The authors investigated the idea that memory systems might have evolved to help us remember fitness-relevant information--specifically, information relevant to survival. In 4 incidental learning experiments, people were asked to rate common nouns for their survival relevance (e.g., in securing food, water, or protection from predators); in control conditions, the same words were rated for pleasantness, relevance to moving to a foreign land, or personal relevance. In surprise retention tests, participants consistently showed the best memory when words were rated for survival; the survival advantage held across recall, recognition, and for both within-subject and between-subjects designs. These findings suggest that memory systems are "tuned" to remember information that is processed for fitness, perhaps as a result of survival advantages accrued in the past.

Abstract Individual differences in visual working memory capacity are related to slow-wave event-related potentials (ERPs) and suppression of alpha-band oscillatory power measured during the delay period of memory tasks using electroencephalography (EEG). However, recent evidence suggests that changes in the non-oscillatory, aperiodic features of the EEG signal may also contribute to working memory performance. We assessed several features of task-related changes in aperiodic activity including the spatial distribution, the effect of memory load, and the relationship between memory capacity, slow-wave ERPs, and alpha suppression. Eighty-four healthy individuals performed a continuous recall working memory task consisting of 2, 4 or 6 coloured squares while EEG was recorded. Aperiodic activity during a baseline and delay period was quantified by fitting a model to the background of the EEG power spectra using the FOOOF toolbox, which returned parameters describing the slope (exponent) and broadband offset of the spectra. The aperiodic exponent decreased (i.e., slope flattened) over lateral parieto-occipital electrodes but increased (i.e., slope steepened) over fronto-central electrodes during the delay period, whereas the offset decreased over parieto-occipital electrodes. These task-related changes in aperiodic activity were not altered by memory load. Larger increases in the aperiodic exponent were associated with higher working memory capacity measured from both the EEG task and a separate battery of complex span tasks, and this relationship was independent of slow-wave ERPs and alpha suppression. Our findings suggest that task-related changes in aperiodic activity during working memory are region specific and reflect an independent neural mechanism important for general working memory ability.

Abstract Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive brain stimulation technique with the capacity to modulate brain network connectivity and cognitive function. Recent studies have demonstrated long-lasting improvements in associative memory and resting-state connectivity following multi-day repetitive TMS (rTMS) to individualised parietal-hippocampal networks. We aimed to assess the reproducibility and network- and cognitive-specificity of these effects following multi-day rTMS. Participants received four days of 20 Hz rTMS to a subject-specific region of left lateral parietal cortex exhibiting peak functional connectivity to the left hippocampus. In a separate week, the same stimulation protocol was applied to a subject-specific region of pre-supplementary motor area (pre-SMA) exhibiting peak functional connectivity to the left putamen. We assessed changes to associative memory before and after each week of stimulation (N = 39), and changes to resting-state functional connectivity before and after stimulation in week one (N = 36). We found no evidence of long-lasting enhancement of associative memory or increased parieto-hippocampal connectivity following multi-day rTMS to the parietal cortex, nor increased pre-SMA-putamen connectivity following multi-day rTMS to pre-SMA. Instead, we observed some evidence of site-specific modulations of functional connectivity lasting ∼24 hours, with reduced connectivity within targeted networks and increased connectivity across distinct non-targeted networks. Our findings suggest a complex interplay between multi-day rTMS and network connectivity. Further work is required to develop reliable rTMS paradigms for driving changes in functional connectivity between cortical and subcortical regions.

Abstract Continuous theta burst stimulation (cTBS) is thought to reduce cortical excitability and modulate functional connectivity, possibly by altering cortical inhibition at the site of stimulation. However, most evidence comes from the motor cortex and it remains unclear whether similar effects occur following stimulation over other brain regions. We assessed whether cTBS over left dorsolateral prefrontal cortex altered gamma aminobutyric acid (GABA) concentration, functional connectivity and brain dynamics at rest, and brain activation and memory performance during a working memory task. Seventeen healthy individuals participated in a randomised, sham-controlled, cross-over experiment. Before and after either real or sham cTBS, magnetic resonance spectroscopy was obtained at rest to measure GABA concentrations. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) was also recorded at rest and during an n-back working memory task to measure functional connectivity, regional brain activity (low-frequency fluctuations), and task-related patterns of brain activity. We could not find evidence for changes in GABA concentration ( P =0.66, Bayes factor [BF 10 ]=0.07), resting-state functional connectivity ( P (FWE) >0.05), resting-state low-frequency fluctuations ( P =0.88, BF 10 =0.04), blood-oxygen level dependent activity during the n-back task ( P (FWE) >0.05), or working memory performance ( P =0.13, BF 10 =0.05) following real or sham cTBS. Our findings add to a growing body of literature suggesting the effects of cTBS are highly variable between individuals and question the notion that cTBS is a universal ‘inhibitory’ paradigm.

Abstract Working memory (WM) refers to the capacity to temporarily retain and manipulate finite amounts of information; a critical process in complex behaviours such as reasoning, comprehension, and learning. This cognitive function is supported by a parietal-prefrontal network and linked to the activity of key neurotransmitters, such as gamma-aminobutyric acid (GABA). Impairments in WM are seen in a range of psychiatric and neurological disorders, and there are currently no effective treatments. In this study, we analysed secondary outcome measures from a trial investigating the effects of multi-day rTMS on cognition. Participants received four days of 20 Hz rTMS to an individualised region of left parietal cortex in one week, and an individualised region of pre-supplementary motor area (pre-SMA) in a separate week. We assessed changes to WM function before and after each week of stimulation (N = 39), and changes to GABA concentration before and after stimulation in week one using MR spectroscopy (N = 18 per stimulation condition). We hypothesised that parietal rTMS would enhance WM and alter GABA concentration at the site of stimulation, but this was not observed. Instead, we report some evidence of improved WM function following the first week of pre-SMA rTMS stimulation, and a generalised increase in GABA concentration across both parietal and pre-SMA voxels following pre-SMA rTMS. Additionally, we found that higher cardiorespiratory fitness was associated with greater WM improvement following pre-SMA stimulation. This study does not support the use of parietal multi-day rTMS for the enhancement of working memory. In contrast, the results suggest that increasing cardiorespiratory fitness may provide a novel approach to enhance the effects of pre-SMA rTMS on cognition.

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.