. 

http://doi.org/10.1007/s00221‐008‐1684‐2 

Singh, L. N., Higano, S., Takahashi, S., Kurihara, N., Furuta, S., Tamura, H., … 

Yamadori, A. (1998). Comparison of ipsilateral activation between right and left 

handers: a functional MR imaging study. NeuroReport, 9(8), 1861–1866. 

Soteropoulos, D. S., & Perez, M. A. (2011). Physiological changes underlying bilateral 

isometric arm voluntary contractions in healthy humans. Journal of 

Neurophysiology, 105, 1594–1602. http://doi.org/10.1152/jn.00678.2010 

Soto, O., Valls‐Solé, J., & Kumru, H. (2010). Paired‐pulse transcranial magnetic 

stimulation during preparation for simple and choice reaction time tasks. 

Journal of Neurophysiology, 104(3), 1392–1400. 

http://doi.org/10.1152/jn.00620.2009 

Starr, A., Caramia, M., Zarola, F., & Rossini, P. M. (1988). Enhancement of motor 

cortical excitability in humans by non‐invasive electrical stimulation appears 

prior to voluntary movement. Electroencephalography and Clinical 

Neurophysiology, 70(1), 26–32. http://doi.org/10.1016/0013‐4694(88)90191‐5 

Stedman, A., Davey, N. J., & Ellaway, P. H. (1998). Facilitation of human first dorsal 

interosseous muscle responses to transcranial magnetic stimulation during 

voluntary contraction of the contralateral homonymous muscle. Muscle & 

Nerve, 21(8), 1033–1039. http://doi.org/10.1002/(SICI)1097‐

4598(199808)21:8<1033::AID‐MUS7>3.0.CO;2‐9 

Page 124: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

 114   References     

Steglich, C., Heuer, H., Spijkers, W., & Kleinsorge, T. (1999). Bimanual coupling during 

the specification of isometric forces. Experimental Brain Research, 129(2), 302–316. 

http://doi.org/10.1007/s002210050900 

Sternberg, S., Monsell, S., Knoll, R. L., & Wright, C. E. (1978). The latency and duration 

of rapid movement sequences: Comparisons of speech and typewriting. 

Information Processing in Motor Control and Learning, 117–152. 

Stinear, C. M., Coxon, J. P., & Byblow, W. D. (2009). Primary motor cortex and 

movement prevention: Where Stop meets Go. Neuroscience & Biobehavioral 

Reviews, 33(5), 662–673. http://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2008.08.013 

Stinear, C. M., Walker, K., & Byblow, W. (2001). Symmetric facilitation between motor 

cortices during contraction of ipsilateral hand muscles. Experimental Brain 

Research, 139(1), 101–105. http://doi.org/10.1007/s002210100758 

Stoffels, E. J., Van Der Molen, M. W., & Keuss, P. J. G. (1985). Intersensory facilitation 

and inhibition: Immediate arousal and location effects of auditory noise on 

visual choice reaction time. Acta Psychologica, 58(1), 45–62. 

http://doi.org/10.1016/0001‐6918(85)90033‐2 

Suzuki, T., Sugawara, K., Takagi, M., & Higashi, T. (2015). Excitability changes in 

primary motor cortex just prior to voluntary muscle relaxation. Journal of 

Neurophysiology, 113(1), 110–115. http://doi.org/10.1152/jn.00489.2014 

Swinnen, S. P. (2002). Intermanual coordination: From behavioural principles to 

neural‐network interactions. Nature Reviews Neuroscience, 3, 348–359. 

http://doi.org/10.1038/nrn807 

Swinnen, S. P., Vangheluwe, S., Wagemans, J., Coxon, J. P., Goble, D. J., Van Impe, A., 

… Wenderoth, N. (2010). Shared neural resources between left and right 

interlimb coordination skills: The neural substrate of abstract motor 

representations. NeuroImage, 49(3), 2570–2580. 

http://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2009.10.052 

Tandonnet, C., Davranche, K., Meynier, C., Burle, B., Vidal, F., & Hasbroucq, T. (2012). 

How does temporal preparation speed up response implementation in choice 

tasks? Evidence for an early cortical activation. Psychophysiology, 49(2), 252–260. 

http://doi.org/10.1111/j.1469‐8986.2011.01301.x 

Page 125: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    References  115 

Tandonnet, C., Garry, M. I., & Summers, J. J. (2010). Cortical activation during 

temporal preparation assessed by transcranial magnetic stimulation. Biological 

Psychology, 85(3), 481–486. http://doi.org/10.1016/j.biopsycho.2010.08.016 

Tandonnet, C., Garry, M. I., & Summers, J. J. (2011). Selective suppression of the 

incorrect response implementation in choice behavior assessed by transcranial 

magnetic stimulation. Psychophysiology, 48(4), 462–469. 

http://doi.org/10.1111/j.1469‐8986.2010.01121.x 

Taylor, B. K., Casto, R., & Printz, M. P. (1991). Dissociation of tactile and acoustic 

components in air puff startle. Physiology & Behavior, 49(3), 527–532. 

http://doi.org/10.1016/0031‐9384(91)90275‐S 

Taylor, J. L., Wagener, D. S., & Colebatch, J. G. (1995). Mapping of cortical sites where 

transcranial magnetic stimulation results in delay of voluntary movement. 

Electroencephalography and Clinical Neurophysiology/Electromyography and Motor 

Control, 97(6), 341–348. http://doi.org/10.1016/0924‐980X(95)00123‐3 

Tazoe, T., & Perez, M. A. (2013). Speed‐dependent contribution of callosal pathways to 

ipsilateral movements. The Journal of Neuroscience, 33(41), 16178–16188. 

http://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2638‐13.2013 

Terada, K., Ikeda, A., Nagamine, T., & Shibasaki, H. (1995). Movement‐related cortical 

potentials associated with voluntary muscle relaxation. Electroencephalography 

and Clinical Neurophysiology, 95(5), 335–345. http://doi.org/10.1016/0013‐

4694(95)00098‐J 

Terada, K., Ikeda, A., Yazawa, S., Nagamine, T., & Shibasaki, H. (1999). Movement‐

related cortical potentials associated with voluntary relaxation of foot muscles. 

Clinical Neurophysiology, 110(3), 397–403. http://doi.org/10.1016/S1388‐

2457(98)00017‐0 

Terao, Y., Ugawa, Y., Suzuki, M., Sakai, K., Hanajima, R., Gemba‐Shimizu, K., & 

Kanazawa, I. (1997). Shortening of simple reaction time by peripheral electrical 

and submotor‐threshold magnetic cortical stimulation. Experimental Brain 

Research, 115(3), 541–545. http://doi.org/10.1007/PL00005724 

Thomas, E. C., & Brown, I. (1974). Time perception and the filled‐duration illusion. 

Perception & Psychophysics, 16(3), 449–458. http://doi.org/10.3758/BF03198571 

Thut, G., Northoff, G., Ives, J. R., Kamitani, Y., Pfennig, A., Kampmann, F., … Pascual‐

Leone, A. (2003). Effects of single‐pulse transcranial magnetic stimulation 

Page 126: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

 116   References     

(TMS) on functional brain activity: a combined event‐related TMS and evoked 

potential study. Clinical Neurophysiology, 114(11), 2071–2080. 

http://doi.org/10.1016/S1388‐2457(03)00205‐0 

Tinazzi, M., & Zanette, G. (1998). Modulation of ipsilateral motor cortex in man during 

unimanual finger movements of different complexities. Neuroscience Letters, 

244(3), 121–124. http://doi.org/10.1016/S0304‐3940(98)00150‐5 

Toma, K., Honda, M., Hanakawa, T., Okada, T., Fukuyama, H., Ikeda, A., … Shibasaki, 

H. (1999). Activities of the primary and supplementary motor areas increase in 

preparation and execution of voluntary muscle relaxation: An event‐related 

fMRI study. The Journal of Neuroscience, 19(9), 3527–3534. 

Toma, K., Nagamine, T., Yazawa, S., Terada, K., Ikeda, A., Honda, M., … Shibasaki, H. 

(2000). Desynchronization and synchronization of central 20‐Hz rhythms 

associated with voluntary muscle relaxation: a magnetoencephalographic 

study. Experimental Brain Research, 134(4), 417–425. 

http://doi.org/10.1007/s002210000483 

Tuller, B., & Kelso, J. A. S. (1989). Environmentally‐specified patterns of movement 

coordination in normal and split‐brain subjects. Experimental Brain Research, 75, 

306–316. 

Vallence, A.‐M., Schneider, L. A., Pitcher, J. B., & Ridding, M. C. (2014). Long‐interval 

facilitation and inhibition are differentially affected by conditioning stimulus 

intensity over different time courses. Neuroscience Letters, 570, 114–118. 

http://doi.org/10.1016/j.neulet.2014.03.060 

Valls‐Solé, J., Hallett, M., Phillip, L. H., Schomer, D. L., & Massey, J. M. (2004). 

Contribution of subcortical motor pathways to the execution of ballistic 

movements. Supplements to Clinical Neurophysiology, Volume 57, 554–562. 

Valls‐Solé, J., Kofler, M., Kumru, H., Castellote, J. M., & Sanegre, M. T. (2005). Startle‐

induced reaction time shortening is not modified by prepulse inhibition. 

Experimental Brain Research, 165(4), 541–548. http://doi.org/10.1007/s00221‐005‐

2332‐8 

Valls‐Solé, J., Kumru, H., & Kofler, M. (2008). Interaction between startle and voluntary 

reactions in humans. Experimental Brain Research, 187(4), 497–507. 

http://doi.org/10.1007/s00221‐008‐1402‐0 

Page 127: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    References  117 

Valls‐Solé, J., Pascual‐Leone, A., Wassermann, E. M., & Hallett, M. (1992). Human 

motor evoked responses to paired transcranial magnetic stimuli. 

Electroencephalography and Clinical Neurophysiology/Evoked Potentials Section, 

85(6), 355–364. http://doi.org/10.1016/0168‐5597(92)90048‐G 

Valls‐Solé, J., Rothwell, J. C., Goulart, F., Cossu, G., & Muñoz, E. (1999). Patterned 

ballistic movements triggered by a startle in healthy humans. The Journal of 

Physiology, 516(3), 931–938. http://doi.org/10.1111/j.1469‐7793.1999.0931u.x 

Valls‐Solé, J., Valldeoriola, F., Tolosa, E., & Nobbe, F. (1997). Habituation of the 

auditory startle reaction is reduced during preparation for execution of a motor 

task in normal human subjects. Brain Research, 751(1), 155–159. 

http://doi.org/10.1016/S0006‐8993(97)00027‐9 

van den Berg, F. E., Swinnen, S. P., & Wenderoth, N. (2011). Excitability of the motor 

cortex ipsilateral to the moving body side depends on spatio‐temporal task 

complexity and hemispheric specialization. PLoS ONE, 6(3), e17742. 

http://doi.org/10.1371/journal.pone.0017742 

Viviani, P., Perani, D., Grassi, F., Bettinardi, V., & Fazio, F. (1998). Hemispheric 

asymmetries and bimanual asynchrony in left‐ and right‐handers. Experimental 

Brain Research, 120, 531–536. http://doi.org/10.1007/s002210050428 

Volkmann, J., Schnitzler, A., Witte, O. W., & Freund, H.‐J. (1998). Handedness and 

asymmetry of hand representation in human motor cortex. Journal of 

Neurophysiology, 79(4), 2149–2154. 

Wand, M. P. (1997). Data‐based choice of histogram bin width. The American 

Statistician, 51(1), 59–64. http://doi.org/10.1080/00031305.1997.10473591 

Wand, M. P., & Jones, M. C. (1995). Kernel smoothing. London: Chapman & Hall. 

Wardak, C., Ramanoël, S., Guipponi, O., Boulinguez, P., & Ben Hamed, S. B. (2012). 

Proactive inhibitory control varies with task context. European Journal of 

Neuroscience, 36(11), 3568–3579. http://doi.org/10.1111/j.1460‐9568.2012.08264.x 

Wearden, J. H., Norton, R., Martin, S., & Montford‐Bebb, O. (2007). Internal clock 

processes and the filled‐duration illusion. Journal of Experimental Psychology: 

Human Perception and Performance, 33(3), 716–729. http://doi.org/10.1037/0096‐

1523.33.3.716 

Weiss, P., & Jeannerod, M. (1998). Getting a grasp on coordination. Physiology, 13(2), 

70–75. 

Page 128: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

 118   References     

Wenderoth, N., Debaere, F., Sunaert, S., & Swinnen, S. P. (2005). Spatial interference 

during bimanual coordination: Differential brain networks associated with 

control of movement amplitude and direction. Human Brain Mapping, 26(4), 

286–300. http://doi.org/10.1002/hbm.20151 

Wenderoth, N., Puttemans, V., Vangheluwe, S., & Swinnen, S. P. (2003). Bimanual 

training reduces spatial interference. Journal of Motor Behavior, 35, 296–308. 

http://doi.org/10.1080/00222890309602142 

Wilcox, R. R. (2012). Introduction to Robust Estimation and Hypothesis Testing. Academic 

Press. 

Wohlschläger, A., & Koch, R. (2000). Synchronization error: An error in time 

perception. Rhythm Perception and Production, 115–127. 

Wyke, M. (1968). The effect of brain lesions in the performance of an arm‐hand 

precision task. Neuropsychologia, 6(2), 125–134. http://doi.org/10.1016/0028‐

3932(68)90054‐7 

Wyke, M. (1971). The effects of brain lesions on the performance of bilateral arm 

movements. Neuropsychologia, 9(1), 33–42. http://doi.org/10.1016/0028‐

3932(71)90059‐5 

Xivry, J.‐J. O. de, Criscimagna‐Hemminger, S. E., & Shadmehr, R. (2011). Contributions 

of the motor cortex to adaptive control of reaching depend on the perturbation 

schedule. Cerebral Cortex, 21(7), 1475–1484. http://doi.org/10.1093/cercor/bhq192 

Yabe, H., Tervaniemi, M., Sinkkonen, J., Huotilainen, M., Ilmoniemi, R. J., & Näätänen, 

R. (1998). Temporal window of integration of auditory information in the 

human brain. Psychophysiology, 35(5), 615–619. 

http://doi.org/10.1017/S0048577298000183 

Yamanaka, K., Kimura, T., Miyazaki, M., Kawashima, N., Nozaki, D., Nakazawa, K., … 

Yamamoto, Y. (2002). Human cortical activities during Go/NoGo tasks with 

opposite motor control paradigms. Experimental Brain Research, 142(3), 301–307. 

http://doi.org/10.1007/s00221‐001‐0943‐2 

Yazawa, S., Ikeda, A., Kunieda, T., Mima, T., Nagamine, T., Ohara, S., … Shibasaki, H. 

(1998). Human supplementary motor area is active in preparation for both 

voluntary muscle relaxation and contraction: subdural recording of 

Bereitschaftspotential. Neuroscience Letters, 244(3), 145–148. 

http://doi.org/10.1016/S0304‐3940(98)00149‐9 

Page 129: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

    References  119 

Yedimenko, J. A., & Perez, M. A. (2010). The effect of bilateral isometric forces in 

different directions on motor cortical function in humans. Journal of 

Neurophysiology, 104, 2922–2931. http://doi.org/10.1152/jn.00020.2010 

Yeomans, J. S., Li, L., Scott, B. W., & Frankland, P. W. (2002). Tactile, acoustic and 

vestibular systems sum to elicit the startle reflex. Neuroscience & Biobehavioral 

Reviews, 26(1), 1–11. http://doi.org/10.1016/S0149‐7634(01)00057‐4 

Zelaznik, H. N., Hawkins, B., & Kisselburgh, L. (1983). Rapid visual feedback 

processing in single‐aiming movements. Journal of Motor Behavior, 15(3), 217–

236. http://doi.org/10.1080/00222895.1983.10735298 

Ziemann, U., & Hallett, M. (2001). Hemispheric asymmetry of ipsilateral motor cortex 

activation during unimanual motor tasks: further evidence for motor 

dominance. Clinical Neurophysiology, 112, 107–113. 

Ziemann, U., Tergau, F., Netz, J., & Hömberg, V. (1997). Delay in simple reaction time 

after focal transcranial magnetic stimulation of the human brain occurs at the 

final motor output stage. Brain Research, 744(1), 32–40. 

http://doi.org/10.1016/S0006‐8993(96)01062‐1 

Zoghi, M., Pearce, S. L., & Nordstrom, M. A. (2003). Differential modulation of 

intracortical inhibition in human motor cortex during selective activation of an 

intrinsic hand muscle. The Journal of Physiology, 550(Pt 3), 933–946. 

http://doi.org/10.1113/jphysiol.2003.042606 

Page 130: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment
Page 131: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

     

    121 

Appendix 1.  

Supplementary statistics for Experiment 1 

Summary statistics, describing characteristics of the pinch responses recorded in 

Experiment 1 (presented in Chapter 3), are shown below. 

Table 9  Means and standard deviations (in brackets) of pinch rise times in each condition, in 

milliseconds. TMS was either withheld (none) or administered 350 ms, 300 ms, 250 ms, 200 ms, 

or 150 ms before the target pinch onset time. Target forces are expressed as a percentage of MVC. 

TMS 

(ms) 

Left hand rise time (ms)  Right hand rise time (ms) 

10% MVC 

target 

30% MVC 

target 

10% MVC 

target 

30% MVC 

target 

None  128 (17)  167 (21)  141 (22)  185 (20) 

350  129 (18)  168 (25)  142 (22)  182 (25) 

300  126 (15)  164 (24)  138 (20)  186 (25) 

250  124 (16)  167 (25)  144 (19)  179 (24) 

200  126 (20)  164 (23)  140 (23)  180 (25) 

150  126 (17)  167 (24)  140 (20)  183 (24) 

 

Table 10 Means and standard deviations (in brackets) of total pinch durations in each condition, 

in milliseconds. TMS was either withheld (none) or administered 350 ms, 300 ms, 250 ms, 200 ms, 

or 150 ms before the target pinch onset time. Target forces are expressed as a percentage of MVC. 

TMS 

(ms) 

Left hand duration (ms)  Right hand duration (ms) 

10% MVC 

target 

30% MVC 

target 

10% MVC 

target 

30% MVC 

target 

None  378 (57)  514 (52)  441 (75)  618 (63) 

350  384 (56)  523 (54)  449 (79)  611 (75) 

300  380 (53)  516 (49)  446 (71)  621 (63) 

250  372 (59)  517 (54)  456 (57)  605 (68) 

200  374 (54)  510 (62)  446 (65)  610 (69) 

150  374 (55)  515 (55)  452 (74)  610 (65) 

 

Page 132: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

 122   Appendix 1     

Table 11 Means and standard deviations (in brackets) of the coefficient of variation of peak forces 

in  each  condition.  TMS was  either withheld  (none)  or  administered  350 ms,  300 ms,  250 ms, 

200 ms, or 150 ms before the target pinch onset time. Target forces are expressed as a percentage 

of MVC. 

TMS 

(ms) 

Left hand coef. variation  Right hand coef. variation 

10% MVC 

target 

30% MVC 

target 

10% MVC 

target 

30% MVC 

target 

None  0.29 (0.10)  0.24 (0.06)  0.28 (0.07)  0.20 (0.06) 

350  0.28 (0.09)  0.19 (0.05)  0.27 (0.08)  0.23 (0.07) 

300  0.28 (0.09)  0.20 (0.07)  0.28 (0.06)  0.22 (0.05) 

250  0.25 (0.06)  0.23 (0.08)  0.29 (0.08)  0.21 (0.07) 

200  0.26 (0.07)  0.20 (0.06)  0.31 (0.08)  0.21 (0.05) 

150  0.30 (0.09)  0.23 (0.07)  0.26 (0.07)  0.23 (0.06) 

Page 133: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

     

    123 

Appendix 2.  

Supplementary statistics for Experiment 2 

Summary  statistics, describing characteristics of  the pinch  responses  recorded 

Experiment 2 (presented in Chapter 4 and Chapter 5), are shown below. 

 

Table 12 Means and standard deviations (in brackets) of pinch rise times for each condition, in 

milliseconds.  ʺLʺ and  ʺRʺ denote  the  target  force  for  the  left and right hand. Target  forces are 

expressed as a percentage of MVC. 

Response 

condition 

Force 

condition 

(% MVC) 

No TMS  Left M1 TMS  Right M1 TMS 

Left 

hand 

Right 

hand 

Left 

hand 

Right 

hand 

Left 

hand 

Right 

hand 

Unimanual L10 or R10  128 (16)  143 (12)  125 (13)  145 (14)  131 (11)  139 (15) 

L30 or R30  166 (20)  178 (17)  161 (19)  180 (23)  159 (24)  172 (19) 

Bimanual 

Equal 

L10 & R10  129 (12)  139 (14)  123 (13)  144 (18)  130 (17)  132 (15) 

L30 & R30  168 (23)  175 (20)  161 (19)  181 (24)  165 (23)  166 (17) 

Bimanual 

Unequal 

L10 & R30  154 (20)  178 (18)  148 (16)  185 (21)  148 (19)  164 (20) 

L30 & R10  166 (17)  158 (14)  161 (19)  158 (16)  165 (27)  154 (20) 

 

Page 134: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

 124   Appendix 2     

Table 13 Means and standard deviations (in brackets) of peak forces in each condition, expressed 

as a percentage of MVC. ʺLʺ and ʺRʺ denote the target force for the left and right hand. 

Response 

condition 

Force 

condition 

(% MVC) 

No TMS  Left M1 TMS  Right M1 TMS 

Left 

hand 

Right 

hand 

Left 

hand 

Right 

hand 

Left 

hand 

Right 

hand 

Unimanual 

L10 or R10 10.5 

(1.4) 

10.7 

(1.5) 

11.1 

(1.1) 

10.2 

(1.3) 

11.3 

(1.9) 

11.8 

(2.0) 

L30 or R30 26.4 

(3.1) 

26.1 

(2.5) 

27.1 

(2.7) 

25.2 

(5.2) 

26.7 

(4.1) 

26.4 

(4.3) 

Bimanual 

Equal 

L10 & R10 11.0 

(1.7) 

10.3 

(1.2) 

10.9 

(0.8) 

10.0 

(1.5) 

11.7 

(3.6) 

10.8 

(2.7) 

L30 & R30 25.8 

(3.3) 

24.8 

(2.6) 

26.9 

(3.4) 

24.3 

(3.7) 

26.7 

(3.7) 

26.1 

(3.9) 

Bimanual 

Unequal 

L10 & R30 15.3 

(3.9) 

24.9 

(4.8) 

16.0 

(4.2) 

23.6 

(5.7) 

15.3 

(4.8) 

23.6 

(4.5) 

L30 & R10 24.9 

(3.5) 

13.3 

(2.2) 

24.4 

(4.9) 

13.5 

(2.0) 

25.0 

(3.3) 

14.3 

(3.2) 

 

Table 14 Means and standard deviations (in brackets) of the coefficient of variation of peak forces 

in each condition. ʺLʺ and ʺRʺ denote the target force for the left and right hand. Target forces are 

expressed as a percentage of MVC. 

  Force 

condition 

(% MVC) 

No TMS  Left M1 TMS  Right M1 TMS 

Response 

condition 

Left 

hand 

Right 

hand 

Left 

hand 

Right 

hand 

Left 

hand 

Right 

hand 

Unimanual 

L10 or R10 0.28 

(0.07) 

0.28 

(0.07) 

0.21 

(0.05) 

0.24 

(0.09) 

0.28 

(0.11) 

0.25 

(0.08) 

L30 or R30 0.20 

(0.04) 

0.20 

(0.04) 

0.22 

(0.07) 

0.21 

(0.08) 

0.23 

(0.07) 

0.21 

(0.07) 

Bimanual 

Equal 

L10 & R10 0.24 

(0.06) 

0.23 

(0.04) 

0.24 

(0.07) 

0.29 

(0.10) 

0.26 

(0.06) 

0.22 

(0.06) 

L30 & R30 0.20 

(0.04) 

0.20 

(0.05) 

0.18 

(0.05) 

0.19 

(0.05) 

0.20 

(0.06) 

0.18 

(0.05) 

Bimanual 

Unequal 

L10 & R30 0.28 

(0.08) 

0.24 

(0.06) 

0.27 

(0.09) 

0.28 

(0.09) 

0.27 

(0.11) 

0.24 

(0.10) 

L30 & R10 0.22 

(0.05) 

0.29 

(0.08) 

0.21 

(0.07) 

0.26 

(0.08) 

0.22 

(0.06) 

0.23 

(0.09) 

 

Page 135: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

     

    125 

Appendix 3.  

Supplementary statistics for Experiment 3 

Summary  statistics, describing characteristics of  the pinch  responses  recorded 

Experiment 3 (presented in Chapter 6), are shown below. 

Table 15 Means and standard deviations (in brackets) of pinch rise times in each condition, in 

milliseconds. Target forces are expressed as a percentage of MVC. 

TMS Target force

(% MVC) 

Left hand 

rise time (ms) 

Right hand 

rise time (ms) 

None 10  121 (21)  122 (24) 

30  173 (23)  178 (31) 

M1 10  119 (22)  119 (25) 

30  171 (27)  179 (35) 

Occipital 10  119 (26)  121 (24) 

30  175 (26)  180 (35) 

 

Table 16 Means and standard deviations (in brackets) of total pinch durations in each condition, 

in milliseconds. Target forces are expressed as a percentage of MVC. 

TMS Target force

(% MVC) 

Left hand 

duration (ms) 

Right hand 

duration (ms) 

None 10  323 (52)  351 (67) 

30  494 (51)  544 (56) 

M1 10  326 (51)  348 (74) 

30  498 (62)  554 (71) 

Occipital 10  326 (60)  358 (70) 

30  501 (50)  546 (62) 

Page 136: James E. - UWA Research Repository · james e. stewart, bsc. (hons) school of psychology 2015 this thesis is presented for the degree of doctor of philosophy and partial fulfilment

 126   Appendix 3     

Table 17 Means  and  standard deviations  (in  brackets)  of peak  forces  in  each  condition,  as  a 

percentage of MVC. 

TMS Target force 

(% MVC) 

Left hand 

force (% MVC) 

Right hand 

force (% MVC) 

None 10  9.1 (3.2)  8.2 (3.0) 

30  22.6 (6.6)  21.0 (6.4) 

M1 10  9.6 (3.1)  8.2 (3.1) 

30  22.9 (6.9)  21.2 (6.2) 

Occipital 10  9.6 (3.4)  8.8 (3.0) 

30  24.1 (6.5)  22.0 (7.8) 

 

Table 18 Means and  standard deviations  (in brackets) of  the  coefficients of variation of peak 

forces in each condition. Target forces are expressed as a percentage of MVC. 

TMS Target force

(% MVC) 

Left hand 

coef. variation 

Right hand 

coef. variation 

None 10  0.29 (0.05)  0.28 (0.06) 

30  0.22 (0.06)  0.20 (0.05) 

M1 10  0.26 (0.07)  0.31 (0.06) 

30  0.23 (0.07)  0.22 (0.06) 

Occipital 10  0.28 (0.06)  0.28 (0.08) 

30  0.19 (0.05)  0.20 (0.07)