We performed successive H215O-PET scans on volunteers as they ate chocolate to beyond satiety. Thus, the sensory stimulus and act (eating) were held constant while the reward value of the chocolate and motivation of the subject to eat were manipulated by feeding. Non-specific effects of satiety (such as feelings of fullness and autonomic changes) were also present and probably contributed to the modulation of brain activity. After eating each piece of chocolate, subjects gave ratings of how pleasant/unpleasant the chocolate was and of how much they did or did not want another piece of chocolate. Regional cerebral blood flow was then regressed against subjects' ratings. Different groups of structures were recruited selectively depending on whether subjects were eating chocolate when they were highly motivated to eat and rated the chocolate as very pleasant [subcallosal region, caudomedial orbitofrontal cortex (OFC), insula/operculum, striatum and midbrain] or whether they ate chocolate despite being satiated (parahippocampal gyrus, caudolateral OFC and prefrontal regions). As predicted, modulation was observed in cortical chemosensory areas, including the insula and caudomedial and caudolateral OFC, suggesting that the reward value of food is represented here. Of particular interest, the medial and lateral caudal OFC showed opposite patterns of activity. This pattern of activity indicates that there may be a functional segregation of the neural representation of reward and punishment within this region. The only brain region that was active during both positive and negative compared with neutral conditions was the posterior cingulate cortex. Therefore, these results support the hypothesis that there are two separate motivational systems: one orchestrating approach and another avoidance behaviours.

Dopamine is implicated in movement, learning, and motivation, and in illnesses such as Parkinson's disease, schizophrenia, and drug addiction. Little is known about the control of dopamine release in humans, but research in experimental animals suggests that the prefrontal cortex plays an important role in regulating the release of dopamine in subcortical structures. Here we used [(11)C]raclopride and positron emission tomography to measure changes in extracellular dopamine concentration in vivo after repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) of the dorsolateral prefrontal cortex in healthy human subjects. Repetitive TMS of the left dorsolateral prefrontal cortex caused a reduction in [(11)C]raclopride binding in the left dorsal caudate nucleus compared with rTMS of the left occipital cortex. There were no changes in binding in the putamen, nucleus accumbens, or right caudate. This shows that rTMS of the prefrontal cortex induces the release of endogenous dopamine in the ipsilateral caudate nucleus. This finding has implications for the therapeutic and research use of rTMS in neurological and psychiatric disorders.

The Wisconsin Card Sorting Task (WCST) has been used to assess dysfunction of the prefrontal cortex and basal ganglia. Previous brain imaging studies have focused on identifying activity related to the set-shifting requirement of the WCST. The present study used event-related functional magnetic resonance imaging (fMRI) to study the pattern of activation during four distinct stages in the performance of this task. Eleven subjects were scanned while performing the WCST and a control task involving matching two identical cards. The results demonstrated specific involvement of different prefrontal areas during different stages of task performance. The mid-dorsolateral prefrontal cortex (area 9/46) increased activity while subjects received either positive or negative feedback, that is at the point when the current information must be related to earlier events stored in working memory. This is consistent with the proposed role of the mid-dorsolateral prefrontal cortex in the monitoring of events in working memory. By contrast, a cortical basal ganglia loop involving the mid-ventrolateral prefrontal cortex (area 47/12), caudate nucleus, and mediodorsal thalamus increased activity specifically during the reception of negative feedback, which signals the need for a mental shift to a new response set. The posterior prefrontal cortex response was less specific; increases in activity occurred during both the reception of feedback and the response period, indicating a role in the association of specific actions to stimuli. The putamen exhibited increased activity while matching after negative feedback but not while matching after positive feedback, implying greater involvement during novel than routine actions.

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.

Mesolimbic dopamine is thought to play a role in the processing of rewards. However, animal studies also demonstrate dopamine release in response to aversive stressful stimuli. Also, in animal studies, disruptions of the mother–infant relationship have been shown to have long-lasting effects on the mesolimbic dopamine system and the hypothalamic-pituitary adrenal axis. We therefore investigated dopamine release in response to stress in human subjects, considering the relationship to early life parental care. We screened 120 healthy young college students for parental care in early life using a combination of telephone interviews and questionnaires. Five students from the top end and five students from the bottom end of the parental care distribution were then invited for a positron emission tomography study using [ 11 C]raclopride and a psychosocial stress task. The psychosocial stressor caused a significant release of dopamine in the ventral striatum as indicated by a reduction in [ 11 C]raclopride binding potential in the stress versus resting condition in subjects reporting low parental care. Moreover, the magnitude of the salivary cortisol response to stress was significantly correlated with the reduction in [ 11 C]raclopride binding in the ventral striatum ( r = 0.78), consistent with a facilitating effect of cortisol on dopamine neuron firing. These data suggest that aversive stressful events can be associated with mesolimbic dopamine release in humans, and that the method presented here may be useful to study the effects of early life events on neurobiological stress systems.

Feeding behavior is often separated into homeostatic and hedonic components. Hedonic feeding, which can be triggered by visual or olfactory food cues, involves brain regions that play a role in reward and motivation, while homeostatic feeding is thought to be under the control of circulating hormones acting primarily on the hypothalamus. Ghrelin is a peptide hormone secreted by the gut that causes hunger and food consumption. Here, we show that ghrelin administered intravenously to healthy volunteers during functional magnetic resonance imaging increased the neural response to food pictures in regions of the brain, including the amygdala, orbitofrontal cortex, anterior insula, and striatum, implicated in encoding the incentive value of food cues. The effects of ghrelin on the amygdala and OFC response were correlated with self-rated hunger ratings. This demonstrates that metabolic signals such as ghrelin may favor food consumption by enhancing the hedonic and incentive responses to food-related cues.

Seven healthy subjects underwent two [11C]raclopride positron emission tomography (PET) scans, one following a 16-h fast and the other after consumption of a favorite meal (following a 16-h fast) in counterbalanced fashion. Before and after each scan subjects gave ratings of hunger/fullness and desire to eat. In addition, meal pleasantness ratings were collected immediately after consumption of the favorite meal. PET data were analyzed using brain parametric maps to generate regions of statistically significant change, as well as regions of interest manually drawn on each individual's coregistered anatomical image. [11C]Raclopride binding potential was compared across the two states (hungry and full). A significant reduction in binding potential was observed in the full compared to the hungry state in the dorsal putamen and caudate nucleus, indicative of dopamine release. There were no changes elsewhere in the striatum. A correlation was observed between the reduction in [11C]raclopride binding and meal pleasantness ratings, but not with desire to eat (hunger) or satiety after eating. These results suggest that feeding is associated with dopamine release in the dorsal, but not the ventral striatum, and that the amount of dopamine released correlates with the degree of experienced pleasure.

Background Stress-induced metabolic changes can have detrimental health effects. Newly developed paradigms to investigate stress in neuroimaging environments allow the assessment of brain activation changes in association with the perception of and the metabolic response to stress. Methods We exposed human subjects to a psychosocial stressor in one positron emission tomography (n = 10) and one functional magnetic resonance imaging (fMRI; n = 40) experiment. Results We observed a profound deactivation of limbic system components including hippocampus, hypothalamus, medio-orbitofrontal cortex and anterior cingulate cortex in subjects who reacted to the stressor with a significant increase of the endocrine stress marker cortisol. Further, in the fMRI study, the degree of deactivation in the hippocampus was correlated with the release of cortisol in response to the stress task. Conclusions The observed deactivation of limbic system structures suggests elevated activation at rest and during nonstressful situations. A model is proposed where the observed reduction in limbic system activity is essential for the initiation of the stress response. Stress-induced metabolic changes can have detrimental health effects. Newly developed paradigms to investigate stress in neuroimaging environments allow the assessment of brain activation changes in association with the perception of and the metabolic response to stress. We exposed human subjects to a psychosocial stressor in one positron emission tomography (n = 10) and one functional magnetic resonance imaging (fMRI; n = 40) experiment. We observed a profound deactivation of limbic system components including hippocampus, hypothalamus, medio-orbitofrontal cortex and anterior cingulate cortex in subjects who reacted to the stressor with a significant increase of the endocrine stress marker cortisol. Further, in the fMRI study, the degree of deactivation in the hippocampus was correlated with the release of cortisol in response to the stress task. The observed deactivation of limbic system structures suggests elevated activation at rest and during nonstressful situations. A model is proposed where the observed reduction in limbic system activity is essential for the initiation of the stress response.