Abstract Background and Aim Previous studies suggested adherence to recently developed Mediterranean-DASH Intervention for Neurodegenerative Delay (MIND) associated with cognitive performance. There was no prior Randomized controlled Trial (RCT) to investigate this association. This study aimed to examine the effect of MIND dietary pattern on features of cognitive performance and also changes in brain structure in healthy obese women. Methods As a total of 50 obese women assessed for eligibility, we randomly allocated 40 participants with mean BMI 32 ± 4.31 and mean age 48 ± 5.38 years to either calorie-restricted modified MIND diet or a calorie-restricted standard control diet. Change in cognitive performance was the primary outcome measured with a comprehensive neuropsychological test battery. We also performed voxel-based morphometry as a secondary outcome to quantify the differences in brain structure. All of the measurements administered at baseline and three months follow up. Results Thirty-seven participants (MIND group=22 and control group=15) completed the study. The results found in the MIND diet group working memory +1.37 (95% CI: 0.79,1.95), verbal recognition memory +4.85 (95% CI: 3.30,6.40), and attention +3.75 (95% CI: 2.43,5.07) improved more compared with the control group ( ps < 0.05). Results of brain MRI consists of an increase in surface area of inferior frontal gyrus in the MIND diet group. Furthermore, the results showed a decrease in the cerebellum-white matter and cerebellum-cortex in two groups of study. Still, the effect in the MIND group was greater than the control group. Conclusions The study findings declare for the first time that the MIND diet intervention can reverse the destructive effects of obesity on cognition and brain structure, which could be strengthened by a modest calorie restriction.

Summary It is recently shown that objects with long-term reward associations can be efficiently located during visual search. The neural mechanism for valuable object pop-out is unknown. In this work, we recorded neuronal responses in the ventrolateral prefrontal cortex (vlPFC) with known roles in visual search and reward processing in macaques while monkeys engaged in efficient vs inefficient visual search for high-value fractal objects (targets). Behavioral results and modeling using multi-alternative attention-modulated drift-diffusion (MADD) indicated that efficient search was concurrent with enhanced processing for peripheral objects. Notably, neural results showed response amplification and receptive field widening to peripherally presented targets in vlPFC during visual search. Both neural effects predict higher target detection and were found to be correlated with it. Our results suggest that value-driven efficient search independent of low-level visual features arises from reward-induced spatial processing enhancement of peripheral valuable objects.

Abstract Recent evidence shows that long-term object value association can lead to efficient visual search. However, the neural mechanism of this value pop-out has yet to be understood. Given the known role of the ventrolateral prefrontal cortex (vlPFC) in visual search and value memory, we recorded its single-unit activity (n=526) in two macaque monkeys while they engaged in the value-driven search. Monkeys had to determine whether a high-value target was present within a variable number of low-value objects. Interestingly, differential neural firing, as well as gamma-band power, indicated the presence of a target within ∼150ms of display onset. This differential activity was negatively correlated with search time and became less display size-dependent for more efficient searches. On the other hand, neural firing and its variability were higher in inefficient searches. These findings reveal the neural code within vlPFC for rapid detection of valuable targets, which can be crucial for animals faced with competition. Significance Statement Search for rewarding objects is ubiquitous and crucial for animals and humans alike. Up until recently, it was thought that visual search for valuable targets that were otherwise not distinct by low-level features should be serial and slow. Contrary to this belief, we showed that given sufficient reward training, valuable objects can be found efficiently in search suggesting a value pop-out neural mechanism. Importantly, we reveal the neural activity in the prefrontal cortex (PFC) to be predictive of the degree of value-driven search efficiency. Given the role of PFC in object value memory, these results show how PFC can translate such memories to emulate the parallel processing of visual information independent of low-level visual features.

Due to the brain9s limited cognitive capacity, simultaneous execution of multiple tasks can lead to performance impairments, especially when the tasks occur closely in time. This limitation is known as dual-task interference. We aimed to investigate the time course of this phenomenon in the brain, utilizing a combination of EEG, multivariate pattern analysis (MVPA), and drift diffusion modeling (DDM). In a simulated driving environment, participants first performed a tone discrimination task, followed by a lane-change task with varying onset time differences (Stimulus Onset Asynchrony, SOA), either short or long. As expected, the dual-task interference resulted in an increase in lane-change reaction time. The DDM analysis indicated that this increase was attributable to changes in both the decision time and the post-decision time. Our MVPA findings revealed a decrease in decoding accuracy of the lane-change task from ~200 to ~800 ms after stimulus onset in short SOA compared to long SOA, suggesting a change in lane-change direction information in both decision and motor processing stages. Moreover, a distinct pattern of generalization emerged in temporal generalization of short SOA condition, coupled with a delayed latency from ~500 ms in conditional generalization. Searchlight analysis illustrated the progression of this information reduction, starting in occipital, parietal, and parieto-occipital leads responsible for visual response and decision making, and then transferring to the frontal leads for mapping decisions onto motor regions. Consistent with the hybrid dual-task theory, our results suggest that processing of the two tasks occurs in partial parallel until the decision bound is reached. After the decision is made, another competition arises between the two tasks in motor areas for execution. Overall, our findings shed light on the intricate mechanisms underlying dual-task interference and provide further insights into the simultaneous processing of multiple tasks in the brain.

Abstract Recent results show that valuable objects can pop-out in visual search yet its neural mechanisms remain unexplored. Given the role of substantia nigra reticulata (SNr) in object value memory and control of gaze, we recorded its single unit activity while male macaque monkeys engaged in efficient or inefficient search for a valuable target object among low-value objects. Results showed that efficient search was concurrent with stronger inhibition and higher spiking irregularity in target present (TP) compared to target absent (TA) trials in SNr. Importantly, the firing rate differentiation of TP and TA trials happened within ∼100ms of display onset and its magnitude was significantly correlated with the search times and slopes (aka search efficiency). Time-frequency analyses of local field potential (LFP) after display onset revealed significant modulations of gamma band power with search efficiency. The greater reduction of SNr firing in TP trials in efficient search can create a stronger disinhibition of downstream superior colliculus which in turn can facilitate saccade to obtain valuable targets in competitive environments. Significant statement Most times we have to find a few relevant or highly valued objects among many objects that surround us. When our target objects are not distinct from their surroundings based on low-level features, searching for them becomes tedious and slow. Nevertheless, recent findings show that valuable objects can be found efficiently and fast if they have been repeatedly paired with reward. Our results show that the rate and pattern of spiking as well as local voltage fluctuations in the basal ganglia output which is known to control attention and saccade correlate with such value-driven search efficiency. Thus, in addition to reward learning, basal ganglia can have a role in skillful interactions with and rapid detection of rewarding objects.

When humans are required to perform two tasks concurrently, their performances decrease as the two tasks get closer together in time. This effect is known as dual-task interference. This limitation of the human brain could have lethal effects during demanding everyday tasks such as driving. Are the two tasks processed serially or in parallel during dual-task performance in naturalistic settings? Here, we investigated dual-task interference in a simulated driving environment and investigated the serial/parallel nature of processing during dual-task performance. Participants performed a lane change task on a desktop computer, along with an image discrimination task. We systematically varied the time difference between the onset of the two tasks (Stimulus Onset Asynchrony, SOA) and measured its effect on the amount of dual-task interference. Results showed that the reaction times (RTs) of two tasks in the dual-task condition were higher than those in the single-task condition. SOA influenced RTs of both tasks when they were presented second and the RTs of the image task when it was presented first. Manipulating the predictability of the order of the two tasks, we showed that unpredictability attenuated the effect of SOA by changing the order of the response to the two tasks. Next, using drift-diffusion modeling, we modeled the reaction time and choice of the subjects during dual-task performance in both predictable and unpredictable task order conditions. The modeling results indicated that performing two tasks concurrently, affects both the rate of evidence accumulation and the delays outside the evidence accumulation period, suggesting that the two tasks are performed in a partial-parallel manner. These results extend the findings of previous dual-task experiments to more naturalistic settings and deepen our understanding of the mechanisms of dual-task interference.

Abstract Previous studies have revealed segregated circuitries in basal ganglia for fast learning that enables value adaptability and slow forgetting which underlies stable value memories. However, the mechanisms mediating the conflict between value adaptability vs stability remain unknown. Using a reinforcement learning paradigm involving a brief value reversal for objects with previously stable values, we predicted and confirmed a novel behavioral manifestation of the conflict between adaptability vs stability namely the spontaneous recovery of old values in macaque monkeys. Furthermore, we found that individual neurons in ventrolateral prefrontal cortex (vlPFC) temporally multiplexed slow and fast processes in their early and late responses to objects. The local field potential in vlPFC also reflected the two-rate system. These findings implicate vlPFC as a plexus for the interactions between adaptability vs stability in reinforcement learning and suggest spontaneous recovery of past values caused by a two-rate system to mediate relapse to old habits.

Abstract Performing a secondary task while driving causes a decline in driving performance. This phenomenon, called dual-task interference, can have lethal consequences. Previous fMRI studies have looked at the changes in the average brain activity to uncover the neural correlates of dual-task interference. From these results, it is unclear whether the overall modulations in brain activity result from general effects such as task difficulty, attentional modulations, and mental effort or whether it is caused by a change in the responses specific to each condition due to dual-task interference. To overcome this limitation, here, we used multi-voxel pattern analysis (MVPA) to interrogate the change in the information content in multiple brain regions during dual-task interference in simulated driving. Participants performed a lane change task in a simulated driving environment, along with a tone discrimination task with either short or long-time onset difference (Stimulus Onset Asynchrony, SOA) between the two tasks. Behavioral results indicated a robust dual-task effect on driving RT. MVPA revealed regions that carry information about the driving direction, including the superior parietal lobe (SPL), visual, and motor regions. Comparing the decoding accuracies across short and long SOA conditions, we showed lower accuracies in the SPL region in short than long SPA conditions. This change in accuracy was not observed in the visual and motor regions. In addition, the classification accuracy in the SPL was inversely correlated with participants’ reaction time in the driving task. These findings suggest that the dual-task interference in driving may be related to the disturbance of information processing in the SPL region. Significance Statement During real-world driving, when a driver wants to make a turn at an intersection and simultaneously respond to a cell phone call, his reaction time slows down. This effect is called dual-task interference. Here, we aimed to examine its neural mechanisms using a paradigm that consisted of a driving turn task and a tone discrimination task in a simulated environment. Results showed that the information for the driving turn was disturbed in the superior parietal lobe (SPL) during dual-task interference. We suggest that the driving performance decline in the presence of the secondary task might be related to the disturbance of information in the SPL.