Abstract Purpose Atrophy of the hippocampus is an early biomarker of Alzheimer’s disease (AD) and a main contributor to the patients’ mnemonic degeneration. While previous research has mostly focused on how hippocampal atrophy impaired long-term memory performance, its relation to short-term memory impairment, which was also found among patients with AD, remains largely uninvestigated. Filling this gap, the current study examined how atrophy in the hippocampus and its subfields may have influenced visual short-term memory (VSTM) in patients with amnestic mild cognitive impairment (aMCI), a common precursor of AD. Methods Fifty-eight aMCI patients and 69 healthy controls (HC) matched in age were included in the current study. VSTM was assessed using an adapted change detection task with a memory load of 2 or 4 items. Hippocampal subfields were automatically segmented in T1-weighted image using FreeSurfer and were manually inspected for errors. Volumes of the subfields were extracted and compared between aMCI and HC subjects using ANCOVA with age, gender and education as covariates. Furthermore, we also examined the partial correlation between VSTM performances and hippocampal subfield volumes with age, gender and education as covariates. Results Compared to HC subjects, aMCI subjects had lower response accuracy (ACC) and lower memory capacity under both load conditions and had longer reaction time (RT) in the 2-load condition. Left hippocampus volume was significantly smaller in aMCI and was positively correlated with ACC and capacity in HC but not in aMCI. Among the hippocampal subfields, left hippocampal tail, left molecular layer, left dentate gyrus (DG), left CA4, bilateral subiculum, bilateral presubiculum, bilateral fimbria, were significantly smaller while right hippocampal fissure was significantly widened in aMCI compared to HC. Volumes of the left subiculum, left molecular layer, left DG and left CA4 were positively correlated with ACC and capacity in HC but not in aMCI. Bilateral fimbria volume was negatively correlated with RT under the 2-load condition in HC but not in aMCI. Conclusion The results of this study suggested that hippocampal deterioration, especially in subfields related to information input and output (e.g. molecular layer, DG, subiculum), may have contributed to VSTM impairment in aMCI by disrupting hippocampal-cortical communications. This finding adds to increasing evidence of hippocampal engagement in short-term memory processes and points to VSTM impairment as a potential neuropsychological indicator for MCI and AD.

The human brain parsimoniously situates past events by their order in relation to time. Here, we show the posteromedial cortex geometrically abstracts the time intervals separating pairs of event-moments in long-term, episodic memory. Transcranial magnetic stimulation targeted at the precuneus erases these locally distributed multivariate representations, and alters the correlation between precuneal activity patterns and mnemonic judgements, revealing a critical role of the precuneus in abstracting temporal distances during episodic memory retrieval.

Abstract Amnestic mild cognitive impairment (aMCI) is considered to carry a high risk of progression to Alzheimer’s Disease (AD) and it has been characterized by deficits in visual short-term memory (VSTM). However, the relationship between VSTM deficits and pathological brain damage in individuals with MCI has remained unknown. In the current study, we examined a group of 123 elder adults, including 55 with aMCI and 68 age-matched controls. Participants performed color change-detection VSTM tasks, and structural and functional magnetic resonance images were acquired during rest. Compared to the normal control (NC) group, individuals with aMCI exhibited poorer accuracy and longer reaction time in VSTM tasks, along with reduced VSTM capacity. Additionally, structural atrophy was observed in aMCI participants in several brain regions, including the left medial temporal lobe (MTL), the left thalamus, the right frontal pole (FP) and the right postcentral gyrus (postCG). Interestingly, VSTM accuracy and capacity were found to be associated with the volume of the left MTL in the NC group but not in the aMCI group, suggesting alterations in the relationship between VSTM and brain regions in aMCI. However, VSTM capacity was correlated with the volume of the right FP in both groups, suggesting potential compensatory mechanisms involving the prefrontal cortex in aMCI. Moreover, using the atrophic left MTL as a seed, functional connectivity to the right FP was significantly higher in aMCI compared to NC. Notably, this FP area showed overlap with the atrophic frontal areas in terms of structural abnormalities. Furthermore, for individuals with aMCI who had a larger left MTL, the compensatory involvement of the right FP in VSTM, as assessed by brain-behavior correlations, was diminished. In summary, the present study uncovered a mechanism involving MTL dysfunction and prefrontal compensation in aMCI when performing VSTM tasks. These findings may offer valuable insights into potential intervention targets for individuals with aMCI.

Attention and working memory (WM) are intertwined core cognitive processes. Through four experiments with 133 participants, we dissociated the impact of two types of covert spatial attention, endogenous vs. exogenous, on visual WM. Behavioral results consistently indicated that exogenous attentional cues were more advantageous than endogenous ones in enhancing the precision of visual WM under load-2, while they equalized under load-4. In addition, physiological and neural data explained the mechanisms. Converging evidence from eye-tracking, electroencephalography, and magnetoencephalography suggested that fast attentional processing induced by exogenous cues lead to early top-down information from the dorsal lateral prefrontal cortex (DLPFC) to sensory cortices. The differential frontal activities were further correlated with the behavioral distinctions between exogenous and endogenous cues, and transcranial magnetic stimulation over DLPFC at the same time period abolished the exogenous advantage. Taken together, traditionally considered bottom-up attentional processing induced by exogenous cues rapidly engages top-down signals from the frontal cortex, which leads to stronger behavioral benefits compared with the benefits produced by endogenous cues under the low load condition.

Schizophrenia patients are known to have profound deficits in visual working memory (VWM), and almost all previous studies attribute the deficits to decreased memory capacity. This account, however, ignores the potential contributions of other VWM components (e.g., memory precision). Here, we measure the VWM performance of 60 schizophrenia and 61 healthy control subjects. Moreover, we thoroughly evaluate several established computational models of VWM to compare the performance of the two groups. Surprisingly, none of the models reveal group differences in memory capacity and memory resources. We find that the model assuming variable precision across items and trials is the best model to explain the performance of both groups. According to the variable-precision model, schizophrenia subjects exhibit abnormally larger variability of allocating memory resources rather than resources or capacity per se. These results challenge the widely accepted decreased-capacity theory and propose a new perspective on the diagnosis and rehabilitation of schizophrenia.

In studies of cognitive neuroscience, multivariate pattern analysis (MVPA) is widely used as it offers richer information than traditional univariate analysis. Representational similarity analysis (RSA), as one method of MVPA, has become an effective decoding method based on neural data by calculating the similarity between different representations in the brain under different conditions. Moreover, RSA is suitable for researchers to compare data from different modalities, and even bridge data from different species. However, previous toolboxes have been made to fit for specific datasets. Here, we develop a novel and easy-to-use toolbox based on Python named NeuroRA for representational analysis. Our toolbox aims at conducting cross-modal data analysis from multi-modal neural data (e.g. EEG, MEG, fNIRS, ECoG, sEEG, neuroelectrophysiology, fMRI), behavioral data, and computer simulated data. Compared with previous software packages, our toolbox is more comprehensive and powerful. By using NeuroRA, users can not only calculate the representational dissimilarity matrix (RDM), which reflects the representational similarity between different conditions, but also conduct a representational analysis among different RDMs to achieve a cross-modal comparison. In addition, users can save the results as NIfTI files based on fMRI data and plot the results as they wish. We introduce the structure, modules, features, and algorithms of NeuroRA in this paper, as well as examples applying the toolbox in published datasets.

Visual working memory (VWM) and distractibility are two core executive functions in human cognition. It has been suggested that schizophrenia (SZ) patients exhibit worse VWM performance and lower resilience to distraction compared with healthy control (HC) subjects. Previous studies, however, have largely investigated these two functions separately. It still remains unclear what are the mechanisms of the deficits, especially the interactions between the two cognitive domains. Here we modify the standard delay-estimation task in VWM and explicitly add distractors in the task so as to examine the two domains simultaneously. We find that SZ indeed exhibit worse performance compared with HC in almost all VWM load and distraction levels, a result consistent with most prior experimental findings. But adding distractors does not selectively impose larger impacts on SZ performance. Furthermore, unlike most previous studies that only focused on behavioral performance, we use the variable precision model to disentangle the distraction effect on different computational components of VWM (resources and resources allocation variability etc.). Surprisingly, adding distractors significantly elevates resources allocation variability, a parameter describing the heterogeneity of resource allocation across different targets, in HC but not in SZ. This counterintuitive result suggests that the internal VWM process in SZ is less interfered by the distractors. However, this unexpected higher resilience to distraction might be associated with less flexible cognitive control mechanisms. In sum, our work demonstrates that multiple cognitive functions might jointly contribute to dysfunctions in SZ and their interactions might manifest differently from merely summing their independent effects.

Reactivation renders consolidated memory labile again, and the ensuing temporary reconsolidation process is highly susceptible to mnemonic modification. Here, we show that memories in such an unstable state could be reprogrammed by sheer behavioral means, bypassing the need for pharmacological intervention. In two experiments using a 'face-location association' paradigm in which participants experienced a 'Learning - New-learning - Final-test' programme, we demonstrate that reactivated memory traces were robustly hampered when the new learning was strategically administered within a critical 20-minute time window. Using fMRI, we further advance our theoretical understanding that this lability can be mechanistically explained by the differential activation in the hippocampal-amygdala memory system implicated by the new-learning whereas the mnemonic intrusion caused by newly learned memories is efficaciously reconciled by the left inferior frontal gyrus. Our findings provide important implications for educational and clinical practices in devising effective strategies for memory integration.

The neural mechanisms associated with the limited capacity of working memory has long been studied, but it is still unclear how the brain maintains the fidelity of representations in working memory. Here, an orientation recall task for estimating the precision of visual working memory was performed both inside and outside an fMRI scanner. Results showed that the trial-by-trial recall error (in radians) was correlated with delay period activity in the lateral occipital complex (LOC) during working memory maintenance, regardless of the memory load. Moreover, delay activity in LOC also correlated with the individual participant's precision of working memory from a separate behavioral experiment held two weeks prior. Furthermore, a region within the prefrontal cortex, the inferior frontal junction (IFJ), exhibited greater functional connectivity with LOC when the working memory load increased. Together, our findings provide unique evidence that the LOC supports visual working memory precision, while communication between the IFJ and LOC varys with visual working memory load.

Abstract Visual orthographic deficits have been reported as one of the core deficits in reading disability (RD), however, whether the deficits are orthographic-specific or domain general in all visual processing is still in debate. Hereby, we conducted an fMRI and an EEG study to examine visual orthographic deficits in Chinese adults with RD. In the fMRI study, we found that there was reduced brain activation in the left inferior temporal gyrus and right cuneus gyrus in orthographic processing (lexical minus perceptual), but not in visual perceptual processing (perceptual minus null) in adults with RD, suggesting orthographic-specific deficits. In the EEG study, adults with RD showed typical visual binding as indicated by intermodulation SSVEPs (steady-state visual-evoked potentials) for both real and pseudo characters, suggesting normal neural phase locking in the visual modality. These results consistently suggest orthographic specific deficits but normal visual perceptual processing in adults with RD, deepening our understanding of the underlying deficits associated with RD.