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Background High-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) may allow more specific neural modulation than conventional-tDCS. Objective We compared safety, tolerability, blinding efficacy and cognitive effects of a novel HD-tDCS set-up to that of conventional-tDCS and established compatibility with simultaneous functional magnetic resonance imaging (fMRI). Methods Two groups of healthy participants completed a visual flanker task either with conventional (N = 30) or HD-tDCS (N = 30) administered to the right dorsolateral prefrontal cortex (1 mA) in a double-blind, sham-tDCS-controlled, cross-over design. HD-tDCS was administered with a one-channel DC-stimulator using a small conductive rubber “centre” electrode and a circular return electrode, mimicking the frequently used 4 × 1 HD-tDCS set-up. Tolerability, adverse effects, impact on performance and blinding efficacy were compared within and between the two montages. In a separate experiment, potential heating and impact on image quality of the novel HD-tDCS set-up were assessed during simultaneous fMRI. Results Both montages elicited only mild adverse effects and those were less pronounced for the novel HD-tDCS set-up. Participant and investigator blinding was achieved with both montages. Only HD-tDCS resulted in significant modulation of the conflict adaptation effect during the flanker task; however, no differences were found for the direct comparison of the two montages. No significant heating occurred during fMRI and only minor effects on image quality were observed during HD-tDCS. Conclusions This study confirmed safety, tolerability and blinding efficacy of a novel, re-usable and MRI-compatible HD-tDCS set-up. It also highlights its potential to exert beneficial effects on behavioural performance. Use of this novel set-up during simultaneous fMRI in future studies will help clarify the neural mechanisms by which this HD-tDCS impacts on behavioural and neura

Free to read on publisher website Conflict adaptation is a hallmark effect of adaptive cognitive control and refers to the adjustment of control to the level of previously experienced conflict. Conflict monitoring theory assumes that the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) is causally involved in this adjustment. However, to date, evidence in humans is predominantly correlational, and heterogeneous with respect to the lateralization of control in the DLPFC. We used high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS), which allows for more focal current delivery than conventional tDCS, to clarify the causal involvement of the DLPFC in conflict adaptation. Specifically, we investigated the regional specificity and lateralization of potential beneficial stimulation effects on conflict adaptation during a visual flanker task. One hundred twenty healthy participants were assigned to four HD-tDCS conditions: left or right DLPFC or left or right primary motor cortex (M1). Each group underwent both active and sham HD-tDCS in crossover, double-blind designs. We obtained a sizeable conflict adaptation effect (measured as the modulation of the flanker effect as a function of previous response conflict) in all groups and conditions. However, this effect was larger under active HD-tDCS than under sham stimulation in both DLPFC groups. In contrast, active stimulation had no effect on conflict adaptation in the M1 groups. In sum, the present results indicate that the DLPFC plays a causal role in adaptive cognitive control, but that the involvement of DLPFC in control is not restricted to the left or right hemisphere. Moreover, our study confirms the potential of HD-tDCS to modulate cognition in a regionally specific manner.

Für das zielgerichtete Verhalten des Menschen ist ein funktionierendes Handlungsüberwachungssystem eine wichtige Voraussetzung. Somit können Fehlhandlungen registriert und verarbeitet werden, um dann anschließend das Verhalten an die entsprechende Situation besser anzupassen. Ein wichtiges neuroanatomisches Korrelat dieses Handlungsüberwachungssystems ist der anteriore Anteil des mittleren cingulären Cortex (anterior midcingulate cortex, aMCC), der in der Funktion der Fehlerverarbeitung eng mit den Basalganglien und dem lateralen präfrontalen Cortex verknüpft ist. In der vorliegenden Arbeit wurde die Bedeutung des Thalamus im Netzwerk der Fehlerverarbeitung genauer untersucht. Es konnte mittels diffusionsgewichteter Traktografie bei 16 gesunden Probanden gezeigt werden, dass speziell der Nucleus ventralis anterior (VA) und der Nucleus ventralis lateralis anterior (VLa) quantitativ stärkere Faserverbindungen mit dem aMCC aufweisen, als die restlichen Thalamuskerne. Desweiteren zeigten 15 Patienten mit Läsionen im Thalamus im Vergleich zur gesunden Kontrollgruppe im Eriksen Flanker Task fehlerspezifische Verhaltensunterschiede. Obwohl die Fehlerrate zwischen diesen Patienten und den Kontrollprobanden nahezu identisch war, konnten die Patienten ihre Fehler als solche signifikant schlechter detektieren und ihr Verhalten nach einem Fehler daher auch schlechter anpassen. Die EEG Daten zeigten für die Patientengruppe eine in der Amplitude signifikant verminderte error-related negativity (ERN – ein ereignis-korreliertes Hirnpotential, ausgelöst durch Fehlhandlungen, z.B. in Flankierreizaufgaben) im Vergleich zur Kontrollgruppe. Bei 6 Patienten mit Läsionen der VA und VLa Kerngruppe war die ERN nahezu komplett erloschen, wohingegen bei den 9 Patienten, deren Läsionen nicht VA und VLa betrafen, die ERN lediglich vermindert war., Performance monitoring is an essential prerequisite of successful goal-directed behavior. Research of the last two decades implicates the anterior midcingulate cortex (aMCC) in the human medial frontal cortex and frontostriatal basal ganglia circuits in this function. Here, we addressed the function of the thalamus in detecting errors and adjusting behavior accordingly. Using diffusion-based tractography we found that, among the thalamic nuclei, the ventral anterior and ventral lateral anterior nuclei (VA, VLa) have the relatively strongest connectivity with the RCZ. Patients with focal thalamic lesions showed diminished error-related negativity, behavioral error detection, and post-error adjustments. When the lesions specifically affected the thalamic VA/VLa nuclei these effects were significantly pronounced, which was reflected by complete absence of the error-related negativity. These results reveal that the thalamus, particularly its VA/VLa region, is a necessary constituent of the performance-monitoring network, anatomically well connected and functionally closely interacting with the aMCC.

Für das zielgerichtete Verhalten des Menschen ist ein funktionierendes Handlungsüberwachungssystem eine wichtige Voraussetzung. Somit können Fehlhandlungen registriert und verarbeitet werden, um dann anschließend das Verhalten an die entsprechende Situation besser anzupassen. Ein wichtiges neuroanatomisches Korrelat dieses Handlungsüberwachungssystems ist der anteriore Anteil des mittleren cingulären Cortex (anterior midcingulate cortex, aMCC), der in der Funktion der Fehlerverarbeitung eng mit den Basalganglien und dem lateralen präfrontalen Cortex verknüpft ist. In der vorliegenden Arbeit wurde die Bedeutung des Thalamus im Netzwerk der Fehlerverarbeitung genauer untersucht. Es konnte mittels diffusionsgewichteter Traktografie bei 16 gesunden Probanden gezeigt werden, dass speziell der Nucleus ventralis anterior (VA) und der Nucleus ventralis lateralis anterior (VLa) quantitativ stärkere Faserverbindungen mit dem aMCC aufweisen, als die restlichen Thalamuskerne. Desweiteren zeigten 15 Patienten mit Läsionen im Thalamus im Vergleich zur gesunden Kontrollgruppe im Eriksen Flanker Task fehlerspezifische Verhaltensunterschiede. Obwohl die Fehlerrate zwischen diesen Patienten und den Kontrollprobanden nahezu identisch war, konnten die Patienten ihre Fehler als solche signifikant schlechter detektieren und ihr Verhalten nach einem Fehler daher auch schlechter anpassen. Die EEG Daten zeigten für die Patientengruppe eine in der Amplitude signifikant verminderte error-related negativity (ERN – ein ereignis-korreliertes Hirnpotential, ausgelöst durch Fehlhandlungen, z.B. in Flankierreizaufgaben) im Vergleich zur Kontrollgruppe. Bei 6 Patienten mit Läsionen der VA und VLa Kerngruppe war die ERN nahezu komplett erloschen, wohingegen bei den 9 Patienten, deren Läsionen nicht VA und VLa betrafen, die ERN lediglich vermindert war., Performance monitoring is an essential prerequisite of successful goal-directed behavior. Research of the last two decades implicates the anterior midcingulate cortex (aMCC) in the human medial frontal cortex and frontostriatal basal ganglia circuits in this function. Here, we addressed the function of the thalamus in detecting errors and adjusting behavior accordingly. Using diffusion-based tractography we found that, among the thalamic nuclei, the ventral anterior and ventral lateral anterior nuclei (VA, VLa) have the relatively strongest connectivity with the RCZ. Patients with focal thalamic lesions showed diminished error-related negativity, behavioral error detection, and post-error adjustments. When the lesions specifically affected the thalamic VA/VLa nuclei these effects were significantly pronounced, which was reflected by complete absence of the error-related negativity. These results reveal that the thalamus, particularly its VA/VLa region, is a necessary constituent of the performance-monitoring network, anatomically well connected and functionally closely interacting with the aMCC.