Abstract Extensive research links regular physical exercise to an overall enhancement of cognitive function across the lifespan. Here, we assess the causal evidence supporting this relationship in the healthy population, using an umbrella review of meta-analyses limited to randomized controlled trials (RCTs). Despite most of the 24 reviewed meta-analyses reporting a positive overall effect, our assessment reveals evidence of low statistical power in the primary RCTs, selective inclusion of studies, publication bias, and large variation in combinations of preprocessing and analytic decisions. In addition, our meta-analysis of all the primary RCTs included in the revised meta-analyses shows small exercise-related benefits ( d = 0.22, 95% CI [0.16, 0.28]) that became substantially smaller after accounting for key moderators (i.e., active control and baseline differences; d = 0.13, 95% CI [0.07, 0.20), and negligible after correcting for publication bias ( d = 0.05, 95% CrI [−0.09, 0.14]). These findings suggest caution in claims and recommendations linking regular physical exercise to cognitive benefits in the healthy human population until more reliable causal evidence accumulates.

Abstract Objectives To test the hypothesis that transcranial direct current stimulation (tDCS) over the left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) influences performance in a 20-min time-trial self-paced exercise and electroencephalographic (EEG) oscillatory brain activity in a group of trained male cyclists. Design The study consisted of a pre-registered ( https://osf.io/rf95j/ ), randomised, sham-controlled, single-blind, within-subject design experiment. Methods 36 trained male cyclists, age 27 (6.8) years, weight 70.1 (9.5) Kg; VO 2max: 54 (6.13) ml.min −1 .kg −1 , Maximal Power output: 4.77 (0.6) W/kg completed a 20-min time-trial self-paced exercise in three separate sessions, corresponding to three stimulation conditions: anodal, cathodal and sham. tDCS was administered before each test during 20-min at a current intensity of 2.0 mA. The anode electrode was placed over the DLPFC and the cathode in the contralateral shoulder. In each session, power output, heart rate, sRPE and EEG (at baseline and during exercise) was measured. Results There were no differences (F = 0.31, p > 0.05) in power output between the stimulation conditions: anodal (235 W [95%CI 222 - 249 W]; cathodal (235 W [95%CI 222 - 248 W] and sham (234 W [95%CI 220 - 248 W]. Neither heart rate, sRPE nor EEG activity were affected by tDCS (all Ps > 0.05). Conclusion tDCS over the left DLFC did not affect self-paced exercise performance in trained cyclists. Moreover, tDCS did not elicit any change on oscillatory brain activity either at baseline or during exercise. Our data suggest that the effects of tDCS on endurance performance should be taken with caution.

ABSTRACT Fluctuations in physical arousal occur constantly along the day and become particularly pronounced at extreme states such as deep sleep or intense physical exertion. While changes in arousal are thought to affect cognitive control, it has been suggested that cognitive control is resilient during the drowsy state as a result of neural compensatory mechanisms. Here, we investigate the higher end of the arousal spectrum by looking at the modulatory effect of high arousal on behavioural and neural markers of cognitive control. We predicted that preserved behavioural measures of cognitive control under high arousal would be accompanied by changes in its typical neural correlates. We conducted an electroencephalography study in which 39 expert cyclists (37 males, 2 females) were presented with an auditory stimulus-response conflict task while cycling on a stationary bike. Participants performed two experimental sessions on different days: one at low intensity and one at high intensity pedalling. Consistent with our predictions, we found no behavioural difference in cognitive conflict measures between the two exercise conditions. However, the typical midfrontal-theta power signature of cognitive control was no longer reliable at high-intensity exercise. Similarly, time-frequency multivariate decoding failed to decode stimulus conflict. On the other hand, we found no difference between intensity levels in whole-brain connectivity measures. Therefore, we suggest that the human cognitive control system is resilient even at high arousal states and propose that the dissociation between behavioural and neural measures could indicate the activation of neural compensatory mechanisms as a response to physiological pressure. SIGNIFICANCE STATEMENT Effects of spontaneous physiological changes on brain and cognition have traditionally been studied in states of decreased arousal. However, virtually no research has been conducted on the higher end of the arousal spectrum. In this study, participants performed an auditory conflict task while cycling at low and high intensity. Behavioural performance was robust in both conditions. However, changes in the typical univariate and multivariate signatures of cognitive control induced by arousal suggest a reconfiguration of the neural processes supervising cognitive control during heightened states of strain.

Abstract Throughout the day, humans show natural fluctuations in arousal that impact cognitive function. To study the behavioural dynamics of cognitive control during high and low arousal states, healthy participants performed an auditory conflict task during high-intensity physical exercise ( N = 39) or drowsiness ( N = 33). In line with the pre-registered hypotheses, conflict and conflict adaptation effects were preserved during both altered arousal states. Overall task performance was markedly poorer during low arousal, but not for high arousal. Modelling behavioural dynamics with drift-diffusion analysis revealed evidence accumulation and non-decision time decelerated, and decisional boundaries became wider during low arousal, whereas high arousal was unexpectedly associated with a decrease in the interference of task-irrelevant information processing. These findings show how arousal differentially modulates cognitive control at both sides of normal alertness, and further validates drowsiness and physical exercise as key experimental models to disentangle the interaction between physiological fluctuations on cognitive dynamics.

ABSTRACT Humans are uniquely capable of adapting to highly changing environments by updating relevant information and adjusting ongoing behaviour accordingly. Here we show how this ability —termed cognitive flexibility— is differentially modulated by high and low arousal fluctuations. We implemented a probabilistic reversal learning paradigm in healthy participants as they transitioned towards sleep or physical extenuation. The results revealed, in line with our pre-registered hypotheses, that low arousal leads to diminished behavioural performance through increased decision volatility, while performance decline under high arousal was attributed to increased perseverative behaviour. These findings provide evidence for distinct patterns of maladaptive decision-making on each side of the arousal inverted u-shaped curve, differentially affecting participants’ ability to generate stable evidence-based strategies, and introduces wake-sleep and physical exercise transitions as complementary experimental models for investigating neural and cognitive dynamics.

The physiological changes that occur in the main body systems and organs during physical exercise are well described in the literature. Despite the key role of brain in processing afferent and efferent information from organ systems to coordinate and optimize their functioning, little is known about how the brain works during exercise. The present study investigated tonic and transient oscillatory brain activity during a single bout of aerobic exercise. Twenty young males (19-32 years old) were recruited for two experimental sessions on separate days. Electroencephalographic (EEG) activity was recorded during a session of cycling at 80% (moderate-to-high intensity) of VO2max (maximum aerobic capacity) while performing an oddball task where participants had to detect infrequent targets presented among frequent non-targets. This was compared to a (baseline) light intensity session (30% VO2max). The light intensity session was included to control for any potential effect of dual-tasking (i.e., pedaling and performing the oddball task). A warm-up and cool down periods were completed before and after exercise, respectively. A cluster-based nonparametric permutations test showed an increase in power across the entire frequency spectrum during the moderate-to-high intensity exercise, with respect to light intensity. Further, we found that the more salient target lead to lower increase in (stimulus-evoked) theta power in the 80% VO2max with respect to the light intensity condition. On the contrary, higher decrease alpha and lower beta power was found for standard trials in the moderate-to-high exercise condition than in the light exercise condition. The present study unveils, for the first time, a complex brain activity pattern during acute exercise (at 80% of maximum aerobic capacity). These findings might help to elucidate the nature of changes that occur in the brain during physical exertion.

Extant evidence suggests that acute exercise triggers a tonic power increase in the alpha frequency band at frontal locations, which has been linked to benefits in cognitive function. However, recent literature has questioned such a selective effect on a particular frequency band, indicating a rather overall power increase across the entire frequency spectrum. Moreover, the nature of task-evoked oscillatory brain activity associated to inhibitory control after exercising, and the duration of the exercise effect, are not yet clear. Here, we investigate for the first time steady state oscillatory brain activity during and following an acute bout of aerobic exercise at two different exercise intensities (moderate-to-high and light), by means of a data-driven cluster-based approach to describe the spatio-temporal distribution of exercise-induced effects on brain function without prior assumptions on any frequency range or site of interest. We also assess the transient oscillatory brain activity elicited by stimulus presentation, as well as behavioural performance, in two inhibitory control (flanker) tasks, one performed after a short delay following the physical exercise and another completed after a rest period of 15 minutes post-exercise to explore the time course of exercise-induced changes on brain function and cognitive performance. The results show that oscillatory brain activity increases during exercise compared to the resting state, and that this increase is higher during the moderate-to-high intensity exercise with respect to the light intensity exercise. In addition, our results show that the global pattern of increased oscillatory brain activity is not specific to any concrete surface localization in slow frequencies, while in faster frequencies this effect is located in parieto-occipital sites. Notably, the exercise-induced increase in oscillatory brain activity disappears immediately after the end of the exercise bout. Neither transient (event-related) oscillatory activity, nor behavioral performance during the flanker tasks following exercise showed significant between-intensity differences. The present findings help elucidate the effect of physical exercise on oscillatory brain activity and challenge previous research suggesting improved inhibitory control following moderate-to-high acute exercise.

Abstract Throughout the day, humans show natural fluctuations in arousal that impact cognitive function. To study the behavioural dynamics of cognitive control during high and low arousal states, healthy participants performed an auditory conflict task during high‐intensity physical exercise ( N = 39) or drowsiness ( N = 33). In line with the pre‐registered hypotheses, conflict and conflict adaptation effects were preserved during both altered arousal states. Overall task performance was markedly poorer during low arousal, but not for high arousal. Modelling behavioural dynamics with drift diffusion analysis revealed evidence accumulation and non‐decision time decelerated, and decisional boundaries became wider during low arousal, whereas high arousal was unexpectedly associated with a decrease in the interference of task‐irrelevant information processing. These findings show how arousal differentially modulates cognitive control at both sides of normal alertness, and further validate drowsiness and physical exercise as key experimental models to disentangle the interaction between physiological fluctuations on cognitive dynamics.

Physiological activation fluctuates throughout the day. Previous studies have shown that during periods of reduced activation, cognitive control remains resilient due to neural compensatory mechanisms. In this study, we investigate the effects of high physiological activation on both behavioural and neural markers of cognitive control. We hypothesize that while behavioural measures of cognitive control would remain intact during periods of high activation, there would be observable changes in neural correlates. In our electroencephalography study, we manipulate levels of physiological activation through physical exercise. Although we observe no significant impact on behavioural measures of cognitive conflict, both univariate and multivariate time-frequency markers prove unreliable under conditions of high activation. Moreover, we observe no modulation of whole-brain connectivity measures by physiological activation. We suggest that this dissociation between behavioural and neural measures indicates that the human cognitive control system remains resilient even at high activation, possibly due to underlying neural compensatory mechanisms. High physical activation impacts neural but not behavioural markers of cognitive control. We suggest that the human cognitive control system remains resilient even at high activation, possibly due to underlying neural compensatory mechanisms.