Our ability to have an experience of another's pain is characteristic of empathy. Using functional imaging, we assessed brain activity while volunteers experienced a painful stimulus and compared it to that elicited when they observed a signal indicating that their loved one—present in the same room—was receiving a similar pain stimulus. Bilateral anterior insula (AI), rostral anterior cingulate cortex (ACC), brainstem, and cerebellum were activated when subjects received pain and also by a signal that a loved one experienced pain. AIand ACC activation correlated with individual empathy scores. Activity in the posterior insula/secondary somatosensory cortex, the sensorimotor cortex (SI/MI), and the caudal ACC was specific to receiving pain. Thus, a neural response in AIand rostral ACC, activated in common for “self” and “other” conditions, suggests that the neural substrate for empathic experience does not involve the entire “pain matrix.” We conclude that only that part of the pain network associated with its affective qualities, but not its sensory qualities, mediates empathy.

Influential theories of human emotion argue that subjective feeling states involve representation of bodily responses elicited by emotional events. Within this framework, individual differences in intensity of emotional experience reflect variation in sensitivity to internal bodily responses. We measured regional brain activity by functional magnetic resonance imaging (fMRI) during an interoceptive task wherein subjects judged the timing of their own heartbeats. We observed enhanced activity in insula, somatomotor and cingulate cortices. In right anterior insular/opercular cortex, neural activity predicted subjects' accuracy in the heartbeat detection task. Furthermore, local gray matter volume in the same region correlated with both interoceptive accuracy and subjective ratings of visceral awareness. Indices of negative emotional experience correlated with interoceptive accuracy across subjects. These findings indicate that right anterior insula supports a representation of visceral responses accessible to awareness, providing a substrate for subjective feeling states.

In this paper we introduce the idea of explaining responses, in one cortical area, in terms of an interaction between the influence of another area and some experimental (sensory or task-related) parameter. We refer to these effects aspsychophysiological interactionsand relate them to interactions based solely on experimental factors (i.e., psychological interactions), in factorial designs, and interactions among neurophysiological measurements (i.e., physiological interactions). We have framed psychophysiological interactions in terms of functional integration by noting that the degree to which the activity in one area can be predicted, on the basis of activity in another, corresponds to the contribution of the second to the first, where this contribution can be related to effective connectivity. A psychophysiological interaction means that the contribution of one area to another changes significantly with the experimental or psychological context. Alternatively these interactions can be thought of as a contribution-dependent change in regional responses to an experimental or psychological factor. In other words the contribution can be thought of as modulating the responses elicited by a particular stimulus or psychological process. The potential importance of this approach lies in (i) conferring a degree of functional specificity on this aspect of effective connectivity and (ii) providing a model of modulation, where the contribution from a distal area can be considered to modulate responses to the psychological or stimulus-specific factor defining the interaction. Although distinct in neurobiological terms, these are equivalent perspectives on the same underlying interaction. We illustrate these points using a functional magnetic resonance imaging study of attention to visual motion and a position emission tomography study of visual priming. We focus on interactions among extrastriate, inferotemporal, and posterior parietal regions during visual processing, under different attentional and perceptual conditions.

Humans are remarkably curious, and that is useful in helping us to learn about new environments and possibilities. But curiosity killed the cat, they say, and it also carries with it substantial potential risks and costs for us. Statisticians, engineers and economists have long considered ways of balancing the costs and benefits of exploration. Tests involving a gambling task and an fMRI brain scanner now show that humans appear to obey similar principles when considering their options. The players had to balance the desire to select the richest option based on accumulated experience against the desire to choose a less familiar option that might have a larger payoff. The frontopolar cortex, a brain area known to be involved in cognitive control, was preferentially active during exploratory decisions. The results suggest a neurobiological account of human exploration and point to a new area for behavioural and neural investigations. Use of a gambling task and a functional magnetic resonance imaging (fMRI) scanner shows that human subjects' choices can be characterized by a computationally well regarded strategy for addressing the explore/exploit dilemma. Decision making in an uncertain environment poses a conflict between the opposing demands of gathering and exploiting information. In a classic illustration of this ‘exploration–exploitation’ dilemma1, a gambler choosing between multiple slot machines balances the desire to select what seems, on the basis of accumulated experience, the richest option, against the desire to choose a less familiar option that might turn out more advantageous (and thereby provide information for improving future decisions). Far from representing idle curiosity, such exploration is often critical for organisms to discover how best to harvest resources such as food and water. In appetitive choice, substantial experimental evidence, underpinned by computational reinforcement learning2 (RL) theory, indicates that a dopaminergic3,4, striatal5,6,7,8,9 and medial prefrontal network mediates learning to exploit. In contrast, although exploration has been well studied from both theoretical1 and ethological10 perspectives, its neural substrates are much less clear. Here we show, in a gambling task, that human subjects' choices can be characterized by a computationally well-regarded strategy for addressing the explore/exploit dilemma. Furthermore, using this characterization to classify decisions as exploratory or exploitative, we employ functional magnetic resonance imaging to show that the frontopolar cortex and intraparietal sulcus are preferentially active during exploratory decisions. In contrast, regions of striatum and ventromedial prefrontal cortex exhibit activity characteristic of an involvement in value-based exploitative decision making. The results suggest a model of action selection under uncertainty that involves switching between exploratory and exploitative behavioural modes, and provide a computationally precise characterization of the contribution of key decision-related brain systems to each of these functions.

Instrumental conditioning studies how animals and humans choose actions appropriate to the affective structure of an environment. According to recent reinforcement learning models, two distinct components are involved: a “critic,” which learns to predict future reward, and an “actor,” which maintains information about the rewarding outcomes of actions to enable better ones to be chosen more frequently. We scanned human participants with functional magnetic resonance imaging while they engaged in instrumental conditioning. Our results suggest partly dissociable contributions of the ventral and dorsal striatum, with the former corresponding to the critic and the latter corresponding to the actor.

THE amygdala is thought to play a crucial role in emotional and social behaviour1. Animal studies implicate the amygdala in both fear conditioning2 and face perception3. In humans, lesions of the amygdala can lead to selective deficits in the recognition of fearful facial expressions4,5 and impaired fear conditioning6,7, and direct electrical stimulation evokes fearful emotional responses8. Here we report direct in vivo evidence of a differential neural response in the human amygdala to facial expressions of fear and happiness. Positron-emission tomography (PET) measures of neural activity were acquired while subjects viewed photographs of fearful or happy faces, varying systematically in emotional intensity. The neuronal response in the left amygdala was significantly greater to fearful as opposed to happy expressions. Furthermore, this response showed a significant interaction with the intensity of emotion (increasing with increasing fearfulness, decreasing with increasing happiness). The findings provide direct evidence that the human amygdala is engaged in processing the emotional salience of faces, with a specificity of response to fearful facial expressions.

The mesostriatal dopamine system is prominently implicated in model-free reinforcement learning, with fMRI BOLD signals in ventral striatum notably covarying with model-free prediction errors. However, latent learning and devaluation studies show that behavior also shows hallmarks of model-based planning, and the interaction between model-based and model-free values, prediction errors, and preferences is underexplored. We designed a multistep decision task in which model-based and model-free influences on human choice behavior could be distinguished. By showing that choices reflected both influences we could then test the purity of the ventral striatal BOLD signal as a model-free report. Contrary to expectations, the signal reflected both model-free and model-based predictions in proportions matching those that best explained choice behavior. These results challenge the notion of a separate model-free learner and suggest a more integrated computational architecture for high-level human decision-making.

Humans have the capacity to empathize with the pain of others, but we don't empathize in all circumstances. An experiment on human volunteers playing an economic game looked at the conditional nature of our sympathy, and the results show that fairness of social interactions is key to the empathic neural response. Both men and women empathized with the pain of cooperative people. But if people are selfish, empathic responses were absent, at least in men. And it seems that physical harm might even be considered a good outcome — perhaps the first neuroscientific evidence for schadenfreude. The neural processes underlying empathy are a subject of intense interest within the social neurosciences1,2,3. However, very little is known about how brain empathic responses are modulated by the affective link between individuals. We show here that empathic responses are modulated by learned preferences, a result consistent with economic models of social preferences4,5,6,7. We engaged male and female volunteers in an economic game, in which two confederates played fairly or unfairly, and then measured brain activity with functional magnetic resonance imaging while these same volunteers observed the confederates receiving pain. Both sexes exhibited empathy-related activation in pain-related brain areas (fronto-insular and anterior cingulate cortices) towards fair players. However, these empathy-related responses were significantly reduced in males when observing an unfair person receiving pain. This effect was accompanied by increased activation in reward-related areas, correlated with an expressed desire for revenge. We conclude that in men (at least) empathic responses are shaped by valuation of other people's social behaviour, such that they empathize with fair opponents while favouring the physical punishment of unfair opponents, a finding that echoes recent evidence for altruistic punishment.

If subjects are shown an angry face as a target visual stimulus for less than forty milliseconds and are then immediately shown an expressionless mask, these subjects report seeing the mask but not the target. However, an aversively conditioned masked target can elicit an emotional response from subjects without being consciously perceived1,2. Here we study the mechanism of this unconsciously mediated emotional learning. We measured neural activity in volunteer subjects who were presented with two angry faces, one of which, through previous classical conditioning, was associated with a burst of white noise. In half of the trials, the subjects' awareness of the angry faces was prevented by backward masking with a neutral face. A significant neural response was elicited in the right, but not left, amygdala to masked presentations of the conditioned angry face. Unmasked presentations of the same face produced enhanced neural activity in the left, but not right, amygdala. Our results indicate that, first, the human amygdala can discriminate between stimuli solely on the basis of their acquired behavioural significance, and second, this response is lateralized according to the subjects' level of awareness of the stimuli.

We used event-related fMRI to assess whether brain responses to fearful versus neutral faces are modulated by spatial attention. Subjects performed a demanding matching task for pairs of stimuli at prespecified locations, in the presence of task-irrelevant stimuli at other locations. Faces or houses unpredictably appeared at the relevant or irrelevant locations, while the faces had either fearful or neutral expressions. Activation of fusiform gyri by faces was strongly affected by attentional condition, but the left amygdala response to fearful faces was not. Right fusiform activity was greater for fearful than neutral faces, independently of the attention effect on this region. These results reveal differential influences on face processing from attention and emotion, with the amygdala response to threat-related expressions unaffected by a manipulation of attention that strongly modulates the fusiform response to faces.