Exposure to enriched environments (EE) throughout a lifetime, providing so called reserve, protects against cognitive decline in later years. It has been hypothesised that high levels of alertness necessitated by EE might strengthen the right fronto-parietal networks (FPN) to facilitate this neurocognitive resilience. We have previously shown that EE offset age-related deficits in selective attention by preserving grey matter within right fronto-parietal regions. Here, using neurite orientation dispersion and density imaging (NODDI), we examined the relationship between EE, microstructural properties of fronto-parietal white matter association pathways (three branches of the superior longitudinal fasciculus, SLF), structural brain health (atrophy), and attention (alertness, orienting and executive control) in a group of older adults. We show that EE is associated with a lower orientation dispersion index (ODI) within the right SLF1 which in turn mediates the relationship between EE and alertness, as well as grey- and white-matter atrophy. This suggests that EE may induce white matter plasticity (and prevent age-related dispersion of axons) within the right FPN to facilitate the preservation of neurocognitive health in later years.

Abstract Goal-directed behaviour is dependent upon the ability to detect errors and implement appropriate post-error adjustments. Accordingly, several studies have explored the neural activity underlying error-monitoring processes, identifying the insula cortex as crucial for error awareness and reporting mixed findings with respect to the anterior cingulate cortex. Variable patterns of activation have previously been attributed to insufficient statistical power. We therefore sought to clarify the neural correlates of error awareness in a large event-related functional magnetic resonance imaging (MRI) study. Four hundred and two healthy participants undertook the error awareness task, a motor Go/No-Go response inhibition paradigm in which participants were required to indicate their awareness of commission errors. Compared to unaware errors, aware errors were accompanied by significantly greater activity in a network of regions including the insula cortex, supramarginal gyrus, and midline structures such as the anterior cingulate cortex and supplementary motor area. Error awareness activity was related to indices of task performance and dimensional measures of psychopathology in selected regions including the insula, supramarginal gyrus and supplementary motor area. Taken together, we identified a robust and reliable neural network associated with error awareness.

Recent behavioural modelling and pupillometry studies suggest that neuromodulatory arousal systems play a role in regulating decision formation but neurophysiological support for these observations is lacking. We employed a randomised, double-blinded, placebo-controlled, crossover design to probe the impact of pharmacological enhancement of catecholamine levels on perceptual decision making. Catecholamine levels were manipulated using the clinically relevant drugs methylphenidate (MPH) and atomoxetine (ATM) and their effects were compared to those of citalopram (CIT), and placebo (PLA). Participants performed a classic EEG oddball paradigm which elicits the P3b, a centro-parietal potential that has been shown to trace evidence accumulation, under each of the four drug conditions. We found that MPH and ATM administration shortened RTs to the oddball targets. The neural basis of this behavioural effect was an earlier P3b peak latency, driven specifically by an increase in its build-up rate without any change in its time of onset or peak amplitude. This study provides neurophysiological evidence for the catecholaminergic enhancement of a discrete aspect of human decision making, i.e. evidence accumulation. Our results also support theoretical accounts suggesting that catecholamines may enhance cognition via increases in neural gain.

Abstract Slowed responding to sensory inputs presented in contralesional space is pervasive following unilateral cerebral stroke, but the causal neurophysiological pathway by which this occurs remains unclear. To this end, here we leverage a perceptual decision-making framework to disambiguate information processing stages between sensation and action in 30 unilateral stroke patients (18 right hemisphere, 12 left hemisphere) and 27 neurologically healthy adults. By recording neural activity using electroencephalography (EEG) during task performance, we show that the relationship between strokes in either hemisphere and slowed contralesional response times is sequentially mediated by weaker target selection signals in the contralateral hemisphere (the N2c ERP), and subsequently delayed evidence accumulation signals (the centroparietal positivity). Notably, asymmetries in CPP and response times across hemispheres are associated with everyday functioning. Together, these data suggest a plausible neurophysiological pathway by which post-stroke contralesional slowing arises and highlight the utility of neurophysiological assessments for tracking clinically relevant behaviour.

Cognitive reserve (CR) measured by proxies of life experiences is thought to account for the heterogeneity in cognitive ageing. One hypothesis is that cognitively enriched environments acting on the noradrenergic system strengthen the right fronto-parietal networks to facilitate cognitive reserve and maintain cognition throughout the lifetime. We used machine learning and mediation analysis to model interactions between neurobiological features (genetic variants in noradrenergic signalling, structural and functional fronto-parietal connectivity) and CR (by proxy of education) on cognitive outcomes (general cognitive ability score) in the UK Biobank cohort. We show that: (1) interactions between CR and neurobiological variables more fully explain cognitive outcomes than either factor alone; (2) among the neurobiological features selected using variable importance testing, measures of fronto-parietal connectivity are the strongest mediators of the effect of CR on cognitive outcomes. Our findings offer novel insights into neurobiological basis of CR by pointing to two between-networks connectivity measures, representing connections linking the default mode network with the right fronto-parietal network, and with the executive control network, as the key facilitators of CR.

ABSTRACT Older adults exposed to enriched environments (EE) maintain relatively higher levels of cognitive function, even in the face of compromised markers of brain health. Response speed (RS) is often used as a simple proxy to measure the preservation of global cognitive function in older adults. However, it is unknown which specific selection, decision, and/or motor processes provide the most specific indices of neurocognitive health. Here, using a simple decision task with electroencephalography (EEG), we found that the efficiency with which an individual accumulates sensory evidence was a critical determinant of the extent to which RS was preserved in older adults. Moreover, the mitigating influence of EE on age-related RS declines was most pronounced when evidence accumulation rates were shallowest. These results suggest that the phenomenon of cognitive reserve, whereby high EE individuals can better tolerate suboptimal brain health to facilitate the preservation of cognitive function, is not just applicable to neuroanatomical indicators of brain ageing, but can be observed in markers of neurophysiology. Our results suggest that EEG metrics of evidence accumulation may index neurocognitive vulnerability of the ageing brain. SIGNIFICANCE STATEMENT Response speed in older adults is closely linked with trajectories of cognitive ageing. Here, by recording brain activity while individuals perform a simple computer task, we identify a neural metric which is a critical determinant of response speed. Older adults exposed to greater cognitive and social stimulation throughout a lifetime could maintain faster responding, even when this neural metric was impaired. This work suggests EEG is a useful technique for interrogating how a lifetime of stimulation benefits brain health in ageing.