Abstract Reward processing is essential for our mental-health and well-being. Here, we present the development and validation of a scalable fMRI-informed EEG model related to reward processing in the ventral-striatum (VS); a central reward circuit node. Simultaneous EEG/fMRI data were acquired from 17 healthy individuals listening to pleasurable music, and used to construct a one-class regression model for predicting the reward-related VS-BOLD signal using spectro-temporal features from the EEG. Validation analyses, applied on EEG/fMRI data from a different group (N=14), revealed that the EEG model predicted VS-BOLD activation from the simultaneous EEG to a greater extent than a model derived from another anatomical region. The VS-EEG-model was also modulated by musical pleasure and predictive of the VS-BOLD during a monetary reward task, further indicating it functional relevance. These findings provide compelling evidence for the use of a scalable yet precise EEG-only probe of VS-originated reward processing, which could serve for process specific neruo-monitoring and -modulation.

ABSTRACT Parkinson’s Disease (PD) is a progressive neurodegenerative disorder characterized by motor and cognitive deficits. The neurodegenerative process is thought to move stereotypically from the brainstem up to the cerebral cortex, possibly reflecting the spread of toxic alpha-synuclein molecules. Using a large, longitudinal, multi-center database of de novo PD patients, we tested whether focal reductions in cortical thickness could be explained by disease spread from a subcortical “disease reservoir” along the brain’s connectome. PD patients (n=105) and matched controls (n=57) underwent T1-MRI at entry and one year later. Over this period, PD patients demonstrated significantly greater loss of cortical thickness than healthy controls in parts of the left occipital and bilateral frontal lobes and right somatomotor-sensory cortex. Cortical regions with greater connectivity (measured functionally or structurally) to a “disease reservoir” evaluated via MRI at baseline demonstrated greater atrophy one year later. The atrophy pattern in the ventral frontal lobes resembled one described in certain cases of Alzheimer’s disease. Moreover, a multiple linear regression model suggested that cortical thinning was associated with impaired cognitive function at follow-up. Our findings suggest that disease propagation to the cortex in PD follows neural connectivity, and that disease spread to the cortex may herald the onset of cognitive impairment.

Abstract Theta oscillations (∼4–12 Hz) are dynamically modulated by speed and direction in freely moving animals. However, due to the paucity of electrophysiological recordings of freely moving humans, this mechanism remains poorly understood. Here, we combined mobile-EEG with fully immersive virtual-reality to investigate theta dynamics in twenty-two healthy adults (aged 18–29 years old) freely navigating a T-maze to find rewards. Our results revealed three dynamic periods of theta modulation: 1) theta power increases coincided with the participants’ decision-making period; 2) theta power increased for fast and leftward trials as subjects approached the goal location; and 3) feedback onset evoked two phase-locked theta bursts over the right temporal and frontal-midline channels. These results suggest that recording scalp EEG in freely moving humans navigating a simple virtual T-maze can be utilized as a powerful translational model by which to map theta dynamics during “real-life” goal-directed behavior in both health and disease.

Abstract Background 10-Hz repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) to the left dorsal lateral prefrontal cortex (DLPFC) has been shown to increase dopaminergic activity in the dorsal striatum, a region strongly implicated in reinforcement learning. However, the behavioural influence of this effect remains largely unknown. Objective Here, we tested the causal effects of rTMS on behavioral and computational characteristics of reinforcement learning. Methods 40 healthy individuals were randomized into Active and Sham rTMS groups. Each participant underwent one 10-Hz rTMS session (1500 pulses) in which stimulation was applied over the left DLPFC using a robotic arm. Participants then completed a reinforcement learning task sensitive to striatal dopamine functioning. Participants’ trial-to-trial training choices were modelled using a reinforcement learning model (Q-learning) that calculates separate learning rates associated with positive and negative reward prediction errors. Results Subjects receiving Active TMS exhibited an increased reward rate (number of correct responses per second of task activity) compared to the Sham rTMS group. Computationally, the Active rTMS group displayed a higher learning rate for correct trials (αG) compared to incorrect trials (αL). Finally, when tested with novel pairs of stimuli, the Active group displayed extremely fast reaction times, and a trend towards a higher reward rate. Conclusions The present study provided specific behavioral and computational accounts of altered striatal-mediated reinforcement learning induced by a proposed increase of dopamine activity by 10-Hz rTMS to the left DLPFC. Together, these findings bolster the use of TMS to target neurocognitive disturbances attributed to the dysregulation of dopaminergic-striatal circuits.

Intermittent Theta Burst Stimulation (TBS) applied to the left dorsolateral prefrontal cortex suppressed reward-related signaling in the anterior midcingulate cortex (aMCC), resulting in a change in goal-directed behavior. Continuous TBS had no effect. While these results are inconsistent with reported TBS effects on motor cortex, the present findings offer normative insights into the magnitude and time course of TBS-induced changes in aMCC excitability during goal-directed behavior.

Recent molecular genetic studies have shown that the majority of genes associated with obesity are expressed in the central nervous system. Obesity has also been associated with neurobehavioural factors such as brain morphology, cognitive performance, and personality. Here, we tested whether these neurobehavioural factors were associated with the heritable variance in obesity measured by body mass index (BMI) in the Human Connectome Project (N=895 siblings). Phenotypically, cortical thickness findings supported the 'right brain hypothesis' for obesity. Namely, increased BMI associated with decreased cortical thickness in right frontal lobe and increased thickness in the left frontal lobe, notably in lateral prefrontal cortex. In addition, lower thickness and volume in entorhinal-parahippocampal structures, and increased thickness in parietal-occipital structures in participants with higher BMI supported the role of visuospatial function in obesity. Brain morphometry results were supported by cognitive tests, which outlined a negative association between BMI and visuospatial function, verbal episodic memory, impulsivity, and cognitive flexibility. Personality-BMI correlations were inconsistent. We then aggregated the effects for each neurobehavioural factor for a behavioural genetics analysis and estimated each factor's genetic overlap with BMI. Cognitive test scores and brain morphometry had 0.25 - 0.45 genetic correlations with BMI, and the phenotypic correlations with BMI were 77-89% explained by genetic factors. Neurobehavioural factors also had some genetic overlap with each other. In summary, obesity as measured by BMI has considerable genetic overlap with brain and cognitive measures. This supports the theory that obesity is inherited via brain function, and may inform intervention strategies.

Quick reorientation is an essential part of successful navigation. Despite growing attention to this ability, little is known about how reorientation happens in humans. To this aim, we recorded EEG from 34 participants. Participants were navigating a simple virtual reality plus-maze where at the beginning of each trial they were randomly teleported to either the North or the South alley. Results show that the teleportation event caused a quick reorientation effect over occipito-parietal areas as early as 100 msec; meaning that despite the known stochastic nature of the teleportation, participants built up expectations for their place of arrival. This result has important consequences for the optimal design of virtual reality locomotion.