Studying Memory Encoding to Promote Reliable Engagement of the Medial Temporal Lobe at the Single-subject Level

The medial temporal lobe (MTL)-comprising hippocampus and the surrounding neocortical regions-is a targeted brain area sensitive to several neurological diseases. Although functional magnetic resonance imaging (fMRI) has been widely used to assess brain functional abnormalities, detecting MTL activation has been technically challenging. The aim of our study was to provide an fMRI paradigm that reliably activates MTL regions at the individual level, thus providing a useful tool for future research in clinical memory-related studies. Twenty young healthy adults underwent an event-related fMRI study consisting of three encoding conditions: word-pairs, face-name associations and complex visual scenes. A region-of-interest analysis at the individual level comparing novel and repeated stimuli independently for each task was performed. The results of this analysis yielded activations in the hippocampal and parahippocampal regions in most of the participants. Specifically, 95% and 100% of participants showed significant activations in the left hippocampus during the face-name encoding and in the right parahippocampus, respectively, during scene encoding. Additionally, a whole brain analysis, also comparing novel versus repeated stimuli at the group level, showed mainly left frontal activation during the word task. In this group analysis, the face-name association engaged the HP and fusiform gyri bilaterally, along with the left inferior frontal gyrus, and the complex visual scenes activated mainly the parahippocampus and hippocampus bilaterally. In sum, our task design represents a rapid and reliable manner to study and explore MTL activity at the individual level, thus providing a useful tool for future research in clinical memory-related fMRI studies.

Un oeil sur la langue : aspects neuro-cognitifs du processus de la navigation chez l'aveugle-né

La vision est un élément très important pour la navigation en général. Grâce à des mécanismes compensatoires les aveugles de naissance ne sont pas handicapés dans leurs compétences spatio-cognitives, ni dans la formation de nouvelles cartes spatiales. Malgré l’essor des études sur la plasticité du cerveau et la navigation chez les aveugles, les substrats neuronaux compensatoires pour la préservation de cette fonction demeurent incompris. Nous avons démontré récemment (article 1) en utilisant une technique d’analyse volumétrique (Voxel-Based Morphometry) que les aveugles de naissance (AN) montrent une diminution de la partie postérieure de l’hippocampe droit, structure cérébrale importante dans la formation de cartes spatiales. Comment les AN forment-ils des cartes cognitives de leur environnement avec un hippocampe postérieur droit qui est significativement réduit ? Pour répondre à cette question nous avons choisi d’exploiter un appareil de substitution sensorielle qui pourrait potentiellement servir à la navigation chez les AN. Cet appareil d’affichage lingual (Tongue display unit -TDU-) retransmet l’information graphique issue d’une caméra sur la langue. Avant de demander à nos sujets de naviguer à l’aide du TDU, il était nécessaire de nous assurer qu’ils pouvaient « voir » des objets dans l’environnement grâce au TDU. Nous avons donc tout d’abord évalué l’acuité « visuo »-tactile (article 2) des sujets AN pour les comparer aux performances des voyants ayant les yeux bandées et munis du TDU. Ensuite les sujets ont appris à négocier un chemin à travers un parcours parsemé d’obstacles i (article 3). Leur tâche consistait à pointer vers (détection), et contourner (négociation) un passage autour des obstacles. Nous avons démontré que les sujets aveugles de naissance non seulement arrivaient à accomplir cette tâche, mais encore avaient une performance meilleure que celle des voyants aux yeux bandés, et ce, malgré l’atrophie structurelle de l’hippocampe postérieur droit, et un système visuel atrophié (Ptito et al., 2008). Pour déterminer quels sont les corrélats neuronaux de la navigation, nous avons créé des routes virtuelles envoyées sur la langue par le biais du TDU que les sujets devaient reconnaitre alors qu’ils étaient dans un scanneur IRMf (article 4). Nous démontrons grâce à ces techniques que les aveugles utilisent un autre réseau cortical impliqué dans la mémoire topographique que les voyants quand ils suivent des routes virtuelles sur la langue. Nous avons mis l’emphase sur des réseaux neuronaux connectant les cortex pariétaux et frontaux au lobe occipital puisque ces réseaux sont renforcés chez les aveugles de naissance. Ces résultats démontrent aussi que la langue peut être utilisée comme une porte d’entrée vers le cerveau en y acheminant des informations sur l’environnement visuel du sujet, lui permettant ainsi d’élaborer des stratégies d’évitement d’obstacles et de se mouvoir adéquatement.

Les habiletés spatio-cognitives des aveugles de naissance : résolution de labyrinthes tactiles

La navigation repose en majeure partie sur la vision puisque ce sens nous permet de rassembler des informations spatiales de façon simultanée et de mettre à jour notre position par rapport à notre environnement. Pour plusieurs aveugles qui se fient à l’audition, le toucher, la proprioception, l’odorat et l’écholocation pour naviguer, sortir à l’extérieur de chez soi peut représenter un défi considérable. Les recherches sur le circuit neuronal de la navigation chez cette population en particulier s’avèrent donc primordiales pour mieux adapter les ressources aux handicapés visuels et réussir à les sortir de leur isolement. Les aveugles de naissance constituent aussi une population d’intérêt pour l’étude de la neuroplasticité. Comme leur cerveau s’est construit en absence d’intrant visuel, la plupart des structures reliées au sens de la vue sont réduites en volume par rapport à ceux de sujets voyants. De plus, leur cortex occipital, une région normalement dédiée à la vision, possède une activité supramétabolique au repos, ce qui peut représenter un territoire vierge pouvant être recruté par les autres modalités pour exécuter diverses tâches sensorielles. Plusieurs chercheurs ont déjà démontré l’implication de cette région dans des tâches sensorielles comme la discrimination tactile et la localisation auditive. D’autres changements plastiques de nature intramodale ont aussi été observés dans le circuit neuronal de la navigation chez ces aveugles. Par exemple, la partie postérieure de l’hippocampe, impliquée dans l’utilisation de cartes mentales, est réduite en volume alors que la section antérieure est élargie chez ces sujets. Bien que ces changements plastiques anatomiques aient bel et bien été observés chez les aveugles de naissance, il reste toutefois à les relier avec leur aspect fonctionnel. Le but de la présente étude était d’investiguer les corrélats neuronaux de la navigation chez l’aveugle de naissance tout en les reliant avec leurs habiletés spatio-cognitives. La première étude comportementale a permis d’identifier chez les aveugles congénitaux une difficulté d’apprentissage de routes tactiles construites dans des labyrinthes de petite échelle. La seconde étude, employant la technique d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, a relié ces faiblesses au recrutement de régions cérébrales impliquées dans le traitement d’une perspective égocentrique, comme le lobule pariétal supérieur droit. Alors que des sujets voyants aux yeux bandés excellaient dans la tâche des labyrinthes, ces derniers recrutaient des structures impliquées dans un traitement allocentrique, comme l’hippocampe et le parahippocampe. Par ailleurs, la deuxième étude a confirmé le recrutement du cortex occipital dans une tâche de navigation chez les aveugles seulement. Ceci confirme l’implication de la plasticité intermodale dans des tâches cognitives de plus haut niveau, comme la navigation.

The emotional power of music: How music enhances the feeling of affective pictures

Music is an intriguing stimulus widely used in movies to increase the emotional experience. However, no brain imaging study has to date examined this enhancement effect using emotional pictures (the modality mostly used in emotion research) and musical excerpts. Therefore, we designed this functional magnetic resonance imaging study to explore how musical stimuli enhance the feeling of affective pictures. In a classical block design carefully controlling for habituation and order effects, we presented fearful and sad pictures (mostly taken from the IAPS) either alone or combined with congruent emotional musical excerpts (classical pieces). Subjective ratings clearly indicated that the emotional experience was markedly increased in the combined relative to the picture condition. Furthermore, using a second-level analysis and regions of interest approach, we observed a clear functional and structural dissociation between the combined and the picture condition. Besides increased activation in brain areas known to be involved in auditory as well as in neutral and emotional visual-auditory integration processes, the combined condition showed increased activation in many structures known to be involved in emotion processing (including for example amygdala, hippocampus, parahippocampus, insula, striatum, medial ventral frontal cortex, cerebellum, fusiform gyrus). In contrast, the picture condition only showed an activation increase in the cognitive part of the prefrontal cortex, mainly in the right dorsolateral prefrontal cortex. Based on these findings, we suggest that emotional pictures evoke a more cognitive mode of emotion perception, whereas congruent presentations of emotional visual and musical stimuli rather automatically evoke strong emotional feelings and experiences.