Abstract Previous research using electroencephalography (EEG) and magnetoencephalography (MEG) has shown that neural oscillatory activity within the alpha band (8-12 Hz) becomes slower and lower in amplitude with advanced age. However, most studies have focused on quantifying age-related differences in periodic oscillatory activity with little consideration of the influence of aperiodic activity on these measures. The aim of this study was to investigate age differences in aperiodic activity inherent in the resting EEG signal. We assessed aperiodic activity in 85 healthy younger adults (mean age: 22.2 years, SD: 3.9, age range: 18–35, 37 male) and 92 healthy older adults (mean age: 66.1 years, SD: 8.2, age range 50–86, 53 male) by fitting the 1/f-like background activity evident in EEG power spectra using the fitting oscillations & one over f (FOOOF) toolbox. Across the scalp, the aperiodic exponent and offset were smaller in older compared to younger participants, reflecting a flatter 1/f-like slope and a downward broadband shift in the power spectra with age. Before correcting for aperiodic activity, older adults showed slower peak alpha frequency and reduced peak alpha power relative to younger adults. After correcting for aperiodic activity, peak alpha frequency remained slower in older adults; however, peak alpha power no longer differed statistically between age groups. The large sample size utilized in this study, as well as the depth of analysis, provides further evidence that the aperiodic component of the resting EEG signal is altered with aging and should be considered when investigating neural oscillatory activity.

Abstract As working memory (WM) is limited in capacity, it is important to direct neural resources towards processing task-relevant information while ignoring distractors. Neural oscillations in the alpha frequency band (8-12 Hz) have been suggested to play a role in the inhibition of task-irrelevant information during WM, although results are mixed, possibly due to differences in the type of WM task employed. Here, we examined the role of alpha power in inhibition of anticipated distractors of varying strength using a modified Sternberg task where the encoding and retention periods were temporally separated. We recorded EEG while 20 young adults completed the task and found: 1) slower reaction times in strong distractor trials compared to weak distractor trials; 2) increased alpha power in posterior regions from baseline prior to presentation of a distractor regardless of condition; and 3) no differences in alpha power between strong and weak distractor conditions. Our results suggest that parieto-occipital alpha power is increased prior to a distractor. However we could not find evidence that alpha power is further modulated by distractor strength.

Abstract The late indirect (I) waves recruited by transcranial magnetic stimulation (TMS) over primary motor cortex (M1) can be modulated using I-wave periodicity repetitive TMS (iTMS). The purpose of this study was to determine if the response to iTMS is influenced by different interstimulus intervals (ISIs) targeting late I-waves, and whether these responses were associated with individual variations in intracortical excitability. 17 young (27.2 ± 6.4 years, 12 females) healthy adults received iTMS at late I-wave intervals (4.0, 4.5 & 5.0 ms) in three separate sessions. Changes due to each intervention were examined with motor evoked potential (MEP) amplitudes and short-interval intracortical facilitation (SICF) using both posterior-anterior (PA) and anterior-posterior (AP) TMS current directions. Changes in MEP amplitude and SICF were influenced by iTMS ISI, with the greatest facilitation for ISIs at 4 and 5 ms with PA TMS, and 4 ms with AP TMS. Maximum SICF at baseline (irrespective of ISI) was associated with increased iTMS response, but only for PA stimulation. These results suggest that modifying iTMS parameters targeting late I-waves can influence M1 plasticity. They also suggest that maximum SICF may be a means by which responders to iTMS targeting the late I-waves could be identified.

Abstract Objectives Repetitive paired-pulse transcranial magnetic stimulation (iTMS) at indirect (I) wave intervals increases motor-evoked potentials (MEPs) produced by TMS to primary motor cortex (M1). However, the effects of iTMS at early and late intervals on the plasticity of specific I-wave circuits remains unclear. The current study therefore aimed to assess how the timing of iTMS influences intracortical excitability within early and late I-wave circuits. To investigate the cortical effects of iTMS more directly, changes due to the intervention were also assessed using combined TMS-electroencephalography (EEG). Material and Methods Eighteen young adults (24.6 ± 4.2 years) participated in four sessions in which iTMS targeting early (1.5 ms interval; iTMS 1.5 ) or late (4.0 ms interval; iTMS 4.0 ) I-waves was applied over M1. Neuroplasticity was assessed using both posterior-to-anterior (PA) and anterior-to-posterior (AP) stimulus directions to record MEPs and TEPs before and after iTMS. SICF at inter-stimulus intervals of 1.5 and 4.0 ms was also used to index I-wave activity. Results MEP amplitude was increased after iTMS ( P < 0.01) and this was greater for PA responses ( P < 0.01), but not different between iTMS intervals ( P = 0.9). Irrespective of iTMS interval and coil current, SICF was facilitated after the intervention ( P < 0.01). While the N45 produced by AP stimulation was reduced by iTMS 1.5 ( P = 0.04), no other changes in TEP amplitude were observed. Conclusion The timing of iTMS failed to influence which I-wave circuits were potentiated by the intervention. In contrast, reductions in the N45 suggest that the neuroplastic effects of iTMS may include disinhibition of intracortical inhibitory processes.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) results in a series of evoked potentials (TEPs) in electroencephalography (EEG) recordings. However, it remains unclear whether these responses reflect neural activity resulting from transcranial stimulation of the cortex, or from the sensory experiences of TMS. Across three experiments (total n = 135), we recorded EEG activity following TMS to the dorsolateral prefrontal cortex, premotor cortex, and parietal cortex as well as a sensory control condition (stimulation of the shoulder or electrical stimulation of the scalp with a click sound). We found that TEPs showed a stereotypical frontocentral N100/P200 complex following TMS of all cortical sites and control conditions, regardless of TMS intensity or the type of sensory control. In contrast, earlier TEPs (<60 ms) showed site-specific characteristics which were largest at the site of stimulation. Self-reported sensory experiences differed across sites, with prefrontal stimulation resulting in stronger auditory (click sound perception) and somatosensory input (scalp muscle twitch, discomfort) than premotor or parietal stimulation, a pattern that was reflected in the amplitude of later (N100/P200), but not earlier (<60 ms) TEP peak amplitudes. Later TEPs were also larger in individuals who experienced stronger click sound perception and, to a lesser extent, TMS-evoked scalp muscle twitches. Increasing click sound perception by removing auditory masking increased N100/P200 amplitudes without altering earlier peaks, an effect which was more prominent at sites with more successful masking. Together, these findings suggest that the frontocentral N100/P200 complex represents a generalised sensory response resulting from TMS-related auditory and somatosensory input. In contrast, early TEP peaks likely reflect activity resulting from transcranial stimulation of the cortex. The results have important implications for designing and interpreting TEP studies, especially when comparing TEPs between stimulation sites and participant groups showing differences in sensory experiences following TMS.

Abstract While previous research using transcranial magnetic stimulation (TMS) suggest that cerebellum (CB) influences the neuroplastic response of primary motor cortex (M1), the role of different indirect (I) wave inputs in M1 mediating this interaction remains unclear. The aim of this study was therefore to assess how CB influences neuroplasticity of early and late I-wave circuits. 22 young adults (22 ± 2.7 years) participated in 3 sessions in which I-wave periodicity repetitive transcranial magnetic stimulation (iTMS) was applied over M1 during concurrent application of cathodal transcranial direct current stimulation over CB (tDCS CB ). In each session, iTMS either targeted early I-waves (1.5 ms interval; iTMS 1.5 ), late I-waves (4.5 ms interval; iTMS 4.5 ), or had no effect (variable interval; iTMS Sham ). Changes due to the intervention were examined with motor evoked potential (MEP) amplitude using TMS protocols measuring corticospinal excitability (MEP 1mV ) and the strength of CB-M1 connections (CBI). In addition, we indexed I-wave activity using short-interval intracortical facilitation (SICF) and low-intensity single-pulse TMS applied with posterior-anterior (MEP PA ) and anterior-posterior (MEP AP ) current directions. Following both active iTMS sessions, there was no change in MEP 1mV , CBI or SICF (all P > 0.05), suggesting that tDCS CB broadly disrupted the excitatory response that is normally seen following iTMS. However, although MEP AP also failed to facilitate after the intervention ( P > 0.05), MEP PA potentiated following both active iTMS sessions (both P < 0.05). This differential response between current directions suggests that the disruptive effects of CB modulation on M1 plasticity may be selectively mediated by AP-sensitive circuits (also likely recruited with MEP 1mV , CBI, and SICF).

High activity of upper airway dilator muscles is thought to be critical in preventing sleep-related upper airway collapse. To date, most of the research regarding upper airway dilator muscles has focused on the genioglossus muscle, which protrudes the tongue and opens the retroglossal airway. However, collapse commonly occurs in the retropalatal region. We therefore aimed to examine the motor control of the palatoglossus muscle as well as investigate breathing route-related changes in genioglossus and palatoglossus motor units. Single motor unit recordings of the genioglossus and palatoglossus were made simultaneously in healthy individuals during wakefulness while breathing through the nose with the mouth closed (NMC), nose with mouth open (NMO) or orally (OMO). The palatoglossus was found to have all 5 motor unit firing patterns that have been observed in other upper airway dilator muscles, but during nasal breathing had a higher proportion of tonically active but inspiratory modulated motor units as compared to the genioglossus (67% vs 30%). When still breathing nasally but with the mouth open, the units with an expiratory firing pattern in genioglossus, and all firing patterns in palatoglossal, increased their firing rates compared to nasal breathing with the mouth closed (GG: 17.8±4.9 vs 23.1±4.8 Hz, PG: 17.0±4.0 vs 19.3±4.0 Hz). Finally, oral breathing resulted in dramatic reductions in the number of palatoglossal motor units that were firing (35 units vs 92 during nasal breathing). Palatoglossus activity may contribute importantly to airway collapsibility and may provide an alternate pathway for preventing sleep-related airway collapse.

Abstract As visual working memory (WM) is limited in capacity, it is important to direct neural resources towards task-relevant information and away from task-irrelevant information. Neural oscillations in the alpha frequency band (8-12 Hz) have been suggested to play a role in the inhibition of distracting information during WM retention in younger adults, but it is unclear if alpha power modulation also supports distractor inhibition in older adults. Here, we recorded electroencephalography (EEG) while 24 younger (aged 18-35) and 24 older (aged 60-86) adults completed a modified delay match-to-sample task in which distractors of varying strength appeared during the retention period. We found: (1) strong distractors impaired WM performance compared with weak and no distractors in both age groups, but there were no age-differences in WM performance; (2) while younger adults demonstrated significant increases in alpha power prior to the onset of the distractor in all conditions, decreases in alpha power were seen in all distractor conditions in older adults; (3) there was no difference in alpha power between the strong and no distractor conditions; and (4) alpha power in anticipation of the distractor was only associated with task performance in younger adults. Our results suggest that younger adults, but not older adults, modulate alpha power in anticipation of distractors during the visual WM retention period.

The communication between dorsal premotor cortex (PMd) and primary motor cortex (M1) is important for visuomotor adaptation, but it is unclear how this relationship changes with advancing age. The present study recruited 21 young and 23 older participants for two experimental sessions during which intermittent theta burst stimulation (iTBS) or sham was applied over PMd. We assessed the effects of PMd iTBS on M1 excitability using motor evoked potentials (MEP) recorded from right first dorsal interosseous when single-pulse transcranial magnetic stimulation (TMS) was applied with posterior-anterior (PA) or anterior-posterior (AP) currents; and adaptation by quantifying error recorded during a visuomotor adaptation task (VAT). PMd iTBS potentiated PA (P < 0.0001) and AP (P < 0.0001) MEP amplitude in both young and older adults. PMd iTBS increased error in young adults during adaptation (P = 0.026), but had no effect in older adults (P = 0.388). Although PMd iTBS potentiated M1 excitability in both young and older adults, the intervention attenuated visuomotor adaptation specifically in young adults.

Abstract Objectives I-wave periodicity repetitive paired-pulse transcranial magnetic stimulation (iTMS) can modify acquisition of a novel motor skill, but the associated neurophysiological effects remain unclear. The current study therefore used combined TMS-electroencephalography (TMS-EEG) to investigate the neurophysiological effects of iTMS on subsequent visuomotor training (VT). Methods Sixteen young adults (26.1 ± 5.1 years) participated in three sessions including real iTMS and VT (iTMS + VT), control iTMS and VT (iTMS sham + VT), or iTMS alone. Motor-evoked potentials (MEPs) and TMS-evoked potentials (TEPs) were measured before and after iTMS, and again after VT, to assess neuroplastic changes. Results Irrespective of the intervention, MEP amplitude was not changed after iTMS or VT ( P = 0.211). Motor skill was improved compared with baseline ( P < 0.001), but no differences were found between stimulus conditions. In contrast, the P30 peak was altered by VT when preceded by sham iTMS ( P < 0.05), but this effect was not apparent when VT was preceded by iTMS or following iTMS alone (all P > 0.15). Conclusion In contrast to expectations, iTMS was unable to modulate MEP amplitude or influence motor learning. Despite this, changes in P30 amplitude suggested that motor learning was associated with altered cortical reactivity. Furthermore, this effect was abolished by priming with iTMS, suggesting an influence of priming that failed to impact learning. Authorship statements Conceptualization: JGS; Data curation: RS, BJH, and WL; Formal analysis: RS; Funding acquisition: RS; Investigation: RS, BJH, and WL; Methodology: RS, GMO, BJH and JGS; Project administration: GMO and JGS; Supervision: GMO and JGS; Roles/Writing - original draft: RS and GMO; Writing - review & editing: BJH, WL, and JGS.