Timing of visual stimuli in V1 and V5/MT: fMRI and TMS

Time perception is used in our day-to-day activities. While we understand quite well how our brain processes vision, touch or taste, brain mechanisms subserving time perception remain largely understudied. In this study, we extended an experiment of previous master thesis run by Tatiana Kenel-Pierre. We focused on time perception in the range of milliseconds. Previous studies have demonstrated the involvement of visual areas V1 and V5/MT in the encoding of temporal information of visual stimuli. Based on these previous findings the aim of the present study was to understand if temporal information was encoded in V1 and extrastriate area V5/MT in different spatial frames i.e., head- centered versus eye-centered. To this purpose we asked eleven healthy volunteers to perform a temporal discrimination task of visual stimuli. Stimuli were presented at 4 different spatial positions (i.e., different combinations of retinotopic and spatiotopic position). While participants were engaged in this task we interfered with the activity of the right dorsal V1 and the right V5/MT with transcranial magnetic stimulation (TMS). Our preliminary results showed that TMS over both V1 and V5/MT impaired temporal discrimination of visual stimuli presented at specific spatial coordinates. But whereas TMS over V1 impaired temporal discrimination of stimuli presented in the lower left quadrant, TMS over V5/MT affected temporal discrimination of stimuli presented at the top left quadrant. Although it is always difficult to draw conclusions from preliminary results, we could tentatively say that our data seem to suggest that both V1 and V5/MT encode visual temporal information in specific spatial frames.

An fMRI Study of Emotional engagement in decicion-making

It has been suggested that decisionmaking depends on sensitive feelings associatedwith cognitive processing rather than cognitiveprocessing alone. From human lesions, we knowthe medial anterior inferior-ventral prefrontalcortex processes the sensitivity associated withcognitive processing, it being essentiallyresponsible for decision making.In this fMRI (functional Magnetic ResonanceImage) study 15 subjects were analyzed usingmoral dilemmas as probes to investigate the neuralbasis for painful-emotional sensitivity associatedwith decision making. We found that a networkcomprising the posterior and anterior cingulateand the medial anterior prefrontal cortex wassignificantly and specifically activated by painfulmoral dilemmas, but not by non-painful dilemmas.These findings provide new evidence that thecingulate and medial anterior prefrontal areinvolved in processing painful emotionalsensibility, in particular, when decision makingtakes place. We speculate that decision makinghas a cognitive component processed by cognitivebrain areas and a sensitivity component processedby emotional brain areas. The structures activatedsuggest that decision making depends on painfulemotional feeling processing rather than cognitiveprocessing when painful feeling processinghappens

EEG spike source localization before and after surgery for temporal lobe epilepsy: a BOLD EEG-fMRI and independent component analysis study

Simultaneous measurements of EEG-functional magnetic resonance imaging (fMRI) combine the high temporal resolution of EEG with the distinctive spatial resolution of fMRI. The purpose of this EEG-fMRI study was to search for hemodynamic responses (blood oxygen level-dependent - BOLD responses) associated with interictal activity in a case of right mesial temporal lobe epilepsy before and after a successful selective amygdalohippocampectomy. Therefore, the study found the epileptogenic source by this noninvasive imaging technique and compared the results after removing the atrophied hippocampus. Additionally, the present study investigated the effectiveness of two different ways of localizing epileptiform spike sources, i.e., BOLD contrast and independent component analysis dipole model, by comparing their respective outcomes to the resected epileptogenic region. Our findings suggested a right hippocampus induction of the large interictal activity in the left hemisphere. Although almost a quarter of the dipoles were found near the right hippocampus region, dipole modeling resulted in a widespread distribution, making EEG analysis too weak to precisely determine by itself the source localization even by a sophisticated method of analysis such as independent component analysis. On the other hand, the combined EEG-fMRI technique made it possible to highlight the epileptogenic foci quite efficiently.

Effect of scanner acoustic background noise on strict resting-state fMRI

Functional MRI (fMRI) resting-state experiments are aimed at identifying brain networks that support basal brain function. Although most investigators consider a ‘resting-state’ fMRI experiment with no specific external stimulation, subjects are unavoidably under heavy acoustic noise produced by the equipment. In the present study, we evaluated the influence of auditory input on the resting-state networks (RSNs). Twenty-two healthy subjects were scanned using two similar echo-planar imaging sequences in the same 3T MRI scanner: a default pulse sequence and a reduced “silent” pulse sequence. Experimental sessions consisted of two consecutive 7-min runs with noise conditions (default or silent) counterbalanced across subjects. A self-organizing group independent component analysis was applied to fMRI data in order to recognize the RSNs. The insula, left middle frontal gyrus and right precentral and left inferior parietal lobules showed significant differences in the voxel-wise comparison between RSNs depending on noise condition. In the presence of low-level noise, these areas Granger-cause oscillations in RSNs with cognitive implications (dorsal attention and entorhinal), while during high noise acquisition, these connectivities are reduced or inverted. Applying low noise MR acquisitions in research may allow the detection of subtle differences of the RSNs, with implications in experimental planning for resting-state studies, data analysis, and ergonomic factors.

Detección citogénetica y molecular de expansión de trinucleótidos repetidos CGG y del estado de metilación del gen FMRI en pacientes con síndrome de X-frágil

[Tesis] ( Maestro en Ciencias con Especialidad en Genética ) U.A.N.L.

Analyse par apprentissage automatique des réponses fMRI du cortex auditif à des modulations spectro-temporelles

L'application de classifieurs linéaires à l'analyse des données d'imagerie cérébrale (fMRI) a mené à plusieurs percées intéressantes au cours des dernières années. Ces classifieurs combinent linéairement les réponses des voxels pour détecter et catégoriser différents états du cerveau. Ils sont plus agnostics que les méthodes d'analyses conventionnelles qui traitent systématiquement les patterns faibles et distribués comme du bruit. Dans le présent projet, nous utilisons ces classifieurs pour valider une hypothèse portant sur l'encodage des sons dans le cerveau humain. Plus précisément, nous cherchons à localiser des neurones, dans le cortex auditif primaire, qui détecteraient les modulations spectrales et temporelles présentes dans les sons. Nous utilisons les enregistrements fMRI de sujets soumis à 49 modulations spectro-temporelles différentes. L'analyse fMRI au moyen de classifieurs linéaires n'est pas standard, jusqu'à maintenant, dans ce domaine. De plus, à long terme, nous avons aussi pour objectif le développement de nouveaux algorithmes d'apprentissage automatique spécialisés pour les données fMRI. Pour ces raisons, une bonne partie des expériences vise surtout à étudier le comportement des classifieurs. Nous nous intéressons principalement à 3 classifieurs linéaires standards, soient l'algorithme machine à vecteurs de support (linéaire), l'algorithme régression logistique (régularisée) et le modèle bayésien gaussien naïf (variances partagées).

Intra- and inter-hemispheric interactions in somatosensory processing of pain : dynamical causal modeling analysis of fMRI data

La douleur est une expérience perceptive comportant de nombreuses dimensions. Ces dimensions de douleur sont inter-reliées et recrutent des réseaux neuronaux qui traitent les informations correspondantes. L’élucidation de l'architecture fonctionnelle qui supporte les différents aspects perceptifs de l'expérience est donc une étape fondamentale pour notre compréhension du rôle fonctionnel des différentes régions de la matrice cérébrale de la douleur dans les circuits corticaux qui sous tendent l'expérience subjective de la douleur. Parmi les diverses régions du cerveau impliquées dans le traitement de l'information nociceptive, le cortex somatosensoriel primaire et secondaire (S1 et S2) sont les principales régions généralement associées au traitement de l'aspect sensori-discriminatif de la douleur. Toutefois, l'organisation fonctionnelle dans ces régions somato-sensorielles n’est pas complètement claire et relativement peu d'études ont examiné directement l'intégration de l'information entre les régions somatiques sensorielles. Ainsi, plusieurs questions demeurent concernant la relation hiérarchique entre S1 et S2, ainsi que le rôle fonctionnel des connexions inter-hémisphériques des régions somatiques sensorielles homologues. De même, le traitement en série ou en parallèle au sein du système somatosensoriel constitue un autre élément de questionnement qui nécessite un examen plus approfondi. Le but de la présente étude était de tester un certain nombre d'hypothèses sur la causalité dans les interactions fonctionnelle entre S1 et S2, alors que les sujets recevaient des chocs électriques douloureux. Nous avons mis en place une méthode de modélisation de la connectivité, qui utilise une description de causalité de la dynamique du système, afin d'étudier les interactions entre les sites d'activation définie par un ensemble de données provenant d'une étude d'imagerie fonctionnelle. Notre paradigme est constitué de 3 session expérimentales en utilisant des chocs électriques à trois différents niveaux d’intensité, soit modérément douloureux (niveau 3), soit légèrement douloureux (niveau 2), soit complètement non douloureux (niveau 1). Par conséquent, notre paradigme nous a permis d'étudier comment l'intensité du stimulus est codé dans notre réseau d'intérêt, et comment la connectivité des différentes régions est modulée dans les conditions de stimulation différentes. Nos résultats sont en faveur du mode sériel de traitement de l’information somatosensorielle nociceptive avec un apport prédominant de la voie thalamocorticale vers S1 controlatérale au site de stimulation. Nos résultats impliquent que l'information se propage de S1 controlatéral à travers notre réseau d'intérêt composé des cortex S1 bilatéraux et S2. Notre analyse indique que la connexion S1→S2 est renforcée par la douleur, ce qui suggère que S2 est plus élevé dans la hiérarchie du traitement de la douleur que S1, conformément aux conclusions précédentes neurophysiologiques et de magnétoencéphalographie. Enfin, notre analyse fournit des preuves de l'entrée de l'information somatosensorielle dans l'hémisphère controlatéral au côté de stimulation, avec des connexions inter-hémisphériques responsable du transfert de l'information à l'hémisphère ipsilatéral.

"What" and "Where" in the intraparietal sulcus : an fMRI study of object identity and location in visual short-term memory

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

An fMRI study of emotional episodic memory in schizophrenia : effects of diagnosis and sex

La schizophrénie est une psychopathologie largement hétérogène caractérisée entre autres par d’importantes défaillances dans le fonctionnement cognitif et émotionnel. En effet, par rapport à la population générale, forte proportion de ces individus présentent une mémoire déficitaire pour les événements émotionnels. À ce jour, le peu d’études qui se sont penchées sur la mémoire émotionnelle épisodique dans la schizophrénie, ont uniquement mis l’emphase sur l'effet de la valence des stimuli (c’est-à-dire le caractère agréable ou désagréable du stimulus). Toutefois, aucune n’a investigué spécifiquement l’intensité de la réaction aux stimuli (c’est-à-dire une faible par rapport à une forte réaction) malgré quantité de preuves faisant montre, dans la population générale, de différents processus de mémoire émotionnelle pour des stimuli suscitant une forte réaction par rapport à ceux évoquant une faible réponse. Ce manque est d’autant plus flagrant étant donné le nombre d’études ayant rapporté un traitement et un encodage atypiques des émotions spécifiquement au niveau de l’intensité de la réponse subjective chez des patients atteints de schizophrénie. Autre fait important, il est étonnant de constater l’absence de recherches sur les différences de sexe dans la mémoire émotionnelle étant donné l’ensemble des divergences entre hommes et femmes atteints de schizophrénie au niveau de la prévalence, de l’âge de diagnostic, de la manifestation clinique, de l’évolution de la maladie, de la réponse au traitement et des structures cérébrales. Pour pallier à ces lacunes, ce mémoire a évalué : (1) l’effet de la valence des stimuli et de l'intensité de la réaction émotionnelle au niveau des fonctions cérébrales correspondant à la mémoire émotionnelle chez des patients atteints de schizophrénie comparativement à des participants sains; et (2) les possibles différences de sexe dans les processus cérébraux impliqués dans la mémoire émotionnelle chez des patients atteints de schizophrénie par rapport à des volontaires sains. Ainsi, la première étude a comparé les activations cérébrales de patients atteints de schizophrénie par rapport à des participants sains au cours d’une tâche de mémoire émotionnelle dont les stimuli variaient à la fois au niveau de la valence et de l'intensité de la réaction subjective. 37 patients atteints de schizophrénie ainsi que 37 participants en bonne santé ont effectué cette tâche de mémoire émotionnelle lors d’une session d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Pour toutes les conditions étudiées (images négatives, positives, de faible et de forte intensité), le groupe atteint de schizophrénie a performé significativement moins bien que les volontaires sains. Comparativement aux sujets sains, ils ont montré moins d’activations cérébrales dans les régions limbiques et préfrontales lors de la reconnaissance des images négatives, mais ont présenté un patron d'activations similaire à celui des participants sains lors de la reconnaissance des images chargées positivement (activations observées dans le cervelet, le cortex temporal et préfrontal). Enfin, indépendamment de la valence des stimuli, les deux groupes ont démontré une augmentation des activations cérébrales pour les images de forte intensité par rapport à celles de plus faible intensité. La seconde étude a quant à elle exploré les différences de sexe potentielles au niveau des activations cérébrales associées à la mémoire émotionnelle dans la schizophrénie et dans la population en général. Nous avons comparé 41 patients atteints de schizophrénie (20 femmes) à 41 participants en bonne santé (19 femmes) alors qu’ils effectuaient la même tâche de mémoire émotionnelle mentionnée plus haut. Or, pour cette étude, nous nous sommes concentrés sur les conditions suivantes : la reconnaissance d’images positives, négatives et neutres. Nous n'avons pas observé de différences entre les hommes et les femmes au niveau des performances à la tâche de mémoire pour aucune des conditions. En ce qui a trait aux données de neuroimagerie, comparativement aux femmes en bonne santé, celles atteintes de schizophrénie ont montré une diminution des activations cérébrales dans les régions corticales du système limbique (p. ex. cortex cingulaire moyen) et dans les régions sous-corticales (p. ex. amygdale) lors de la reconnaissance d'images négatives. Pour ce qui est de la condition positive, elles ont présenté, comparativement au groupe de femmes saines, des diminutions d’activations spécifiquement dans le cervelet ainsi que dans le gyrus frontal inférieur et moyen. Les hommes atteints de schizophrénie, eux, ont montré une augmentation d’activations par rapport aux hommes sains dans le gyrus préfrontal médian lors de la reconnaissance des stimuli négatifs ; ainsi que dans les régions pariétales, temporales et limbiques lors de la reconnaissance des stimuli positifs. Dans un autre ordre d’idées, notre analyse corrélationnelle a mis en évidence, chez les femmes, un lien significatif entre l’activité cérébrale et les symptômes au cours de la mémoire des stimuli positifs, alors que chez les hommes atteints schizophrénie, ce lien a été observé au cours de la mémoire des stimuli négatifs. Bref, l’ensemble de nos résultats suggère, chez les patients atteints de schizophrénie, un fonctionnement cérébral atypique spécifiquement lors de la reconnaissance d’images négatives, mais un fonctionnement intact lors de la reconnaissance de stimuli positifs. De plus, nous avons mis en évidence la présence de différences de sexe dans les activations cérébrales associées à la mémoire épisodique émotionnelle soulignant ainsi l'importance d’étudier séparément les hommes et les femmes atteints de schizophrénie dans le cadre de recherches sur les plans cognitif et émotionnel.

Longitudinal assessment of neural activity in Parkinson’s disease with mild cognitive impairment using task based fMRI

La maladie de Parkinson (PD) a été uniquement considérée pour ses endommagements sur les circuits moteurs dans le cerveau. Il est maintenant considéré comme un trouble multisystèmique, avec aspects multiples non moteurs y compris les dommages intérêts pour les circuits cognitifs. La présence d’un trouble léger de la cognition (TCL) de PD a été liée avec des changements structurels de la matière grise, matière blanche ainsi que des changements fonctionnels du cerveau. En particulier, une activité significativement réduite a été observée dans la boucle corticostriatale ‘cognitive’ chez des patients atteints de PD-TCL vs. PD non-TCL en utilisant IRMf. On sait peu de cours de ces modèles fonctionnels au fil du temps. Dans cette étude, nous présentons un suivi longitudinal de 24 patients de PD non démente qui a subi une enquête neuropsychologique, et ont été séparés en deux groupes - avec et sans TCL (TCL n = 11, non-TCL n = 13) en fonction du niveau 2 des recommandations de la Movement Disrders Society pour le diagnostic de PD-TCL. Ensuite, chaque participant a subi une IRMf en effectuant la tâche de Wisconsin pendant deux sessions, 19 mois d'intervalle. Nos résultats longitudinaux montrent qu'au cours de la planification de période de la tâche, les patients PD non-TCL engageant les ressources normales du cortex mais ils ont activé en plus les zones corticales qui sont liés à la prise de décision tel que cortex médial préfrontal (PFC), lobe pariétal et le PFC supérieure, tandis que les PD-TCL ont échoué pour engager ces zones en temps 2. Le striatum n'était pas engagé pour les deux groupes en temps 1 et pour le groupe TCL en temps 2. En outre, les structures médiales du lobe temporal étaient au fil du temps sous recrutés pour TCL et Non-TCL et étaient positivement corrélés avec les scores de MoCA. Le cortex pariétal, PFC antérieur, PFC supérieure et putamen postérieur étaient négativement corrélés avec les scores de MoCA en fil du temps. Ces résultats révèlent une altération fonctionnelle pour l’axe ganglial-thalamo-corticale au début de PD, ainsi que des niveaux différents de participation corticale pendant une déficience cognitive. Cette différence de recrutement corticale des ressources pourrait refléter longitudinalement des circuits déficients distincts de trouble cognitive légère dans PD.

An fMRI Study of Emotional engagement in decicion-making

It has been suggested that decision making depends on sensitive feelings associated with cognitive processing rather than cognitive processing alone. From human lesions, we know the medial anterior inferior-ventral prefrontal cortex processes the sensitivity associated with cognitive processing, it being essentially responsible for decision making. In this fMRI (functional Magnetic Resonance Image) study 15 subjects were analyzed using moral dilemmas as probes to investigate the neural basis for painful-emotional sensitivity associated with decision making. We found that a network comprising the posterior and anterior cingulate and the medial anterior prefrontal cortex was significantly and specifically activated by painful moral dilemmas, but not by non-painful dilemmas. These findings provide new evidence that the cingulate and medial anterior prefrontal are involved in processing painful emotional sensibility, in particular, when decision making takes place. We speculate that decision making has a cognitive component processed by cognitive brain areas and a sensitivity component processed by emotional brain areas. The structures activated suggest that decision making depends on painful emotional feeling processing rather than cognitive processing when painful feeling processing happens

Dynamic causal modeling applied to fMRI data shows high reliability

Sensitivity, specificity, and reproducibility are vital to interpret neuroscientific results from functional magnetic resonance imaging (fMRI) experiments. Here we examine the scan–rescan reliability of the percent signal change (PSC) and parameters estimated using Dynamic Causal Modeling (DCM) in scans taken in the same scan session, less than 5 min apart. We find fair to good reliability of PSC in regions that are involved with the task, and fair to excellent reliability with DCM. Also, the DCM analysis uncovers group differences that were not present in the analysis of PSC, which implies that DCM may be more sensitive to the nuances of signal changes in fMRI data.

Efficient modeling and inference for event-related fMRI data

Event-related functional magnetic resonance imaging (efMRI) has emerged as a powerful technique for detecting brains' responses to presented stimuli. A primary goal in efMRI data analysis is to estimate the Hemodynamic Response Function (HRF) and to locate activated regions in human brains when specific tasks are performed. This paper develops new methodologies that are important improvements not only to parametric but also to nonparametric estimation and hypothesis testing of the HRF. First, an effective and computationally fast scheme for estimating the error covariance matrix for efMRI is proposed. Second, methodologies for estimation and hypothesis testing of the HRF are developed. Simulations support the effectiveness of our proposed methods. When applied to an efMRI dataset from an emotional control study, our method reveals more meaningful findings than the popular methods offered by AFNI and FSL. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.