The human brain activity related to strategies for navigating in space and how it changes with practice was investigated with functional magnetic resonance imaging. Subjects used two different strategies to solve a place-learning task in a computer-generated virtual environment. One-half of the subjects used spatial landmarks to navigate in the early phase of training, and these subjects showed increased activation of the right hippocampus. The other half used a nonspatial strategy and showed, with practice, sustained increased activity within the caudate nucleus during navigation. Activation common to both groups was observed in the posterior parietal and frontal cortex. These results provide the first evidence for spontaneous variability and shift in neural mechanisms during navigation in humans.

Spatial memory tasks, performance of which is known to be sensitive to hippocampal lesions in the rat, or to medial temporal lesions in the human, were administered in order to investigate the effects of selective damage to medial temporal lobe structures of the human brain. The patients had undergone thermo-coagulation with a single electrode along the amygdalo-hippocampal axis in an attempt to alleviate their epilepsy. With this surgical technique, lesions to single medial temporal lobe structures can be carried out. The locations of the lesions were assessed by means of digital high-resolution magnetic resonance imaging and software allowing a 3-D reconstruction of the brain. A break in the collateral sulcus, dividing it into the anterior collateral sulcus and the posterior collateral sulcus is reported. This division may correspond to the end of the entorhinal\perirhinal cortex and the start of the parahippocampal cortex. The results confirmed the role of the right hippocampus in visuo–spatial memory tasks (object location, Rey–Osterrieth Figure with and without delay) and the left for verbal memory tasks (Rey Auditory Verbal Learning Task with delay). However, patients with lesions either to the right or to the left hippocampus were unimpaired on several memory tasks, including a spatial one, with a 30 min delay, designed to be analogous to the Morris water maze. Patients with lesions to the right parahippocampal cortex were impaired on this task with a 30 min delay, suggesting that the parahippocampal cortex itself may play an important role in spatial memory.

Healthy young adults use different strategies when navigating in a virtual maze. Spatial strategies involve using environmental landmarks while response strategies involve executing a series of movements from specific stimuli. Neuroimaging studies previously confirmed that people who use spatial strategies show increased activity and gray matter in the hippocampus, while those who use response strategies show increased activity and gray matter in caudate nucleus (Iaria et al., 2003; Bohbot et al., 2007). A growing number of studies report that cognitive decline that occurs with normal aging is correlated with a decrease in volume of the hippocampus. Here, we used voxel-based morphometry (VBM) to examine whether spatial strategies in aging are correlated with greater gray matter in the hippocampus, as found in our previous study with healthy young participants. Forty-five healthy older adults were tested on a virtual navigation task that allows spatial and response strategies. All participants learn the task to criterion after which a special "probe" trial that assesses spatial and response strategies is given. Results show that spontaneous spatial memory strategies, and not performance on the navigation task, positively correlate with gray matter in the hippocampus. Since numerous studies have shown that a decrease in the volume of the hippocampus correlates with cognitive deficits during normal aging and increases the risks of ensuing dementia, the current results suggest that older people who use their spatial memory strategies in their everyday lives may have increased gray matter in the hippocampus and enhance their probability of healthy and successful aging.

Young healthy participants spontaneously use different strategies in a virtual radial maze, an adaptation of a task typically used with rodents. Functional magnetic resonance imaging confirmed previously that people who used spatial memory strategies showed increased activity in the hippocampus, whereas response strategies were associated with activity in the caudate nucleus. Here, voxel based morphometry was used to identify brain regions covarying with the navigational strategies used by individuals. Results showed that spatial learners had significantly more gray matter in the hippocampus and less gray matter in the caudate nucleus compared with response learners. Furthermore, the gray matter in the hippocampus was negatively correlated to the gray matter in the caudate nucleus, suggesting a competitive interaction between these two brain areas. In a second analysis, the gray matter of regions known to be anatomically connected to the hippocampus, such as the amygdala, parahippocampal, perirhinal, entorhinal and orbitofrontal cortices were shown to covary with gray matter in the hippocampus. Because low gray matter in the hippocampus is a risk factor for Alzheimer's disease, these results have important implications for intervention programs that aim at functional recovery in these brain areas. In addition, these data suggest that spatial strategies may provide protective effects against degeneration of the hippocampus that occurs with normal aging.

Human spatial ability is modulated by a number of factors, including age [1-3] and gender [4, 5]. Although a few studies showed that culture influences cognitive strategies [6-13], the interaction between these factors has never been globally assessed as this requires testing millions of people of all ages across many different countries in the world. Since countries vary in their geographical and cultural properties, we predicted that these variations give rise to an organized spatial distribution of cognition at a planetary-wide scale. To test this hypothesis, we developed a mobile-app-based cognitive task, measuring non-verbal spatial navigation ability in more than 2.5 million people and sampling populations in every nation state. We focused on spatial navigation due to its universal requirement across cultures. Using a clustering approach, we find that navigation ability is clustered into five distinct, yet geographically related, groups of countries. Specifically, the economic wealth of a nation was predictive of the average navigation ability of its inhabitants, and gender inequality was predictive of the size of performance difference between males and females. Thus, cognitive abilities, at least for spatial navigation, are clustered according to economic wealth and gender inequalities globally, which has significant implications for cross-cultural studies and multi-center clinical trials using cognitive testing.

Summary Countries vary in their geographical and cultural properties. Only a few studies have explored how such variations influence how humans navigate or reason about space [1–7]. We predicted that these variations impact human cognition, resulting in an organized spatial distribution of cognition at a planetary-wide scale. To test this hypothesis we developed a mobile-app-based cognitive task, measuring non-verbal spatial navigation ability in more than 2.5 million people, sampling populations in every nation state. We focused on spatial navigation due to its universal requirement across cultures. Using a clustering approach, we find that navigation ability is clustered into five distinct, yet geographically related, groups of countries. Specifically, the economic wealth of a nation was predictive of the average navigation ability of its inhabitants, and gender inequality was predictive of the size of performance difference between males and females. Thus, cognitive abilities, at least for spatial navigation, are clustered according to economic wealth and gender inequalities globally, which has significant implications for cross-cultural studies and multi-centre clinical trials using cognitive testing.

A bstract Prior research has shown that structures of the mesiotemporal lobe, particularly the hippocampal-parahippocampal complex, are engaged in different forms of spatial cognition. Here, we developed a new paradigm, the Conformational Shift Spatial task (CSST), which examines the ability to encode and retrieve spatial relations between three unrelated items. This task is short, uses symbolic cues, and incorporates two difficulty levels and can be administered inside and outside the scanner. A cohort of 48 healthy young adults underwent the CSST, together with a set of validated behavioral measures and multimodal magnetic resonance imaging (MRI). Interindividual differences in CSST performance correlated with scores on an established spatial memory paradigm, but neither with episodic memory nor pattern separation performance, highlighting the specificity of the new measure. Analyzing high resolution structural MRI data, individuals with better spatial memory showed thicker medial as well as lateral temporal cortices. Functional relevance of these findings was supported by task-based functional MRI analysis in the same participants and ad hoc meta-analysis. Exploratory resting-state functional MRI analyses centered on clusters of morphological effects revealed additional modulation of intrinsic network integration, particularly between lateral and medial temporal structures. Our work presents a novel spatial memory paradigm and supports an integrated structure-function substrate in the human temporal lobe. Task paradigms are programmed in python and made open access.

We describe the creation of an open science dataset from a cohort of cognitively unimpaired aging individuals with a parental or multiple-sibling history of Alzheimer′s disease (AD). Our purpose was to enable PResymptomatic EValuation of Novel or Experimental Treatments for AD (PREVENT-AD). To characterize this population, possibly progressing in the pre-symptomatic phase of AD, we studied genetic variants and obtained longitudinal measures of cognition, brain structure and function, blood and cerebral fluid biochemistry and neurosensory capacities. Two nested prevention trials were also conducted. Data were hosted in LORIS, a platform that facilitates data organization, curation and sharing. We initially assessed 425 individuals, 385 meeting criteria for sustained investigation and 330 remaining active for longitudinal follow-ups. Between 2011 and 2017, we obtained quality-controlled data from 1704 MRI scans, 532 CSF samples, and 1882 cognitive evaluations. To date, 310 active participants (94%) have agreed that their data be openly shared. In addition to being a living resource for continued data acquisition, therefore, PREVENT-AD offers shared data to facilitate understanding of AD pathogenesis.

Abstract Spatial navigation is a multi-faceted behaviour drawing on many different aspects of cognition. Visuospatial abilities, such as spatial working memory and mental rotation, in particular, may be key factors. A range of tests have been developed to assess visuospatial processing and memory, but how such tests relate to navigation ability remains unclear. This understanding is important to advance tests of navigation for disease monitoring in Alzheimer’s Disease, where disorientation is an early symptom. Here, we report the use of an established mobile gaming app, Sea Hero Quest, as a measure of navigation ability. We used three separate tests of navigation embedded in the game: wayfinding, path integration and spatial memory in a radial arm maze. In the same participants, we also collected measures of mental rotation (Mental Rotation Test), visuospatial processing (Design Organization Test) and visuospatial working memory (Digital Corsi). We found few strong correlations across our measures. Being good at wayfinding in a virtual navigation test does not mean an individual will rate themself as a confident navigator, be good at path integration, or have a superior memory in a radial arm maze. However, those good at wayfinding tend to perform well on the three visuospatial tasks examined here, and to also use a landmark strategy in the radial maze task. These findings help clarify the inter-relationships between different abilities supporting visuospatial and navigation skills. Highlights Three navigation tests embedded in the game Sea Hero Quest were examined in relation to three object-based visuospatial tasks, and self-ratings of navigation ability and stress during navigation. No associations were observed among performance on wayfinding, path integration and radial arm maze levels of Sea Hero Quest. Object-based visuospatial abilities were selectively correlated with performance on wayfinding levels of Sea Hero Quest. Gameplay stress and navigation strategy were not associated with performance on Sea Hero Quest navigation tasks.