Towards high-quality simultaneous EEG-fMRI at 7T: Detection and reduction of EEG artifacts due to head motion.

The enhanced functional sensitivity offered by ultra-high field imaging may significantly benefit simultaneous EEG-fMRI studies, but the concurrent increases in artifact contamination can strongly compromise EEG data quality. In the present study, we focus on EEG artifacts created by head motion in the static B0 field. A novel approach for motion artifact detection is proposed, based on a simple modification of a commercial EEG cap, in which four electrodes are non-permanently adapted to record only magnetic induction effects. Simultaneous EEG-fMRI data were acquired with this setup, at 7T, from healthy volunteers undergoing a reversing-checkerboard visual stimulation paradigm. Data analysis assisted by the motion sensors revealed that, after gradient artifact correction, EEG signal variance was largely dominated by pulse artifacts (81-93%), but contributions from spontaneous motion (4-13%) were still comparable to or even larger than those of actual neuronal activity (3-9%). Multiple approaches were tested to determine the most effective procedure for denoising EEG data incorporating motion sensor information. Optimal results were obtained by applying an initial pulse artifact correction step (AAS-based), followed by motion artifact correction (based on the motion sensors) and ICA denoising. On average, motion artifact correction (after AAS) yielded a 61% reduction in signal power and a 62% increase in VEP trial-by-trial consistency. Combined with ICA, these improvements rose to a 74% power reduction and an 86% increase in trial consistency. Overall, the improvements achieved were well appreciable at single-subject and single-trial levels, and set an encouraging quality mark for simultaneous EEG-fMRI at ultra-high field.

Les différences sexuelles dans l’activation cérébrale durant l’accomplissement de la tâche de rotation mentale chez les patients atteints de schizophrénie

Dans la population générale plusieurs études ont démontré que les hommes ont, par comparaison aux femmes, de meilleures performances dans les tâches de rotation mentale à trois dimensions. A l’aide de l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle, on a pu observer que l’exécution de cette tâche de rotation mentale s’accompagnait d’une activation du cortex pariétal chez l’homme mais du cortex prefrontal chez la femme. Ces différences entre les deux sexes suggèrent un fonctionnement neuronal différent dans l’appréhension des habiletés cognitives et comportementales. De fait, de nombreuses études ont signalé des différences notables entre les deux sexes quant à leur fonctionnement cérébral tant sur le plan émotionnel que de leurs habiletés visuo spatiales. La schizophrénie est un trouble grave et persistant de la santé mentale dont l’origine est certes multifactorielle et dont les facteurs de protection sont partiellement biologiques, psychologiques et sociales. Cette maladie requiert une approche thérapeutique à la fois clinique médicamenteuse, psychologique et sociale visant à une réintégration des malades dans leur communauté. Le pronostic de cette maladie varie en fonction du sexe ainsi que les atteintes neurologiques, neuropsychologiques et socioculturelles. Il est donc surprenant que l’exploration des mécanismes neuronaux sous-tendant les anomalies fonctionnelles cognitivo-comportementales n’ait point, en schizophrénie, adressé à date la fonctionnalité différente de l’homme et de la femme. Une étude pilote, réalisée dans mon laboratoire d’accueil, ayant suggéré chez le schizophrène, lors du traitement cognitif de stimuli émotionnels, une altération du dimorphisme sexuel observé dans la population normale, il devenait impératif de confirmer ces observations. Ce mémoire vise à vérifier par résonnance magnétique fonctionnelle l’activité neuronale cérébrale témoignant de la performance neuropsychologique de schizophrènes des deux sexes et de la comparer à celle de sujets témoins sains appareillés pour l’âge, la dominance hémisphérique et le statut familial socio-économique. A cette fin, nous avons enregistré, lors d’une tâche de rotation mentale à trois dimensions, les variables neurocognitives traduisant la validité des réponses ainsi que leur rapidité d’exécution. Simultanément, nous avons enregistré, par résonnance magnétique fonctionnelle, les sites d’activation cérébrale ainsi que leur degré d’activation corticale. Les données expérimentales, neurocognitives et cérébro-fonctionnelles, furent analysées en comparant les deux sexes d’une part et les deux états de santé d’autre part. Les résultats de ce mémoire ont fait l’objet de deux articles qui sont inclus. Les résultats obtenus confirment l’hypothèse d’un dimorphisme homme/femme dans la population générale ainsi que chez le schizophrène. Ces résultats appuient aussi l’hypothèse de l’altération, chez le schizophrène, du dimorphisme observé dans la population générale.

Les habiletés olfactives des aveugles de naissance : organisation anatomo-fonctionnelle et aspects comportementaux

La littérature décrit certains phénomènes de réorganisation physiologique et fonctionnelle dans le cerveau des aveugles de naissance, notamment en ce qui a trait au traitement de l’information tactile et auditive. Cependant, le système olfactif des aveugles n’a reçu que très peu d’attention de la part des chercheurs. Le but de cette étude est donc de comprendre comment les aveugles traitent l’information olfactive au niveau comportemental et d’investiguer les substrats neuronaux impliqués dans ce processus. Puisque, en règle générale, les aveugles utilisent leurs sens résiduels de façon compensatoire et que le système olfactif est extrêmement plastique, des changements au niveau de l’organisation anatomo-fonctionnelle pourraient en résulter. Par le biais de méthodes psychophysiques et d’imagerie cérébrale (Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle-IRMf), nous avons investigué les substrats anatomo-fonctionnels sollicités par des stimuli olfactifs. Nous avons trouvé que les aveugles ont un seuil de détection plus bas que les voyants, mais que leur capacité à discriminer et identifier des odeurs est similaire au groupe contrôle. Ils ont aussi plus conscience de l’environnement olfactif. Les résultats d’imagerie révèlent un signal BOLD plus intense dans le cortex orbitofrontal droit, le thalamus, l’hippocampe droit et le cortex occipital lors de l’exécution d’une tâche de détection d’odeur. Nous concluons que les individus aveugles se fient d’avantage à leur sens de l’odorat que les voyants afin d’évoluer dans leur environnement physique et social. Cette étude démontre pour la première fois que le cortex visuel des aveugles peut être recruté par des stimuli olfactifs, ce qui prouve que cette région assume des fonctions multimodales.

Étude multimodale de la consolidation d’habiletés motrices à ‎l’aide de l’IRMf et de l’EEG

La consolidation est le processus qui transforme une nouvelle trace mnésique labile en ‎une autre plus stable et plus solide. Une des tâches utilisées en laboratoire pour ‎l’exploration de la consolidation motrice dans ses dimensions comportementale et ‎cérébrale est la tâche d’apprentissage de séquences motrices. Celle-ci consiste à ‎reproduire une même série de mouvements des doigts, apprise de manière implicite ou ‎explicite, tout en mesurant l’amélioration dans l’exécution. Les études récentes ont ‎montré que, dans le cas de l’apprentissage explicite de cette tâche, la consolidation de la ‎trace mnésique associée à cette nouvelle habileté dépendrait du sommeil, et plus ‎particulièrement des fuseaux en sommeil lent. Et bien que deux types de fuseaux aient ‎été décrits (lents et rapides), le rôle de chacun d’eux dans la consolidation d’une ‎séquence motrice est encore mal exploré. En effet, seule une étude s’est intéressée à ce ‎rôle, montrant alors une implication des fuseaux rapides dans ce processus mnésique ‎suite à une nuit artificiellement altérée. D’autre part, les études utilisant l’imagerie ‎fonctionnelle (IRMf et PET scan) menées par différentes équipes dont la notre, ont ‎montré des changements au niveau de l’activité du système cortico-striatal suite à la ‎consolidation motrice. Cependant, aucune corrélation n’a été faite à ce jour entre ces ‎changements et les caractéristiques des fuseaux du sommeil survenant au cours de la nuit ‎suivant un apprentissage moteur. Les objectifs de cette thèse étaient donc: 1) de ‎déterminer, à travers des enregistrements polysomnographiques et des analyses ‎corrélationnelles, les caractéristiques des deux types de fuseaux (i.e. lents et rapides) ‎associées à la consolidation d’une séquence motrice suite à une nuit de sommeil non ‎altérée, et 2) d’explorer, à travers des analyses corrélationnelles entre les données ‎polysomnographiques et le signal BOLD (« Blood Oxygenated Level Dependent »), ‎acquis à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), ‎l’association entre les fuseaux du sommeil et les activations cérébrales suite à la ‎consolidation de la séquence motrice. Les résultats de notre première étude ont montré ‎une implication des fuseaux rapides, et non des fuseaux lents, dans la consolidation ‎d’une séquence motrice apprise de manière explicite après une nuit de sommeil non ‎altérée, corroborant ainsi les résultats des études antérieures utilisant des nuits de ‎sommeil altérées. En effet, les analyses statistiques ont mis en évidence une ‎augmentation significative de la densité des fuseaux rapides durant la nuit suivant ‎l’apprentissage moteur par comparaison à la nuit contrôle. De plus, cette augmentation ‎corrélait avec les gains spontanés de performance suivant la nuit. Par ailleurs, les ‎résultats de notre seconde étude ont mis en évidence des corrélations significatives entre ‎l’amplitude des fuseaux de la nuit expérimentale d’une part et les gains spontanés de ‎performance ainsi que les changements du signal BOLD au niveau du système cortico-‎striatal d’autre part. Nos résultats suggèrent donc un lien fonctionnel entre les fuseaux ‎du sommeil, les gains de performance ainsi que les changements neuronaux au niveau ‎du système cortico-striatal liés à la consolidation d’une séquence motrice explicite. Par ‎ailleurs, ils supportent l’implication des fuseaux rapides dans ce type de consolidation ; ‎ceux-ci aideraient à l’activation des circuits neuronaux impliqués dans ce processus ‎mnésique et amélioreraient par la même occasion la consolidation motrice liée au ‎sommeil.‎

Modifications de l’activité préfrontale pendant le traitement de stimuli émotionnels visuels chez des patients schizophrènes avant et après médication à la Ziprasidone : étude en IRM fonctionnelle

Bien que les troubles cognitifs soient un aspect essentiel de la schizophrénie, le dysfonctionnement des systèmes émotionnels y est également considéré comme un élément très important de cette maladie d’autant plus que plusieurs régions du cerveau sont concernées par la régulation émotionnelle. Le principal objectif du présent travail était d’explorer, en imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf), l’effet de la ziprasidone sur les différentes réponses neuronales à l’affichage de stimuli émotionnels au niveau de la région préfrontale,particulièrement dans le cortex cingulaire antérieur [CCA], le cortex orbito-frontal [COF] et le cortex préfrontal dorso-latéral [CPFDL]. Nous avons examiné les activations cérébrales, chez des patients souffrants de schizophrénie avant et après médication à la ziprasidone, en leur présentant des séries d’images émotionnellement chargées (négatives, neutres et positives) associées à différentes instructions quand aux types d’images qu’ils devaient sélectionner (négatives,neutres et positives). Nous avons analysé les différents changements d’activation (avant et après médication) essentiellement pour les valences extrêmes des stimuli (positives et négatives), ensuite nous avons regardé l’effet du type d’instruction sur ces changements. L’échantillon comprenait 13 patients atteints de schizophrénie et 15 témoins sains. Nous avons également effectué une évaluation clinique des symptômes dépressifs, positifs et négatifs de la maladie ainsi que des mesures biochimiques et de poids avant et après 16 semaines de médication. Malgré l’absence de changement significatif sur les mesures cliniques (PANSS et Dépression) avant et après une moyenne de 14.3 semaines de médication à la ziprasidone, plusieurs régions préfrontales (CCA, COF, CPDL) ont sensiblement accru leur réponse aux stimuli positifs par rapport aux stimuli négatifs. En outre, dans les régions habituellement impliquées dans le contrôle cognitif (CCA et CPFDL), cette tendance s'est accentuée lorsque les patients ont été invités à ne sélectionner que les stimuli négatifs (effet du type d’instruction). Nous avons également trouvé plusieurs similitudes dans le fonctionnement préfrontal (à la fois dans le volume et la force d'activation) entre les contrôles sains et les patients après médication en tenant compte du type d’instruction plus que de la valence émotionnelle des images. Pour conclure, les résultats de la présente étude suggèrent que le traitement antipsychotique avec la ziprasidone améliore le fonctionnement cognitif lié au traitement de l'information émotionnelle dans le cortex préfrontal chez les patients souffrant de schizophrénie. Étant donné le mécanisme d'action neuro-pharmacologique de la ziprasidone (plus d'affinité pour la sérotonine que pour les récepteurs de la dopamine dans le cortex préfrontal), nous pensons que nos résultats démontrent que le contrôle cognitif et la régulation des réactions face à des stimuli émotionnellement chargés dans la schizophrénie sont liés à une plus forte concentration de dopamine dans les voies préfrontales.

Quantitative functional neuroimaging of cerebral physiology in healthy aging

Les études d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) ont pour prémisse générale l’idée que le signal BOLD peut être utilisé comme un succédané direct de l’activation neurale. Les études portant sur le vieillissement cognitif souvent comparent directement l’amplitude et l’étendue du signal BOLD entre des groupes de personnes jeunes et âgés. Ces études comportent donc un a priori additionnel selon lequel la relation entre l’activité neurale et la réponse hémodynamique à laquelle cette activité donne lieu restent inchangée par le vieillissement. Cependant, le signal BOLD provient d’une combinaison ambiguë de changements de métabolisme oxydatif, de flux et de volume sanguin. De plus, certaines études ont démontré que plusieurs des facteurs influençant les propriétés du signal BOLD subissent des changements lors du vieillissement. L’acquisition d’information physiologiquement spécifique comme le flux sanguin cérébral et le métabolisme oxydatif permettrait de mieux comprendre les changements qui sous-tendent le contraste BOLD, ainsi que les altérations physiologiques et cognitives propres au vieillissement. Le travail présenté ici démontre l’application de nouvelles techniques permettant de mesurer le métabolisme oxydatif au repos, ainsi que pendant l’exécution d’une tâche. Ces techniques représentent des extensions de méthodes d’IRMf calibrée existantes. La première méthode présentée est une généralisation des modèles existants pour l’estimation du métabolisme oxydatif évoqué par une tâche, permettant de prendre en compte tant des changements arbitraires en flux sanguin que des changements en concentrations sanguine d’O2. Des améliorations en terme de robustesse et de précisions sont démontrées dans la matière grise et le cortex visuel lorsque cette méthode est combinée à une manipulation respiratoire incluant une composante d’hypercapnie et d’hyperoxie. Le seconde technique présentée ici est une extension de la première et utilise une combinaison de manipulations respiratoires incluant l’hypercapnie, l’hyperoxie et l’administration simultanée des deux afin d’obtenir des valeurs expérimentales de la fraction d’extraction d’oxygène et du métabolisme oxydatif au repos. Dans la deuxième partie de cette thèse, les changements vasculaires et métaboliques liés à l’âge sont explorés dans un groupe de jeunes et aînés, grâce au cadre conceptuel de l’IRMf calibrée, combiné à une manipulation respiratoire d’hypercapnie et une tâche modifiée de Stroop. Des changements de flux sanguin au repos, de réactivité vasculaire au CO2 et de paramètre de calibration M ont été identifiés chez les aînés. Les biais affectant les mesures de signal BOLD obtenues chez les participants âgés découlant de ces changements physiologiques sont de plus discutés. Finalement, la relation entre ces changements cérébraux et la performance dans la tâche de Stroop, la santé vasculaire centrale et la condition cardiovasculaire est explorée. Les résultats présentés ici sont en accord avec l’hypothèse selon laquelle une meilleure condition cardiovasculaire est associée à une meilleure fonction vasculaire centrale, contribuant ainsi à l’amélioration de la santé vasculaire cérébrale et cognitive.

Contribution des régions fronto-striatales dans les fonctions exécutives

Des études récentes ont montré que le noyau caudé interagissait avec le cortex préfrontal et qu’il pourrait être impliqué dans les fonctions exécutives. Le but de cette thèse était d’étudier la contribution du noyau caudé dans les fonctions exécutives, plus précisément dans des tâches de monitoring et de changement de règle, et d’observer comment ces régions fronto-striatales interagissent avec le réseau par défaut (RPD). Dans un premier temps, nous avons étudié le rôle du noyau caudé dans les deux types de monitoring : le monitoring d’origine interne, consistant à effectuer un suivi sur l’état de l’information en mémoire de travail afin de pouvoir faire un choix subséquent, et dans le monitoring d’origine externe où le suivi sur l’état des items est effectué par l’individu, mais la sélection est exécutée par une source externe. Il a été montré que le cortex préfrontal dorsolatéral (CPFDL) est impliqué dans les deux types de monitoring. À l’aide de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), nos résultats ont montré une augmentation significative du signal BOLD au niveau du CPFDL dans les contrastes des conditions de monitoring d’origine interne et monitoring d’origine externe par rapport à la condition contrôle. De manière plus importante, une augmentation significative de l’activité a été observée dans le noyau caudé seulement dans les soustractions impliquant le monitoring d’origine interne par rapport à la condition contrôle, et par rapport à la condition de monitoring d’origine externe. En deuxième lieu, des études ont montré une contribution spécifique des régions fronto-striatales dans l’exécution d’un changement de règle. Toutefois, l’effet d’un changement de règle sur l’activité cérébrale n’a jamais été étudié sur les essais subséquents. À l’aide de l’IRMf, le cortex préfrontal ventrolatéral (CPFVL) et le noyau caudé ont montré une augmentation significative de leur activité lors des changements de règle continus et lors des changements de règles sporadiques par rapport à la condition contrôle, et aussi lors des essais où le maintien d’une même règle devait être effectué pour une courte durée par opposition au contrôle. Cependant, aucune activité fronto-striatale n’a été observée lorsqu’une même règle devait être appliquée pour une plus longue période. De plus, une diminution significative de l’activité du noyau caudé a été observée lors de la répétition de l’exécution d’une même règle suggérant une meilleure intégration de cette dernière. Finalement, plusieurs études ont montré une déactivation du RPD lors de l’exécution de tâches. À l’aide de l’IRMf, nous avons posé l’hypothèse que le RPD serait corrélé négativement avec les régions fronto-striatales lors de l’exécution d’une tâche de changement de règle. Nos résultats montrent une augmentation significative de l’activité des régions fronto-striatales lors d’une augmentation du nombre d’essais de changement de règle consécutif, pendant que le RPD montre une déactivation continue. De façon intéressante, pendant que les régions fronto-striatales montrent une diminution de leur activité lors de l’exécution d’une même règle pour une longue période, le RPD augmente son activité de façon significative. On conclut donc que le noyau caudé joue un rôle important dans la planification d’une nouvelle action lorsque plusieurs possibilités doivent être considérées en mémoire de travail, et ce en même temps. Finalement, le RPD montre une corrélation négative avec les régions fronto-striatales suggérant sa participation dans l’intégration d’une tâche devenant de plus en plus familière.

Corrélats neuronaux sous-jacents aux expressions émotionnelles : une comparaison entre musique, voix et visage

Cette thèse a pour objectif de comparer les expressions émotionnelles évoquées par la musique, la voix (expressions non-linguistiques) et le visage sur les plans comportemental et neuronal. Plus précisément, le but est de bénéficier de l’indéniable pouvoir émotionnel de la musique afin de raffiner notre compréhension des théories et des modèles actuels associés au traitement émotionnel. Qui plus est, il est possible que cette disposition surprenante de la musique pour évoquer des émotions soit issue de sa capacité à s’immiscer dans les circuits neuronaux dédiés à la voix, bien que les évidences à cet effet demeurent éparses pour le moment. Une telle comparaison peut potentiellement permettre d’élucider, en partie, la nature des émotions musicales. Pour ce faire, différentes études ont été réalisées et sont ici présentées dans deux articles distincts. Les études présentées dans le premier article ont comparé, sur le plan comportemental, les effets d’expressions émotionnelles sur la mémoire entre les domaines musical et vocal (non-linguistique). Les résultats ont révélé un avantage systématique en mémoire pour la peur dans les deux domaines. Aussi, une corrélation dans la performance individuelle en mémoire a été trouvée entre les expressions de peur musicales et vocales. Ces résultats sont donc cohérents avec l’hypothèse d’un traitement perceptif similaire entre la musique et la voix. Dans le deuxième article, les corrélats neuronaux associés à la perception d’expressions émotionnelles évoquées par la musique, la voix et le visage ont été directement comparés en imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf). Une augmentation significative du signal « Blood Oxygen Level Dependent » (BOLD) a été trouvée dans l’amygdale (et à l’insula postérieure) en réponse à la peur, parmi l’ensemble des domaines et des modalités à l’étude. Une corrélation dans la réponse BOLD individuelle de l’amygdale, entre le traitement musical et vocal, a aussi été mise en évidence, suggérant à nouveau des similarités entre les deux domaines. En outre, des régions spécifiques à chaque domaine ont été relevées. Notamment, le gyrus fusiforme (FG/FFA) pour les expressions du visage, le sulcus temporal supérieur (STS) pour les expressions vocales ainsi qu’une portion antérieure du gyrus temporal supérieur (STG) particulièrement sensible aux expressions musicales (peur et joie), dont la réponse s’est avérée modulée par l’intensité des stimuli. Mis ensemble, ces résultats révèlent des similarités mais aussi des différences dans le traitement d’expressions émotionnelles véhiculées par les modalités visuelle et auditive, de même que différents domaines dans la modalité auditive (musique et voix). Plus particulièrement, il appert que les expressions musicales et vocales partagent d’étroites similarités surtout en ce qui a trait au traitement de la peur. Ces données s’ajoutent aux connaissances actuelles quant au pouvoir émotionnel de la musique et contribuent à élucider les mécanismes perceptuels sous-jacents au traitement des émotions musicales. Par conséquent, ces résultats donnent aussi un appui important à l’utilisation de la musique dans l’étude des émotions qui pourra éventuellement contribuer au développement de potentielles interventions auprès de populations psychiatriques.

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.

fMRI delineation of working memory for emotional prosody in the brain: commonalities with the lexico-semantic emotion network

Decoding emotional prosody is crucial for successful social interactions, and continuous monitoring of emotional intent via prosody requires working memory. It has been proposed by Ross and others that emotional prosody cognitions in the right hemisphere are organized in an analogous fashion to propositional language functions in the left hemisphere. This study aimed to test the applicability of this model in the context of prefrontal cortex working memory functions. BOLD response data were therefore collected during performance of two emotional working memory tasks by participants undergoing fMRI. In the prosody task, participants identified the emotion conveyed in pre-recorded sentences, and working memory load was manipulated in the style of an N-back task. In the matched lexico-semantic task, participants identified the emotion conveyed by sentence content. Block-design neuroimaging data were analyzed parametrically with SPM5. At first, working memory for emotional prosody appeared to be right-lateralized in the PFC, however, further analyses revealed that it shared much bilateral prefrontal functional neuroanatomy with working memory for lexico-semantic emotion. Supplementary separate analyses of males and females suggested that these language functions were less bilateral in females, but their inclusion did not alter the direction of laterality. It is concluded that Ross et al.'s model is not applicable to prefrontal cortex working memory functions, that evidence that working memory cannot be subdivided in prefrontal cortex according to material type is increased, and that incidental working memory demands may explain the frontal lobe involvement in emotional prosody comprehension as revealed by neuroimaging studies. (c) 2007 Elsevier Inc. All rights reserved.

The contribution of primary and secondary somatosensory cortices to the representation of body parts and body sides: an fMRI adaptation study

Although the somatosensory homunculus is a classically used description of the way somatosensory inputs are processed in the brain, the actual contributions of primary (SI) and secondary (SII) somatosensory cortices to the spatial coding of touch remain poorly understood. We studied adaptation of the fMRI BOLD response in the somatosensory cortex by delivering pairs of vibrotactile stimuli to the finger tips of the index and middle fingers. The first stimulus (adaptor) was delivered either to the index or to the middle finger of the right or left hand, whereas the second stimulus (test) was always administered to the left index finger. The overall BOLD response evoked by the stimulation was primarily contralateral in SI and was more bilateral in SII. However, our fMRI adaptation approach also revealed that both somatosensory cortices were sensitive to ipsilateral as well as to contralateral inputs. SI and SII adapted more after subsequent stimulation of homologous as compared with nonhomologous fingers, showing a distinction between different fingers. Most importantly, for both somatosensory cortices, this finger-specific adaptation occurred irrespective of whether the tactile stimulus was delivered to the same or to different hands. This result implies integration of contralateral and ipsilateral somatosensory inputs in SI as well as in SII. Our findings suggest that SI is more than a simple relay for sensory information and that both SI and SII contribute to the spatial coding of touch by discriminating between body parts (fingers) and by integrating the somatosensory input from the two sides of the body (hands).

Epoch-specific functional networks involved in working memory

Working memory (WM) is not a unitary construct. There are distinct processes involved in encoding information, maintaining it on-line, and using it to guide responses. The anatomical configurations of these processes are more accurately analyzed as functionally connected networks than collections of individual regions. In the current study we analyzed event-related functional magnetic resonance imaging (fMRI) data from a Sternberg Item Recognition Paradigm WM task using a multivariate analysis method that allowed the linking of functional networks to temporally-separated WM epochs. The length of the delay epochs was varied to optimize isolation of the hemodynamic response (HDR) for each task epoch. All extracted functional networks displayed statistically significant sensitivity to delay length. Novel information extracted from these networks that was not apparent in the univariate analysis of these data included involvement of the hippocampus in encoding/probe, and decreases in BOLD signal in the superior temporal gyrus (STG), along with default-mode regions, during encoding/delay. The bilateral hippocampal activity during encoding/delay fits with theoretical models of WM in which memoranda held across the short term are activated long-term memory representations. The BOLD signal decreases in the STG were unexpected, and may reflect repetition suppression effects invoked by internal repetition of letter stimuli. Thus, analysis methods focusing on how network dynamics relate to experimental conditions allowed extraction of novel information not apparent in univariate analyses, and are particularly recommended for WM experiments for which task epochs cannot be randomized.

Towards a model-based integration of co-registered electroencephalography/functional magnetic resonance imaging data with realistic neural population meshes

Brain activity can be measured with several non-invasive neuroimaging modalities, but each modality has inherent limitations with respect to resolution, contrast and interpretability. It is hoped that multimodal integration will address these limitations by using the complementary features of already available data. However, purely statistical integration can prove problematic owing to the disparate signal sources. As an alternative, we propose here an advanced neural population model implemented on an anatomically sound cortical mesh with freely adjustable connectivity, which features proper signal expression through a realistic head model for the electroencephalogram (EEG), as well as a haemodynamic model for functional magnetic resonance imaging based on blood oxygen level dependent contrast (fMRI BOLD). It hence allows simultaneous and realistic predictions of EEG and fMRI BOLD from the same underlying model of neural activity. As proof of principle, we investigate here the influence on simulated brain activity of strengthening visual connectivity. In the future we plan to fit multimodal data with this neural population model. This promises novel, model-based insights into the brain's activity in sleep, rest and task conditions.

Dynamic Changes in the Mental Rotation Network Revealed by Pattern Recognition Analysis of fMRI Data

We investigated the temporal dynamics and changes in connectivity in the mental rotation network through the application of spatio-temporal support vector machines (SVMs). The spatio-temporal SVM [Mourao-Miranda, J., Friston, K. J., et al. (2007). Dynamic discrimination analysis: A spatial-temporal SVM. Neuroimage, 36, 88-99] is a pattern recognition approach that is suitable for investigating dynamic changes in the brain network during a complex mental task. It does not require a model describing each component of the task and the precise shape of the BOLD impulse response. By defining a time window including a cognitive event, one can use spatio-temporal fMRI observations from two cognitive states to train the SVM. During the training, the SVM finds the discriminating pattern between the two states and produces a discriminating weight vector encompassing both voxels and time (i.e., spatio-temporal maps). We showed that by applying spatio-temporal SVM to an event-related mental rotation experiment, it is possible to discriminate between different degrees of angular disparity (0 degrees vs. 20 degrees, 0 degrees vs. 60 degrees, and 0 degrees vs. 100 degrees), and the discrimination accuracy is correlated with the difference in angular disparity between the conditions. For the comparison with highest accuracy (08 vs. 1008), we evaluated how the most discriminating areas (visual regions, parietal regions, supplementary, and premotor areas) change their behavior over time. The frontal premotor regions became highly discriminating earlier than the superior parietal cortex. There seems to be a parcellation of the parietal regions with an earlier discrimination of the inferior parietal lobe in the mental rotation in relation to the superior parietal. The SVM also identified a network of regions that had a decrease in BOLD responses during the 100 degrees condition in relation to the 0 degrees condition (posterior cingulate, frontal, and superior temporal gyrus). This network was also highly discriminating between the two conditions. In addition, we investigated changes in functional connectivity between the most discriminating areas identified by the spatio-temporal SVM. We observed an increase in functional connectivity between almost all areas activated during the 100 degrees condition (bilateral inferior and superior parietal lobe, bilateral premotor area, and SMA) but not between the areas that showed a decrease in BOLD response during the 100 degrees condition.

Effects of diazepam on BOLD activation during the processing of aversive faces

This study aimed to measure, using fMRI, the effect of diazepam on the haemodynamic response to emotional faces. Twelve healthy male volunteers (mean age = 24.83 +/- 3.16 years), were evaluated in a randomized, balanced-order, double-blind, placebo-controlled crossover design. Diazepam (10 mg) or placebo was given 1 h before the neuroimaging acquisition. In a blocked design covert face emotional task, subjects were presented with neutral (A) and aversive (B) (angry or fearful) faces. Participants were also submitted to an explicit emotional face recognition task, and subjective anxiety was evaluated throughout the procedures. Diazepam attenuated the activation of right amygdala and right orbitofrontal cortex and enhanced the activation of right anterior cingulate cortex (ACC) to fearful faces. In contrast, diazepam enhanced the activation of posterior left insula and attenuated the activation of bilateral ACC to angry faces. In the behavioural task, diazepam impaired the recognition of fear in female faces. Under the action of diazepam, volunteers were less anxious at the end of the experimental session. These results suggest that benzodiazepines can differentially modulate brain activation to aversive stimuli, depending on the stimulus features and indicate a role of amygdala and insula in the anxiolytic action of benzodiazepines.