A growing literature has focused on the brain's ability to augment processing in local regions by recruiting distant communities of neurons in response to neural decline or insult. In particular, both younger and older adult populations recruit bilateral prefrontal cortex (PFC) as a means of compensating for increasing neural effort to maintain successful cognitive function. However, it remains unclear how local changes in neural activity affect the recruitment of this adaptive mechanism. To address this problem, we combined graph theoretical measures from functional MRI (fMRI) with diffusion weighted imaging (DWI) and repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) in order to resolve a central hypothesis: how do aged brains flexibly adapt to local changes in cortical activity? Specifically, we applied neuromodulation to increase or decrease local activity in a cortical region supporting successful memory encoding (left dorsolateral prefrontal cortex or DLPFC) using 5Hz or 1Hz rTMS, respectively. We then assessed a region's local within-module degree (WMD), or the distributed between-module degree (BMD) between distant cortical communities. We predicted that (1) local stimulation-related deficits may be counteracted by boosting BMD between bilateral PFC, and that this effect should be (2) positively correlated with structural connectivity. Both predictions were confirmed; 5Hz rTMS increased local success-related activity and local increases in PFC connectivity, while 1Hz rTMS decreases local activity and triggered a more distributed pattern of bilateral PFC connectivity to compensate for this local inhibitory effect. These results provide an integrated, causal explanation for the network interactions associated with successful memory encoding in older adults.

Previous research modeling EEG, fMRI and behavioral data has identified three spatially distributed brain networks that activate in temporal sequence, and are thought to enable perceptual decision-making during face-versus-car categorization. These studies have linked late activation (>300ms post stimulus onset) in the lateral occipital cortex (LOC) to object discrimination processes. We applied paired-pulse transcranial magnetic stimulation (ppTMS) to LOC at different temporal latencies with the specific prediction, based on these studies, that ppTMS beginning at 400ms after stimulus onset would slow reaction time (RT) performance. Thirteen healthy adults performed a two-alternative forced choice task selecting whether a car or face was present on each trial amidst visual noise pre-titrated to approximate 79% accuracy. ppTMS, with pulses separated by 50ms, was applied at one of five stimulus onset asynchronies: -200, 200, 400, 450, or 500ms, and a sixth no-stimulation condition. As predicted, TMS at 400ms resulted in significant slowing of RTs, providing causal evidence in support of LOC contribution to perceptual decision processing. In addition, TMS delivered at -200ms resulted in faster RTs, indicating early stimulation may result in performance enhancement. These findings build upon correlational EEG and fMRI observations and demonstrate the use of TMS in predictive validation of psychophysiological models.

The process of manipulating information within working memory (WM) is central to many cognitive functions, but also declines rapidly in old age. Given the importance of WM manipulation for maintaining healthy cognition, improving this process could markedly enhance health-span in older adults. The current pre-registered study tested the potential of online repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) to enhance WM manipulation in healthy elderly adults. Online 5Hz rTMS was applied over the left lateral parietal cortex of 15 subjects to test the hypothesis that active rTMS would significantly improve performance compared to sham stimulation, and that these effects would be most pronounced in conditions with the highest cognitive demand. rTMS was applied while participants performed a delayed-response alphabetization task with two individually-titrated levels of difficulty. Sham stimulation was applied using an electrical sham coil that produced similar clicking sounds and somatosensory sensation as active stimulation but induced negligible effects on the brain. A stimulation site in left lateral parietal cortex was identified from fMRI activation maps and was targeted using individualized electric field modeling, stereotactic neuronavigation, and real-time robotic positioning, allowing optimal coil placement during the stimulation. Contrary to the a priori hypothesis, active rTMS significantly decreased accuracy relative to sham, and only in the hardest difficulty level. These results, therefore, demonstrate engagement of cortical WM processing, but not the anticipated facilitation, and provide a prescription for future studies that may attempt to enhance memory through application of different stimulation parameters.

Neuroimaging evidence suggests that the aging brain relies on a more distributed set of cortical regions than younger adults in order to maintain successful levels of performance during demanding cognitive tasks. However, it remains unclear how task demands give rise to this age-related expansion in cortical networks. To investigate this issue, we used functional magnetic resonance imaging to measure univariate activity, network connectivity, and cognitive performance in younger and older adults during a working memory (WM) task. In the WM task investigated, participants hold letters online (maintenance) while reordering them alphabetically (manipulation). WM load was titrated to obtain four individualized difficulty levels. Network integration-defined as the ratio of within- versus between network connectivity-was linked to individual differences in WM capacity. The study yielded three main findings. First, as task difficulty increased, network integration decreased in younger adults, whereas it increased in older adults. Second, age-related increases in network integration were driven by increases in right hemispheric connectivity to both left and right cortical regions, a finding that helps to reconcile extant theories of compensatory recruitment in aging to address the multivariate dynamics of global network functioning. Lastly, older adults with higher WM capacity demonstrated higher levels of network integration in the most difficult condition. These results shed light on the mechanisms of age-related network reorganization by suggesting that changes in network connectivity may act as an adaptive form of compensation, with older adults recruiting a more distributed cortical network as task demands increase

A core element of human working memory (WM) is the ability to perform mental operations on information that is stored in a flexible, limited capacity buffer. Given the profound importance of such WM manipulation (WM-M) abilities, there is a concerted effort aimed at developing approaches to improve them. Past research has identified neural substrates of WM-M centered in the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), thereby providing a plausible and accessible target for noninvasive neuromodulatory stimulation that can be used to alter cortical excitability and potentially lead to facilitation of WM-M. In the current study, 5Hz online repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS), applied over the left DLPFC, was used to test the hypothesis that active rTMS would lead to significant improvements in memory recall accuracy compared to sham stimulation, and that these effects would be most pronounced in the WM-M conditions with the highest cognitive demand (registered Clinical Trial: #NCT02767323). Participants performed a delayed response alphabetization task with three individually-titrated levels of difficulty during active and sham rTMS. Analyses revealed that active rTMS led to numerically greater accuracy relative to sham stimulation for the hardest condition; however, this effect did not survive Bonferroni correction over all task conditions. Despite the lack of robust, study-wise significant effects, when considered in isolation, the magnitude of behavioral improvement in the hardest condition was negatively correlated with parametric difficulty-related fMRI activity in the targeted brain region, suggesting that individuals with less activation benefit more from rTMS. The present findings therefore suggest evidence towards the hypothesis that active rTMS can enhance performance during difficult memory manipulation conditions; however, firm conclusions cannot be drawn given the lack of overall significant effects. These findings are discussed in the context of individualized targeting and other factors that might moderate rTMS effects.

Working memory (WM) is assumed to consist of a process that sustains memory representations in an active state (maintenance) and a process that operates on these activated representations (manipulation). Prior fMRI studies have examined maintenance and manipulation in separate task conditions, whereas in real life these processes operate simultaneously. In the current study, the neural mechanisms of maintenance and manipulation were disentangled during the same task by parametrically varying these processes. During fMRI, participants maintained consonant letters in WM while sorting them in alphabetical order. Maintenance was investigated by varying the number of letters held in WM and manipulation by varying the number of moves required to sort the list alphabetically. The study yielded three main findings. First, the degree of both maintenance and manipulation demand had significant effects on behavior that were associated with different cortical regions: maintenance was associated with bilateral prefrontal and left parietal cortex, and manipulation with right parietal activity, a link that is consistent with the role of parietal cortex in symbolic computations. Second, univariate fMRI and tractography based on diffusion-weighted imaging showed that maintenance and manipulation regions are supported by two dissociable structural networks. Finally, maintenance and manipulation functional networks became increasingly segregated with increasing demand, possibly reflecting the protection of information held in WM from interference generated by manipulation operations. These results represent a novel approach to study the brain as an adaptive system that coordinates multiple ongoing cognitive processes.

This study aimed to test the efficacy of transcranial direct current stimulation (tDCS) during laparoscopic skill training to determine if it has the capacity to accelerate technical skill acquisition. tDCS is a non-invasive brain stimulation technique that delivers constant, low electrical current resulting in changes to cortical excitability and prior work suggests it may enhance motor learning. We evaluate for the first time the potential of tDCS, coupled with motor skill training, to accelerate the development of laparoscopic technical skills. In this pre-registered, double-blinded and sham-controlled study, 60 healthy subjects were randomized into sham or active tDCS in either bilateral primary motor cortex (bM1) or supplementary motor area (SMA) electrode configurations. All subjects practiced the Fundamental of Laparoscopic Surgery Peg Transfer Task during a pre-test, six 20-minute training sessions, and a post-test. The primary outcome was change in laparoscopic skill performance over time, quantified by improvement in performance according to a seconds-per-object calculated score accounting for errors. Sixty participants were randomized equally into the three training cohorts (active bM1, active SMA, sham). The active groups had significantly greater improvement in performance from pre-test to post-test compared to the sham groups (108 vs 76 seconds, p = 0.018). Both bM1 and SMA active cohorts had significantly greater improvement in learning (p < 0.01), achieving the same skill level in 4 sessions compared to the 6 sessions required of the sham cohort. The SMA cohort had more variability in performance compared to the bM1 and control cohorts. Laparoscopic skill training with active, bM1 or SMA, tDCS exhibited significantly greater learning relative to training with sham tDCS. The potential for tDCS to enhance the training of surgical skills merits further investigation to determine if these preliminary results may be replicated. Clinical Trial Registration ID #NCT03083483.

Objective: Robotic positioning systems for transcranial magnetic stimulation (TMS) promise improved accuracy and stability of coil placement, but there is limited data on their performance. This text investigates the usability, accuracy, and limitations of robotic coil placement with a commercial system, ANT Neuro, in a TMS study. Approach: 21 subjects underwent a total of 79 TMS sessions corresponding to 160 hours under robotic coil control. Coil position and orientation were monitored concurrently through an additional neuronavigation system. Main Results: Robot setup took on average 14.5 min. The robot achieved low position and orientation error with median 1.34 mm and 3.48 deg. The error increased over time at a rate of 0.4%/minute for both position and orientation. Significance: After the elimination of several limitations, robotic TMS systems promise to substantially improve the accuracy and stability of manual coil position and orientation. Lack of pressure feedback and of manual adjustment of all coil degrees of freedom were limitations of this robotic system.