Abstract A recurring issue in functional neuroimaging is how to link task-driven hemodynamic BOLD-fMRI responses to underlying neurochemistry at the synaptic level. Glutamate and GABA, the major excitatory and inhibitory neurotransmitters respectively, are typically measured with MR spectroscopy (MRS) sequences in a resting state, in the absence of a task. We propose to resolve this disconnect by applying a novel method to concurrently acquire BOLD, Glx and GABA measurements from a single voxel, using a locally adapted MEGA-PRESS sequence implementation which incorporates unsuppressed water reference signals at a regular interval, allowing continuous assessment of BOLD-related linewidth variation for fMRS applications. Healthy subjects (N = 81) performed a cognitive task (Eriksen Flanker) which was presented visually in a task-OFF, task-ON block design, with individual event stimulus timing varied with respect to the MRS readout. BOLD data acquired with the adapted MEGA-PRESS sequence were correlated with data acquired using a standard fMRI EPI sequence as a means of validating the concurrent approach: a significant (although moderate) correlation was observed, specific to the fMRS-targeted region of interest. We additionally present a novel linear model for extracting modelled spectra associated with discrete functional stimuli, building on well-established processing and quantification tools. Behavioural outcomes from the Flanker task, and activation patterns from the BOLD-fMRI sequence, were as expected from the literature. fMRS-assessed BOLD response correlated strongly with slowing of response time in the incongruent Flanker condition. Moreover, there was a significant increase in measured Glx levels (~8.8%), between task-OFF and task-ON periods. These findings verify the efficacy of our functional task and analysis pipelines for the simultaneous assessment of BOLD and metabolite fluctuations in a single voxel. As well as providing a robust basis for further work using these techniques, we also identify a number of clear directions for further refinement in future studies. Highlights: Concurrent measurement of temporally resolved metabolite estimates and local BOLD-related signal changes is demonstrated In-vivo, GABA-edited functional 1 H-MRS data were collected from 81 healthy subjects whilst they performed a cognitive task Robust task-related increases in measured Glutamate+Glutamine were observed in the Anterior Cingulate Cortex Moderate correlation was observed between BOLD contrast strength as assessed by fMRS and fMRI techniques, specific to the prescribed region A novel technique for extraction of block- or event-related sub-spectra is demonstrated Graphical Abstract: A novel sequence adaption for concurrent measurement of GABA-edited spectroscopy and functional BOLD changes is demonstrated on N=81 healthy subjects. Significant changes in measured Glutamate+Glutamine concentration are found, along with the expected behavioural and BOLD effects in response to a Flanker task.

Auditory verbal hallucinations, or "hearing voices", is a remarkable state of the mind, occurring in psychiatric and neurological patients, and in a significant minority of the general population. An unexplained characteristic of this phenomenon is that it transiently fluctuates, with coming and going of episodes with time. We monitored neural activity with BOLD-fMRI second-by-second before and after participants indicated the start and end of a transient hallucinatory episode during the scanning session by pressing a response-button. We show that a region in the ventro-medial frontal cortex is activated in advance of conscious awareness of going in or out of a transient hallucinatory state. There was an increase in activity initiated a few seconds before the button-press for onsets, and a corresponding decrease in activity initiated a few seconds before the button-press for offsets. We identified the time between onset and offset button-presses, extracted the corresponding BOLD time-courses from nominated regions-of-interest, and analyzed changes in the signal from 10 seconds before to 15 seconds after the response-button was pressed, which identified onset and offset events. We suggest that this brain region act as a switch to turn on and off a hallucinatory episode. The results may have implications for new interventions for intractable hallucinations.

The perception of a voice in the absence of an external auditory source - an auditory verbal hallucination - is a characteristic symptom of schizophrenia. To better understand this phenomenon requires integration of findings across behavioural, functional, and neurochemical levels. We address this with a locally adapted MEGA-PRESS sequence incorporating interleaved unsuppressed water acquisitions, allowing concurrent assessment of behaviour, blood-oxygenation-level-dependent (BOLD) functional changes, Glutamate+Glutamine (Glx), and GABA, synchronised with a cognitive (flanker) task. We acquired data from the anterior cingulate cortex (ACC) of 51 patients with psychosis (predominantly schizophrenia spectrum disorder) and hallucinations, matched to healthy controls. Consistent with the notion of an excitatory/inhibitory imbalance, we hypothesized differential effects for Glx and GABA between groups, and aberrant dynamics in response to task. Results showed impaired task performance, lower baseline Glx and positive association between Glx and BOLD in patients, contrasting a negative correlation in healthy controls. Task-related increases in Glx were observed in both groups, with no significant difference between groups. No significant effects were observed for GABA. These findings suggest that a putative excitatory/inhibitory imbalance affecting inhibitory control in the ACC is primarily observed as tonic, baseline glutamate differences, rather than GABAergic effects or aberrant dynamics in relation to a task.