Functional imaging, single-cell recording and targeted surgical lesions were used in human patients undergoing cingulotomy to show that the dorsal anterior cingulate cortex provides a continuously updated prediction of expected cognitive demand. The dorsal anterior cingulate cortex (dACC) plays an important part in regulating cognitive control in both humans and non-human primates, but its precise function remains a matter of debate. Various hypotheses have been proposed, including reward-based decision making, monitoring for conflict between competing responses, and predicting task difficulty. This paper combines functional imaging, single-cell recording and targeted surgical lesions in human patients preparing for cingulotomy, and shows that the dACC provides a continuously updated prediction of expected cognitive demand. The authors propose that it helps to optimize future behavioural responses by hastening or delaying responses as appropriate to the upcoming cognitive load. The ability to optimize behavioural performance when confronted with continuously evolving environmental demands is a key element of human cognition. The dorsal anterior cingulate cortex (dACC), which lies on the medial surface of the frontal lobes, is important in regulating cognitive control. Hypotheses about its function include guiding reward-based decision making1, monitoring for conflict between competing responses2 and predicting task difficulty3. Precise mechanisms of dACC function remain unknown, however, because of the limited number of human neurophysiological studies. Here we use functional imaging and human single-neuron recordings to show that the firing of individual dACC neurons encodes current and recent cognitive load. We demonstrate that the modulation of current dACC activity by previous activity produces a behavioural adaptation that accelerates reactions to cues of similar difficulty to previous ones, and retards reactions to cues of different difficulty. Furthermore, this conflict adaptation, or Gratton effect2,4, is abolished after surgically targeted ablation of the dACC. Our results demonstrate that the dACC provides a continuously updated prediction of expected cognitive demand to optimize future behavioural responses. In situations with stable cognitive demands, this signal promotes efficiency by hastening responses, but in situations with changing demands it engenders accuracy by delaying responses.

Significance Molecular analysis of surgically resected glioblastomas (GBM) samples has uncovered phenotypically and clinically distinct tumor subtypes. However, little is known about the molecular features of the glioma margins that are left behind after surgery. To address this key issue, we performed RNA-sequencing (RNA-seq) and histological analysis on MRI-guided biopsies from the contrast-enhancing core and nonenhancing margins of GBM. Computational deconvolution of the RNA-seq data revealed that cellular composition, including nonneoplastic cells, is a major determinant of the expression patterns at the margins of GBM. The different GBM subtypes show distinct expression patterns that relate the contrast enhancing centers to the nonenhancing margins of tumors. Understanding these patterns may provide a means to infer the molecular and cellular features of residual disease.

People often forget information because they fail to effectively encode it. Here, we test the hypothesis that targeted electrical stimulation can modulate neural encoding states and subsequent memory outcomes. Using recordings from neurosurgical epilepsy patients with intracranially implanted electrodes, we trained multivariate classifiers to discriminate spectral activity during learning that predicted remembering from forgetting, then decoded neural activity in later sessions in which we applied stimulation during learning. Stimulation increased encoding-state estimates and recall if delivered when the classifier indicated low encoding efficiency but had the reverse effect if stimulation was delivered when the classifier indicated high encoding efficiency. Higher encoding-state estimates from stimulation were associated with greater evidence of neural activity linked to contextual memory encoding. In identifying the conditions under which stimulation modulates memory, the data suggest strategies for therapeutically treating memory dysfunction.

Deep brain stimulation (DBS) has shown promise for treating a range of brain disorders and neurological conditions. One recent study showed that DBS in the entorhinal region improved the accuracy of human spatial memory. Based on this line of work, we performed a series of experiments to more fully characterize the effects of DBS in the medial temporal lobe on human memory. Neurosurgical patients with implanted electrodes performed spatial and verbal-episodic memory tasks. During the encoding periods of both tasks, subjects received electrical stimulation at 50 Hz. In contrast to earlier work, electrical stimulation impaired memory performance significantly in both spatial and verbal tasks. Stimulation in both the entorhinal region and hippocampus caused decreased memory performance. These findings indicate that the entorhinal region and hippocampus are causally involved in human memory and suggest that refined methods are needed to use DBS in these regions to improve memory.

SUMMARY Hemodynamic activity in dorsal anterior cingulate cortex (dACC) correlates with conflict, suggesting it contributes to conflict processing. This correlation could be explained by multiple neural processes that can be disambiguated by population firing rates patterns. We used targeted dimensionality reduction to characterize activity of populations of single dACC neurons as humans performed a task that manipulates two forms of conflict. Although conflict enhanced firing rates, this enhancement did not come from a discrete population of domain-general conflict-encoding neurons, nor from a distinct conflict-encoding response axis. Nor was it the epiphenomenal consequence of simultaneous coactivation of action plans. Instead, conflict amplified the task-relevant information encoded across the neuronal population. Effects of conflict were weaker and more heterogeneous in the dorsolateral prefrontal cortex (dlPFC), suggesting that dACC’s role in conflict processing may be somewhat specialized. Overall, these results support the theory that conflict biases competition between sensorimotor transformation processes occurring in dACC.

Abstract The medial temporal lobe (MTL) is widely implicated in supporting episodic memory and navigation, but its precise functional role in organizing memory across time and space remains elusive. Here we examine the specific cognitive processes implemented by MTL structures (hippocampus and entorhinal cortex) to organize memory by using electrical brain stimulation, leveraging its ability to establish causal links between brain regions and features of behavior. We studied neurosurgical patients of both sexes who performed spatial-navigation and verbal-episodic memory tasks while brain stimulation was applied in various regions during learning. During the verbal memory task, stimulation in the MTL disrupted the temporal organization of encoded memories such that items learned with stimulation tended to be recalled in a more randomized order. During the spatial task, MTL stimulation impaired subjects’ abilities to remember items located far away from boundaries. These stimulation effects were specific to the MTL. Our findings thus provide the first causal demonstration in humans of the specific memory processes that are performed by the MTL to encode when and where events occurred. Significance Statement Numerous studies have implicated the medial temporal lobe (MTL) in encoding spatial and temporal memories, but they have not been able to causally demonstrate the nature of the cognitive processes by which this occurs in real-time. Electrical brain stimulation is able to demonstrate causal links between a brain region and a given function with high temporal precision. By examining behavior in a memory task as subjects received MTL stimulation, we provide the first causal evidence demonstrating the role of the MTL in organizing the spatial and temporal aspects of episodic memory.

Summary The hippocampus and surrounding medial-temporal-lobe (MTL) structures are critical for both memory and spatial navigation, but we do not fully understand the neuronal representations used to support these behaviors. Much research has examined how the MTL neurally represents spatial information, such as with “place cells” that represent the current location or “head-direction cells” that code for the current heading. In addition to behaviors that require an animal to attend to the current spatial location, navigating to remote destinations is a common part of daily life. To examine the neural basis of these behaviors we recorded single-neuron activity from neurosurgical patients playing Treasure Hunt, a virtual-reality spatial-memory task. By analyzing how the activity of these neurons related to behavior in Treasure Hunt, we found that the firing rates of many MTL neurons during navigation significantly changed depending on the position of the current spatial target. In addition, we observed neurons whose firing rates during navigation were tuned to specific heading directions in the environment, and others whose activity changed depending on the timing within the trial. By showing that neurons in our task represent remote locations rather than the subject’s own position, our results suggest that the human MTL can represent remote spatial information according to task demands.

Abstract Advances in device development have enabled concurrent stimulation and recording at adjacent locations in the central nervous system. However, stimulation artifacts obscure the sensed underlying neural activity. Here, we developed a novel method, termed Period-based Artifact Reconstruction and Removal Method (PARRM), to remove stimulation artifacts from neural recordings by leveraging the exact period of stimulation to construct and subtract a high-fidelity template of the artifact. Benchtop saline experiments, computational simulations, five unique in vivo paradigms across animal and human studies, and an obscured movement biomarker were used for validation. Performance was found to exceed that of state-of-the-art filters in recovering complex signals without introducing contamination. PARRM has several advantages: it is 1) superior in signal recovery; 2) easily adaptable to several neurostimulation paradigms; and 3) low-complexity for future on-device implementation. Real-time artifact removal via PARRM will enable unbiased exploration and detection of neural biomarkers to enhance efficacy of closed-loop therapies. Summary Online, real-time artifact removal via PARRM will enable unbiased exploration of neural biomarkers previously obscured by stimulation artifact.

Abstract Periods of cognitive disengagement, such as rest or sleep, are thought to support the progressive consolidation of episodic memories. During these states, the hippocampus displays transient high-frequency oscillatory bursts, known as ripples, which are thought to promote interactions with the neocortex, consolidating memory traces. More recent findings have suggested ripples in the human hippocampus may also occur during task engagement, particularly for tasks requiring episodic memory processes. However, it is unclear if hippocampal ripples occur during other cognitive states or whether ripple properties are modulated by specific types of task demands. In addition, identifying genuine hippocampal ripple events in the human brain can be methodological challenging. To address these questions, we used intracranial recordings from the human hippocampus to quantify ripple events across perceptual, memory and resting task states. Using spectro-temporal identification of hippocampal ripples, we observed highly similar ripple event properties across tasks, with a modest yet significant increase in ripple properties (rate, duration & amplitude) during resting task states. These ripple event attributes did not differ between hemisphere, nor across or within the time of day examined. Supporting data further highlighted that while hippocampal ripples occurred during all task states, these rates were typically lower than that observed during sleep. Together, these findings highlight that hippocampal ripples occur consistently, but sparsely, during a broad range of cognitive task states. Such findings may be incorporated into existing models of systems consolidation, whereby hippocampal ripples help to initially establish latent memory traces.

Abstract Narrowband gamma oscillations (NBG: ∼20-60Hz) in visual cortex reflect rhythmic fluctuations in population activity generated by underlying circuits tuned for stimulus location, orientation, and color. Consequently, the amplitude and frequency of induced NBG activity is highly sensitive to these stimulus features. For example, in the non-human primate, NBG displays biases in orientation and color tuning at the population level. Such biases may relate to recent reports describing the large-scale organization of single-cell orientation and color tuning in visual cortex, thus providing a potential bridge between measurements made at different scales. Similar biases in NBG population tuning have been predicted to exist in the human visual cortex, but this has yet to be fully examined. Using intracranial recordings from human visual cortex, we investigated the tuning of NBG to orientation and color, both independently and in conjunction. NBG was shown to display a cardinal orientation bias (horizontal) and also an end- and mid-spectral color bias (red/blue and green). When jointly probed, the cardinal bias for orientation was attenuated and an end-spectral preference for red and blue predominated. These data both elaborate on the close, yet complex, link between the population dynamics driving NBG oscillations and known feature selectivity biases in visual cortex, adding to a growing set of stimulus dependencies associated with the genesis of NBG. Together, these two factors may provide a fruitful testing ground for examining multi-scale models of brain activity, and impose new constraints on the functional significance of the visual gamma rhythm. Significance Statement Oscillations in electrophysiological activity occur in visual cortex in response to stimuli that strongly drive the orientation or color selectivity of visual neurons. The significance of this induced ‘gamma rhythm’ to brain function remains unclear. Answering this question requires understanding how and why some stimuli can reliably generate gamma activity while others do not. We examined how different orientations and colors independently and jointly modulate gamma oscillations in the human brain. Our data show gamma oscillations are greatest for certain orientations and colors that reflect known biases in visual cortex. Such findings complicate the functional significance of gamma activity, but open new avenues for linking circuits to population dynamics in visual cortex. Classification Neuroscience