Regional and cellular fractionation of working memory

This chapter recounts efforts to dissect the cellular and circuit basis of a memory system in the primate cortex with the goal of extending the insights gained from the study of normal brain organization in animal models to an understanding of human cognition and related memory disorders. Primates and humans have developed an extraordinary capacity to process information “on line,” a capacity that is widely considered to underlay comprehension, thinking, and so-called executive functions. Understanding the interactions between the major cellular constituents of cortical circuits—pyramidal and nonpyramidal cells—is considered a necessary step in unraveling the cellular mechanisms subserving working memory mechanisms and, ultimately, cognitive processes. Evidence from a variety of sources is accumulating to indicate that dopamine has a major role in regulating the excitability of the cortical circuitry upon which the working memory function of prefrontal cortex depends. Here, I describe several direct and indirect intercellular mechanisms for modulating working memory function in prefrontal cortex based on the localization of dopamine receptors on the distal dendrites and spines of pyramidal cells and on interneurons in the prefrontal cortex. Interactions between monoamines and a compromised cortical circuitry may hold the key to understanding the variety of memory disorders associated with aging and disease.

Neural mechanisms for visual memory and their role in attention

Recent studies show that neuronal mechanisms for learning and memory both dynamically modulate and permanently alter the representations of visual stimuli in the adult monkey cortex. Three commonly observed neuronal effects in memory-demanding tasks are repetition suppression, enhancement, and delay activity. In repetition suppression, repeated experience with the same visual stimulus leads to both short- and long-term suppression of neuronal responses in subpopulations of visual neurons. Enhancement works in an opposite fashion, in that neuronal responses are enhanced for objects with learned behavioral relevance. Delay activity is found in tasks in which animals are required to actively hold specific information “on-line” for short periods. Repetition suppression appears to be an intrinsic property of visual cortical areas such as inferior temporal cortex and is thought to be important for perceptual learning and priming. By contrast, enhancement and delay activity may depend on feedback to temporal cortex from prefrontal cortex and are thought to be important for working memory. All of these mnemonic effects on neuronal responses bias the competitive interactions that take place between stimulus representations in the cortex when there is more than one stimulus in the visual field. As a result, memory will often determine the winner of these competitions and, thus, will determine which stimulus is attended.

The effects of practice on the functional anatomy of task performance

The effects of practice on the functional anatomy observed in two different tasks, a verbal and a motor task, are reviewed in this paper. In the first, people practiced a verbal production task, generating an appropriate verb in response to a visually presented noun. Both practiced and unpracticed conditions utilized common regions such as visual and motor cortex. However, there was a set of regions that was affected by practice. Practice produced a shift in activity from left frontal, anterior cingulate, and right cerebellar hemisphere to activity in Sylvian-insular cortex. Similar changes were also observed in the second task, a task in a very different domain, namely the tracing of a maze. Some areas were significantly more activated during initial unskilled performance (right premotor and parietal cortex and left cerebellar hemisphere); a different region (medial frontal cortex, “supplementary motor area”) showed greater activity during skilled performance conditions. Activations were also found in regions that most likely control movement execution irrespective of skill level (e.g., primary motor cortex was related to velocity of movement). One way of interpreting these results is in a “scaffolding-storage” framework. For unskilled, effortful performance, a scaffolding set of regions is used to cope with novel task demands. Following practice, a different set of regions is used, possibly representing storage of particular associations or capabilities that allow for skilled performance. The specific regions used for scaffolding and storage appear to be task dependent.

Components of verbal working memory: Evidence from neuroimaging

We review research on the neural bases of verbal working memory, focusing on human neuroimaging studies. We first consider experiments that indicate that verbal working memory is composed of multiple components. One component involves the subvocal rehearsal of phonological information and is neurally implemented by left-hemisphere speech areas, including Broca’s area, the premotor area, and the supplementary motor area. Other components of verbal working memory may be devoted to pure storage and to executive processing of the contents of memory. These studies rest on a subtraction logic, in which two tasks are imaged, differing only in that one task presumably has an extra process, and the difference image is taken to reflect that process. We then review studies that show that the previous results can be obtained with experimental methods other than subtraction. We focus on the method of parametric variation, in which a parameter that presumably reflects a single process is varied. In the last section, we consider the distinction between working memory tasks that require only storage of information vs. those that require that the stored items be processed in some way. These experiments provide some support for the hypothesis that, when a task requires processing the contents of working memory, the dorsolateral prefrontal cortex is disproportionately activated.

A neural system for human visual working memory

Working memory is the process of actively maintaining a representation of information for a brief period of time so that it is available for use. In monkeys, visual working memory involves the concerted activity of a distributed neural system, including posterior areas in visual cortex and anterior areas in prefrontal cortex. Within visual cortex, ventral stream areas are selectively involved in object vision, whereas dorsal stream areas are selectively involved in spatial vision. This domain specificity appears to extend forward into prefrontal cortex, with ventrolateral areas involved mainly in working memory for objects and dorsolateral areas involved mainly in working memory for spatial locations. The organization of this distributed neural system for working memory in monkeys appears to be conserved in humans, though some differences between the two species exist. In humans, as compared with monkeys, areas specialized for object vision in the ventral stream have a more inferior location in temporal cortex, whereas areas specialized for spatial vision in the dorsal stream have a more superior location in parietal cortex. Displacement of both sets of visual areas away from the posterior perisylvian cortex may be related to the emergence of language over the course of brain evolution. Whereas areas specialized for object working memory in humans and monkeys are similarly located in ventrolateral prefrontal cortex, those specialized for spatial working memory occupy a more superior and posterior location within dorsal prefrontal cortex in humans than in monkeys. As in posterior cortex, this displacement in frontal cortex also may be related to the emergence of new areas to serve distinctively human cognitive abilities.

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.

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.

Evidence for a hypothalamothalamocortical circuit mediating pheromonal influences on eye and head movements.

A method for simultaneous iontophoretic injections of the anterograde tracer Phaseolus vulgaris leukoagglutinin and the retrograde tracer fluorogold was used to characterize in the rat a hypothalamothalamocortical pathway ending in a region thought to regulate attentional mechanisms by way of eye and head movements. The relevant medial hypothalamic nuclei receive pheromonal information from the amygdala and project to specific parts of the thalamic nucleus reuniens and anteromedial nucleus, which then project to a specific lateral part of the retrosplenial area (or medial visual cortex). This cortical area receives a convergent input from the lateral posterior thalamic nucleus and projects to the superior colliculus. Bidirectional connections with the hippocampal formation suggest that activity in this circuit is modified by previous experience. Striking parallels with basal ganglia circuitry are noted.

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.