Abstract The ability to stop simple ongoing actions has been extensively studied using the stop signal task, but less is known about inhibition in more complex scenarios. Here we used a task requiring bimanual responses to go stimuli, but selective inhibition of only one of those responses following a stop signal. We assessed how proactive cues affect the nature of both the responding and stopping processes, and the well-documented “stopping delay” in the continuing action following successful stopping. In this task, estimates of the speed of inhibition based on a simple-stopping model are inappropriate, and have produced inconsistent findings about the effects of proactive control on motor inhibition. We instead used a multi-modal approach, based on improved methods of detecting and interpreting partial electromyographical (EMG) responses and the recently proposed SIS ( simultaneously inhibit and start ) model of selective stopping behaviour. Our results provide clear and converging evidence that proactive cues reduce the stopping delay effect by slowing bimanual responses and speeding unimanual responses, with a negligible effect on the speed of the stopping process.

Abstract A growing body of research suggests that changes in both structural and functional connectivity in the aging brain contribute to declines in cognitive functions such as response inhibition. In recent years, transcranial alternating current stimulation (tACS) has garnered substantial research interest as a potential tool for the modulation of functional connectivity. Here, we report the findings from a double-blind crossover study that investigated the effects of dual-site beta tACS over the right inferior frontal gyrus (rIFG) and pre-supplementary motor area (preSMA) on functional connectivity measured with electroencephalography and response inhibition (stop-signal task performance) of healthy young ( n = 18, aged 18-34 years) and older ( n =15, aged 61-79 years) adults. Two tACS conditions were administered in separate sessions: in-phase tACS, where electrical currents delivered to the rIFG and preSMA had a 0° phase difference, and anti-phase tACS, where currents had a 180° phase difference. Stop-signal task performance was assessed before and after tACS. We found significant improvements in response inhibition that were not due to the phase of the tACS applied. There were also no significant changes in rIFG-preSMA phase connectivity in either age group from in- or anti-phase tACS. Furthermore, we did not observe significant differences in rIFG-preSMA phase connectivity between successful and unsuccessful inhibition, which suggests that rIFG-preSMA phase-coupling might not underlie effective response inhibition. The results offer insight into the neurophysiology of response inhibition and contribute to the future development of non-pharmacological interventions aimed at alleviating age-related declines in cognitive function.

Abstract The ability to inhibit movements is an essential component of a healthy executive control system. Two distinct but commonly used tasks to assess motor inhibition are the stop signal task (SST) and the anticipated response inhibition (ARI) task. The SST and ARI tasks are similar in that they both require cancelation of a prepotent movement; however, the SST involves cancelation of a speeded reaction to a temporally unpredictable signal, while the ARI task involves cancelation of an anticipated response that the participant has prepared to enact at a wholly predictable time. 33 participants (mean age = 33.3 years, range = 18-55 years) completed variants of the SST and ARI task. In each task, the majority of trials required bimanual button presses, while on a subset of trials a stop signal indicated that one of the presses should be cancelled (i.e., motor selective inhibition). Additional variants of the tasks also included trials featuring signals which were to be ignored, allowing for insights into the attentional component of the inhibitory response. Electromyographic (EMG) recordings allowed detailed comparison of the characteristics of voluntary action and cancellation. The speed of the inhibitory process was not influenced by whether the enacted movement was reactive (SST) or anticipated (ARI task). However, the ongoing (non-cancelled) component of anticipated movements was more efficient than reactive movements, as a result of faster action reprogramming (i.e., faster ongoing actions following successful selective inhibition). Older age was associated with both slower inhibition and slower action reprogramming across all reactive and anticipated tasks.

Abstract Monetary rewards and punishments enhance motor performance and are associated with corticospinal excitability (CSE) increases within the motor cortex (M1) during movement preparation. However, such CSE changes have unclear origins; they could stem from increased glutamatergic (GLUTergic) facilitation and/or decreased type A gamma-aminobutyric acid (GABA A )-mediated inhibition within M1. To investigate this, paired-pulse transcranial magnetic stimulation was used to assess GLUTergic facilitation and GABA A inhibition within M1 whilst participants prepared to execute 4-element finger-press sequences. Behaviourally, rewards and punishments enhanced both reaction and movement times. Neurochemically, regardless of rewards or punishments, a digit- specific increase in GLUTergic facilitation and digit- unspecific decrease in GABA A inhibition occurred during preparation as movement onset approached. In parallel, both rewards and punishments non-specifically increased GLUTergic facilitation, but only rewards non-specifically decreased GABA A inhibition during preparation. This suggests that, to enhance performance, rewards both increase GLUTergic facilitation and decrease GABA A inhibition whilst punishments selectively increase GLUTergic facilitation. A control experiment revealed that such changes were not observed post-movement as participants processed reward and punishment feedback, indicating they were selective to movement preparation. Collectively, these results map the neurochemical changes in M1 by which incentives enhance motor performance.

Abstract Past research has found that the speed of the action cancellation process is influenced by the sensory modality/modalities of the environmental change that triggers it. However, the effect on selective stopping processes (where participants must cancel only one component of a multi-component movement) remains unknown, despite these complex movements often being required as we navigate our busy modern world. Thirty healthy adults (mean age = 31.1 years, SD = 10.5) completed five response-selective stop signal tasks featuring different combinations of “go signal” modality (the environmental change baring an imperative to initiate movement; auditory or visual) and “stop signal” modality (the environmental change indicating that action cancellation is required; auditory, visual, or audiovisual). Electromyographical (EMG) recordings of effector muscles allowed detailed comparison of the characteristics of voluntary action and cancellation between tasks. Behavioural and physiological measures of stopping speed demonstrated that the modality of the go signal influenced how quickly participants cancelled movement in response to the stop signal: stopping was faster in two cross-modal experimental conditions (auditory go - visual stop; visual go - auditory stop), than in two conditions using the same modality for both signals. A separate condition testing for multisensory facilitation revealed that stopping was fastest when the stop signal consisted of a combined audiovisual stimulus, compared to all other go-stop stimulus combinations. These findings provide novel evidence regarding the role of attentional networks in action cancellation and suggest modality specific cognitive resources influence the latency of the stopping process.

Abstract Background The efficacy of transcranial alternating current stimulation (tACS) is thought to be brain state-dependent, such that tACS during task performance would be hypothesised to offer greater potential for inducing beneficial electrophysiological changes in the brain and associated behavioural improvement compared to tACS at rest. However, to date, no empirical study has directly tested this postulation. Objective Here we compared the effects of tACS applied during a stop signal task (online) to the effects of the same tACS protocol applied prior to the task (offline) and a sham control stimulation. Methods A total of 53 young, healthy adults (32 female; 18-35 yrs) received dual-site beta tACS over the right inferior frontal gyrus (rIFG) and pre-supplementary motor area (preSMA), which are thought to play critical roles in action cancellation, with phase-synchronised stimulation for 15 min with the aim of increasing functional connectivity. Results EEG connectivity analysis revealed significantly increased task-related functional connectivity following online but not offline tACS. Correlation analyses suggested that an increase in functional connectivity in the beta band at rest following online tACS was associated with an improvement in response inhibition. Interestingly, despite the lack of changes in functional connectivity at the target frequency range following offline tACS, significant improvements in response inhibition were still observed, suggesting offline tACS may still be efficacious in inducing behavioural changes, likely via a post-stimulation early plasticity mechanism. Conclusion Overall, the results indicate that online and offline dual-site beta tACS are beneficial in improving inhibitory control via distinct underlying mechanisms.

Abstract Background Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is a non-invasive tool commonly used to drive neural plasticity in the young adult and aged brain. Recent data from mouse models have shown that even at subthreshold intensities (0.12 Tesla), rTMS can drive neuronal and glial plasticity in the motor cortex. However, the physiological mechanisms underlying subthreshold rTMS induced plasticity and whether these are altered with normal ageing are unclear. Objective To assess the effect of subthreshold rTMS, using the intermittent theta burst stimulation (iTBS) protocol on structural synaptic plasticity in the mouse motor cortex of young and aged mice. Methods Longitudinal in vivo 2-photon microscopy was used to measure changes to the structural plasticity of pyramidal neuron dendritic spines in the motor cortex following a single train of subthreshold rTMS (in young adult and aged animals) or the same rTMS train administered on 4 consecutive days (in young adult animals only). Data were analysed with Bayesian hierarchical generalized linear regression models and interpreted with the aid of Bayes Factors (BF). Results We found strong evidence (BF>10) that subthreshold rTMS altered the rate of dendritic spine losses and gains, dependent on the number of stimulation sessions and that a single session of subthreshold rTMS was effective in driving structural synaptic plasticity in both young adult and aged mice. Conclusion These findings provide further evidence that rTMS drives synaptic plasticity in the brain and uncovers structural synaptic plasticity as a key mechanism of subthreshold rTMS induced plasticity.

The ability to inhibit movements is an essential component of a healthy executive control system. Two distinct but commonly used tasks to assess motor inhibition are the stop signal task (SST) and the anticipated response inhibition (ARI) task. The SST and ARI tasks are similar in that they both require cancelation of a prepotent movement; however, the SST involves cancelation of a speeded reaction to a temporally unpredictable signal, while the ARI task involves cancelation of an anticipated response that the participant has prepared to enact at a wholly predictable time. 33 participants (mean age = 33.3 years, range = 18-55 years) completed variants of the SST and ARI task. In each task, the majority of trials required bimanual button presses, while on a subset of trials a stop signal indicated that one of the presses should be cancelled (i.e., motor selective inhibition). Additional variants of the tasks also included trials featuring signals which were to be ignored, allowing for insights into the attentional component of the inhibitory response. Electromyographic (EMG) recordings allowed detailed comparison of the characteristics of voluntary action and cancellation. The speed of the inhibitory process was not influenced by whether the enacted movement was reactive (SST) or anticipated (ARI task). However, the ongoing (non-cancelled) component of anticipated movements was more efficient than reactive movements, as a result of faster action reprogramming (i.e., faster ongoing actions following successful motor selective inhibition). Older age was associated with both slower inhibition and slower action reprogramming across all reactive and anticipated tasks.

Motor sequence learning gradually quickens reaction time, suggesting that sequence learning alters motor preparation processes. Interestingly, evidence has shown that preparing sequence movements decreases short intracortical inhibition (SICI) in the contralateral motor cortex (M1), but also that sequence learning alters motor preparation processes in both the contralateral and ipsilateral M1s. Therefore, one possibility is that sequence learning alters the SICI decreases occurring during motor preparation in bilateral M1s. To examine this, two novel hypotheses were tested: unilateral sequence preparation would decrease SICI in bilateral M1s, and sequence learning would alter such bilateral SICI responses. Paired-pulse transcranial magnetic stimulation was delivered over the contralateral and ipsilateral M1s to assess SICI in an index finger muscle during the preparation of sequences initiated by either the right index or little finger. In the absence of sequence learning, SICI decreased in both the contralateral and ipsilateral M1s during the preparation of sequences initiated by the right index finger, suggesting that SICI decreases in bilateral M1s during unilateral motor preparation. As sequence learning progressed, SICI decreased in the contralateral M1 whilst it increased in the ipsilateral M1. Moreover, these bilateral SICI responses were observed at the onset of motor preparation, suggesting that sequence learning altered baseline SICI levels rather than the SICI decreases occurring during motor preparation per se. Altogether, these results suggest that SICI responses in bilateral M1s reflect two motor processes: an acute decrease of inhibition during motor preparation, and a cooperative but bidirectional shift of baseline inhibition levels as sequence learning progresses.

ABSTRACT Inhibiting ongoing responses when environmental demands change is a critical component of human motor control. Experimentally, the stop signal task (SST) represents the gold standard response inhibition paradigm. However, an emerging body of evidence suggests that the SST conflates two dissociable sources of inhibition, namely an involuntarily pause associated with attentional capture and the (subsequent) voluntary cancellation of action. The extent to which these processes also occur in other response tasks is unknown. 24 younger (20-35 years) and 23 older (60-85 years) adults completed a series of tasks involving rapid unimanual or bimanual responses to a visual stimulus. A subset of trials required cancellation of one component of an initial bimanual response (i.e., selective stop task; stop left response, continue with right response) or enacting an additional response (e.g., press left button as well as right button). Critically, both tasks involved some infrequent stimuli which bore no behavioural imperative (i.e., they had to be ignored). EMG recordings of voluntary responses during the stopping tasks revealed bimanual covert responses (i.e., muscle activation which was suppressed before a button press ensued), consistent with a pause process, following both stop and ignore stimuli, before the required response was subsequently enacted. Critically, we also observed the behavioural consequences of a similar involuntary pause in trials where action cancellation was not part of the response set (i.e., when the additional stimulus required additional action or ignoring, but not inhibition). The findings shed new light on the mechanisms of inhibition and their generalisability to other task contexts.