Signaling of Pigment-Dispersing Factor (PDF) in the Madeira Cockroach Rhyparobia maderae

The insect neuropeptide pigment-dispersing factor (PDF) is a functional ortholog of vasoactive intestinal polypeptide, the coupling factor of the mammalian circadian pacemaker. Despite of PDF's importance for synchronized circadian locomotor activity rhythms its signaling is not well understood. We studied PDF signaling in primary cell cultures of the accessory medulla, the circadian pacemaker of the Madeira cockroach. In Ca2+ imaging studies four types of PDF-responses were distinguished. In regularly bursting type 1 pacemakers PDF application resulted in dose-dependent long-lasting increases in Ca2+ baseline concentration and frequency of oscillating Ca2+ transients. Adenylyl cyclase antagonists prevented PDF-responses in type 1 cells, indicating that PDF signaled via elevation of intracellular cAMP levels. In contrast, in type 2 pacemakers PDF transiently raised intracellular Ca2+ levels even after blocking adenylyl cyclase activity. In patch clamp experiments the previously characterized types 1–4 could not be identified. Instead, PDF-responses were categorized according to ion channels affected. Application of PDF inhibited outward potassium or inward sodium currents, sometimes in the same neuron. In a comparison of Ca2+ imaging and patch clamp experiments we hypothesized that in type 1 cells PDF-dependent rises in cAMP concentrations block primarily outward K+ currents. Possibly, this PDF-dependent depolarization underlies PDF-dependent phase advances of pacemakers. Finally, we propose that PDF-dependent concomitant modulation of K+ and Na+ channels in coupled pacemakers causes ultradian membrane potential oscillations as prerequisite to efficient synchronization via resonance.

A molecular and cellular analysis of the circadian system of the cockroach Rhyparobia (Leucophaea) maderae

Circadiane Schrittmacher koordinieren die täglichen Rhythmen in Physiologie und Verhalten in lebenden Organismen. Die Madeira Schabe Rhyparobia maderae (Synonym: Leucophaea maderae) ist ein gut etabliertes Modell, um die neuronalen Mechanismen der circadianen Rhythmen bei Insekten zu studieren. Die akzessorische Medulla (AME) in den optischen Loben des Gehirns wurde als das circadiane Schrittmacherzentrum der Madeira Schabe identifiziert, das circadiane Rhythmen in der Laufaktivität steuert. Über die Neurotransmitter der Eingangswege in das circadiane System der Madeira Schabe ist noch nicht viel bekannt. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, mögliche Eingangssignale in die innere Uhr der Madeira Schabe zu bestimmen. An primären Zellkulturen von AME-Neuronen wurden Calcium-Imaging Experimente durchgeführt, um die Neurotransmitter-abhängigen Veränderungen in der intrazellulären Calcium-Konzentration zu messen. Darüber hinaus wurde die Signalkaskade des Neuropeptids Pigment Dispersing Factor (PDF), dem wichtigsten Kopplungsfaktor in circadianen Schrittmachern von Insekten, in Calcium-Imaging und Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) Experimenten untersucht. Acetylcholin (ACh) erhöht die intrazelluläre Calcium-Konzentration in der Mehrzahl der circadianen Schrittmacherneurone der Madeiraschabe. Applikation von GABA, Serotonin und Octopamin erhöhten oder reduzierten die intrazelluläre Calcium-Konzentration in den AME-Neuronen, während Histamin und Glutamat die intrazelluläre Calcium-Konzentration ausschließlich reduzierten. Pharmakologische Experimente zeigten, dass die AME-Neurone ACh über ionotrope nikotinische ACh-Rezeptoren detektierten, während GABA über ionotrope GABAA-Rezeptoren und metabotrope GABAB-Rezeptoren detektiert wurde. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die circadiane Aktivität der Schabe durch verschiedene Eingänge, einschließlich ACh, GABA, Glutamat, Histamin, Octopamin und Serotonin, moduliert wird. Bei den FRET Studien wurde ein Proteinkinase A (PKA)-basierter FRET Sensor zur Detektion von cyclischem AMP (cAMP) verwendet. Es wurde gezeigt, dass PDF über Adenylylcyclase-abhängige und -unabhängige Signalwege wirken kann. Zusätzlich wurden Laufrad-Assays durchgeführt, um Phasenverschiebungen im Rhythmus der circadianen Laufaktivität zu detektieren, nachdem der Neurotransmitter Histamin zu verschiedenen circadianen Zeiten injiziert wurde. Histamin-Injektionen durch die Komplexaugen der Schabe ergaben eine biphasische Phasenantwortkurve (phase response curve) mit Phasenverzögerungen in der Laufaktivität am späten subjektiven Tag und am Beginn der subjektiven Nacht und Phasenbeschleunigungen in der späten subjektiven Nacht. Schließlich wurde eine extrazelluläre Ableittechnik an lebenden Schaben etabliert, die gleichzeitige Langzeit-Ableitungen von der AME, des Komplexauges (Elektroretinogramm = ERG), und der Beinmuskulatur (Elektromyogramm = EMG) für mehrere Tage ermöglichte. Diese Methode bietet einen Ausgangspunkt für weitere elektrophysiologische Untersuchungen des circadianen Systems der Schabe, in denen Substanzen (z.B. Neurotransmitter und Neuropeptide) analysiert werden können, die einen Einfluss auf den circadianen Rhythmus in der Laufaktivität haben

Physiological analysis of central and peripheral insect circadian pacemaker neurons

Alle bisher untersuchten Lebewesen besitzen (circadiane) innere Uhren, die eine endogene Perioden-länge von ungefähr 24 Stunden generieren. Eine innere Uhr kann über Zeitgeber mit der Umwelt synchronisiert werden und ermöglicht dem Organismus, rhythmische Umweltveränderungen vorweg zu nehmen. Neben einem zentralen Schrittmacher, der Physiologie und Verhalten des Organismus steuert, gibt es in unterschiedlichen Organen auch periphere Uhren, die die zeitlichen Abläufe in der spezifischen Funktion dieser Organe steuern. In dieser Arbeit sollten zentrale und periphere Schrittmacherneurone von Insekten physiologisch untersucht und verglichen werden. Die Neurone der akzessorischen Medulla (AME) von Rhyparobia maderae dienten als Modellsystem für zentrale Schrittmacher, während olfaktorische Rezeptorneurone (ORNs) von Manduca sexta als Modellsystem für periphere Schrittmacher dienten. Die zentralen Schrittmacherneurone wurden in extrazellulären Ableitungen an der isolierten AME (Netzwerkebene) und in Patch-Clamp Experimenten an primären AME Zellkulturen (Einzelzellebene) untersucht. Auf Netzwerkebene zeigten sich zwei charakteristische Aktivitätsmuster: regelmäßige Aktivität und Wechsel zwischen hoher und niedriger Aktivität (Oszillationen). Es wurde gezeigt, dass Glutamat ein Neurotransmitter der weitverbreiteten inhibitorischen Synapsen der AME ist, und dass in geringem Maße auch exzitatorische Synapsen vorkommen. Das Neuropeptid pigment-dispersing factor (PDF), das von nur wenigen AME Neuronen exprimiert wird und ein wichtiger Kopplungsfaktor im circadianen System ist, führte zu Hemmungen, Aktivierungen oder Oszillationen. Die Effekte waren transient oder langanhaltend und wurden wahrscheinlich durch den sekundären Botenstoff cAMP vermittelt. Ein Zielmolekül von cAMP war vermutlich exchange protein directly activated by cAMP (EPAC). Auf Einzelzellebene wurde gezeigt, dass die meisten AME Neurone depolarisiert waren und deshalb nicht feuerten. Die Analyse von Strom-Spannungs-Kennlinien und pharmakologische Experimente ergaben, dass unterschiedliche Ionenkanäle vorhanden waren (Ca2+, Cl-, K+, Na+ Kanäle sowie nicht-spezifische Kationenkanäle). Starke, bei hohen Spannungen aktivierende Ca2+ Ströme (ICa) könnten eine wichtige Rolle bei Ca2+-abhängiger Neurotransmitter-Ausschüttung, Oszillationen, und Aktionspotentialen spielen. PDF hemmte unterschiedliche Ströme (ICa, IK und INa) und aktivierte nicht-spezifische Kationenströme (Ih). Es wurde angenommen, dass simultane PDF-abhängige Hyper- und Depolarisationen rhythmische Membranpotential-Oszillationen verursachen. Dieser Mechanismus könnte eine Rolle bei PDF-abhängigen Synchronisationen spielen. Die Analyse peripherer Schrittmacherneurone konzentrierte sich auf die Charakterisierung des olfaktorischen Corezeptors von M. sexta (MsexORCO). In anderen Insekten ist ORCO für die Membran-Insertion von olfaktorischen Rezeptoren (ORs) erforderlich. ORCO bildet Komplexe mit den ORs, die in heterologen Expressionssystemen als Ionenkanäle fungieren und Duft-Antworten vermitteln. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass MsexORCO in pheromonsensitiven ORNs in vivo nicht als Teil eines ionotropen Rezeptors sondern als Schrittmacherkanal fungiert, der unterschwellige Membranpotential-Oszillationen generiert. MsexORCO wurde mit vermeintlichen Pheromonrezeptoren in human embryonic kidney (HEK 293) Zellen coexprimiert. Immuncytochemie und Ca2+ Imaging Experimente zeigten sehr schwache Expressionsraten. Trotzdem war es möglich zu zeigen, dass MsexORCO wahrscheinlich ein spontan-aktiver, Ca2+-permeabler Ionenkanal ist, der durch den ORCO-Agonisten VUAA1 und cyclische Nucleotide aktiviert wird. Außerdem wiesen die Experimente darauf hin, dass MsexOR-1 offensichtlich der Bombykal-Rezeptor ist. Eine weitere Charakterisierung von MsexORCO in primären M. sexta ORN Zellkulturen konnte nicht vollendet werden, weil die ORNs nicht signifikant auf ORCO-Agonisten oder -Antagonisten reagierten.

The function of SIFamide, PDF, and further neuropeptides in the circadian system of Rhyparobia maderae

Der täglich Wechsel von Hell- und Dunkelphasen führte während der Evolution zur Entwicklung innerer Uhren in nahezu allen Organismen. In der Schabe Rhyparobia maderae lokalisierten Läsions- und Transplantationsexperimente die innere Uhr in der akzessorischen Medulla (AME). Dieses kleine birnenförmige Neuropil am ventromedianen Rand der Medulla ist mit etwa 240 Neuronen assoziiert, die eine hohe Anzahl an zum Teil kolokalisierten Neuropeptiden und Neurotransmittern exprimieren. Diese Signalstoffe scheinen essentiell zu sein für die Synchronisation der inneren Uhr mit der Umwelt, der Kopplung der beiden bilateralen AME, der Aufrechterhaltung des circadianen Rhythmus sowie der zeitlichen Steuerung bestimmter Verhaltensweisen. Während die Funktion einiger dieser neuronalen Botenstoffe bereits gut untersucht ist, fehlt sie für andere. Zudem ist noch ungeklärt, wann einzelne Botenstoffe im circadianen Netzwerk agieren. Im Fokus dieser Studie lag daher die Erforschung der Funktion von SIFamide und Corazonin im circadianen Netzwerk sowie die weitere Untersuchung der Funktionen der Neuropeptide MIP und PDF. Es konnte gezeigt werden, dass SIFamide auch in R. maderae in vier großen neurosekretorischen Zellen in der pars intercerebralis exprimiert wird. Varikosenreiche SIFamide-immureaktive (-ir) Fasern innervieren eine Vielzahl an Neuropilen und finden sich auch in der Hüllregion der AME. Injektionsexperimente resultierten in einer monophasischen Phasen-Antwort-Kurve (PRC) mit einer Verzögerung zur frühen subjektiven Nacht. SIFamide ist also ein Eingangssignal für das circadiane Netzwerk und könnte in der Kontrolle der Schalf/Wach-Homöostase involviert sein. Auch Corazonin fungiert als Eingangssignal. Da die Injektionsexperimente in einer monophasischen PRC mit einem Phasenvorschub zur späten subjektiven Nacht resultierten, ist davon auszugehen, dass die Corazonin-ir AME-Zelle Bestandteil des Morning-Oszillator-Netzwerkes in R. maderae ist. Darüber hinaus zeigten Backfill-Experimente, dass MIP an der Kopplung beider AMAE beteiligt ist. ELISA-Quantifizierungen der PDF-Level im Tagesverlauf ergaben Schwankungen in der Konzentration, die auf eine Ausschüttung des Peptids während des Tages hindeuten – ähnlich wie es in Drosophila melanogaster der Fall ist. Dies spiegelt sich in der vervollständigten bimodalen PDF-PRC wieder. Hier führen Injektionen zu einem Phasenvorschub, bevor maximale Peptidlevel erreicht werden, sowie zu einer Phasenverzögerung, sobald die Peptidlevel wieder zu sinken beginnen. Die PRCs erlauben somit Rückschlüsse auf den Zeitpunkt der maximalen Peptidfreisetzung. PDF-ir Neuriten findet sich zudem in sämtlichen Ganglien des ventralen Strickleiternervensystems, was eine Funktion in der Kontrolle der Prozesse impliziert, die durch die Mustergeneratoren in Thorakal- und Abdominalganglien gesteuert werden.

TRIEM: recerca de la UdG per a l'esclerosi múltiple

L'esclerosi múltiple és una malaltia del sistema nerviós central que afecta el cervell i la medul·la espinal. Tot i els esforços que fa la medicina, encara es desconeix l'origen de la malaltia. Una part de la recerca s'encamina en la direcció de proporcionar eines que facilitin la vida del malalt. El TRIEM és un projecte de la UdG que va en aquest sentit. Es tracta d'una aplicació de telerehabilitació que permetrà als malalts estalviar-se visites al centre de dia i, sobretot, complicats i costosos desplaçaments

La mejora de la calidad de vida de las personas con lesión medular: la transición del centro rehabilitador a la vida cotidiana desde la perspectiva de los usuarios

El retorno a la vida cotidiana para una persona con lesión medular después del periodo de rehabilitación en régimen hospitalario, es un proceso difícil no exento de dificultades y nuevos retos personales. En este trabajo nos planteamos identificar aquellos factores más relevantes que contribuyen a mejorar su calidad de vida, desde la perspectiva de las propias personas afectadas. Hemos realizado dos grupos de discusión: uno formado por 12 personas con paraplejia y otro formado por 6 personas con tetraplejia. El análisis de contenido realizado indica que, para los participantes existen dos dimensiones relacionadas con su percepción de calidad de vida una vez salen del centro de rehabilitación: a) necesidad de atención al entorno más próximo y b) preparación para el mundo real. Concluimos señalando la importancia de realizar programas de rehabilitación integral, que incluyan, rehabilitación física, aprendizaje de habilidades que posibiliten el máximo de independencia y autonomía personal y trabajo de apoyo a la familia

Mecanismes cel·lulars en la curació de ferides a Hirudo medicinalis

S'estudia la histologia normal de la paret corporal d'Hirudo medicinalis i els canvis morfogenètics que es donen durant el procés de cicatrització de ferides per incisió, cauterització i nitrat de plata. El procés de curació de ferides a Hirudo medicinalis consta d'una fase de formació d'un tap cel·lular, el pseudoblastema, d'un procés de reepitelització i de la formació d'un teixit cicatricial, com en els altres hirudinis estudiats (Myers, 1935; LeGore i Sparks, 1971; Cornec, 1984). Hem observat també el fenomen de la contracció de la ferida que permet l'acostament dels marges de la ferida. Formació i evolució del pseudoblastema El pseudoblastema, a diferència d'altres espècies estudiades, està format per un sol tipus cel·lular: les cèl·lules vasocentrals, provinents del teixit vasofibrós, una especialització del teixit connectiu. Aquestes cèl·lules estan capacitades per realitzar les diferents funcions que en espècies rincobdèl·lides realitzen diferents tipus cel·lulars. En concret: taponament de la ferida a través de la formació del pseudoblastema, fagocitosi dels teixits necrosats i regeneració, almenys d'una part, de la matriu connectiva cicatricial. També són responsables de la contracció de la ferida. Les cèl·lules vasocentrals en el seu estadi de repòs es troben en el teixit vasofibrós formant agrupacions coherents, però sense mostrar unions intercel·lulars especialitzades visibles en ME. La coherència del grup queda assegurada per les interdigitacions entre les cèl·lules vasocentrals i probablement per unions tipus adherens o especialitzades. Les unions amb la matriu són de tipus adherens. Aquestes cèl·lules vasocentrals presenten feixos de filaments d'actina força conspicus. En produir-se una ferida les cèl·lules vasocentrals s'activen, desconnecten les unions intercel·lulars i amb la matriu i migren cap a la zona afectada, on s'acumulen. El pseudoblastema actua com un tap cel·lular que funciona de forma eficient per tancar la ferida en un plaç de temps relativament curt. El pseudoblastema forma un teixit coherent amb unions intercel·lulars tipus adherens, caracteritzades per material electrodens en la cara intracitoplasmàtica, feixos de filaments d'actina que hi convergeixen i espais intercel·lulars petits, de 17-20 mm, atravessats per petites fibril·les. Un cop finalitzat el procés de reepitelització, es produeix una contracció de la ferida. Es produeix per la retracció del pseudoblastema cap a l'interior de l'animal. El pseudoblastema disminueix la seva amplària i arrossega els teixits contigus provocant un tancament. La força motriu que provoca la retracció i l'arrossegament dels teixits vindria donada per la presència dels filaments d'actina a les cèl·lules del pseudoblastema, els quals durant aquesta fase es tornen mes conspicus. La presència d'unions intercel·lulars especialitzades característiques de la fase de contracció, està relacionada amb la transmissió de la força de tensió. Aquestes unions connecten els feixos de filaments d'actina de les cèl·lules amb la matriu o d'una cèl·lula a altre a través d'espais intercel·lulars força amples en els que s'observa material electrodens. Reepitelització L'epitelització s'inicia quan el pseudoblastema està consolidat i segueix el mateix patró que la reepitelització de ferides en epitelis monoestratificats de vertebrats (Stem i DePalma, 1983, és a dir, per migració de tota la capa per sobre del substrat, segons l'anomenat model de lliscament. Les glàndules unicel·lulars mucoses del tegument degeneren abans de produir-se la migració epitelial i posteriorment, un cop consolidat l'epiteli a sobre de la ferida, es diferencien a partir de les cèl·lules epitelials. Durant l'epitelització es produeixen canvis importants en el citosquelet i les unions basals de les cèl·lules epitelials. En canvi, el complex d'unió lateral es manté durant tot el procés. En iniciar-se la migració els tonofilaments es desconnecten dels hemidesmosomes cuticulars i dèrmics i es reagrupen al voltant del nucli, a la vegada que els hemidesmosomes dèrmics es desconnecten de la làmina basal. Un cop acabada la migració, les cèl·lules epitelials estableixen unions basals amb les cèl·lules del pseudoblastema. Aquestes unions no són hemidesmosomes sinó que presenten el mateix aspecte que les unions intercel·lulars del pseudoblastema. Els hemidesmosomes no es tornen a formar fins que les cèl·lules epitelials han restablert la membrana basal. La regeneració de la membrana basal no s'inicia fins que no s'ha començat a regenerar matriu connectiva a la zona cicatricial. Regeneració de la cicatriu Al mateix temps que es dona el fenomen de contracció, s'observa regeneració de la matriu connectiva entre les cèl·lules del pseudoblastema. Aquestes cèl·lules són responsables almenys del recobriment fibrós que presenten en aquest estadi, durant el qual mostren sàculs del reticle endoplasmàtic rugós molt dilatats, característics de cèl·lules que secreten constituents de la matriu. A més, s'observa infiltració de matriu connectiva i processos citoplasmàtics dels fibròcits en els marges del pseudoblastema. En la matriu del teixit connectiu normal s'observen fibres que estan constituïdes per un còrtex de fibril·les col·làgenes organitzades al voltant dels processos citoplasmàtics dels fibròcits. Les fibres del teixit connectiu peridigestiu, d'uns 1,2-1,9 mm de diàmetre, presenten el còrtex prim, amb les fibril·les organitzades paral·lelament a l'eix de la fibra. En canvi, les fibres de la dermis i teixit connectiu intramuscular, d'uns 2,5-7,1 mm de diàmetre, tenen el còrtex gruixut, amb fibril·les que s'organitzen paral·lelament en la zona proximal a la medul·la i de forma desorganitzada en la part més distal. Als 8 mesos la cicatriu encara és detectable. La matriu cicatricial presenta fibres connectives del tipus prim i força material fibril·lar desorganitzat disposat laxament. S'observa colonització per part de fibròcits, cromatòfors, petites fibres musculars i nervis.

Failure to regulate: counterproductive recruitment of top-down prefrontal-subcortical circuitry in major depression

Although depressed mood is a normal occurrence in response to adversity in all individuals, what distinguishes those who are vulnerable to major depressive disorder (MDD) is their inability to effectively regulate negative mood when it arises. Investigating the neural underpinnings of adaptive emotion regulation and the extent to which such processes are compromised in MDD may be helpful in understanding the pathophysiology of depression. We report results from a functional magnetic resonance imaging study demonstrating left-lateralized activation in the prefrontal cortex (PFC) when downregulating negative affect in nondepressed individuals, whereas depressed individuals showed bilateral PFC activation. Furthermore, during an effortful affective reappraisal task, nondepressed individuals showed an inverse relationship between activation in left ventrolateral PFC and the amygdala that is mediated by the ventromedial PFC (VMPFC). No such relationship was found for depressed individuals, who instead show a positive association between VMPFC and amygdala. Pupil dilation data suggest that those depressed patients who expend more effort to reappraise negative stimuli are characterized by accentuated activation in the amygdala, insula, and thalamus, whereas nondepressed individuals exhibit the opposite pattern. These findings indicate that a key feature underlying the pathophysiology of major depression is the counterproductive engagement of right prefrontal cortex and the lack of engagement of left lateral-ventromedial prefrontal circuitry important for the downregulation of amygdala responses to negative stimuli.

Contextual modulation of amygdala responsivity to surprised faces

We recently demonstrated a functional relationship between fMRI responses within the amygdala and the medial prefrontal cortex based upon whether subjects interpreted surprised facial expressions positively or negatively. In the present fMRI study, we sought to assess amygdala-medial prefrontal cortex responsivity when the interpretations of surprised faces were determined by contextual experimental stimuli, rather than subjective judgment. Subjects passively viewed individual presentations of surprised faces preceded by either a negatively or positively valenced contextual sentence (e. g., She just found $500 vs. She just lost $500). Negative and positive sentences were carefully matched in terms of length, situations described, and arousal level. Negatively cued surprised faces produced greater ventral amygdala activation compared to positively cued surprised faces. Responses to negative versus positive sentences were greater within the ventrolateral prefrontal cortex, whereas responses to positive versus negative sentences were greater within the ventromedial prefrontal cortex. The present study demonstrates that amygdala response to surprised facial expressions can be modulated by negatively versus positively valenced verbal contextual information. Connectivity analyses identified candidate cortical-subcortical systems subserving this modulation.

A Functional Magnetic Resonance Imaging Predictor of Treatment Response to Venlafaxine in Generalized Anxiety Disorder

Background: Functional magnetic resonance imaging (fMRI) holds promise as a noninvasive means of identifying neural responses that can be used to predict treatment response before beginning a drug trial. Imaging paradigms employing facial expressions as presented stimuli have been shown to activate the amygdala and anterior cingulate cortex (ACC). Here, we sought to determine whether pretreatment amygdala and rostral ACC (rACC) reactivity to facial expressions could predict treatment outcomes in patients with generalized anxiety disorder (GAD).Methods: Fifteen subjects (12 female subjects) with GAD participated in an open-label venlafaxine treatment trial. Functional magnetic resonance imaging responses to facial expressions of emotion collected before subjects began treatment were compared with changes in anxiety following 8 weeks of venlafaxine administration. In addition, the magnitude of fMRI responses of subjects with GAD were compared with that of 15 control subjects (12 female subjects) who did not have GAD and did not receive venlafaxine treatment.Results The magnitude of treatment response was predicted by greater pretreatment reactivity to fearful faces in rACC and lesser reactivity in the amygdala. These individual differences in pretreatment rACC and amygdala reactivity within the GAD group were observed despite the fact that 1) the overall magnitude of pretreatment rACC and amygdala reactivity did not differ between subjects with GAD and control subjects and 2) there was no main effect of treatment on rACC-amygdala reactivity in the GAD group.Conclusions: These findings show that this pattern of rACC-amygdala responsivity could prove useful as a predictor of venlafaxine treatment response in patients with GAD.

Prefrontal inhibition of threat processing reduces working memory interference

Bottom-up processes can interrupt ongoing cognitive processing in order to adaptively respond to emotional stimuli of high potential significance, such as those that threaten wellbeing. However it is vital that this interference can be modulated in certain contexts to focus on current tasks. Deficits in the ability to maintain the appropriate balance between cognitive and emotional demands can severely impact on day-to-day activities. This fMRI study examined this interaction between threat processing and cognition; 18 adult participants performed a visuospatial working memory (WM) task with two load conditions, in the presence and absence of anxiety induction by threat of electric shock. Threat of shock interfered with performance in the low cognitive load condition; however interference was eradicated under high load, consistent with engagement of emotion regulation mechanisms. Under low load the amygdala showed significant activation to threat of shock that was modulated by high cognitive load. A directed top-down control contrast identified two regions associated with top-down control; ventrolateral PFC and dorsal ACC. Dynamic causal modeling provided further evidence that under high cognitive load, top-down inhibition is exerted on the amygdala and its outputs to prefrontal regions. Additionally, we hypothesized that individual differences in a separate, non-emotional top-down control task would predict the recruitment of dorsal ACC and ventrolateral PFC during top-down control of threat. Consistent with this, performance on a separate dichotic listening task predicted dorsal ACC and ventrolateral PFC activation during high WM load under threat of shock, though activation in these regions did not directly correlate with WM performance. Together, the findings suggest that under high cognitive load and threat, top-down control is exerted by dACC and vlPFC to inhibit threat processing, thus enabling WM performance without threat-related interference.

Whole-brain functional connectivity during emotional word classification in medication-free Major Depressive Disorder: abnormal salience circuitry and relations to positive emotionality

Major Depressive Disorder (MDD) has been associated with biased processing and abnormal regulation of negative and positive information, which may result from compromised coordinated activity of prefrontal and subcortical brain regions involved in evaluating emotional information. We tested whether patients with MDD show distributed changes in functional connectivity with a set of independently derived brain networks that have shown high correspondence with different task demands, including stimulus salience and emotional processing. We further explored if connectivity during emotional word processing related to the tendency to engage in positive or negative emotional states. In this study, 25 medication-free MDD patients without current or past comorbidity and matched controls (n=25) performed an emotional word-evaluation task during functional MRI. Using a dual regression approach, individual spatial connectivity maps representing each subject’s connectivity with each standard network were used to evaluate between-group differences and effects of positive and negative emotionality (extraversion and neuroticism, respectively, as measured with the NEO-FFI). Results showed decreased functional connectivity of the medial prefrontal cortex, ventrolateral prefrontal cortex, and ventral striatum with the fronto-opercular salience network in MDD patients compared to controls. In patients, abnormal connectivity was related to extraversion, but not neuroticism. These results confirm the hypothesis of a relative (para)limbic-cortical decoupling that may explain dysregulated affect in MDD. As connectivity of these regions with the salience network was related to extraversion, but not to general depression severity or negative emotionality, dysfunction of this network may be responsible for the failure to sustain engagement in rewarding behavior.

Neural and psychological maturation of decision-making in adolescence and young adulthood

We examined the maturation of decision-making from early adolescence to mid-adulthood using fMRI of a variant of the Iowa gambling task. We have previously shown that performance in this task relies on sensitivity to accumulating negative outcomes in ventromedial PFC and dorsolateral PFC. Here, we further formalize outcome evaluation (as driven by prediction errors [PE], using a reinforcement learning model) and examine its development. Task performance improved significantly during adolescence, stabilizing in adulthood. Performance relied on greater impact of negative compared with positive PEs, the relative impact of which matured from adolescence into adulthood. Adolescents also showed increased exploratory behavior, expressed as a propensity to shift responding between options independently of outcome quality, whereas adults showed no systematic shifting patterns. The correlation between PE representation and improved performance strengthened with age for activation in ventral and dorsal PFC, ventral striatum, and temporal and parietal cortices. There was a medial-lateral distinction in the prefrontal substrates of effective PE utilization between adults and adolescents: Increased utilization of negative PEs, a hallmark of successful performance in the task, was associated with increased activation in ventromedial PFC in adults, but decreased activation in ventrolateral PFC and striatum in adolescents. These results suggest that adults and adolescents engage qualitatively distinct neural and psychological processes during decision-making, the development of which is not exclusively dependent on reward-processing maturation.

NK1 receptor antagonism and the neural processing of emotional information in healthy volunteers

The neuropeptide substance P and its receptor NK1 have been implicated in emotion, anxiety and stress in preclinical studies. However, the role of NK1 receptors in human brain function is less clear and there have been inconsistent reports of the value of NK1 receptor antagonists in the treatment of clinical depression. The present study therefore aimed to investigate effects of NK1 antagonism on the neural processing of emotional information in healthy volunteers. Twenty-four participants were randomized to receive a single dose of aprepitant (125 mg) or placebo. Approximately 4 h later, neural responses during facial expression processing and an emotional counting Stroop word task were assessed using fMRI. Mood and subjective experience were also measured using self-report scales. As expected a single dose of aprepitant did not affect mood and subjective state in the healthy volunteers. However, NK1 antagonism increased responses specifically during the presentation of happy facial expressions in both the rostral anterior cingulate and the right amygdala. In the emotional counting Stroop task the aprepitant group had increased activation in both the medial orbitofrontal cortex and the precuneus cortex to positive vs. neutral words. These results suggest consistent effects of NK1 antagonism on neural responses to positive affective information in two different paradigms. Such findings confirm animal studies which support a role for NK1 receptors in emotion. Such an approach may be useful in understanding the effects of novel drug treatments prior to full-scale clinical trials.

Neuroanatomy of individual differences in language in adult males with autism

One potential source of heterogeneity within autism spectrum conditions (ASC) is language development and ability. In 80 high-functioning male adults with ASC, we tested if variations in developmental and current structural language are associated with current neuroanatomy. Groups with and without language delay differed behaviorally in early social reciprocity, current language, but not current autistic features. Language delay was associated with larger total gray matter (GM) volume, smaller relative volume at bilateral insula, ventral basal ganglia, and right superior, middle, and polar temporal structures, and larger relative volume at pons and medulla oblongata in adulthood. Despite this heterogeneity, those with and without language delay showed significant commonality in morphometric features when contrasted with matched neurotypical individuals (n = 57). In ASC, better current language was associated with increased GM volume in bilateral temporal pole, superior temporal regions, dorsolateral fronto-parietal and cerebellar structures, and increased white matter volume in distributed frontal and insular regions. Furthermore, current language–neuroanatomy correlation patterns were similar across subgroups with or without language delay. High-functioning adult males with ASC show neuroanatomical variations associated with both developmental and current language characteristics. This underscores the importance of including both developmental and current language as specifiers for ASC, to help clarify heterogeneity.