background image

 

Title 

Working memory related functional connectivity in adult ADHD and its amenability to training: A 

randomized controlled trial 

Authors and affiliations

 

 

Tuija Tolonen

1,2,3

, Sami Leppämäki

4

, Timo Roine

2,3

, Kimmo Alho

1,3

, Pekka Tani

5

, Anniina Koski

5

Matti Laine

6

, Juha Salmi

1,2,3

 

 

1. Department of Psychology and Logopedics, University of Helsinki, Helsinki, Finland.  

2. Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, Aalto University, Espoo, Finland.  

3. AMI Centre, Aalto Neuroimaging, Aalto University, Espoo, Finland. 

10 

4. Terveystalo Healthcare, Helsinki, Finland. 

11 

5. Department of Psychiatry, Helsinki University Hospital, Helsinki, Finland.  

12 

6. Department of Psychology, Åbo Akademi University, Turku, Finland.  

13 

 

14 

Corresponding author 

15 

Tuija Tolonen, M.A. 

16 

E-mail: tuija.tolonen@helsinki.fi 

17 

Address:  Department  of  Psychology  and  Logopedics,  P.O.  BOX  21  (Haartmaninkatu  3),  00014 

18 

University of Helsinki, Helsinki, Finland 

19 

Keywords: 

Adult ADHD, working memory, fMRI, network-based statistic, connectivity, cognitive 

20 

training 

21 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

 

22 

Abstract

 

23 

Background:

 Working memory (WM) deficits are among the most prominent cognitive impairments 

24 

in attention deficit hyperactivity disorder (ADHD). While functional brain connectivity in individuals 

25 

with  ADHD  has  been  studied,  alterations  in  WM-related  functional  brain  networks  and  their 

26 

malleability  by  cognitive  training  are  not  well  known.  We  examined  whole-brain  functional 

27 

connectivity differences between adults with and without ADHD during 

n

-back WM tasks and rest 

28 

at pretest, as well as the effects of WM training on functional and structural brain connectivity in the 

29 

ADHD group. 

30 

Methods:

 Forty-two adults with ADHD and 36 neurotypical (NT) controls performed visuospatial 

31 

and verbal 

n

-back tasks during functional magnetic resonance imaging (fMRI). In addition, seven-

32 

minute  resting  state  fMRI  data  and  diffusion-weighted  MR  images  were  collected  from  all 

33 

participants. The adults  with  ADHD continued  into  a 5-week randomized controlled WM  training 

34 

trial  (experimental  group  training  on  a  dual 

n

-back  task, 

n

  =  21;  active  control  group  training  on 

35 

Bejeweled II video game, 

n

 = 21), followed by a posttraining MRI. The primary outcome, functional 

36 

brain  connectivity,  and  the  secondary  outcome,  structural  brain  connectivity,  were  examined  with 

37 

Network-Based Statistic. 

38 

Results:

 At the pretest, adults with ADHD had decreased functional connectivity compared with the 

39 

NT controls during both 

n

-back tasks in networks encompassing fronto-parietal, temporal, occipital, 

40 

cerebellar,  and  subcortical  brain  regions.  Furthermore,  WM-related  connectivity  in  widespread 

41 

networks  was  associated  with  performance  accuracy  in  a  continuous  performance  test.  Regarding 

42 

resting state connectivity, no group differences or associations with task performance were observed. 

43 

Compared with the controls, WM training did not modulate functional or structural connectivity. 

44 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

Conclusion:

 Our results indicate large-scale abnormalities in functional brain networks underlying 

45 

deficits  in  verbal  and  visuospatial  WM  commonly  faced  in  ADHD.  Training-induced  plasticity  in 

46 

these networks may be limited. 

47 

Trial registration:

 Retrospectively registered [registration still on-going in ISRCTN Registry]. 

48 

Introduction 

49 

Attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) is manifested as difficulties to  maintain attention, 

50 

impulsive behavior, and hyperactivity (1). No reliable objective behavioral markers for ADHD have 

51 

been found, but deficits in working memory (WM) are suggested to be a key factor contributing to 

52 

the  core  symptoms  (2).  WM  enables  mental  maintenance  and  manipulation  of  information  and 

53 

supports many complex behaviors needed in everyday life (3). Poor WM is associated with severe 

54 

attention problems  (4–6)  and has  widespread  effects,  for instance, on  academic performance  (7,8) 

55 

and organizational skills (9).  Prevailing etiological theories suggest that ADHD symptoms emerge 

56 

from complex network-level aberrancies in brain structure and function (see, e.g., 10,11), but whole-

57 

brain  connectomics  related  to  WM  performance  are  still  poorly  understood.  Another  key  issue  to 

58 

address  in  cognitive  neuroscience  research  is  the  malleability  of  abnormal  networks  to  behavioral 

59 

interventions, as standard psychopharmaceutical treatments are sometimes ineffective and can have 

60 

unpleasant adverse effects (12,13). 

61 

Adults with ADHD have difficulties  with both verbal and visuospatial WM (14). One of the most 

62 

common  WM  paradigms  used  in  brain  research  (15–17)  is  the 

n

-back,  which  requires  continuous 

63 

updating of WM content by determining whether or not a current item in a stimulus stream matches 

64 

the one presented 

n

 items ago (18). For example, in a visuospatial 2-back task, a participant’s task is 

65 

to determine whether a current stimulus occurs in the same location as the stimulus presented just 

66 

before the preceding one. 

n

-back tasks activate the prefrontal and parietal cortices, insula, cerebellum, 

67 

thalamus, and cingulate cortex (15–17), overlapping the brain areas of a more general WM network 

68 

(19).  Activation  patterns  show  considerable  similarities  across  different  WM  task  types  (17,19). 

69 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

However, the left inferior frontal gyrus has shown enhanced activity during verbal vs. nonverbal WM 

70 

and the supplementary motor area during nonverbal vs. verbal WM (19). Moreover, visuospatial WM 

71 

tasks  have  shown  increased  activity  in  the  anterior  insula  and  cerebellar  tonsil  compared  with  an 

72 

object identification WM task (17). The brain areas engaged in 

n

-back tasks, especially the prefrontal 

73 

cortex and insula, are usually less active during 

n

-back performance in individuals with ADHD than 

74 

in neurotypical (NT) participants (20,21). WM involves multiple cognitive component processes that 

75 

operate  with  spatial  and  verbal  WM  slave  systems,  relying  on  synchronized  activation  between 

76 

several different brain networks (3). Therefore, examining network-level brain systems can provide 

77 

important information about the mechanisms of WM as well as related dysfunctions. 

78 

Only a few studies have investigated WM-related network-level functional connectivity in ADHD 

79 

vs.  NT  individuals  (22–26).  Functional  connectivity  refers  to  synchronized  activation  patterns 

80 

between brain areas, determined as, for instance, temporal correlations between blood-oxygen level-

81 

dependent  (BOLD)  signals  measured  in  different  brain  areas  with  functional  magnetic  resonance 

82 

imaging (fMRI) (27). While regional activity is typically reduced in individuals with ADHD, most 

83 

WM-related  functional  connectivity  studies  conducted  thus  far  have  revealed  stronger  functional 

84 

connectivity in individuals with ADHD than in NT individuals in widespread networks, including the 

85 

prefrontal,  temporal,  parietal,  occipital,  insular,  and  cingulate  cortices,  as  well  as  the  cerebellum, 

86 

striatum,  and  globus  pallidus  (22–26).  However,  hypoconnectivity  was  also  identified  between 

87 

several brain areas in these studies (22,25,26). Moreover, all but one (25) of the studies on functional 

88 

connectivity changes in ADHD were conducted in children. Given that both functional connectivity 

89 

patterns  (28)  and  ADHD  symptoms  evolve  during  childhood  (29),  it  is  difficult  to  make  reliable 

90 

inferences from child studies on WM-related functional connectivity in adults with ADHD.  In the 

91 

only  study  on  adults,  Wolf  and  colleagues  (25)  found  reduced  connectivity  in  ADHD  in  fronto-

92 

parieto-cerebellar areas and the anterior cingulate cortex, and hyperconnectivity in many frontal areas 

93 

and  the  dorsal  cingulate  cortex.  Another  limitation  in  previous  studies  is  that  most  of  them  have 

94 

investigated the functional connectivity of predefined areas or networks, possibly exaggerating their 

95 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

significance or excluding other relevant areas from the analysis. Other approaches, such as Network-

96 

Based  Statistic  (NBS)  (30),  a  data-driven  clustering  method  used  to  explore  the  connectivity 

97 

architecture  of  whole-brain  networks  with  minimal  a  priori  assumptions,  might  provide 

98 

complementary information on the complex functional connectivity changes in neurodevelopmental 

99 

disorders such as ADHD. 

100 

Due to the important role of WM deficits in the cognitive problems related to ADHD, WM training 

101 

was seen as a potential candidate for ADHD rehabilitation already almost two decades ago (31). Since 

102 

then, the behavioral effects of cognitive training on individuals with ADHD have been extensively 

103 

studied.  These  studies  have  shown  cognitive  training  related  moderate  improvements  in  untrained 

104 

WM tasks, and some studies have even found evidence of transfer effects on inhibition control and 

105 

attention which are some of the core ADHD symptoms hampering everyday life (32–36). It is less 

106 

clear whether cognitive training is capable of remediating aberrant brain functioning in individuals 

107 

with ADHD. A few cognitive training studies on children and adolescents with ADHD have reported 

108 

volumetric increases from pretest to posttest in frontal and cerebellar gray matter (37) and regional 

109 

brain activity increases in frontal, parietal and temporal lobe regions and in the cerebellum (38,39) 

110 

and  decreases  in  the  insula  and  subcortical  structures  (40).  Our  previous  results  from  the  present 

111 

randomized  controlled  trial  showed  that  WM  training  restored  regional  activation  in  the  fronto-

112 

parietal  areas,  precuneus,  and  supplementary  motor  area  in  adults  with  ADHD  (41).  More 

113 

specifically, we demonstrated that the training effects were different for the criterion task and for its 

114 

untrained variant: increased activity was observed for the training task, and decreased activity for the 

115 

near-transfer task (41). This may partly explain the mixed results found in previous studies employing 

116 

either  a  criterion  task  or  a  near-transfer  task  only.  Besides  regional  effects,  some  studies  with 

117 

neurotypical  adults  have  investigated  how  cognitive  training  affects  structural  or  functional 

118 

connectivity (for reviews, see 42,43). To highlight a few, studies using the NBS method have revealed 

119 

training-related increases in structural and functional connectivity in networks encompassing frontal, 

120 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

temporal, and parietal areas (44,45). However, the network-level neural modulation effects of WM 

121 

training in individuals with ADHD have not yet been studied. 

122 

In  the  present  study,  we  investigated  differences  in  WM-related  functional  connectivity  between 

123 

adults with and without ADHD, as well as the malleability of these differences in response to WM 

124 

training. We also examined brain connectivity during resting state to further explore whether possible 

125 

group differences during WM performance are explained by intrinsic brain connectivity. Functional 

126 

connectivity was  analyzed  with  the NBS method in  two ways, as  group-level  differences  between 

127 

adults  with  ADHD  and  NT  controls,  and  as  correlations  between  functional  connectivity,  ADHD 

128 

symptoms, and continuous performance test (CPT) scores regardless of the participant’s diagnostic 

129 

status.  CPT  is  the  most  widely  studied  objective  behavioral  marker  of  ADHD  (46),  and  related 

130 

behavioral indices that are correlated with symptoms (47; however, see 48) were hence expected to 

131 

provide  complementary  information  about  aberrant  functional  connectivity  patterns.  Based  on  our 

132 

previous findings of ADHD-related reduced structural connectivity within the same sample (49), we 

133 

expected to find widespread hypoconnectivity in adults with ADHD compared with the NT controls, 

134 

although  the  findings  of  previous  functional  imaging  studies  were  mixed  (22–26).  We  also 

135 

hypothesized  that  higher  error  rates  in  the  CPT  would  be  associated  with  reduced  functional 

136 

connectivity,  also  based  on  our  previous  findings  of  a  corresponding  association  with  structural 

137 

connectivity (49).  

138 

To  examine  the  effects  of  WM  training,  the  participants  with  ADHD  took  part  in  a  randomized 

139 

controlled WM training trial, divided into an experimental group training 

n

-back and an active control 

140 

group  practicing  a  video  game.  Network-level  training  effects  were  analyzed  by  examining  the 

141 

interaction  between  group  (

n

-back  training  group  vs.  active  control  group)  and  session  (pre-  vs. 

142 

posttraining  MRI).  In  addition  to  functional  connectivity,  WM  training  effects  on  structural 

143 

connectivity were also examined, building on our previous study of abnormal structural connectivity 

144 

in  adults with ADHD  (49). We hypothesized that  WM  training would lead to  increased functional 

145 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

connectivity, considering the training-related restoration of regional brain activity reported in the same 

146 

sample  (41)  and  the  previous  connectivity  studies  in  NT  individuals  (45,50–53).  Although  the 

147 

evidence  of  changes  in  structural  connectivity  resulting  from  WM  training  is  a  bit  more  limited 

148 

(44,54–56),  the  existing  evidence  for  experience-induced  neuronal  plasticity  (57)  and  its  potential 

149 

implications prompted us to conduct pre-post comparisons also for the networks extracted from the 

150 

diffusion-weighted MR images. 

151 

Materials and Methods

 

152 

Participants 

153 

Forty-two adults with ADHD and 36 NT controls participated in the study (see Supplementary Table 

154 

1  in  Supplementary  Results).  The  participants  with  ADHD  were  pre-screened  and  recruited  by 

155 

psychiatrists  at  the  Neuropsychiatry  outpatient  clinic  of  the  Helsinki  University  Hospital  and  at 

156 

private  clinics  (Diacor  Healthcare  Services,  Helsinki,  Finland,  and  ProNeuron,  Espoo,  Finland). 

157 

Comorbid disorders were excluded as part of a regular clinical assessment with Interview for DSM-

158 

IV  Axis  I  Disorders  (SCID-I)  and  the  Mini-International  Neuropsychiatric  Interview  (M.I.N.I.). 

159 

Exclusion criteria included any other severe psychiatric or neurological disorders apart from ADHD, 

160 

including head trauma requiring treatment, substance abuse or other addictions. The NT participants 

161 

were recruited via email lists at universities, polytechnics, adult high schools, and vocational schools, 

162 

and via the authors’ personal contacts. All participants were native Finnish speakers, had normal or 

163 

corrected-to-normal vision, had sufficient hearing, and met the MRI eligibility criteria. The NT adults 

164 

who  participated  only  in  the  pretest  (see  Figure  1  for  an  overview  of  the  study  stages)  were 

165 

compensated by 60 €, and the ADHD participants continuing to the training period and the posttest 

166 

by 240 €. 

167 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

 

168 

Figure  1

.  Schematic  overview  of  the  study  stages.  The  study  consisted  of  three  parts:  a  pretest 

169 

neuropsychological  assessment  and  imaging  session,  a  training  period,  and  a  posttest 

170 

neuropsychological assessment and imaging session. Pre-screening was conducted before the pretest. 

171 

The NT controls participated only in the pretest, while the participants with ADHD continued to the 

172 

training period and the posttest. Image adapted from (41), published under CC BY 4.0 license (58). 

173 

 

174 

ADHD was diagnosed according to the Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders, Fourth 

175 

Edition (DSM-IV) and the participants’ current status was confirmed with the Conners’ Adult ADHD 

176 

Diagnostic  Interview  for  DSM-IV  (59).  All  participants  with  ADHD  met  the  criteria  for  both 

177 

inattention  and  hyperactivity  or  only  for  inattention.  Four  participants  had  migraine,  two  had 

178 

hypothyroidism, and two had experienced mild epilepsy symptoms in childhood but had not needed 

179 

treatment since that time. Four participants had a prescription for migraine medicine, one for mild 

180 

depression  (selective  serotonin  re-uptake  inhibitor),  and  two  for  hypothyroidism.  Thirty-three 

181 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

participants with ADHD were using stimulants. Participants were requested to have a 24-h wash-out 

182 

period from psychostimulants before the pre- and posttests including the fMRI session. 

183 

Self-ratings and general abilities 

184 

ADHD symptoms were self-assessed with the Adult ADHD Self-Report Scale (ASRS) version 1.1 

185 

(60), mood with the Depression Scale (DEPS, 61), and alcohol consumption with the Alcohol Use 

186 

Disorders Identification Test – Consumption (62). General cognitive abilities were assessed with the 

187 

Matrix reasoning and Vocabulary tests of the Wechsler Adult Intelligence Scale (WAIS-III, 63). 

188 

fMRI conditions 

189 

Resting state.

 During the resting state condition, participants were instructed to fixate their gaze to a 

190 

white cross presented in the center of a gray screen. Otherwise, there was no task for the participants 

191 

during the acquisition. The resting state run lasted for approximately seven minutes. 

192 

Single n-back tasks. 

Two variants of single 

n

-back tasks were presented during the fMRI session: a 

193 

version with visuospatial material (white squares presented in eight locations of a 3 x 3 matrix where 

194 

the  fixation  point  occupied  the  center)  and  another  with  visually  presented  digits  (from  1  to  9 

195 

presented at the center of the screen). In both task variants, the blocks consisted of four different 

n

-

196 

back levels (0-, 1-, 2-, and 3-back, one level in one block) presented in a counterbalanced order (0-

197 

back,  1-back,  2-back,  3-back,  3-back,  2-back,  1-back,  0-back,  etc.).  All  blocks  began  with  an 

198 

instruction of the 

n

-back level. Each location/digit was shown on the screen for 1500 ms with an 

199 

interstimulus interval (ISI) of 450 ms. Two response buttons, match and nonmatch, were used at load 

200 

levels higher than 0-back. In the 0-back task, the participants pressed the nonmatch button for each 

201 

stimulus. Each block consisted of 10 trials,  of which randomly  two on average  were match trials 

202 

(targets). Each task level was presented five times, and the duration of the task was approximately 13 

203 

min for each task variant. 

204 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

10 

Offline cognitive tasks 

205 

Dual n-back task.

 Dual 

n

-back task was conducted in the pretest (outside of the scanner) and was 

206 

used as the training task for the experimental group. During the task, visuospatial material (same as 

207 

in the visuospatial single 

n

-back task; see above) was presented simultaneously with phonological 

208 

material (spoken Finnish syllables /dy/, /ki/, /le/, /n

æ/

, /p

ø

/, /ro/, /su/, or /ta/). The squares and the 

209 

syllables  were  presented  concurrently,  with  500 ms  stimulus  presentation  and  2,500 ms  ISI.  The 

210 

participants were instructed to indicate whether the latest stimulus, either a square location, a syllable, 

211 

or both, matched the one 

n

 trials back. They had to press the left key if the square location matched 

212 

the location 

n

 trials back, the right key if the syllable matched the syllable 

n

 trials back, and both keys 

213 

if both matched the items 

n

 trials back. The probabilities of matches and nonmatches were equal in 

214 

both  tasks. Total task duration was  approximately 25 minutes, with  20 blocks of sequences,  each 

215 

containing  20  stimuli  pairs.  Task  difficulty  was  continuously  adjusted  based  on  the  participant’s 

216 

performance. The level of 

n

 was between one and nine in each block. The program increased 

n

 by 1 

217 

in the following block when 90% accuracy was reached and decreased by 1 if the number of correct 

218 

answers fell below 75% for either stimulus type. The starting level of each session was 2-back. A 

219 

result screen showing the highest level of 

n

 reached during the session and the number of blocks 

220 

completed for each 

n

 level was displayed at the end of the session.

 

221 

Continuous performance test.

 Continuous performance test (CPT) (64) was performed outside of 

222 

the  scanner.  We  used  the  implementation  of  the  Conners  Continuous  Performance  Test  2  (65) 

223 

available  in  the  Psychology  Experiment  Building  Language  (PEBL)  toolbox  (66).  In  this  test,  the 

224 

participants were presented with a series of letters and instructed to press the space bar for each letter 

225 

apart from the letter X, which occurred in 9.7% of the trials. There were 360 trials (letters) with fixed 

226 

alternating intervals (1000 ms, 2000 ms, and 4000 ms), and the duration of the task was approximately 

227 

14 min. We used two scores in this study: omission errors (failure to respond to a target letter) and 

228 

commission errors (responding to a nontarget-letter X). 

229 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

11 

MRI acquisition 

230 

MRI  data  were  collected  at  the  Advanced  Magnetic  Imaging  Centre  (Aalto  University)  using  a 

231 

Siemens MAGNETOM Skyra 3 T scanner (Siemens Healthcare, Erlangen, Germany) mounted with 

232 

a 30-channel head coil. Functional runs were acquired using gradient-echo echo planar imaging with 

233 

the following parameters: repetition time (TR) 1.9 s, voxel matrix 64 × 64, slice thickness 3.0 mm, 

234 

and in-plane resolution 3.1 mm × 3.1 mm. The two single 

n

-back tasks were conducted in different 

235 

runs, each including 408 volumes. The resting state run included 225 volumes. In addition to fMRI, 

236 

an  anatomical  scan  with  a  T1-weighted  (T1w)  MPRAGE  sequence  was  obtained  for  registration 

237 

purposes with the following parameters: TR 2.5 s, voxel matrix 256 × 256, slice thickness 1 mm, and 

238 

in-plane resolution 1 mm × 1 mm. 

239 

The tasks presented during the functional runs were projected with a  3-micromirror data projector 

240 

(Christie  X3,  Christie  Digital  Systems,  Mönchengladbach,  Germany)  on  a  semitransparent  screen 

241 

located behind the participants’ head. The distance to the screen was approximately 34 cm via a mirror 

242 

located above the eyes of the participant with a binocular field of view 24 cm. 

243 

Preprocessing of the imaging data 

244 

Results  included  in  this  paper  come  from  preprocessing  performed  using  fMRIPrep  22.1.0  (67; 

245 

RRID:SCR_016216),  which  is  based  on  Nipype  1.8.5  (68;  RRID:SCR_002502).  Many  internal 

246 

operations  of  fMRIPrep  use  Nilearn  0.9.1  (69;  RRID:SCR_001362).  The  boilerplate  text  in  this 

247 

section (except for Denoising) was automatically generated by fMRIPrep with the express intention 

248 

that users should copy and paste this text into their manuscripts unchanged. It is released under the 

249 

CC0 license. 

250 

Anatomical data preprocessing.

 The T1w image was corrected for intensity non-uniformity (INU) 

251 

with N4BiasFieldCorrection (70), distributed with ANTs 2.3.3 (71; RRID:SCR_004757), and used as 

252 

T1w reference throughout the workflow. The T1w reference was then skull-stripped with a Nipype 

253 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

12 

implementation of the antsBrainExtraction.sh workflow (from ANTs), using OASIS30ANTs as target 

254 

template. Brain tissue segmentation of cerebrospinal fluid (CSF), white-matter (WM) and gray-matter 

255 

(GM)  was  performed  on  the  brain-extracted  T1w  using  fast  (72;  FSL  6.0.5.1:57b01774, 

256 

RRID:SCR_002823).  Brain  surfaces  were  reconstructed  using  recon-all  (73;  FreeSurfer  7.2.0, 

257 

RRID:SCR_001847), and the brain mask estimated previously was refined with a custom variation 

258 

of the method to reconcile ANTs-derived and FreeSurfer-derived segmentations of the cortical gray-

259 

matter of Mindboggle (74; RRID:SCR_002438). 

260 

Functional  data  preprocessing. 

First,  a  reference  volume  and  its  skull-stripped  version  were 

261 

generated using a custom methodology of fMRIPrep. Head-motion parameters with respect to the 

262 

BOLD reference (transformation matrices, and six corresponding rotation and translation parameters) 

263 

were estimated before any spatiotemporal filtering using mcflirt (75; FSL 6.0.5.1:57b01774). BOLD 

264 

runs were slice-time corrected to 0.911s (0.5 of slice acquisition range 0s-1.82s) using 3dTshift from 

265 

AFNI  (76;  RRID:SCR_005927).  The  BOLD  time-series  (including  slice-timing  correction)  were 

266 

resampled onto their original native space by applying the transforms to correct for head-motion. The 

267 

BOLD reference was then co-registered to the T1w reference using bbregister (FreeSurfer) which 

268 

implements  boundary-based  registration  (77).  Co-registration  was  configured  with  six  degrees  of 

269 

freedom.  Several  confounding  time-series  were  calculated  based  on  the  preprocessed  BOLD: 

270 

framewise displacement (FD), DVARS, and two region-wise global signals. FD was computed using 

271 

two formulations following Power et al. (absolute sum of relative motions; 78) and Jenkinson et al. 

272 

(relative root mean square displacement between affines; 75). FD and DVARS were calculated for 

273 

each functional run, both using their implementations in Nipype (following the definitions by 78). 

274 

The two global signals were extracted within the CSF and the WM. The confound time series derived 

275 

from  head  motion  estimates  and  global  signals  were  expanded  with  the  inclusion  of  temporal 

276 

derivatives and quadratic terms for each (79). 

277 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

13 

Denoising.

 After preprocessing, further denoising was applied to the fMRI data, including high-pass 

278 

filtering using a discrete cosine filter with 128 s cutoff, regression of volumes identified as motion 

279 

outliers (frames that exceeded 0.5 mm FD or 1.5 standardized DVARS), and regression of the CSF 

280 

and  WM  global  signals  and  the  six  head  motion  parameters  with  their  temporal  derivatives  and 

281 

quadratic terms (4 CSF global signals, 4 WM global signals, and 24 head motion parameters in total; 

282 

79). 

283 

Functional network construction 

284 

Automatic cortical parcellation was performed according to the Destrieux atlas (80) in the 

FreeSurfer 

285 

software package (81), and subcortical segmentation was conducted using the FIRST algorithm (82) 

286 

of the FSL toolbox (83). This resulted in a total of 164 regions of interest (ROIs) for each participant 

287 

in  their  native  (T1w)  space.  Functional  connectivity  matrices  were  constructed  with  the 

Nilearn

 

288 

toolbox (84) by calculating pairwise Pearson correlations of detrended, standardized and denoised 

289 

average  time  series  of  each  ROI.  Finally,  Fisher  transformation  was  applied  for  each  correlation 

290 

matrix. 

291 

Processing of diffusion weighted images and construction of the structural connectome 

292 

The acquisition and preprocessing of diffusion weighted images, tractography, and construction of 

293 

structural networks are reported in detail elsewhere (49). Briefly, we collected 64 diffusion weighted 

294 

(

b

 = 1000 s/mm

2

) images, performed motion, eddy current, and susceptibility distortion correction 

295 

(85,86),  conducted  constrained  spherical  deconvolution  (87)  based  anatomically-constrained 

296 

tractography (88) from the white matter-gray matter interface, filtered the tractogram using SIFT2 

297 

(89,90),  and  constructed  the  structural  connectome  using  the  same  ROIs  as  in  the  present  study 

298 

(80,82). All processing steps were performed with the FSL (91) and MRtrix3 toolboxes (92). 

299 

 

300 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

14 

Intervention procedure 

301 

After the pretest, the participants were assigned to either the experimental group or the active control 

302 

group  according  to  a  lottery-based  randomization  (20  tickets  for  each  group)  conducted  by  an 

303 

experimenter who was about to supervise the training period. The participants were unaware of the 

304 

group  to  which  they  were  assigned.  Different  experimenters  supervised  the  pre-  and  posttest  and 

305 

training  sessions,  keeping  also  the  experimenters  conducting  the  assessments  and  the  imaging 

306 

sessions blinded to the participants’ group membership. During the training period, the participants 

307 

trained three times a week, once in the laboratory (Institute of Behavioural Sciences, University of 

308 

Helsinki) and twice at home, for five weeks. One training session lasted for approximately 25 min, 

309 

and the participants were required to finish at least 10 training sessions to be invited to the posttest. 

310 

A laptop computer was given to the participants to conduct the training sessions at home, but they 

311 

were also allowed to use their own computer. 

312 

Experimental group. 

The experimental group trained on a dual 

n

-back task that was the same as in 

313 

the pretest, except that each training session lasted for 20 blocks instead of 10. The program generated 

314 

a  logfile  for  each  session  that  was  stored  on  the  computer.  The  participants  also  completed  a 

315 

questionnaire  in  which  they  reported  the  maximum 

n

-level  they  achieved  and  their  levels  of 

316 

motivation and arousal during the training session on a 10-point Likert scale (0 = very low and 10 = 

317 

very high). Each participant who continued until posttest (see the section Participant exclusion and 

318 

study drop-outs) finished at least 11 training sessions, and 12 participants completed all 15 training 

319 

sessions (mean number of sessions = 14.00, 

SD

 = 1.56).

 

320 

Active  control  group.

 The  active  control  group  played  the  Bejeweled  II  video  game  by  PopCap 

321 

Games from 2004. Their task was to score points by swapping jewels with adjacent ones, creating 

322 

chains of same-colored jewels. This game was selected because it has low WM demands and it is 

323 

broadly  appealing,  and  because  it  has  been  successfully  used  in  prior  studies  (e.g.,  93).  The 

324 

participants recorded their highest scores in a training log after each session. All participants  who 

325 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

15 

continued until posttest (see section Participant exclusion and study drop-outs) performed at least 11 

326 

training sessions, and 17 participants completed all 15 sessions (mean number of sessions = 14.65, 

327 

SD

 = 0.99). 

328 

Participant exclusion and study drop-outs 

329 

Some participants were excluded from further analyses to ensure data quality. One NT participant 

330 

was  excluded  due  to  unsuccessful  cortical  parcellation,  resulting  in  163  ROIs.  Two  ADHD 

331 

participants were excluded from the resting state analyses because the imaging field during MRI was 

332 

misplaced.  Participants  were  also  excluded  from  specific  task  analysis  if  their  mean  connectivity 

333 

(mean of all pairwise correlations) exceeded 3 standard deviations from the group mean in the task. 

334 

Furthermore, three ADHD participants (2 from the experimental group and 1 from the active control 

335 

group) did not continue the training period to the posttest. The final group sizes were as follows: 41 

336 

participants  with ADHD  and  35  NT  participants  for  the  pretest  visuospatial 

n

-back  analyses;  41 

337 

participants with ADHD and 34 NT participants for the pretest digit 

n

-back analyses; 37 participants 

338 

with ADHD and 33 NT participants for the pretest resting state analyses; 18 in the experimental and 

339 

19  in  the  active  control  group  for  the  visuospatial 

n

-back  training  effect  analyses;  18  in  the 

340 

experimental and 20 in the active control group for the digit 

n

-back training effect analyses; 17 in the 

341 

experimental and 17 in the active control group for the resting state training effect analyses; and 19 

342 

in the experimental and 19 in the active control group for the structural connectivity training effect 

343 

analyses. 

344 

Statistical analyses 

345 

Normality inspections.

 The distributions of the scalar clinical and demographic variables were tested 

346 

with the Shapiro-Wilk normality test and by visual inspection of the Q-Q plots. Variables determined 

347 

to  be  normally  distributed  (age,  Vocabulary,  Matrix  reasoning,  mood,  alcohol  consumption, 

348 

inattention,  hyperactivity-impulsivity,  and  commission  errors)  were  studied  with  independent 

349 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

16 

samples 

t

-tests  when  comparing  groups  or  with  Pearson’s  correlation  when  studying  associations 

350 

between  variables.  Some  scalar  variables  (age,  Vocabulary,  Matrix  reasoning,  and  mood)  were 

351 

slightly curved resulting in rejection of normality in the Shapiro-Wilk test, and the group differences 

352 

were double-checked with a nonparametric Mann-Whitney U-test. The results remained the same. 

353 

The omission error rates were not normally distributed and nonparametric tests (Mann-Whitney U-

354 

test  for  group  differences  and  Spearman’s 

ρ

  for  associations  between  variables)  were  used  for 

355 

analyses. Group differences in gender, handedness, and education level were analyzed with the χ

2

 

356 

test.

 

357 

NBS.

 Network Based Statistic toolbox (30) was used to search for functional networks differentiating 

358 

ADHD and NT participants or associated with background variables, as well as to identify networks 

359 

with group × session interactions in the WM training trial. NBS is a data-driven method that uses 

360 

cluster-based thresholding for the correction of mass-univariate analyses. Briefly, subnetworks, or 

361 

clusters,  are  first  constructed  from  interconnected  links  (ROI-to-ROI  connections)  that  exceed  a 

362 

primary threshold. Family-wise error (FWE) rate is then controlled by nonparametric permutation 

363 

testing.  The  FWE-corrected 

p

-level  is  estimated  as

 

the  proportion  of  permutations  in  which  the 

364 

random-data cluster size (extent) or magnitude of the effect (intensity) is as large or larger than in the 

365 

original  data.  Here,  the  group  differences  were  studied  with  a  one-sided 

t

-test,  associations  with 

366 

background variables with Pearson’s correlations, and group × session interactions with repeated-

367 

measures ANOVA. We used primary thresholds of 3.0, 3.5 and 4.0 and both extent and intensity as a 

368 

measure  of  the  cluster  size.  10  000  permutations  were  performed  in  each  test  round.  Statistical 

369 

significance was set to 

 

< .05. 

370 

Comparative reliability analyses 

371 

To ensure that our results are not bound to one denoising scheme (see the Denoising section), we 

372 

repeated all analyses with another denoising strategy. In this comparative analysis, movement outliers 

373 

were not regressed out. Instead, participants whose movement exceeded 3 mm/radians for any of the 

374 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

17 

six translational or rotational head movement parameters or whose mean FD exceeded 0.5 mm were 

375 

excluded  from  the  analyses.  Otherwise,  the  same  denoising  options  were  used. All  main  effects 

376 

remained similar, with small changes to the WM-related NBS networks. The results can be found in 

377 

the Supplementary Results (Supplementary Figures 1-2). 

378 

Brain network visualizations 

379 

The brain images were visualized with the 

BrainNet Viewer

 (94). 

380 

Results 

381 

Behavioral characteristics 

382 

There were no statistically significant differences between the ADHD and NT groups in the general 

383 

background variables (age, gender, handedness, general cognitive abilities, education level, mood or 

384 

alcohol consumption), but the ADHD group reported more inattention and hyperactivity symptoms 

385 

than the NT controls and made more commission errors in the CPT. See Supplementary Tables 1 and 

386 

2 in Supplementary Results for detailed characteristics regarding the sample used in the present study. 

387 

Group differences in functional connectivity 

388 

NBS  identified  a  single  network  per  WM  task  type  (digit  and  visuospatial 

n

-back)  with  lower 

389 

functional connectivity in the ADHD group compared with the NT group (Figure 2 & Supplementary 

390 

information). The networks were detected with both extent and intensity as a measure of network and 

391 

with all primary thresholds (

t

-values 3.0, 3.5, and 4.0), reducing in size with increasing thresholds 

392 

(results  with 

t

-values  3.0  and  4.0  in  Supplementary  Figure  3  in  Supplementary  Results).  Both 

393 

networks  encompassed  prefrontal  areas,  the  cingulate,  temporal,  parietal  and  occipital  cortices, 

394 

cerebellum, and subcortical structures such as the dorsal striatum and globus pallidus. The digit 

n

-

395 

back task-related network also included the insula, amygdala, and thalamus. The digit 

n

-back task-

396 

related network included more edges than the visuospatial 

n

-back task-related network. We found no 

397 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

18 

WM-related networks with increased connectivity in the ADHD group compared with the NT adults 

398 

(all 

p

-values = 1.0). There were no networks with significant group differences in the resting state 

399 

condition (all 

p

-values > .41). 

400 

 

401 

Figure 2.

 The brain networks with decreased functional connectivity in the ADHD group compared 

402 

with the NT group during working memory tasks. A) The network related to the visuospatial 

n

-back 

403 

task included 25 edges  and 23 nodes  (primary threshold 

t

  = 3.5, 

p

  extent  =  .03, 

p

  intensity = .03, 

404 

FWE-corrected).  B)  The  network  related  to  the  digit 

n

-back  task  included  91  edges  and  73  nodes 

405 

(primary threshold 

t

 = 3.5, 

p

 extent = .009, 

p

 intensity = .009, FWE-corrected). The networks were 

406 

identical with extent and intensity as a measure of network size. 

407 

Associations between functional connectivity and behavioral measures 

408 

NBS revealed a single network per WM task type (digit and visuospatial 

n

-back) in which functional 

409 

connectivity was negatively correlated with the number of commission errors in the CPT (Figure 3 

410 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

19 

& Supplementary information). These two networks were detected with both extent and intensity as 

411 

a measure of the network size. Both networks were identified with primary thresholds of 

t

 = 3.0 and 

412 

=  3.5,  and  the  network  related  to  the  visuospatial  task  also  with 

t

  =  4.0,  reducing  in  size  with 

413 

increasing thresholds (results with 

t

-values 3.0 and 4.0 in Supplementary Figure 4 in Supplementary 

414 

Results).  Both  networks  included  frontal,  temporal,  and  parietal  areas,  and  the  ventral  and  dorsal 

415 

striatum.  The  visuospatial  network  included  also  occipital  areas  and  the  thalamus.  There  were  no 

416 

statistically significant WM-related networks identified with the other background variables (

all 

p

-

417 

values  >  .17).  We  found  no  networks  with  statistically  significant  associations  with  resting  state 

418 

connectivity (all 

p

-values > .07).

 

419 

 

420 

Figure 3.

 Networks in which WM-related functional connectivity was negatively associated with the 

421 

number of commission errors (CEs) in the CPT. A) The network related to the visuospatial 

n

-back 

422 

task included 36 edges  and 28 nodes (primary threshold 

t

 = 3.5, 

p

 extent  = .02, 

p

 intensity = .02, 

423 

FWE-corrected

).  B)  The  network  related  to  the  digit 

n

-back  task  included  27  edges  and  26  nodes 

424 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

20 

(primary threshold 

t

 = 3.5, 

p

 extent = .03, 

p

 intensity = .03, FWE-corrected). The two networks were 

425 

identical with extent and intensity as a measure of network size. 

426 

Cognitive training intervention 

427 

We found no networks with a statistically significant group × session interaction in either WM-related 

428 

or resting state functional connectivity or structural connectivity with NBS (all 

p

-values > .09). 

429 

In addition to whole-brain analyses, we conducted a post-hoc analysis examining the training effects 

430 

on the networks differentiating the ADHD and NT groups. The training effects were analyzed using 

431 

a group × session design for each edge of the networks and the results were corrected for multiple 

432 

comparisons  with  FDR  correction.  For  functional  connectivity,  we  chose  the  10%  of  edges  with 

433 

strongest group differences from the 

t

 = 3.0 networks (see Supplementary information) to reduce the 

434 

number of separate analyses and to restrict the analyses to the most relevant edges regarding the group 

435 

differences. For structural connectivity, the whole 

t

 = 3.0 network was chosen for post-hoc analysis 

436 

(see  Supplementary  information;  see  49  for  further  group  results)  due  to  its  smaller  size.  These 

437 

analyses revealed no group × session interactions surviving the correction of multiple analyses at any 

438 

edge of the functional or structural networks. 

439 

Discussion 

440 

In the present study, we examined alterations in functional connectivity during WM performance and 

441 

resting  state  in  adults  with  ADHD  vs.  NT  controls  and  further  investigated  whether  WM  training 

442 

intervention  influences  the  functional  or  structural  network  configuration  in  the  ADHD  group.  In 

443 

accordance  with  our  hypotheses,  WM-related  functional  hypoconnectivity  in  adults  with  ADHD 

444 

compared  with  NT  adults  was  observed  in  widespread  brain  networks.  Furthermore,  as  we 

445 

hypothesized, we found that functional connectivity was associated with performance in an attention 

446 

task regardless of diagnostic status. However, contrary to our hypothesis, no effects of WM training 

447 

on  functional  connectivity  were  observed,  and  no  intervention  effects  were  detected  in  structural 

448 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

21 

networks either. These findings shed light on the neural basis of aberrant  WM functioning and its 

449 

(limited) malleability to training in adult ADHD. 

450 

WM-related functional connectivity in  adult ADHD:  Group  differences  and associations  with  task 

451 

performance

 

452 

We observed decreased functional connectivity during visuospatial and verbal n-back tasks in adults 

453 

with ADHD, which is in line with findings that individuals with this neurodevelopmental disorder 

454 

have difficulties in both WM domains (14).  Hypoconnectivity during verbal WM task in adults with 

455 

ADHD  vs.  NT  controls  was  also  reported  by  Wolf  and  colleagues  (25).  In  that  study, 

456 

hypoconnectivity was found in areas that appeared also in the networks of the present study, namely 

457 

the  ventral  prefrontal  cortex,  anterior  cingulate  cortex,  superior  parietal  lobule,  and  cerebellum, 

458 

although they also reported hyperconnectivity in the prefrontal cortex, dorsal cingulate cortex, and 

459 

cuneus. Decreased structural connectivity in overlapping networks was also observed in our previous 

460 

study  on  adult  ADHD  (49).  In  most  previous  studies  that  have  focused  on  children  with  ADHD, 

461 

hyperconnectivity during WM performance has been a more common finding than hypoconnectivity 

462 

(22–24,26).  However,  WM  performance  evolves  strongly  across  development  (95),  together  with 

463 

neural maturation of important WM hubs, such as the prefrontal cortex (96). Brain maturation also 

464 

shapes  connectivity  patterns  during  WM  performance  (97),  as  well  as  during  other  cognitive 

465 

processes and rest (98), complicating comparisons between adult and child studies. Although direct 

466 

evidence of age-related changes in WM-related aberrant activity in individuals with ADHD is still 

467 

lacking,  our  results,  together  with  the  previous  adult  study  (25),  suggest  that  maturation  in  this 

468 

population  can  lead  to  the  emergence  of  WM-related  hypoconnectivity  in  adulthood.  This  might 

469 

reflect  the  parallel  tendency  of  the  symptom  manifestation  shifting  from  overregulation 

470 

(hyperactivity)  to  underregulation  (inattention)  from  childhood  to  adulthood  (99).

 

  Overall,  our 

471 

findings indicate that widespread aberrancies in functional networks underlie the challenges in verbal 

472 

and visuospatial WM that individuals with ADHD commonly encounter. 

473 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

22 

The  networks  showing  WM-related  group  differences  included  several  brain  areas  previously 

474 

associated  with  WM  and  ADHD.  Brain  areas  regarded  as  core  regions  for  WM,  including  the 

475 

prefrontal cortex and parietal lobules (15–17), figure regularly in findings of structural and functional 

476 

abnormalities in ADHD (20,21,100). Furthermore, fronto-striatal loops have been regarded as central 

477 

both  in  ADHD  pathophysiology  and  WM  performance  (101,102),  as  have  cerebro-cerebellar 

478 

pathways (103–105). Additionally, abnormal WM-related activation in the insula (20) and structural 

479 

alterations in the insula and cingulate cortex (100,106) in ADHD have also been found, with both 

480 

areas linked to WM performance (15–17). Finally, structural and functional differences in ADHD vs. 

481 

NT participants have been reported in the pre- and postcentral gyri and many temporal and occipital 

482 

areas (100,106).  

483 

In addition to examining differences between individuals with and without ADHD, we wanted to see 

484 

whether variance in the capability to sustain attention or in symptom severity is associated with WM-

485 

related  connectivity regardless  of the participants’  diagnostic status.  We found that  the number of 

486 

commission errors in the CPT, presumably reflecting impulsivity and lapses of sustained attention, 

487 

was negatively associated with connectivity during both verbal and visuospatial WM. As the observed 

488 

group differences, these findings are in accordance with our previous  study, where higher rates of 

489 

commission  errors  were  associated  with  decreased  structural  connectivity  (49).  This  link  between 

490 

sustained  attention and WM-related connectivity  may be related to  tight  coupling of  attention and 

491 

WM  (107).  The  attention-related  networks  shared  many  brain  areas  with  the  ones  showing  group 

492 

differences, and, overall, the effects cannot be fully separated due to the significant group difference 

493 

in  the  measured  error  rate.  Nevertheless,  these  results  indicate  that  participants’  attention  skills 

494 

modulate how brain areas are synchronized during WM performance. 

495 

In contrast to the results related to WM, we did not find connectivity differences between groups or 

496 

associations  with  background  variables  during  resting  state.  Although  resting-state  connectivity  is 

497 

regularly  studied in  ADHD, with  some meta-analytic evidence of disrupted default-mode network 

498 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

23 

connectivity (10), convergence between individual studies appears to be limited (108). Our findings 

499 

of WM-related aberrant connectivity in ADHD, together with the lack of such differences in resting 

500 

state,  suggest  that  task-based  settings  can  reveal  important  additional  aspects  of  the  connectivity 

501 

divergences related to the cognitive domains with which individuals with ADHD struggle. 

502 

Training-related changes in WM-related functional connectivity in adult ADHD

 

503 

Although accumulating evidence from  behavioral studies suggests that the effects of WM training 

504 

are rather limited (109–111)  and previous evidence  of brain  functioning  malleability  promoted by 

505 

WM training in ADHD partially comes from studies that did not have proper control groups (39), it 

506 

was nevertheless unexpected that we found no effects of WM training on functional or structural brain 

507 

connectivity. After all, regional training effects were reported in this same sample (41) and there are 

508 

studies in NT groups reporting modulations of brain connectivity as a response to WM training (42–

509 

45). Several potential reasons could explain the discrepancy with previous findings of the malleability 

510 

of brain  connectivity in  NT groups. Many  of these  studies  (50,51,55), including those  using  NBS 

511 

(44,45), have not used a control group or have used only a passive control group. Employing an active 

512 

control group has been observed to diminish cognitive training effects at the behavioral level (32), 

513 

and possibly the control group type might also have some effects at the neural level. Related to this, 

514 

it  is  important  that  the  control  group  has  similar  expectations  about  the  training  effects  as  the 

515 

experimental group (112), as was the case in the present study (see 41). However, this has been rarely 

516 

reported in previous cognitive training studies examining brain connectivity. It is also possible that 

517 

the training effects could be observed at only some WM load levels, as was the case in one previous 

518 

study where the rather modest training effects were present only at the 2-back load level (52). Also 

519 

in the previous study reporting training effects in this sample (41), modulations of brain activity were 

520 

dependent  both  on  the  task  load  and  the  type  of  the  n-back  task  (digit  vs.  spatial).  An  analysis 

521 

separating  these  factors  was  not  applicable  for  the  present  study  because  functional  connectivity 

522 

studies  require  a  greater  number  of  volumes  (typically  at  least  6  min;  113)  per  condition  to  show 

523 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

24 

robust  effects.  The  complexity  of  the  underlying  training  effects,  however,  could  only  partially 

524 

explain the lack of effects in the present study as the model in the present study was similar to that in 

525 

the previous study. Regarding the NBS analysis, one could argue that the connectivity effects are too 

526 

small  to  be  revealed  by  whole-brain  analysis,  which  requires  rigorous  correction  for  multiple 

527 

comparisons. Again, this could only partially contribute to the limited training effects as we found no 

528 

training effects for single edges either. Yet another possibility is that the extent of WM training effects 

529 

is negatively affected by initial problems with related cognitive processes (for rich-get-richer effects 

530 

see, e.g., 114–116). However, there are also studies reporting the opposite effects (117). All in all, 

531 

our knowledge of training-induced malleability of brain functioning in ADHD remains rather limited, 

532 

calling for continued research.

 

533 

Recently it has become evident that, in general, cognitive training effects are limited mostly  to the 

534 

trained  task  and  task  settings  that  are  close  to  the  trained  one  (i.e.,  near  transfer;  118).  This  was 

535 

apparent also in the current sample where WM training  gains were observed predominantly in the 

536 

trained task and other  WM  tasks  (41).  Thus, the benefits  of cognitive training in  ADHD are most 

537 

probably  primarily  related  to  improved  task  performances  in  the  cognitive  domain  that  is  being 

538 

targeted, such as WM. Nevertheless, training multiple cognitive processes simultaneously has led to 

539 

reduced inattention symptoms in meta-analyses (32,35), suggesting that multiprocess training might 

540 

be  more  efficient  in  rehabilitation  (however,  see  36).  Also,  examining  the  processes  that  lead  to 

541 

cognitive enhancement, such as the role of self-generated or examiner-instructed strategies (e.g., 119) 

542 

could  be  a  useful  future  direction.  Given  the  limits  of  transfer,  an  even  more  beneficial  approach 

543 

could be to directly train tasks that are difficult for individuals with ADHD in real life (120; see also 

544 

121,122). 

545 

Limitations 

546 

It  is  noteworthy  that  the  present  sample  does  not  fully  represent  the  ADHD  population,  as  we 

547 

excluded  participants  with  comorbid  disorders  that  affect  the  majority  of  the  population  to  avoid 

548 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

25 

potential confounding factors. Individuals with no comorbid disorders can be considered to represent 

549 

a  subpopulation  with  fewer  symptoms  which  potentially  contribute  to  group  differences  in  brain 

550 

connectivity. Additionally, the careful matching of background factors between the ADHD and NT 

551 

groups could diminish some of the group differences evident at the population level. Our sample was 

552 

not  large  enough  to  examine  how  phenotypic  variability,  including  the  gender  and  age  of  the 

553 

participants, which are known to contribute to symptom manifestation, may influence the findings. It 

554 

is also possible that long-term use of stimulant medication contributes to the observed  results in a 

555 

way that cannot be disentangled due to the lack of treatment naive participants. Overall, ADHD is a 

556 

highly heterogeneous disorder, and it would be optimal to acquire larger samples for neuroimaging 

557 

studies to examine this variability. Moreover, the chosen whole-brain analysis might conceal more 

558 

subtle differences in smaller subnetworks, such as fronto-striatal loops, because of the need to correct 

559 

for multiple analyses. The cluster-based correction approach is also unable to identify connectivity 

560 

patterns that do not form a connected component if they are individually too small to survive multiple 

561 

analyses correction. Furthermore, the results could be at least partly driven by group-level differences 

562 

in WM performance (see 41), making it difficult to distinguish the effect of WM deficits from ADHD 

563 

as a whole in the present results. 

564 

Conclusions 

565 

The present study examined the neural underpinnings of WM deficits in adults with ADHD and tested 

566 

whether  aberrant  connectivity  can  be  modified  via  systematic  training  performed  at  WM  capacity 

567 

limits. As expected, functional connectivity was decreased in the adults with ADHD compared with 

568 

NT adults  in  widespread brain  networks.  The group differences observed  in  visuospatial  and digit 

569 

WM tasks were partially overlapping. Unexpectedly, WM training that resulted in the modulation of 

570 

regional activity (group × session interaction) in this same sample (41), did not show up in the present 

571 

functional  connectivity  analysis,  and  training  had  no  effect  on  structural  brain  networks  either. 

572 

Altogether,  the  present  study  highlights  that  aberrancies  in  widespread  networks  underlie  deficits 

573 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

26 

encountered in ADHD, in agreement with the view of ADHD as a brain dysconnectivity syndrome 

574 

but suggests that the possibility of ameliorating such network-level divergences by WM training can 

575 

be limited. Future research is called for, hopefully with more effective WM training paradigms and 

576 

larger samples which allow to account for the interindividual differences in training-related outcomes 

577 

that may be particularly prominent in heterogeneous neurodevelopmental disorders such as ADHD. 

 

578 

Declarations 

579 

Ethics approval and consent to participate 

580 

All participants gave their written consent to participate in the study. The study was reviewed and 

581 

approved by the Ethics Committee for Gynecology and Obstetrics, Pediatrics and Psychiatry of the 

582 

Helsinki and Uusimaa Hospital District. 

583 

Consent for publication 

584 

Not applicable. 

585 

Availability of data and materials 

586 

The data used in the present study cannot be made readily available due to participants’ privacy and 

587 

details  in  the  ethical  agreement  for  the  study.  If  you  wish  to  use  the  data  for  validation  purposes, 

588 

please contact the corresponding author TT at tuija.tolonen@helsinki.fi. 

589 

Competing interests 

590 

The authors declare that they have no competing interests. 

591 

Funding 

592 

This study was funded by the Research Council of Finland (grant numbers for ML: 260276 & 323251; 

593 

for KA: 260054 & 297848; for JS: 325981 & 328954), Åbo Akademi University Endowment for the 

594 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

27 

BrainTrain  project  (for  ML),  Finnish  Cultural  Foundation  (for  TR),  and  Vilho,  Yrjö,  and  Kalle 

595 

Väisälä Foundation of the Finnish Academy of Science and Letters (for TT). 

596 

Authors' contributions 

597 

JS, ML, KA, PT, and SL designed the experiment. SL, AK, and PT selected, recruited, and diagnosed 

598 

the  patients.  TT  collected  the  data,  processed  the  functional  data,  and  performed  all  analyses.  TR 

599 

processed the structural data. JS and TT wrote the manuscript, which was commented, complemented, 

600 

and agreed on by all authors. 

601 

Acknowledgements 

602 

We would like to thank the research assistants who took part in collecting the data (Katri Mikkola, 

603 

Elina  Nakane,  Iikka  Yli-Kyyny,  Nora  Moberg),  radiographers  who  helped  with  the  MR  imaging 

604 

(Marita Kattelus and Rami Kunnas), and all the participants in the study. 

605 

Additional materials 

606 

The following additional materials are provided together with the present article: 

607 

Supplementary Results: A PDF-format file (.pdf) containing supplementary tables and figures. 

608 

Supplementary information: An Excel-format file (.xls) containing node names and coordinates for 

609 

the parcellation, and individual edges and their test statistics for each network. 

610 

References 

611 

1. 

American Psychiatric Association. Diagnostic and statistical manual of mental disorders (5th 

612 

ed.). Arlington, VA: American Psychiatric Publishing; 2013. 

613 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

28 

2. 

Willcutt EG, Doyle AE, Nigg JT, Faraone SV, Pennington BF. Validity of the executive 

614 

function theory of attention-deficit/hyperactivity disorder: A meta-analytic review. Biol Psychiatry. 

615 

2005;57(11):1336–46.  

616 

3. 

D’Esposito M, Postle BR. The cognitive neuroscience of working memory. Annu Rev 

617 

Psychol. 2015;66:115–42.  

618 

4. 

Alloway TP, Gathercole SE, Kirkwood H, Elliott J. The cognitive and behavioral 

619 

characteristics of children with low working memory. Child Dev. 2009;80(2):606–21.  

620 

5. 

Kofler MJ, Rapport MD, Bolden J, Sarver DE, Raiker JS. ADHD and working memory: The 

621 

impact of central executive deficits and exceeding storage/rehearsal capacity on observed 

622 

inattentive behavior. J Abnorm Child Psychol. 2010;38(2):149–61.  

623 

6. 

Tillman C, Eninger L, Forssman L, Bohlin G. The relation between working memory 

624 

components and ADHD symptoms from a developmental perspective. Dev Neuropsychol. 

625 

2011;36(2):181–98.  

626 

7. 

Rogers M, Hwang H, Toplak M, Weiss M, Tannock R. Inattention, working memory, and 

627 

academic achievement in adolescents referred for attention deficit/hyperactivity disorder (ADHD). 

628 

Child Neuropsychol. 2011;17(5):444–58.  

629 

8. 

Alloway TP, Alloway RG. Investigating the predictive roles of working memory and IQ in 

630 

academic attainment. J Exp Child Psychol. 2010;106(1):20–9.  

631 

9. 

Kofler MJ, Sarver DE, Harmon SL, Moltisanti A, Aduen PA, Soto EF, et al. Working 

632 

memory and organizational skills problems in ADHD. J Child Psychol Psychiatry. 2018;59(1):57–

633 

67.  

634 

10. 

Sutcubasi B, Metin B, Kurban MK, Metin ZE, Beser B, Sonuga-Barke E. Resting-state 

635 

network dysconnectivity in ADHD: A system-neuroscience-based meta-analysis. World J Biol 

636 

Psychiatry. 2020;21(9):662–72.  

637 

11. 

Faraone SV, Asherson P, Banaschewski T, Biederman J, Buitelaar JK, Ramos-Quiroga JA, 

638 

et al. Attention-deficit/hyperactivity disorder. Nat Rev Dis Primer. 2015;1:15020.  

639 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

29 

12. 

Brinkman WB, Simon JO, Epstein JN. Reasons why children and adolescents with ADHD 

640 

stop and restart taking medicine. Acad Pediatr. 2018;18(3):273–80.  

641 

13. 

Banaschewski T, Roessner V, Dittmann RW, Santosh PJ, Rothenberger A. Non-stimulant 

642 

medications in the treatment of ADHD. Eur Child Adolesc Psychiatry. 2004;13 Suppl 1:I102-I116.  

643 

14. 

Alderson RM, Kasper LJ, Hudec KL, Patros CHG. Attention-deficit/hyperactivity disorder 

644 

(ADHD) and working memory in adults: A meta-analytic review. Neuropsychology. 

645 

2013;27(3):287–302.  

646 

15. 

Yaple Z, Arsalidou M. N-back working memory task: Meta-analysis of normative fMRI 

647 

studies with children. Child Dev. 2018;89(6):2010–22.  

648 

16. 

Yaple Z, Stevens WD, Arsalidou M. Meta-analyses of the n-back working memory task: 

649 

fMRI evidence of age-related changes in prefrontal cortex involvement across the adult lifespan. 

650 

NeuroImage. 2019;196:16–31.  

651 

17. 

Wang H, He W, Wu J, Zhang J, Jin Z, Li L. A coordinate-based meta-analysis of the n-back 

652 

working memory paradigm using activation likelihood estimation. Brain Cogn. 2019;132:1–12.  

653 

18. 

Kirchner WK. Age differences in short-term retention of rapidly changing information. J 

654 

Exp Psychol. 1958;55(4):352–8.  

655 

19. 

Rottschy C, Langner R, Dogan I, Reetz K, Laird AR, Schulz JB, et al. Modelling neural 

656 

correlates of working memory: A coordinate-based meta-analysis. NeuroImage. 2012;60(1):830–

657 

46.  

658 

20. 

Cortese S, Kelly C, Chabernaud C, Proal E, Di Martino A, Milham MP, et al. Toward 

659 

systems neuroscience of ADHD: A meta-analysis of 55 fMRI studies. Am J Psychiatry. 

660 

2012;169(10):1038–55.  

661 

21. 

McCarthy H, Skokauskas N, Frodl T. Identifying a consistent pattern of neural function in 

662 

attention deficit hyperactivity disorder: A meta-analysis. Psychol Med. 2014;44(4):869–80.  

663 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

30 

22. 

Bédard ACV, Newcorn JH, Clerkin SM, Krone B, Fan J, Halperin JM, et al. Reduced 

664 

prefrontal efficiency for visuospatial working memory in attention-deficit/hyperactivity disorder. J 

665 

Am Acad Child Adolesc Psychiatry. 2014;53(9):1020-1030.e6.  

666 

23. 

Kowalczyk OS, Cubillo AI, Criaud M, Giampietro V, O’Daly OG, Mehta MA, et al. Single-

667 

dose effects of methylphenidate and atomoxetine on functional connectivity during an n-back task 

668 

in boys with ADHD. Psychopharmacology (Berl). 2023;240(10):2045–60.  

669 

24. 

Massat I, Slama H, Kavec M, Linotte S, Mary A, Baleriaux D, et al. Working memory-

670 

related functional brain patterns in never medicated children with ADHD. PloS One. 

671 

2012;7(11):e49392.  

672 

25. 

Wolf RC, Plichta MM, Sambataro F, Fallgatter AJ, Jacob C, Lesch KP, et al. Regional brain 

673 

activation changes and abnormal functional connectivity of the ventrolateral prefrontal cortex 

674 

during working memory processing in adults with attention-deficit/hyperactivity disorder. Hum 

675 

Brain Mapp. 2009;30(7):2252–66.  

676 

26. 

Wu ZM, Bralten J, An L, Cao QJ, Cao XH, Sun L, et al. Verbal working memory-related 

677 

functional connectivity alterations in boys with attention-deficit/hyperactivity disorder and the 

678 

effects of methylphenidate. J Psychopharmacol Oxf Engl. 2017;31(8):1061–9.  

679 

27. 

Rogers BP, Morgan VL, Newton AT, Gore JC. Assessing functional connectivity in the 

680 

human brain by FMRI. Magn Reson Imaging. 2007;25(10):1347–57.  

681 

28. 

Grayson DS, Fair DA. Development of large-scale functional networks from birth to 

682 

adulthood: A guide to neuroimaging literature. NeuroImage. 2017;160:15–31.  

683 

29. 

Franke B, Michelini G, Asherson P, Banaschewski T, Bilbow A, Buitelaar JK, et al. Live 

684 

fast, die young? A review on the developmental trajectories of ADHD across the lifespan. Eur 

685 

Neuropsychopharmacol. 2018;28(10):1059–88.  

686 

30. 

Zalesky A, Fornito A, Bullmore ET. Network-based statistic: Identifying differences in 

687 

brain networks. NeuroImage. 2010;53(4):1197–207.  

688 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

31 

31. 

Klingberg T, Fernell E, Olesen PJ, Johnson M, Gustafsson P, Dahlström K, et al. 

689 

Computerized training of working memory in children with ADHD – A randomized, controlled 

690 

trial. J Am Acad Child Adolesc Psychiatry. 2005;44(2):177–86.  

691 

32. 

Cortese S, Ferrin M, Brandeis D, Buitelaar J, Daley D, Dittmann RW, et al. Cognitive 

692 

training for attention-deficit/hyperactivity disorder: Meta-analysis of clinical and 

693 

neuropsychological outcomes from randomized controlled trials. J Am Acad Child Adolesc 

694 

Psychiatry. 2015;54(3):164–74.  

695 

33. 

Pauli-Pott U, Mann C, Becker K. Do cognitive interventions for preschoolers improve 

696 

executive functions and reduce ADHD and externalizing symptoms? A meta-analysis of 

697 

randomized controlled trials. Eur Child Adolesc Psychiatry. 2021;30(10):1503–21.  

698 

34. 

Robledo-Castro C, Lerma-Castaño PR, Bonilla-Santos G. Effect of cognitive training 

699 

programs based on computer systems on executive functions in children with ADHD: A systematic 

700 

review. J Atten Disord. 2023;27(13):1467–87.  

701 

35. 

Zou X, Yu F, Huang Q, Huang Y. The effect of cognitive training on children with attention 

702 

deficit and hyperactivity disorder: A meta-analysis. Appl Neuropsychol Child. 2024;0(0):1–10.  

703 

36. 

Westwood SJ, Parlatini V, Rubia K, Cortese S, Sonuga-Barke EJS. Computerized cognitive 

704 

training in attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD): A meta-analysis of randomized 

705 

controlled trials with blinded and objective outcomes. Mol Psychiatry. 2023;28(4):1402–14.  

706 

37. 

Hoekzema E, Carmona S, Ramos-Quiroga JA, Barba E, Bielsa A, Tremols V, et al. 

707 

Training-induced neuroanatomical plasticity in ADHD: A tensor-based morphometric study. Hum 

708 

Brain Mapp. 2011;32(10):1741–9.  

709 

38. 

Hoekzema E, Carmona S, Tremols V, Gispert JD, Guitart M, Fauquet J, et al. Enhanced 

710 

neural activity in frontal and cerebellar circuits after cognitive training in children with attention-

711 

deficit/hyperactivity disorder. Hum Brain Mapp. 2010;31(12):1942–50.  

712 

39. 

Stevens MC, Gaynor A, Bessette KL, Pearlson GD. A preliminary study of the effects of 

713 

working memory training on brain function. Brain Imaging Behav. 2016;10(2):387–407.  

714 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

32 

40. 

de Oliveira Rosa V, Rosa Franco A, Abrahão Salum Júnior G, Moreira-Maia CR, Wagner F, 

715 

Simioni A, et al. Effects of computerized cognitive training as add-on treatment to stimulants in 

716 

ADHD: A pilot fMRI study. Brain Imaging Behav. 2020;14(5):1933–44.  

717 

41. 

Salmi J, Soveri A, Salmela V, Alho K, Leppämäki S, Tani P, et al. Working memory 

718 

training restores aberrant brain activity in adult attention‐deficit hyperactivity disorder. Hum Brain 

719 

Mapp. 2020;41(17):4876–91.  

720 

42. 

Brooks SJ, Mackenzie-Phelan R, Tully J, Schiöth HB. Review of the neural processes of 

721 

working memory training: Controlling the impulse to throw the baby out with the bathwater. Front 

722 

Psychiatry. 2020;11:512761.  

723 

43. 

Constantinidis C, Klingberg T. The neuroscience of working memory capacity and training. 

724 

Nat Rev Neurosci. 2016;17(7):438–49.  

725 

44. 

Román FJ, Iturria-Medina Y, Martínez K, Karama S, Burgaleta M, Evans AC, et al. 

726 

Enhanced structural connectivity within a brain sub-network supporting working memory and 

727 

engagement processes after cognitive training. Neurobiol Learn Mem. 2017;141:33–43.  

728 

45. 

Zuber P, Gaetano L, Griffa A, Huerbin M, Pedullà L, Bonzano L, et al. Additive and 

729 

interaction effects of working memory and motor sequence training on brain functional 

730 

connectivity. Sci Rep. 2021;11(1):23089.  

731 

46. 

Gualtieri CT, Johnson LG. ADHD: Is objective diagnosis possible? Psychiatry Edgmont. 

732 

2005;2(11):44–53.  

733 

47. 

Albrecht B, Uebel-von Sandersleben H, Wiedmann K, Rothenberger A. ADHD history of 

734 

the concept: The case of the continuous performance test. Curr Dev Disord Rep. 2015;2(1):10–22.  

735 

48. 

Arrondo G, Mulraney M, Iturmendi-Sabater I, Musullulu H, Gambra L, Niculcea T, et al. 

736 

Systematic review and meta-Analysis: Clinical utility of continuous performance tests for the 

737 

identification of attention-deficit/hyperactivity disorder. J Am Acad Child Adolesc Psychiatry. 

738 

2024;63(2):154–71.  

739 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

33 

49. 

Tolonen T, Roine T, Alho K, Leppämäki S, Tani P, Koski A, et al. Abnormal wiring of the 

740 

structural connectome in adults with ADHD. Netw Neurosci. 2023;7(4):1302–25.  

741 

50. 

Takeuchi H, Taki Y, Nouchi R, Hashizume H, Sekiguchi A, Kotozaki Y, et al. Effects of 

742 

working memory training on functional connectivity and cerebral blood flow during rest. Cortex J 

743 

Devoted Study Nerv Syst Behav. 2013;49(8):2106–25.  

744 

51. 

Jolles DD, van Buchem MA, Crone EA, Rombouts SARB. Functional brain connectivity at 

745 

rest changes after working memory training. Hum Brain Mapp. 2013;34(2):396–406.  

746 

52. 

Thompson TW, Waskom ML, Gabrieli JDE. Intensive working memory training produces 

747 

functional changes in large-scale frontoparietal networks. J Cogn Neurosci. 2016;28(4):575–88.  

748 

53. 

Sánchez-Pérez N, Inuggi A, Castillo A, Campoy G, García-Santos JM, González-Salinas C, 

749 

et al. Computer-based cognitive training improves brain functional connectivity in the attentional 

750 

networks: A study with primary school-aged children. Front Behav Neurosci. 2019;13:247. 

751 

54. 

Salminen T, Mårtensson J, Schubert T, Kühn S. Increased integrity of white matter 

752 

pathways after dual n-back training. NeuroImage. 2016;133:244–50.  

753 

55. 

Takeuchi H, Sekiguchi A, Taki Y, Yokoyama S, Yomogida Y, Komuro N, et al. Training of 

754 

working memory impacts structural connectivity. J Neurosci. 2010;30(9):3297–303.  

755 

56. 

Metzler-Baddeley C, Foley S, de Santis S, Charron C, Hampshire A, Caeyenberghs K, et al. 

756 

Dynamics of white matter plasticity underlying working memory training: Multimodal evidence 

757 

from diffusion MRI and relaxometry. J Cogn Neurosci. 2017;29(9):1509–20.  

758 

57. 

Sampaio-Baptista C, Johansen-Berg H. White matter plasticity in the adult brain. Neuron. 

759 

2017;96(6):1239–51.  

760 

58. 

CC BY 4.0 Deed. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.en. Accessed 29 April 

761 

2024. 

762 

59. 

Epstein J, Johnson DE, Conners CK. Conners’ Adult ADHD Diagnostic Interview for DSM-

763 

IV™ (CAADID™) [Database record]. APA PsycTests. 

764 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

34 

60. 

Kessler RC, Adler L, Ames M, Demler O, Faraone S, Hiripi E, et al. The World Health 

765 

Organization adult ADHD self-report scale (ASRS): A short screening scale for use in the general 

766 

population. Psychol Med. 2005;35(2):245–56.  

767 

61. 

Salokangas RK, Poutanen O, Stengård E. Screening for depression in primary care. 

768 

Development and validation of the Depression Scale, a screening instrument for depression. Acta 

769 

Psychiatr Scand. 1995;92(1):10–6.  

770 

62. 

Bush K, Kivlahan DR, McDonell MB, Fihn SD, Bradley KA. The AUDIT alcohol 

771 

consumption questions (AUDIT-C): An effective brief screening test for problem drinking. 

772 

Ambulatory Care Quality Improvement Project (ACQUIP). Alcohol Use Disorders Identification 

773 

Test. Arch Intern Med. 1998;158(16):1789–95.  

774 

63. 

Wechsler D.  WAIS-III-käsikirja [The handbook of the Finnish version of the 3rd edition of 

775 

the Wechsler Adult Intelligence Scale]. Helsinki, Finland: Psykologien Kustannus Oy; 2005. 

776 

64. 

Rosvold HE, Mirsky AF, Sarason I, Bransome ED, Beck LH. A continuous performance test 

777 

of brain damage. J Consult Psychol. 1956;20(5):343–50.  

778 

65. 

Conners CK & MHS Staff (Eds.). Conners’ Continuous Performance Test II: Computer 

779 

program for Windows. Technical guide and software manual. North Tonawanda, NY: Multi-Health 

780 

Systems; 2000. 

781 

66. 

Mueller ST, Piper BJ. The Psychology Experiment Building Language (PEBL) and PEBL 

782 

Test Battery. J Neurosci Methods. 2014;222:250–9.  

783 

67. 

Esteban O, Markiewicz CJ, Blair RW, Moodie CA, Isik AI, Erramuzpe A, et al. fMRIPrep: 

784 

A robust preprocessing pipeline for functional MRI. Nat Methods. 2019;16(1):111–6.  

785 

68. 

Gorgolewski K, Burns C, Madison C, Clark D, Halchenko Y, Waskom M, et al. Nipype: A 

786 

flexible, lightweight and extensible neuroimaging data processing framework in Python. Front 

787 

Neuroinform. 2011;5:13. 

788 

69. 

Abraham A, Pedregosa F, Eickenberg M, Gervais P, Mueller A, Kossaifi J, et al. Machine 

789 

learning for neuroimaging with scikit-learn. Front Neuroinform. 2014;8:14.  

790 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

35 

70. 

Tustison NJ, Avants BB, Cook PA, Zheng Y, Egan A, Yushkevich PA, et al. N4ITK: 

791 

Improved N3 bias correction. IEEE Trans Med Imaging. 2010;29(6):1310–20.  

792 

71. 

Avants BB, Epstein CL, Grossman M, Gee JC. Symmetric diffeomorphic image registration 

793 

with cross-correlation: Evaluating automated labeling of elderly and neurodegenerative brain. Med 

794 

Image Anal. 2008;12(1):26–41.  

795 

72. 

Zhang Y, Brady M, Smith S. Segmentation of brain MR images through a hidden Markov 

796 

random field model and the expectation-maximization algorithm. IEEE Trans Med Imaging. 

797 

2001;20(1):45–57.  

798 

73. 

Dale AM, Fischl B, Sereno MI. Cortical surface-based analysis. I. Segmentation and surface 

799 

reconstruction. NeuroImage. 1999;9(2):179–94.  

800 

74. 

Klein A, Ghosh SS, Bao FS, Giard J, Häme Y, Stavsky E, et al. Mindboggling morphometry 

801 

of human brains. PLoS Comput Biol. 2017;13(2):e1005350.  

802 

75. 

Jenkinson M, Bannister P, Brady M, Smith S. Improved optimization for the robust and 

803 

accurate linear registration and motion correction of brain images. NeuroImage. 2002;17(2):825–

804 

41.  

805 

76. 

Cox RW, Hyde JS. Software tools for analysis and visualization of fMRI data. NMR 

806 

Biomed. 1997;10(4–5):171–8.  

807 

77. 

Greve DN, Fischl B. Accurate and robust brain image alignment using boundary-based 

808 

registration. NeuroImage. 2009;48(1):63–72.  

809 

78. 

Power JD, Mitra A, Laumann TO, Snyder AZ, Schlaggar BL, Petersen SE. Methods to 

810 

detect, characterize, and remove motion artifact in resting state fMRI. NeuroImage. 2014;84:320–

811 

41.  

812 

79. 

Satterthwaite TD, Elliott MA, Gerraty RT, Ruparel K, Loughead J, Calkins ME, et al. An 

813 

improved framework for confound regression and filtering for control of motion artifact in the 

814 

preprocessing of resting-state functional connectivity data. NeuroImage. 2013;64:240–56. 

815 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

36 

80. 

Destrieux C, Fischl B, Dale A, Halgren E. Automatic parcellation of human cortical gyri and 

816 

sulci using standard anatomical nomenclature. Neuroimage. 2010;53(1):1–15. 

817 

81. 

Fischl B. FreeSurfer. NeuroImage. 2012;62(2):774–81.  

818 

82. 

Patenaude B, Smith SM, Kennedy DN, Jenkinson M. A Bayesian model of shape and 

819 

appearance for subcortical brain segmentation. NeuroImage. 2011;56(3):907–22.  

820 

83. 

Smith SM, Jenkinson M, Woolrich MW, Beckmann CF, Behrens TEJ, Johansen-Berg H, et 

821 

al. Advances in functional and structural MR image analysis and implementation as FSL. 

822 

NeuroImage. 2004;23 Suppl 1:S208-219. 

823 

84. 

Nilearn. 2024. https://doi.org/10.5281/zenodo.8397156. Accessed April 29 2024. 

824 

85. 

Andersson JLR, Sotiropoulos SN. An integrated approach to correction for off-resonance 

825 

effects and subject movement in diffusion MR imaging. NeuroImage. 2016;125:1063–78.  

826 

86. 

Irfanoglu MO, Walker L, Sarlls J, Marenco S, Pierpaoli C. Effects of image distortions 

827 

originating from susceptibility variations and concomitant fields on diffusion MRI tractography 

828 

results. NeuroImage. 2012;61(1):275–88.  

829 

87. 

Tournier JD, Calamante F, Connelly A. Robust determination of the fibre orientation 

830 

distribution in diffusion MRI: Non-negativity constrained super-resolved spherical deconvolution. 

831 

NeuroImage. 2007;35(4):1459–72.  

832 

88. 

Smith RE, Tournier JD, Calamante F, Connelly A. Anatomically-constrained tractography: 

833 

Improved diffusion MRI streamlines tractography through effective use of anatomical information. 

834 

NeuroImage. 2012;62(3):1924–38.  

835 

89. 

Smith RE, Tournier JD, Calamante F, Connelly A. SIFT: Spherical-deconvolution informed 

836 

filtering of tractograms. NeuroImage. 2013;67:298–312.  

837 

90. 

Smith RE, Tournier JD, Calamante F, Connelly A. SIFT2: Enabling dense quantitative 

838 

assessment of brain white matter connectivity using streamlines tractography. NeuroImage. 

839 

2015;119:338–51.  

840 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

37 

91. 

Jenkinson M, Beckmann CF, Behrens TEJ, Woolrich MW, Smith SM. FSL. NeuroImage. 

841 

2012;62(2):782–90.  

842 

92. 

Tournier JD, Smith R, Raffelt D, Tabbara R, Dhollander T, Pietsch M, et al. MRtrix3: A 

843 

fast, flexible and open software framework for medical image processing and visualisation. 

844 

NeuroImage. 2019;202:116137.  

845 

93. 

Soveri A, Karlsson EPA, Waris O, Grönholm-Nyman P, Laine M. Pattern of near transfer 

846 

effects following working memory training with a dual n-back task. Exp Psychol. 2017;64(4):240–

847 

52.  

848 

94. 

Xia M, Wang J, He Y. BrainNet Viewer: A network visualization tool for human brain 

849 

connectomics. PLoS ONE. 2013;8(7):e68910.  

850 

95. 

Gathercole SE, Pickering SJ, Ambridge B, Wearing H. The structure of working memory 

851 

from 4 to 15 years of age. Dev Psychol. 2004;40(2):177–90.  

852 

96. 

Fuster JM. The prefrontal cortex – An update: Time is of the essence. Neuron. 

853 

2001;30(2):319–33.  

854 

97. 

van den Bosch GE, El Marroun H, Schmidt MN, Tibboel D, Manoach DS, Calhoun VD, et 

855 

al. Brain connectivity during verbal working memory in children and adolescents. Hum Brain 

856 

Mapp. 2014;35(2):698–711.  

857 

98. 

Stevens MC. The contributions of resting state and task-based functional connectivity 

858 

studies to our understanding of adolescent brain network maturation. Neurosci Biobehav Rev. 

859 

2016;70:13–32.  

860 

99. 

Vos M, Rommelse NNJ, Franke B, Oosterlaan J, Heslenfeld DJ, Hoekstra PJ, et al. 

861 

Characterizing the heterogeneous course of inattention and hyperactivity-impulsivity from 

862 

childhood to young adulthood. Eur Child Adolesc Psychiatry. 2022;31(8):1–11.  

863 

100. 

Yu M, Gao X, Niu X, Zhang M, Yang Z, Han S, et al. Meta-analysis of structural and 

864 

functional alterations of brain in patients with attention-deficit/hyperactivity disorder. Front 

865 

Psychiatry. 2023;13:1070142.  

866 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

38 

101. 

O’Reilly RC, Frank MJ. Making working memory work: A computational model of learning 

867 

in the prefrontal cortex and basal ganglia. Neural Comput. 2006;18(2):283–328.  

868 

102. 

Cubillo A, Halari R, Smith A, Taylor E, Rubia K. A review of fronto-striatal and fronto-

869 

cortical brain abnormalities in children and adults with attention deficit hyperactivity disorder 

870 

(ADHD) and new evidence for dysfunction in adults with ADHD during motivation and attention. 

871 

Cortex J Devoted Study Nerv Syst Behav. 2012;48(2):194–215.  

872 

103. 

Stoodley CJ. The cerebellum and cognition: Evidence from functional imaging studies. 

873 

Cerebellum Lond Engl. 2012;11(2):352–65.  

874 

104. 

Salmi J, Pallesen KJ, Neuvonen T, Brattico E, Korvenoja A, Salonen O, et al. Cognitive and 

875 

motor loops of the human cerebro-cerebellar system. J Cogn Neurosci. 2010;22(11):2663–76.  

876 

105. 

Stoodley CJ. The cerebellum and neurodevelopmental disorders. Cerebellum Lond Engl. 

877 

2016;15(1):34–7. 

878 

106. 

Norman LJ, Carlisi C, Lukito S, Hart H, Mataix-Cols D, Radua J, et al. Structural and 

879 

functional brain abnormalities in attention-deficit/hyperactivity disorder and obsessive-compulsive 

880 

disorder: A comparative meta-analysis. JAMA Psychiatry. 2016;73(8):815–25.  

881 

107. 

Oberauer K. Working memory and attention – A conceptual analysis and review. 

J Cogn

882 

2019;2(1):36. 

883 

108. 

Cortese S, Aoki YY, Itahashi T, Castellanos FX, Eickhoff SB. Systematic review and meta-

884 

analysis: Resting-state functional magnetic resonance imaging studies of attention-

885 

deficit/hyperactivity disorder. J Am Acad Child Adolesc Psychiatry. 2021;60(1):61–75.  

886 

109. 

Melby-Lervåg M, Redick TS, Hulme C. Working memory training does not improve 

887 

performance on measures of intelligence or other measures of “far transfer”: Evidence from a meta-

888 

analytic review. Perspect Psychol Sci J Assoc Psychol Sci. 2016;11(4):512–34.  

889 

110. 

Sala G, Aksayli ND, Tatlidil KS, Tatsumi T, Gondo Y, Gobet F. Near and far transfer in 

890 

cognitive training: A second-order meta-analysis. Collabra Psychol. 2019;5(1):18.  

891 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

39 

111. 

Soveri A, Antfolk J, Karlsson L, Salo B, Laine M. Working memory training revisited: A 

892 

multi-level meta-analysis of n-back training studies. Psychon Bull Rev. 2017;24(4):1077–96.  

893 

112. 

Boot WR, Simons DJ, Stothart C, Stutts C. The pervasive problem with placebos in 

894 

psychology: Why active control groups are not sufficient to rule out placebo effects. Perspect 

895 

Psychol Sci. 2013;8(4):445–54.  

896 

113. 

Van Dijk KRA, Hedden T, Venkataraman A, Evans KC, Lazar SW, Buckner RL. Intrinsic 

897 

functional connectivity as a tool for human connectomics: Theory, properties, and optimization. J 

898 

Neurophysiol. 2010;103(1):297–321.  

899 

114. 

Jones KT, Berryhill ME. Parietal contributions to visual working memory depend on task 

900 

difficulty. Front Psychiatry. 2012;3:81.  

901 

115. 

Wiemers EA, Redick TS, Morrison AB. The influence of individual differences in cognitive 

902 

ability on working memory training gains. J Cogn Enhanc. 2019;3(2):174–85.  

903 

116. 

Foster JL, Harrison TL, Hicks KL, Draheim C, Redick TS, Engle RW. Do the effects of 

904 

working memory training depend on baseline ability level? J Exp Psychol Learn Mem Cogn. 

905 

2017;43(11):1677–89.  

906 

117. 

Traut HJ, Guild RM, Munakata Y. Why does cognitive training yield inconsistent benefits? 

907 

A meta-analysis of individual differences in baseline cognitive abilities and training outcomes. 

908 

Front Psychol. 2021;12:662139.  

909 

118. 

Gobet F, Sala G. Cognitive training: A field in search of a phenomenon. Perspect Psychol 

910 

Sci J Assoc Psychol Sci. 2023;18(1):125–41.  

911 

119. 

Fellman D, Jylkkä J, Waris O, Soveri A, Ritakallio L, Haga S, et al. The role of strategy use 

912 

in working memory training outcomes. J Mem Lang. 2020;110:104064.  

913 

120. 

Corrigan N, Păsărelu CR, Voinescu A. Immersive virtual reality for improving cognitive 

914 

deficits in children with ADHD: A systematic review and meta-analysis. Virtual Real. 2023;1–20.  

915 

Tolonen_manuscript_20240502_preprint-html.html
background image

 

40 

121. 

Seesjärvi E, Puhakka J, Aronen ET, Hering A, Zuber S, Merzon L, et al. EPELI: A novel 

916 

virtual reality task for the assessment of goal-directed behavior in real-life contexts. Psychol Res. 

917 

2023;87(6):1899–916. 

918 

122. 

Merzon L, Pettersson K, Aronen ET, Huhdanpää H, Seesjärvi E, Henriksson L, et al. Eye 

919 

movement behavior in a real-world virtual reality task reveals ADHD in children. Sci Rep. 

920 

2022;12(1):20308. 

921