Functional neuroimaging studies of encoding, priming, and explicit memory retrieval

Human functional neuroimaging techniques provide a powerful means of linking neural level descriptions of brain function and cognition. The exploration of the functional anatomy underlying human memory comprises a prime example. Three highly reliable findings linking memory-related cognitive processes to brain activity are discussed. First, priming is accompanied by reductions in the amount of neural activation relative to naive or unprimed task performance. These reductions can be shown to be both anatomically and functionally specific and are found for both perceptual and conceptual task components. Second, verbal encoding, allowing subsequent conscious retrieval, is associated with activation of higher order brain regions including areas within the left inferior and dorsal prefrontal cortex. These areas also are activated by working memory and effortful word generation tasks, suggesting that these tasks, often discussed as separable, might rely on interdependent processes. Finally, explicit (intentional) retrieval shares much of the same functional anatomy as the encoding and word generation tasks but is associated with the recruitment of additional brain areas, including the anterior prefrontal cortex (right > left). These findings illustrate how neuroimaging techniques can be used to study memory processes and can both complement and extend data derived through other means. More recently developed methods, such as event-related functional MRI, will continue this progress and may provide additional new directions for research.

Effect of COMT Val108/158 Met genotype on frontal lobe function and risk for schizophrenia

Abnormalities of prefrontal cortical function are prominent features of schizophrenia and have been associated with genetic risk, suggesting that susceptibility genes for schizophrenia may impact on the molecular mechanisms of prefrontal function. A potential susceptibility mechanism involves regulation of prefrontal dopamine, which modulates the response of prefrontal neurons during working memory. We examined the relationship of a common functional polymorphism (Val108/158 Met) in the catechol-O-methyltransferase (COMT) gene, which accounts for a 4-fold variation in enzyme activity and dopamine catabolism, with both prefrontally mediated cognition and prefrontal cortical physiology. In 175 patients with schizophrenia, 219 unaffected siblings, and 55 controls, COMT genotype was related in allele dosage fashion to performance on the Wisconsin Card Sorting Test of executive cognition and explained 4% of variance (P = 0.001) in frequency of perseverative errors. Consistent with other evidence that dopamine enhances prefrontal neuronal function, the load of the low-activity Met allele predicted enhanced cognitive performance. We then examined the effect of COMT genotype on prefrontal physiology during a working memory task in three separate subgroups (n = 11–16) assayed with functional MRI. Met allele load consistently predicted a more efficient physiological response in prefrontal cortex. Finally, in a family-based association analysis of 104 trios, we found a significant increase in transmission of the Val allele to the schizophrenic offspring. These data suggest that the COMT Val allele, because it increases prefrontal dopamine catabolism, impairs prefrontal cognition and physiology, and by this mechanism slightly increases risk for schizophrenia.

Activation of memory circuits during cue-elicited cocaine craving.

Evidence accumulated over more than 45 years has indicated that environmental stimuli can induce craving for drugs of abuse in individuals who have addictive disorders. However, the brain mechanisms that subserve such craving have not been elucidated. Here a positron emission tomographic study shows increased glucose metabolism in cortical and limbic regions implicated in several forms of memory when human volunteers who abuse cocaine are exposed to drug-related stimuli. Correlations of metabolic increases in the dorsolateral prefrontal cortex, medial temporal lobe (amygdala), and cerebellum with self-reports of craving suggest that a distributed neural network, which integrates emotional and cognitive aspects of memory, links environmental cues with cocaine craving.

Face encoding and recognition in the human brain.

A dissociation between human neural systems that participate in the encoding and later recognition of new memories for faces was demonstrated by measuring memory task-related changes in regional cerebral blood flow with positron emission tomography. There was almost no overlap between the brain structures associated with these memory functions. A region in the right hippocampus and adjacent cortex was activated during memory encoding but not during recognition. The most striking finding in neocortex was the lateralization of prefrontal participation. Encoding activated left prefrontal cortex, whereas recognition activated right prefrontal cortex. These results indicate that the hippocampus and adjacent cortex participate in memory function primarily at the time of new memory encoding. Moreover, face recognition is not mediated simply by recapitulation of operations performed at the time of encoding but, rather, involves anatomically dissociable operations.

Distinct neural correlates of visual long-term memory for spatial location and object identity: a positron emission tomography study in humans.

The purpose of the present study was to investigate by using positron emission tomography (PET) whether the cortical pathways that are involved in visual perception of spatial location and object identity are also differentially implicated in retrieval of these types of information from episodic long-term memory. Subjects studied a set of displays consisting of three unique representational line drawings arranged in different spatial configurations. Later, while undergoing PET scanning, subjects' memory for spatial location and identity of the objects in the displays was tested and compared to a perceptual baseline task involving the same displays. In comparison to the baseline task, each of the memory tasks activated both the dorsal and the ventral pathways in the right hemisphere but not to an equal extent. There was also activation of the right prefrontal cortex. When PET scans of the memory tasks were compared to each other, areas of activation were very circumscribed and restricted to the right hemisphere: For retrieval of object identity, the area was in the inferior temporal cortex in the region of the fusiform gyrus (area 37), whereas for retrieval of spatial location, it was in the inferior parietal lobule in the region of the supramarginal gyrus (area 40). Thus, our study shows that distinct neural pathways are activated during retrieval of information about spatial location and object identity from long-term memory.

Characterization of subtype-specific antibodies to the human D5 dopamine receptor: studies in primate brain and transfected mammalian cells.

To achieve a better understanding of how D5 dopamine receptors mediate the actions of dopamine in brain, we have developed antibodies specific for the D5 receptor. D5 antibodies reacted with recombinant baculovirus-infected Sf9 cells expressing the D5 receptor but not with the D1 receptor or a variety of other catecholaminergic and muscarinic receptors. Epitope-tagged D5 receptors expressed in mammalian cells were reactive with both D5 antibodies and an epitope-specific probe. A mixture of N-linked glycosylated polypeptides and higher molecular-mass species was detected on immunoblots of membrane fractions of D5-transfected cells and also of primate brain. D5 receptor antibodies intensely labeled pyramidal neurons in the prefrontal cortex, whereas spiny medium-sized neurons and aspiny large interneurons of the caudate nucleus were relatively lightly labeled. Antibodies to the D5 dopamine receptor should prove important in experimentally determining specific roles for the D5 and D1 receptors in cortical processes and diseases.

Dos biomarcadores ao estadiamento da perturbação bipolar : uma revisão bibliográfica

Trabalho Final do Curso de Mestrado Integrado em Medicina, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2014

Effets de la stimulation magnétique transcrânienne dans la maladie de Parkinson avec déficits cognitifs légers

Beaucoup de patients atteints de la maladie de Parkinson (MP) peuvent souffrir de troubles cognitifs dès les étapes initiales de la maladie et jusqu’à 80% d’entre eux vont développer une démence. Des altérations fonctionnelles au niveau du cortex préfrontal dorsolatéral (CPFDL), possiblement en relation avec le noyau caudé, seraient à l’origine de certains de ces déficits cognitifs. Des résultats antérieurs de notre groupe ont montré une augmentation de l’activité et de la connectivité dans la boucle cortico-striatale cognitive suite à la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) utilisant des paramètres « theta burst » intermittent (iTBS) sur le CPFDL gauche. Pour cette étude, 24 patients atteints de la MP avec des troubles cognitifs ont été séparées en 2 groupes : le groupe iTBS active (N=15) et le groupe sham (stimulation simulée, N=9). Une batterie neuropsychologique détaillée évaluant cinq domaines cognitifs (attention, fonctions exécutives, langage, mémoire et habiletés visuo-spatiales) a été administrée lors des jours 1, 8, 17 et 37. Le protocole iTBS a été appliqué sur le CPFDL gauche durant les jours 2, 4 et 7. Les scores z ont été calculés pour chaque domaine cognitif et pour la cognition globale. Les résultats ont montré une augmentation significative de la cognition globale jusqu’à 10 jours suivant l’iTBS active, particulièrement au niveau de l’attention, des fonctions exécutives et des habiletés visuo-spatiales. Cet effet sur la cognition globale n’est pas répliqué dans le groupe sham. Ces résultats suggèrent donc que l’iTBS peut moduler la performance cognitive chez les patients atteints de MP avec des déficits cognitifs.

Corrélats neuronaux du circuit des récompenses chez les jeunes à risque parental de troubles de l'humeur

Cette thèse a pour objectif l’investigation du circuit des récompenses, sur les plans comportementaux et neuronaux, chez des adolescents à risque parental élevé de dépression majeure et de trouble bipolaire, en comparaison à des jeunes à risque parental peu élevé. Plus précisément, le but est d’identifier des marqueurs comportementaux et neuronaux du risque de développer une dépression majeure ou un trouble bipolaire, afin d’être en mesure de détecter et de prévenir ces troubles le plus tôt possible pour éviter, ou du moins retarder, leur émergence. Pour ce faire, nous avons réalisé deux études, présentées ici dans deux articles empiriques. Dans le premier article, le fonctionnement comportemental et neuronal du circuit des récompenses a été investigué au moyen d’une tâche d’anticipation et d’obtention de gains et de pertes monétaires, chez des adolescents à risque parental de dépression majeure (i.e., jeunes asymptomatiques dont un des parents souffre de dépression majeure), des adolescents à risque parental de trouble bipolaire (i.e., jeunes asymptomatiques dont un des parents souffre de trouble bipolaire) et des adolescents contrôles (i.e., jeunes asymptomatiques dont les deux parents sont en bonne santé mentale). Au niveau comportemental, les résultats ont révélé une meilleure performance chez les jeunes à risque de dépression majeure lorsqu’ils devaient éviter d’obtenir des pertes monétaires de magnitude variée (0,20$, 1$ ou 5$), ainsi qu’une meilleure performance chez les jeunes à risque de trouble bipolaire sur les essais impliquant d’éviter des pertes monétaires de magnitude nulle (0$). Au niveau neuronal, les jeunes à risque de dépression majeure démontraient une diminution de l’activation du cortex préfrontal dorsolatéral lors de l’anticipation de potentielles pertes monétaires de magnitude variée, tandis que les jeunes à risque de trouble bipolaire démontraient une diminution de l’activation du cortex préfrontal dorsolatéral lors de l’anticipation de potentielles pertes monétaires de magnitude nulle. De plus, les jeunes à risque de dépression majeure tendaient à démontrer une augmentation de l’activité du cortex orbitofrontal durant l’évitement réussi de pertes monétaires, tandis que les jeunes à risque de trouble bipolaire tendaient à démontrer une augmentation de l’activité du cortex orbitofrontal lors de l’obtention de pertes monétaires. Dans le deuxième article, l’intégrité structurelle des régions fronto-limbiques a été investiguée, au moyen de mesures du volume, de l’épaisseur corticale et de la superficie corticale. Les résultats ont mis en évidence, chez les jeunes à risque de trouble bipolaire, un volume plus élevé du cortex préfrontal dorsolatéral, par rapport aux jeunes à risque de dépression majeure et contrôles. De plus, les jeunes à risque de trouble bipolaire présentaient un volume plus élevé du cortex cingulaire postérieur, en comparaison aux jeunes à risque de dépression majeure. Enfin, une diminution de l’épaisseur corticale du cortex orbitofrontal et du gyrus frontal moyen a été observée chez les adolescents à risque de trouble bipolaire, en comparaison au groupe contrôle. L’ensemble de ces résultats démontre ainsi l’existence de particularités comportementales et d’altérations neuronales sur les plans fonctionnel et structurel, chez des jeunes à risque élevé de troubles de l’humeur, et ce, avant même l’émergence des premiers symptômes thymiques. Plus particulièrement, ces caractéristiques pourraient constituer des marqueurs du risque de développer un trouble de l’humeur. Par conséquent, ces marqueurs pourraient aider à mieux identifier les jeunes qui sont le plus à risque de développer un trouble de l’humeur, et ainsi permettre la mise en place précoce de stratégies préventives adaptées, afin d’éviter des trajectoires développementales psychopathologiques.

Corrélats neuronaux du circuit des récompenses chez les jeunes à risque parental de troubles de l'humeur

Cette thèse a pour objectif l’investigation du circuit des récompenses, sur les plans comportementaux et neuronaux, chez des adolescents à risque parental élevé de dépression majeure et de trouble bipolaire, en comparaison à des jeunes à risque parental peu élevé. Plus précisément, le but est d’identifier des marqueurs comportementaux et neuronaux du risque de développer une dépression majeure ou un trouble bipolaire, afin d’être en mesure de détecter et de prévenir ces troubles le plus tôt possible pour éviter, ou du moins retarder, leur émergence. Pour ce faire, nous avons réalisé deux études, présentées ici dans deux articles empiriques. Dans le premier article, le fonctionnement comportemental et neuronal du circuit des récompenses a été investigué au moyen d’une tâche d’anticipation et d’obtention de gains et de pertes monétaires, chez des adolescents à risque parental de dépression majeure (i.e., jeunes asymptomatiques dont un des parents souffre de dépression majeure), des adolescents à risque parental de trouble bipolaire (i.e., jeunes asymptomatiques dont un des parents souffre de trouble bipolaire) et des adolescents contrôles (i.e., jeunes asymptomatiques dont les deux parents sont en bonne santé mentale). Au niveau comportemental, les résultats ont révélé une meilleure performance chez les jeunes à risque de dépression majeure lorsqu’ils devaient éviter d’obtenir des pertes monétaires de magnitude variée (0,20$, 1$ ou 5$), ainsi qu’une meilleure performance chez les jeunes à risque de trouble bipolaire sur les essais impliquant d’éviter des pertes monétaires de magnitude nulle (0$). Au niveau neuronal, les jeunes à risque de dépression majeure démontraient une diminution de l’activation du cortex préfrontal dorsolatéral lors de l’anticipation de potentielles pertes monétaires de magnitude variée, tandis que les jeunes à risque de trouble bipolaire démontraient une diminution de l’activation du cortex préfrontal dorsolatéral lors de l’anticipation de potentielles pertes monétaires de magnitude nulle. De plus, les jeunes à risque de dépression majeure tendaient à démontrer une augmentation de l’activité du cortex orbitofrontal durant l’évitement réussi de pertes monétaires, tandis que les jeunes à risque de trouble bipolaire tendaient à démontrer une augmentation de l’activité du cortex orbitofrontal lors de l’obtention de pertes monétaires. Dans le deuxième article, l’intégrité structurelle des régions fronto-limbiques a été investiguée, au moyen de mesures du volume, de l’épaisseur corticale et de la superficie corticale. Les résultats ont mis en évidence, chez les jeunes à risque de trouble bipolaire, un volume plus élevé du cortex préfrontal dorsolatéral, par rapport aux jeunes à risque de dépression majeure et contrôles. De plus, les jeunes à risque de trouble bipolaire présentaient un volume plus élevé du cortex cingulaire postérieur, en comparaison aux jeunes à risque de dépression majeure. Enfin, une diminution de l’épaisseur corticale du cortex orbitofrontal et du gyrus frontal moyen a été observée chez les adolescents à risque de trouble bipolaire, en comparaison au groupe contrôle. L’ensemble de ces résultats démontre ainsi l’existence de particularités comportementales et d’altérations neuronales sur les plans fonctionnel et structurel, chez des jeunes à risque élevé de troubles de l’humeur, et ce, avant même l’émergence des premiers symptômes thymiques. Plus particulièrement, ces caractéristiques pourraient constituer des marqueurs du risque de développer un trouble de l’humeur. Par conséquent, ces marqueurs pourraient aider à mieux identifier les jeunes qui sont le plus à risque de développer un trouble de l’humeur, et ainsi permettre la mise en place précoce de stratégies préventives adaptées, afin d’éviter des trajectoires développementales psychopathologiques.

Theory of mind and relational complexity

Cognitive complexity and control theory and relational complexity theory attribute developmental changes in theory of mind (TOM) to complexity. In 3 studies, 3-, 4-, and 5-year-olds performed TOM tasks (false belief, appearance-reality), less complex connections (Level 1 perspective-taking) tasks, and transformations tasks (understanding the effects of location changes and colored filters) with content similar to TOM. There were also predictor tasks at binary-relational and ternary-relational complexity levels, with different content. Consistent with complexity theories: (a) connections and transformations were easier and mastered earlier than TOM; (b) predictor tasks accounted for more than 80% of age-related variance in TOM; and (c) ternary-relational items accounted for TOM variance, before and after controlling for age and binary-relational items. Prediction did not require hierarchically structured predictor tasks.

The neurodevelopmental hypothesis of schizophrenia: a review of recent developments

The neurodevelopmental hypothesis (NDH) of schizophrenia suggests that a disruption of brain development during early life underlies the later emergence of psychosis during adulthood. The aim of this review is to chart the challenges and subsequent refinements to this hypothesis, with particular reference to the static versus progressive nature of the putative neurobiological processes underlying the NDH. A non-systematic literature review was undertaken, with an emphasis on major review papers relevant to the NDH. Weaknesses in the explanatory power of the NDH have led to a new generation of more refined hypotheses in recent years. In particular, recent versions of the hypothesis have incorporated evidence from structural neuroimaging which suggests changes in brain volumes after the onset of schizophrenia. More detailed models that incorporate progressive neurobiological processes have replaced early versions of the NDH, which were based on a 'static encephalopathy. In addition, recent models have suggested that two or more 'hits' are required over the lifespan rather than only one early-life event. Animal models are providing important insights into the sequelae of disturbed early brain development. The NDH has provided great impetus to the schizophrenia research community. Recent versions of the hypothesis have encouraged more focused and testable hypotheses.

Event-related potential correlates of impaired visuospatial working memory in schizophrenia

Previous studies have reported that patients with schizophrenia demonstrate impaired performance during working memory (WM) tasks. The current study aimed to determine whether WM impairments in schizophrenia are accompanied by reduced slow wave (SW) activity during on-line maintenance of mnemonic information. Event-related potentials were obtained from patients with schizophrenia and well controls as they performed a visuospatial delayed response task. On 50% of trials, a distractor stimulus was introduced during the delay. Compared with controls, patients with schizophrenia produced less SW memory negativity, particularly over the right hemisphere, together with reduced frontal enhancement of SW memory negativity in response to distraction. The results indicate that patients with schizophrenia generate less maintenance phase neuronal activity during WM performance, especially under conditions of distraction.

Human brain regions required for the dividing and switching of attention between two features of a single object

This combined PET and ERP study was designed to identify the brain regions activated in switching and divided attention between different features of a single object using matched sensory stimuli and motor response. The ERP data have previously been reported in this journal [64]. We now present the corresponding PET data. We identified partially overlapping neural networks with paradigms requiring the switching or dividing of attention between the elements of complex visual stimuli. Regions of activation were found in the prefrontal and temporal cortices and cerebellum. Each task resulted in different prefrontal cortical regions of activation lending support to the functional subspecialisation of the prefrontal and temporal cortices being based on the cognitive operations required rather than the stimuli themselves. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Does interhemispheric competition mediate motion-induced blindness? A transcranial magnetic stimulation study

Motion-induced blindness (MIB) is a phenomenon, perhaps related to perceptual rivalry, where stationary targets disappear and reappear in a cyclic mode when viewed against a background (mask) of coherent, apparent 3-D motion. Since MIB has recently been shown to share similar temporal properties with binocular rivalry, we probed the appearance-disappearance cycle of MIB using unilateral, single-pulse transcranial magnetic stimulation (TMS)-a manipulation that has previously been shown to influence binocular rivalry. Effects were seen for both hemispheres when the timing of TMS was determined prospectively on the basis of a given subject's appearance-disappearance cycle, so that it occurred on average around 300 ms before the time of perceptual switch. Magnetic stimulation of either hemisphere shortened the time to switch from appearance to disappearance and vice versa. However, TMS of left posterior parietal cortex more selectively shortened the disappearance time of the targets if delivered in phase with the disappearance cycle, but lengthened it if TMS was delivered in the appearance phase after the perceptual switch. Opposite effects were seen in the right hemisphere, although less marked than the left-hemisphere effects. As well as sharing temporal characteristics with binocular rivalry, MIB therefore seems to share a similar underlying mechanism of interhemispheric modulation. Interhemispheric switching may thus provide a common temporal framework for uniting the diverse, multilevel phenomena of perceptual rivalry.