A number of neuroimaging findings have been interpreted as evidence that the left inferior frontal gyrus (IFG) subserves retrieval of semantic knowledge. We provide a fundamentally different interpretation, that it is not retrieval of semantic knowledge per se that is associated with left IFG activity but rather selection of information among competing alternatives from semantic memory. Selection demands were varied across three semantic tasks in a single group of subjects. Functional magnetic resonance imaging signal in overlapping regions of left IFG was dependent on selection demands in all three tasks. In addition, the degree of semantic processing was varied independently of selection demands in one of the tasks. The absence of left IFG activity for this comparison counters the argument that the effects of selection can be attributed solely to variations in degree of semantic retrieval. Our findings suggest that it is selection, not retrieval, of semantic knowledge that drives activity in the left IFG.

Cerebral hemodynamic responses to brief periods of neural activity are delayed and dispersed in time. The specific shape of these responses is of some importance to the design and analysis of blood oxygenation level-dependent (BOLD), functional magnetic resonance imaging (fMRI) experiments. Using fMRI scanning, we examine here the characteristics and variability of hemodynamic responses from the central sulcus in human subjects during an event-related, simple reaction time task. Specifically, we determine the contribution of subject, day, and scanning session (within a day) to variability in the shape of evoked hemodynamic response. We find that while there is significant and substantial variability in the shape of responses collected across subjects, responses collected during multiple scans within a single subject are less variable. The results are discussed in terms of the impact of response variability upon sensitivity and specificity of analyses of event-related fMRI designs.

Single-unit recordings in monkeys have revealed neurons in the lateral prefrontal cortex that increase their firing during a delay between the presentation of information and its later use in behavior. Based on monkey lesion and neurophysiology studies, it has been proposed that a dorsal region of lateral prefrontal cortex is necessary for temporary storage of spatial information whereas a more ventral region is necessary for the maintenance of nonspatial information. Functional neuroimaging studies, however, have not clearly demonstrated such a division in humans. We present here an analysis of all reported human functional neuroimaging studies plotted onto a standardized brain. This analysis did not find evidence for a dorsal/ventral subdivision of prefrontal cortex depending on the type of material held in working memory, but a hemispheric organization was suggested (i.e., left—nonspatial; right—spatial). We also performed functional MRI studies in 16 normal subjects during two tasks designed to probe either nonspatial or spatial working memory, respectively. A group and subgroup analysis revealed similarly located activation in right middle frontal gyrus (Brodmann's area 46) in both spatial and nonspatial [working memory-control] subtractions. Based on another model of prefrontal organization [M. Petrides, Frontal lobes and behavior, Cur. Opin. Neurobiol., 4 (1994) 207–211], a reconsideration of the previous imaging literature data suggested that a dorsal/ventral subdivision of prefrontal cortex may depend upon the type of processing performed upon the information held in working memory.

Temporal autocorrelation, spatial coherency, and their effects on voxel-wise parametric statistics were examined in BOLD fMRI null-hypothesis, or "noise," datasets. Seventeen normal, young subjects were scanned using BOLD fMRI while not performing any time-locked experimental behavior. Temporal autocorrelation in these datasets was described well by a 1/frequency relationship. Voxel-wise statistical analysis of these noise datasets which assumed independence (i.e., ignored temporal autocorrelation) rejected the null hypothesis at a higher rate than specified by the nominal alpha. Temporal smoothing in conjunction with the use of a modified general linear model (Worsley and Friston, 1995, NeuroImage 2: 173-182) brought the false-positive rate closer to the nominal alpha. It was also found that the noise fMRI datasets contain spatially coherent time signals. This observed spatial coherence could not be fully explained by a continuously differentiable spatial autocovariance function and was much greater for lower temporal frequencies. Its presence made voxel-wise test statistics in a given noise dataset dependent, and thus shifted their distributions to the right or left of 0. Inclusion of a "global signal" covariate in the general linear model reduced this dependence and consequently stabilized (i.e., reduced the variance of) dataset false-positive rates.

The hippocampus has been proposed as the site of neural representation of large-scale environmental space, based upon the identification of place cells (neurons with receptive fields for current position in the environment) within the rat hippocampus and the demonstration that hippocampal lesions impair place learning in the rat. The inability to identify place cells within the monkey hippocampus and the observation that unilateral hippocampal lesions do not selectively impair topographic behavior in humans suggest that alternate regions may subserve this function in man. To examine the contribution of the hippocampus and adjacent medial-temporal lobe structures to topographic learning in the human, a 'virtual' maze was used as a task environment during functional magnetic resonance imaging studies. During the learning and recall of topographic information, medial-temporal activity was confined to the para- hippocampal gyri. This activity accords well with the lesion site known to produce topographical disorientation in humans. Activity was also observed in cortical areas known to project to the parahippocampus and previously proposed to contribute to a network subserving spatially guided behavior.

In the companion to this paper (E. Zarahn, G. K. Aguirre, and M. D'Esposito, 1997,NeuroImage,179–197), we describe an implementation of a general linear model for autocorrelated observations in which the voxel-wise false-positive rates in fMRI "noise" datasets were stabilized and brought close to theoretical values. Here, implementations of the model are tested for use with statistical parametric mapping analysis of spatially smoothed fMRI data. Analyses using varying models of intrinsic temporal autocorrelation and either including or excluding a global signal covariate were conducted upon human subject data collected under null hypothesis as well as under experimental conditions. We found that smoothing with an empirically derived impulse response function (IRF), combined with a model of the intrinsic temporal autocorrelation in spatially smoothed fMRI data, resulted in a map-wise false-positive rate which did not exceed a 5% level when a nominal α = 0.05 tabular threshold was applied. Use of other models of intrinsic temporal autocorrelation resulted in map-wise false-positive rates that significantly exceeded this level. fMRI data collected while subjects performed a behavioral task were used to examine (a) task-dependent global signal changes and (b) the dependence of sensitivity on the temporal smoothing kernel and inclusion/exclusion of a global signal covariate. The global signal changes within an fMRI dataset were shown to be influenced by the performance of a behavioral task. However, the inclusion of this measure as a covariate did not have an adverse affect upon our measure of sensitivity. Finally, use of an empirically derived estimate of the IRF of the system was shown to result in greater map-wise sensitivity for signal changes than the use of a broader (in time) Poisson (parameter = 8 s) kernel.

The use of functional neuroimaging to test hypotheses regarding age-related changes in the neural substrates of cognitive processes relies on assumptions regarding the coupling of neural activity to neuroimaging signal. Differences in neuroimaging signal response between young and elderly subjects can be mapped directly to differences in neural response only if such coupling does not change with age. Here we examined spatial and temporal characteristics of the BOLD fMRI hemodynamic response in primary sensorimotor cortex in young and elderly subjects during the performance of a simple reaction time task. We found that 75% of elderly subjects (n = 20) exhibited a detectable voxel-wise relationship with the behavioral paradigm in this region as compared to 100% young subjects (n = 32). The median number of suprathreshold voxels in the young subjects was greater than four times that of the elderly subjects. Young subjects had a slightly greater signal:noise per voxel than the elderly subjects that was attributed to a greater level of noise per voxel in the elderly subjects. The evidence did not support the idea that the greater head motion observed in the elderly was the cause of this greater voxel-wise noise. There were no significant differences between groups in either the shape of the hemodynamic response or in its the within-group variability, although the former evidenced a near significant trend. The overall finding that some aspects of the hemodynamic coupling between neural activity and BOLD fMRI signal change with age cautions against simple interpretations of the results of imaging studies that compare young and elderly subjects.

Isolated, ventral brain lesions in humans occasionally produce specific impairments in the ability to use landmarks, particularly buildings, for way-finding. Using functional MRI, we tested the hypothesis that there exists a cortical region specialized for the perception of buildings. Across subjects, a region straddling the right lingual sulcus was identified that possessed the functional correlates predicted for a specialized building area. A series of experiments discounted several alternative explanations for the behavior of this site. These results are discussed in terms of their impact upon our understanding of the functional structure of visual processing, disorders of topographical disorientation, and the influence of environmental conditions upon neural organization.

The neural substrates of mental image generation were investigated with functional MRI. Subjects listened to words under two different instructional conditions: to generate visual mental images of the words' referents, or to simply listen to each word and wait for the next word. Analyses were performed which directly compared the regional brain activity during each condition, with the goal of discovering whether mental image generation engages modality-specific visual areas, whether it engages primary visual cortex, and whether it recruits the left hemisphere to a greater extent than the right. Results revealed that visual association cortex, and not primary visual cortex, was engaged during the mental image generation condition. Left inferior temporal lobe (Brodmann's area 37) was the most reliably and robustly activated area across subjects, but some subjects had activity which extended superiorly into occipital association cortex (area 19). The results of this experiment support the hypothesis that visual mental imagery is a function of visual association cortex, and that image generation is asymmetrically localized to the left.

An experimental design for functional MRI (fMRI) is presented whose conceptual units of analysis are behavioral trials, in contrast to blocks of trials. This type of design is referred to as a trial-based (TB) fMRI design. It is explained how TB designs can afford the ability to: (1) randomize the presentation of behavioral trials and (2) utilize intertrial variance in uncontrolled behavioral measures to examine their functional correlates. A particular type of TB design that involves modeling trial-evoked fMRI responses with one or more shifted impulse response functions is described. This design is capable of discriminating functional changes occurring during temporally separated behavioral subcomponents within trials. An example of such a design is implemented and its statistical specificity, functional sensitivity, and functional specificity are tested.