Normal human behavior and cognition are reliant on a person’s ability to inhibit inappropriate thoughts, impulses, and actions. The temporal and spatial advantages of event-related functional MRI (fMRI) were exploited to identify cortical regions that showed a transient change in fMRI signal after the withholding of a prepotent motor response. The temporal specificity of the event-related fMRI design also minimized possible contamination from response inhibition errors (i. e., commission errors) and other extraneous processes. Regions identified were strongly lateralized to the right hemisphere and included the middle and inferior frontal gyri, frontal limbic area, anterior insula, and inferior parietal lobe. Contrary to the prominence traditionally given to ventral frontal regions for response inhibition, the results suggest that response inhibition is accomplished by a distributed cortical network.

OBJECTIVE: Cocaine-related cues have been hypothesized to perpetuate drug abuse by inducing a craving response that prompts drug-seeking behavior. However, the mechanisms, underlying neuroanatomy, and specificity of this neuroanatomy are not yet fully understood. METHOD: To address these issues, experienced cocaine users (N=17) and comparison subjects (N=14) underwent functional magnetic resonance imaging while viewing three separate films that portrayed 1 ) individuals smoking crack cocaine, 2) outdoor nature scenes, and 3) explicit sexual content. Candidate craving sites were identified as those that showed significant activation in the cocaine users when viewing the cocaine film. These sites were then required to show significantly greater activation when contrasted with comparison subjects viewing the cocaine film (population specificity) and cocaine users viewing the nature film (content specificity). RESULTS: Brain regions that satisfied these criteria were largely left lateralized and included the frontal lobe (medial and middle frontal gyri, bilateral inferior frontal gyrus), parietal lobe (bilateral inferior parietal lobule), insula, and limbic lobe (anterior and posterior cingulate gyrus). Of the 13 regions identified as putative craving sites, just three (anterior cingulate, right inferior parietal lobule, and the caudate/lateral dorsal nucleus) showed significantly greater activation during the cocaine film than during the sex film in the cocaine users, which suggests that cocaine cues activated similar neuroanatomical substrates as naturally evocative stimuli in the cocaine users. Finally, contrary to the effects of the cocaine film, cocaine users showed a smaller response than the comparison subjects to the sex film. CONCLUSIONS: These data suggest that cocaine craving is not associated with a dedicated and unique neuroanatomical circuitry; instead, unique to the cocaine user is the ability of learned, drug-related cues to produce brain activation comparable to that seen with nondrug evocative stimuli in healthy comparison subjects.

The default mode network (DMN) in humans has been suggested to support a variety of cognitive functions and has been implicated in an array of neuropsychological disorders. However, its function(s) remains poorly understood. We show that rats possess a DMN that is broadly similar to the DMNs of nonhuman primates and humans. Our data suggest that, despite the distinct evolutionary paths between rodent and primate brain, a well-organized, intrinsically coherent DMN appears to be a fundamental feature in the mammalian brain whose primary functions might be to integrate multimodal sensory and affective information to guide behavior in anticipation of changing environmental contingencies.

Although extensive evidence exists for the reinforcing properties of drugs of abuse such as cocaine, relatively less research has addressed the functional neuroanatomical correlates of the cognitive sequelae of these drugs. We present a functional magnetic resonance imaging study of a GO-NOGO task in which successful performance required prepotent behaviors to be inhibited. Significant cingulate, pre-supplementary motor and insula hypoactivity was observed for both successful NOGOs and errors of commission in chronic cocaine users relative to cocaine-naive controls. This attenuated response, in the presence of comparable activation levels in other task-related cortical areas, suggests cortical and psychological specificity in the locus of drug abuse-related cognitive dysfunction. The results suggest that addiction may be accompanied by a disruption of brain structures critical for the higher-order, cognitive control of behavior.

The anterior cingulate cortex (ACC) is part of a network implicated in the development of self-regulation and whose connectivity changes dramatically in development. In previous studies we showed that 3 h of mental training, based on traditional Chinese medicine (integrative body-mind training, IBMT), increases ACC activity and improves self-regulation. However, it is not known whether changes in white matter connectivity can result from small amounts of mental training. We here report that 11 h of IBMT increases fractional anisotropy (FA), an index indicating the integrity and efficiency of white matter in the corona radiata, an important white-matter tract connecting the ACC to other structures. Thus IBMT could provide a means for improving self-regulation and perhaps reducing or preventing various mental disorders.

OBJECTIVE: Nicotine is a highly addictive substance, and cigarette smoking is a major cause of premature death among humans. Little is known about the neuropharmacology and sites of action of nicotine in the human brain. Such knowledge might help in the development of new behavioral and pharmacological therapies to aid in treating nicotine dependence and to improve smoking cessation success rates. METHOD: Functional magnetic resonance imaging, a real-time imaging technique, was used to determine the acute CNS effects of intravenous nicotine in 16 active cigarette smokers. An injection of saline followed by injections of three doses of nicotine (0.75, 1.50, and 2.25 mg/70 kg of weight) were each administered intravenously over 1-minute periods in an ascending, cumulative-dosing paradigm while whole brain gradient-echo, echo-planar images were acquired every 6 seconds during consecutive 20-minute trials. RESULTS: Nicotine induced a dose-dependent increase in several behavioral parameters, including feelings of “rush” and “high” and drug liking. Nicotine also induced a dose-dependent increase in neuronal activity in a distributed system of brain regions, including the nucleus accumbens, amygdala, cingulate, and frontal lobes. Activation in these structures is consistent with nicotine's behavior-arousing and behavior-reinforcing properties in humans. CONCLUSIONS: The identified brain regions have been previously shown to participate in the reinforcing, mood-elevating, and cognitive properties of other abused drugs such as cocaine, amphetamine, and opiates, suggesting that nicotine acts similarly in the human brain to produce its reinforcing and dependence properties. (Am J Psychiatry 1998; 155:1009–1015)

Synchronized low-frequency spontaneous fluctuations of the functional MRI (fMRI) signal have recently been applied to investigate large-scale neuronal networks of the brain in the absence of specific task instructions. However, the underlying neural mechanisms of these fluctuations remain largely unknown. To this end, electrophysiological recordings and resting-state fMRI measurements were conducted in α-chloralose-anesthetized rats. Using a seed-voxel analysis strategy, region-specific, anesthetic dose-dependent fMRI resting-state functional connectivity was detected in bilateral primary somatosensory cortex (S1FL) of the resting brain. Cortical electroencephalographic signals were also recorded from bilateral S1FL; a visual cortex locus served as a control site. Results demonstrate that, unlike the evoked fMRI response that correlates with power changes in the γ bands, the resting-state fMRI signal correlates with the power coherence in low-frequency bands, particularly the δ band. These data indicate that hemodynamic fMRI signal differentially registers specific electrical oscillatory frequency band activity, suggesting that fMRI may be able to distinguish the ongoing from the evoked activity of the brain.

Preclinical models have consistently demonstrated the importance of the mesocorticolimbic (MCL) brain reward system in drug dependence, with critical molecular and cellular neuroadaptations identified within these structures following chronic cocaine administration. Cocaine dependent individuals manifest alterations in reward functioning that may relate to changes induced by cocaine or to pre-existing differences related to vulnerability to addiction. The circuit level manifestations of these drug-induced plastic changes and predispositions to drug dependence are poorly understood in preclinical models and virtually unknown in human drug dependence. Using whole-brain resting-state fMRI connectivity analysis with 'seed voxels' placed within individual nodes of the MCL system, we report network-specific functional connectivity strength decreases in cocaine users within distinct circuits of the system, including between ventral tegmental area (VTA) and a region encompassing thalamus/lentiform nucleus/nucleus accumbens, between amygdala and medial prefrontal cortex (mPFC), and between hippocampus and dorsal mPFC. Further, regression analysis on regions showing significant functional connectivity decrease in chronic cocaine users revealed that the circuit strength between VTA and thalamus/lentiform nucleus/nucleus accumbens was negatively correlated with years of cocaine use. This is the first evidence of circuit-related changes in human cocaine dependence and is consistent with the range of cognitive and behavioral disruptions seen in cocaine dependence. As potential circuit level biomarkers of cocaine dependence, these circuit alterations may be usefully applied in treatment development and monitoring treatment outcome.

Abstract Hemispheric asymmetry is a cardinal feature of human brain organization. Altered brain asymmetry has also been linked to some cognitive and neuropsychiatric disorders. Here the ENIGMA consortium presents the largest ever analysis of cerebral cortical asymmetry and its variability across individuals. Cortical thickness and surface area were assessed in MRI scans of 17,141 healthy individuals from 99 datasets worldwide. Results revealed widespread asymmetries at both hemispheric and regional levels, with a generally thicker cortex but smaller surface area in the left hemisphere relative to the right. Regionally, asymmetries of cortical thickness and/or surface area were found in the inferior frontal gyrus, transverse temporal gyrus, parahippocampal gyrus, and entorhinal cortex. These regions are involved in lateralized functions, including language and visuospatial processing. In addition to population-level asymmetries, variability in brain asymmetry was related to sex, age, and brain size (indexed by intracranial volume). Interestingly, we did not find significant associations between asymmetries and handedness. Finally, with two independent pedigree datasets ( N = 1,443 and 1,113, respectively), we found several asymmetries showing modest but highly reliable heritability. The structural asymmetries identified, and their variabilities and heritability provide a reference resource for future studies on the genetic basis of brain asymmetry and altered laterality in cognitive, neurological, and psychiatric disorders. Significance Statement Left-right asymmetry is a key feature of the human brain's structure and function. It remains unclear which cortical regions are asymmetrical on average in the population, and how biological factors such as age, sex and genetic variation affect these asymmetries. Here we describe by far the largest ever study of cerebral cortical brain asymmetry, based on data from 17,141 participants. We found a global anterior-posterior 'torque' pattern in cortical thickness, together with various regional asymmetries at the population level, which have not been previously described, as well as effects of age, sex, and heritability estimates. From these data, we have created an on-line resource that will serve future studies of human brain anatomy in health and disease.

ABSTRACT The cortex and striatum are linked by hundreds of thousands of structural connections, and the transmission of temporally aligned communications across many of these connections at once is an electrophysiological prerequisite for striatal activation. Despite the importance of communication timing in corticostriatal circuitry, there is little understanding of its system-level organization and properties. To investigate this, we leveraged emerging methods to “temporally unwrap” fMRI data and measure patterns of cortex-striatum node-pair coactivation at frame-wise (i.e., <1 sec) resolution in low head-motion subjects from the Human Connectome Project. First, we identify communities of cortex-striatum node-pairs with preferentially synchronized coactivation patterns. Surprisingly, we find that the map of striatal areas with temporally aligned cortical coactivation patterns does not simply reflect the map of striatal areas with similar cortical connectivity profiles. As a result of the distinct spatial organization of these gradients, striatal nodes connected to similar areas of cortex may nonetheless interact with these cortical areas at different times, and striatal nodes connected to different areas of cortex may nonetheless interact with these areas at similar times. We provide evidence for a possible mechanism driving this divergence: striatal nodes with similar cortical connectivity profiles may have differently timed interactions with cortex if they have different modulatory input profiles (i.e., from the midbrain and thalamus) that differentially gate their responsivity to cortical input. Overall, this blended organization may serve to both increase the repertoire of striatal responses to frontal input and facilitate coordination across functional domains in the temporal dimension. Findings provide a framework to investigate the role of corticostriatal temporal coordination in behavior and disease. SIGNIFICANCE STATEMENT We provide the first systems-level account of temporal communication patterns between cortex-striatum node-pairs, mapping communities of node-pairs with synchronized communication patterns using an emerging fMRI temporal-unwrapping technique and providing evidence for the mechanism that dictates the organization of these communities. Findings have broad implications for our understanding of the functional architecture of corticostriatal circuits.