Metabolic changes in rat prefrontal cortex and hippocampus induced by chronic morphine treatment studied ex vivo by high resolution H-1 NMR spectroscopy

Ex vivo H-1 NMR spectroscopy was used to measure changes in the concentrations of cerebral metabolites in the prefrontal cortex (PFC) and hippocampus of rats subjected to repeated morphine treatment known to cause tolerance/dependence. The results show th

Neuronal activity in dorsomedial frontal cortex and prefrontal cortex reflecting irrelevant stimulus dimensions

Previous studies of the dorsomedial frontal cortex (DMF) and the prefrontal cortex (PF) have shown that, when monkeys respond to nonspatial features of a discriminative stimulus (e.g., color) and the stimulus appears at a place unrelated to the movement t

Distracters Impair and Create Working Memory-Related Neuronal Activity in the Prefrontal Cortex

The prefrontal cortex (PFC) has a central role in working memory (WM). Resistance to distraction is considered a fundamental feature of WM and PFC neuronal activity. However, although unexpected stimuli often disrupt our work, little is known about the un

Increasing top-down suppression from prefrontal cortex facilitates tactile working memory

Navigated transcranial magnetic stimulation (TMS) combined with diffusion-weighted magnetic resonance imaging (DW-MRI) and tractography allows investigating functional anatomy of the human brain with high precision. Here we demonstrate that working memory (WM) processing of tactile temporal information is facilitated by delivering a single TMS pulse to the middle frontal gyrus (MFG) during memory maintenance. Facilitation was obtained only with a TMS pulse applied to a location of the MFG with anatomical connectivity to the primary somatosensory cortex (S1). TMS improved tactile WM also when distractive tactile stimuli interfered with memory maintenance. Moreover, TMS to the same MFG site attenuated somatosensory evoked responses (SEPs). The results suggest that the TMS-induced memory improvement is explained by increased top-down suppression of interfering sensory processing in S1 via the MFG-S1 link. These results demonstrate an anatomical and functional network that is involved in maintenance of tactile temporal WM. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

Schizophrenia patients and their healthy siblings share disruption of white matter integrity in the left prefrontal cortex and the hippocampus but not the anterior cingulate cortex

Healthy siblings of schizophrenia patients have an almost 9-fold higher risk for developing the illness than the general population. Disruption of white matter (WM) integrity as indicated by reduced fractional anisotropy (FA) derived from diffusion tensor

Resolving response, decision, and strategic control: evidence for a functional topography in dorsomedial prefrontal cortex.

The dorsomedial prefrontal cortex (DMPFC) plays a central role in aspects of cognitive control and decision making. Here, we provide evidence for an anterior-to-posterior topography within the DMPFC using tasks that evoke three distinct forms of control demands--response, decision, and strategic--each of which could be mapped onto independent behavioral data. Specifically, we identify three spatially distinct regions within the DMPFC: a posterior region associated with control demands evoked by multiple incompatible responses, a middle region associated with control demands evoked by the relative desirability of decision options, and an anterior region that predicts control demands related to deviations from an individual's preferred decision-making strategy. These results provide new insight into the functional organization of DMPFC and suggest how recent controversies about its role in complex decision making and response mapping can be reconciled.

Neuronal correlates of metacognition in primate frontal cortex.

Humans are metacognitive: they monitor and control their cognition. Our hypothesis was that neuronal correlates of metacognition reside in the same brain areas responsible for cognition, including frontal cortex. Recent work demonstrated that nonhuman primates are capable of metacognition, so we recorded from single neurons in the frontal eye field, dorsolateral prefrontal cortex, and supplementary eye field of monkeys (Macaca mulatta) that performed a metacognitive visual-oculomotor task. The animals made a decision and reported it with a saccade, but received no immediate reward or feedback. Instead, they had to monitor their decision and bet whether it was correct. Activity was correlated with decisions and bets in all three brain areas, but putative metacognitive activity that linked decisions to appropriate bets occurred exclusively in the SEF. Our results offer a survey of neuronal correlates of metacognition and implicate the SEF in linking cognitive functions over short periods of time.

The Impact of Prenatal Nicotine Exposure on Impulsivity and Neural Firing in the Medial Prefrontal Cortex

Prenatal nicotine exposure (PNE) is linked to a large number of psychiatric disorders, including attention deficit hyperactivity disorder (ADHD). Current literature suggests that core deficits observed in ADHD reflect abnormal inhibitory control governed by the prefrontal cortex (PFC) of the brain. The PFC is structurally altered by PNE, but it is still unclear how neural firing is affected during tasks that test behavioral inhibition, such as the stop-signal task, or if neural correlates related to inhibitory control are affected after PNE in awake behaving animals. To address these questions, we recorded from single medial PFC (mPFC) neurons in control rats and PNE rats as they performed our stopsignal task. We found that PNE rats were faster for all trial types and were less likely to inhibit the behavioral response on STOP trials. Neurons in mPFC fired more strongly on STOP trials and were correlated with accuracy and reaction time. Although the number of neurons exhibiting significant modulation during task performance did not differ between groups, overall activity in PNE was reduced. We conclude that PNE makes rats impulsive and reduces firing in mPFC neurons that carry signals related to response inhibition.

Hot cognition and activation of the medial prefrontal cortex: Self-regulating in contexts involving motivational pressures

The medial prefrontal cortex (mPFC) is involved in performance-monitoring and has been implicated in the generation of several electrocortical responses associated with self-regulation. The error-related negativity (ERN), the inhibitory Nogo N2 (N2), and the feedback-related negativity (FRN) are event-related potential (ERP) components which reflect mPFC activity associated with feedback to behavioural (ERN, N2) and environmental (FRN) consequences. Our main goal was to determine whether or not rnPFC activation varies as a function of motivational context (e.g., those involving performance-related incentives) or the use of internally versus externally generated feedback signals (i.e., errors). Additionally, we assessed medial prefrontal activity in relation to individual differences in personality and temperament. Participants completed a combination of tasks in which performance-related incentives were associated with task performance and feedback generated from internal versus external responses. MPFC activity was indexed using both ERP scalp voltage peaks and intracerebral current source density (CSD) of dorsal and ventral regions. Additionally, participants completed several questionnaires assessing personality and temperament styles. Given previous studies have shown that enhanced mPFC activity to loss (or negative) feedback, we expected that activity in the mPFC would generally be greater during the Loss condition relative to the Win condition for both the ERN and N2. Also, due to the evidence that the (vmPFC) is engaged in arousing contexts, we hypothesized that activity in the ventromedial prefrontal cortex (vmPFC) would be greater than activity in the dorsomedial prefrontal cortex (dmPFC), especially in the Loss condition of the GoNogo task (ERN). Similarly, loss feedback in the BART (FRN) was expected to engage the vmPFC more than the dmPFC. Finally, we predicted that persons rating themselves as more willing to engage in approach-related behaviours or to exhibit rigid cognitive styles would show reduced activity of the mPFC. Overall, our results emphasize the role of affective evaluations of behavioural and environmental consequences when self-regulating. Although there were no effects of context on brain activity, our data indicate that, during the time of the ERN and N2 on the MW Go-Nogo task and the FRN on the BART, the vrnPFC was more active compared to the dmPFC. Moreover, regional recruitment in the mPFC was similar across internally (ERN) and externally (FRN) generated errors signals associated with loss feedback, as reflected by relatively greater activity in the vmPFC than the dmPFC. Our data also suggest that greater activity in the mPFC is associated with better inhibitory control, as reflected by both scalp and CSD measures. Additionally, deactivation of the subgenual anterior cingulate cortex (sgACC) and lower levels of self-reported positive affect were both related to increased voluntary risk-taking on the BART. Finally, persons reporting higher levels of approach-related behaviour or cognitive rigidity showed reduced activity of the mPFC. These results are in line with previous research emphasizing that affect/motivation is central to the processes reflected by mediofrontal negativities (MFNs), that the vmPFC is involved in regulating demands on motivational/affective systems, and that the underlying mechanisms driving these functions vary across both individuals and contexts.

Disambiguating the Effects of Social Instability Stress in Adolescence on Learning and Memory Tasks that Involve the Medial Prefrontal Cortex and Hippocampus

Exposure to chronic stress can alter the structure and function of brain regions involved in learning and memory, and these effects are typically long-lasting if the stress occurs during sensitive periods of development. Until recently, adolescence has received relatively little attention as a sensitive period of development, despite marked changes in behaviour, heightened reactivity to stressors, and cognitive and neural maturation. Therefore, the purpose of the present study was to investigate the long-term effects of chronic stress in adolescence on two spatial learning and memory tasks (Morris water maze and Spatial Object Location test) and on a working memory task (Delayed Alternation task). Male rats were randomly assigned to chronic social instability stress (SS; daily 1 hour isolation and subsequent change of cage partner between postnatal days 30 and 45) or to a no-stress control group (CTL). During acquisition learning in the Morris water maze task, SS rats demonstrated impaired long-term memory for the location of the hidden escape platform compared to CTL rats, although the impairment was only seen after the first day of training. Similarly, SS rats had impaired long-term memory in the Spatial Object Location test after a long delay (240 minutes), but not after shorter delays (15 or 60 minutes) compared to CTL rats. On the Delayed Alternation task, which assessed working memory across delays ranging from 5 to 90 seconds, no group differences were observed. These results are partially in line with previous research that revealed adult impairment on spatial learning and memory tasks after exposure to chronic social instability stress in adolescence. The observed deficits, however, appear to be limited to long-term memory as no group differences were observed during brief periods of retention.

Plasticity of neuroanatomical relationships between cholinergic and dopaminergic axon varicosities and pyramidal cells in the rat medial prefrontal cortex

Les systèmes cholinergique et dopaminergique jouent un rôle prépondérant dans les fonctions cognitives. Ce rôle est exercé principalement grâce à leur action modulatrice de l’activité des neurones pyramidaux du cortex préfrontal. L’interaction pharmacologique entre ces systèmes est bien documentée mais les études de leurs interactions neuroanatomiques sont rares, étant donné qu’ils sont impliqués dans une transmission diffuse plutôt que synaptique. Ce travail de thèse visait à développer une expertise pour analyser ce type de transmission diffuse en microscopie confocale. Nous avons étudié les relations de microproximité entre ces différents systèmes dans le cortex préfrontal médian (mPFC) de rats et souris. En particulier, la densité des varicosités axonales en passant a été quantifiée dans les segments des fibres cholinergiques et dopaminergiques à une distance mutuelle de moins de 3 µm ou à moins de 3 µm des somas de cellules pyramidales. Cette microproximité était considérée comme une zone d’interaction probable entre les éléments neuronaux. La quantification était effectuée après triple-marquage par immunofluorescence et acquisition des images de 1 µm par microscopie confocale. Afin d’étudier la plasticité de ces relations de microproximité, cette analyse a été effectuée dans des conditions témoins, après une activation du mPFC et dans un modèle de schizophrénie par déplétion des neurones cholinergiques du noyau accumbens. Les résultats démontrent que 1. Les fibres cholinergiques interagissent avec des fibres dopaminergiques et ce sur les mêmes neurones pyramidaux de la couche V du mPFC. Ce résultat suggère différents apports des systèmes cholinergique et dopaminergique dans l’intégration effectuée par une même cellule pyramidale. 2. La densité des varicosités en passant cholinergiques et dopaminergiques sur des segments de fibre en microproximité réciproque est plus élevée comparé aux segments plus distants les uns des autres. Ce résultat suggère un enrichissement du nombre de varicosités axonales dans les zones d’interaction. 3. La densité des varicosités en passant sur des segments de fibre cholinergique en microproximité de cellules pyramidales, immunoúactives pour c-Fos après une stimulation visuelle et une stimulation électrique des noyaux cholinergiques projetant au mPFC est plus élevée que la densité des varicosités de segments en microproximité de cellules pyramidales non-activées. Ce résultat suggère un enrichissement des varicosités axonales dépendant de l’activité neuronale locale au niveau de la zone d'interaction avec d'autres éléments neuronaux. 4. La densité des varicosités en passant des fibres dopaminergiques a été significativement diminuée dans le mPFC de rats ayant subi une déplétion cholinergique dans le noyau accumbens, comparée aux témoins. Ces résultats supportent des interrelations entre la plasticité structurelle des varicosités dopaminergiques et le fonctionnement cortical. L’ensemble des donneès démontre une plasticité de la densité locale des varicosités axonales en fonction de l’activité neuronale locale. Cet enrichissement activité-dépendant contribue vraisemblablement au maintien d’une interaction neurochimique entre deux éléments neuronaux.

Modulation de l'apprentissage visuel par stimulation électrique transcrânienne à courant direct du cortex préfrontal

Le traitement visuel répété d’un visage inconnu entraîne une suppression de l’activité neuronale dans les régions préférentielles aux visages du cortex occipito-temporal. Cette «suppression neuronale» (SN) est un mécanisme primitif hautement impliqué dans l’apprentissage de visages, pouvant être détecté par une réduction de l’amplitude de la composante N170, un potentiel relié à l’événement (PRE), au-dessus du cortex occipito-temporal. Le cortex préfrontal dorsolatéral (CPDL) influence le traitement et l’encodage visuel, mais sa contribution à la SN de la N170 demeure inconnue. Nous avons utilisé la stimulation électrique transcrânienne à courant direct (SETCD) pour moduler l’excitabilité corticale du CPDL de 14 adultes sains lors de l’apprentissage de visages inconnus. Trois conditions de stimulation étaient utilisées: inhibition à droite, excitation à droite et placebo. Pendant l’apprentissage, l’EEG était enregistré afin d’évaluer la SN de la P100, la N170 et la P300. Trois jours suivant l’apprentissage, une tâche de reconnaissance était administrée où les performances en pourcentage de bonnes réponses et temps de réaction (TR) étaient enregistrées. Les résultats indiquent que la condition d’excitation à droite a facilité la SN de la N170 et a augmentée l’amplitude de la P300, entraînant une reconnaissance des visages plus rapide à long-terme. À l’inverse, la condition d’inhibition à droite a causé une augmentation de l’amplitude de la N170 et des TR plus lents, sans affecter la P300. Ces résultats sont les premiers à démontrer que la modulation d’excitabilité du CPDL puisse influencer l’encodage visuel de visages inconnus, soulignant l’importance du CPDL dans les mécanismes d’apprentissage de base.

Étude du cortex prémoteur et préfrontal lors de la prise de décision pendant l'intégration temporelle des informations

Une variété de modèles sur le processus de prise de décision dans divers contextes présume que les sujets accumulent les évidences sensorielles, échantillonnent et intègrent constamment les signaux pour et contre des hypothèses alternatives. L'intégration continue jusqu'à ce que les évidences en faveur de l'une des hypothèses dépassent un seuil de critère de décision (niveau de preuve exigé pour prendre une décision). De nouveaux modèles suggèrent que ce processus de décision est plutôt dynamique; les différents paramètres peuvent varier entre les essais et même pendant l’essai plutôt que d’être un processus statique avec des paramètres qui ne changent qu’entre les blocs d’essais. Ce projet de doctorat a pour but de démontrer que les décisions concernant les mouvements d’atteinte impliquent un mécanisme d’accumulation temporelle des informations sensorielles menant à un seuil de décision. Pour ce faire, nous avons élaboré un paradigme de prise de décision basée sur un stimulus ambigu afin de voir si les neurones du cortex moteur primaire (M1), prémoteur dorsal (PMd) et préfrontal (DLPFc) démontrent des corrélats neuronaux de ce processus d’accumulation temporelle. Nous avons tout d’abord testé différentes versions de la tâche avec l’aide de sujets humains afin de développer une tâche où l’on observe le comportement idéal des sujets pour nous permettre de vérifier l’hypothèse de travail. Les données comportementales chez l’humain et les singes des temps de réaction et du pourcentage d'erreurs montrent une augmentation systématique avec l'augmentation de l'ambigüité du stimulus. Ces résultats sont cohérents avec les prédictions des modèles de diffusion, tel que confirmé par une modélisation computationnelle des données. Nous avons, par la suite, enregistré des cellules dans M1, PMd et DLPFc de 2 singes pendant qu'ils s'exécutaient à la tâche. Les neurones de M1 ne semblent pas être influencés par l'ambiguïté des stimuli mais déchargent plutôt en corrélation avec le mouvement exécuté. Les neurones du PMd codent la direction du mouvement choisi par les singes, assez rapidement après la présentation du stimulus. De plus, l’activation de plusieurs cellules du PMd est plus lente lorsque l'ambiguïté du stimulus augmente et prend plus de temps à signaler la direction de mouvement. L’activité des neurones du PMd reflète le choix de l’animal, peu importe si c’est une bonne réponse ou une erreur. Ceci supporte un rôle du PMd dans la prise de décision concernant les mouvements d’atteinte. Finalement, nous avons débuté des enregistrements dans le cortex préfrontal et les résultats présentés sont préliminaires. Les neurones du DLPFc semblent beaucoup plus influencés par les combinaisons des facteurs de couleur et de position spatiale que les neurones du PMd. Notre conclusion est que le cortex PMd est impliqué dans l'évaluation des évidences pour ou contre la position spatiale de différentes cibles potentielles mais assez indépendamment de la couleur de celles-ci. Le cortex DLPFc serait plutôt responsable du traitement des informations pour la combinaison de la couleur et de la position des cibles spatiales et du stimulus ambigu nécessaire pour faire le lien entre le stimulus ambigu et la cible correspondante.