The superior frontal gyrus (SFG) is thought to contribute to higher cognitive functions and particularly to working memory (WM), although the nature of its involvement remains a matter of debate. To resolve this issue, methodological tools such as lesion studies are needed to complement the functional imaging approach. We have conducted the first lesion study to investigate the role of the SFG in WM and address the following questions: do lesions of the SFG impair WM and, if so, what is the nature of the WM impairment? To answer these questions, we compared the performance of eight patients with a left prefrontal lesion restricted to the SFG with that of a group of 11 healthy control subjects and two groups of patients with focal brain lesions [prefrontal lesions sparing the SFG (n = 5) and right parietal lesions (n = 4)] in a series of WM tasks. The WM tasks (derived from the classical n-back paradigm) allowed us to study the impact of the SFG lesions on domain (verbal, spatial, face) and complexity (1-, 2- and 3-back) processing within WM. As expected, patients with a left SFG lesion exhibited a WM deficit when compared with all control groups, and the impairment increased with the complexity of the tasks. This complexity effect was significantly more marked for the spatial domain. Voxel-to-voxel mapping of each subject's performance showed that the lateral and posterior portion of the SFG (mostly Brodmann area 8, rostral to the frontal eye field) was the subregion that contributed the most to the WM impairment. These data led us to conclude that (i) the lateral and posterior portion of the left SFG is a key component of the neural network of WM; (ii) the participation of this region in WM is triggered by the highest level of executive processing; (iii) the left SFG is also involved in spatially oriented processing. Our findings support a hybrid model of the anatomical and functional organization of the lateral SFG for WM, according to which this region is involved in higher levels of WM processing (monitoring and manipulation) but remains oriented towards spatial cognition, although the domain specificity is not exclusive and is overridden by an increase in executive demand, regardless of the domain being processed. From a clinical perspective, this study provides new information on the impact of left SFG lesions on cognition that will be of use to neurologists and neurosurgeons.

Intraoperative electrical stimulation, which temporarily inactivates restricted regions during brain surgery, can map cognitive functions in humans with spatiotemporal resolution unmatched by other methods. Using this technique, we found that stimulation of the right inferior parietal lobule or the caudal superior temporal gyrus, but not of its rostral portion, determined rightward deviations on line bisection. However, the strongest shifts occurred with subcortical stimulation. Fiber tracking identified the stimulated site as a section of the superior occipitofrontal fasciculus, a poorly known parietal-frontal pathway. These findings suggest that parietal-frontal communication is necessary for the symmetrical processing of the visual scene.

Models of the "visual word form system" postulate that a left occipitotemporal region implements the automatic visual word recognition required for efficient reading. This theory was assessed in a patient in whom reading was explored with behavioral measures, fMRI, and intracranial local field potentials. Prior to surgery, when reading was normal, fMRI revealed a normal mosaic of ventral visual selectivity for words, faces, houses, and tools. Intracranial recordings demonstrated that the left occipitotemporal cortex responded with a short latency to conscious but also to subliminal words. Surgery removed a small portion of word-responsive occipitotemporal cortex overlapping with the word-specific fMRI activation. The patient developed a marked reading deficit, while recognition of other visual categories remained intact. Furthermore, in the post-surgery fMRI map of visual cortex, only word-specific activations disappeared. Altogether, these results provide direct evidence for the causal role of the left occipitotemporal cortex in the recognition of visual words.

In neuroscience, there is a growing consensus that higher cognitive functions may be supported by distributed networks involving different cerebral regions, rather than by single brain areas. Communication within these networks is mediated by white matter tracts and is particularly prominent in the frontal lobes for the control and integration of information. However, the detailed mapping of frontal connections remains incomplete, albeit crucial to an increased understanding of these cognitive functions. Based on 47 high-resolution diffusion-weighted imaging datasets (age range 22–71 years), we built a statistical normative atlas of the frontal lobe connections in stereotaxic space, using state-of-the-art spherical deconvolution tractography. We dissected 55 tracts including U-shaped fibers. We further characterized these tracts by measuring their correlation with age and education level. We reported age-related differences in the microstructural organization of several, specific frontal fiber tracts, but found no correlation with education level. Future voxel-based analyses, such as voxel-based morphometry or tract-based spatial statistics studies, may benefit from our atlas by identifying the tracts and networks involved in frontal functions. Our atlas will also build the capacity of clinicians to further understand the mechanisms involved in brain recovery and plasticity, as well as assist clinicians in the diagnosis of disconnection or abnormality within specific tracts of individual patients with various brain diseases.

Creativity is of central importance for human civilization, yet its neurocognitive bases are poorly understood. The aim of the present study was to integrate existing functional imaging data by using the meta-analysis approach. We reviewed 34 functional imaging studies that reported activation foci during tasks assumed to engage creative thinking in healthy adults. A coordinate-based meta-analysis using Activation Likelihood Estimation (ALE) first showed a set of predominantly left-hemispheric regions shared by the various creativity tasks examined. These regions included the caudal lateral prefrontal cortex (PFC), the medial and lateral rostral PFC, and the inferior parietal and posterior temporal cortices. Further analyses showed that tasks involving the combination of remote information (combination tasks) activated more anterior areas of the lateral PFC than tasks involving the free generation of unusual responses (unusual generation tasks), although both types of tasks shared caudal prefrontal areas. In addition, verbal and non-verbal tasks involved the same regions in the left caudal prefrontal, temporal, and parietal areas, but also distinct domain-oriented areas. Taken together, these findings suggest that several frontal and parieto-temporal regions may support cognitive processes shared by diverse creativity tasks, and that some regions may be specialized for distinct types of processes. In particular, the lateral PFC appeared to be organized along a rostro-caudal axis, with rostral regions involved in combining ideas creatively and more posterior regions involved in freely generating novel ideas.

Abstract The brain is constituted of multiple networks of functionally correlated brain areas, out of which the default-mode network (DMN) is the largest. Most existing research into the DMN has taken a corticocentric approach. Despite its resemblance with the unitary model of the limbic system, the contribution of subcortical structures to the DMN may be underappreciated. Here, we propose a more comprehensive neuroanatomical model of the DMN including subcortical structures such as the basal forebrain, cholinergic nuclei, anterior and mediodorsal thalamic nuclei. Additionally, tractography of diffusion-weighted imaging was employed to explore the structural connectivity, which revealed that the thalamus and basal forebrain are of central importance for the functioning of the DMN. The contribution of these neurochemically diverse brain nuclei reconciles previous neuroimaging with neuropathological findings in diseased brains and offers the potential for identifying a conserved homologue of the DMN in other mammalian species.

Patients with brain lesions provide a unique opportunity to understand the functioning of the human mind. However, even when focal, brain lesions have local and remote effects that impact functionally and structurally connected circuits. Similarly, function emerges from the interaction between brain areas rather than their sole activity. For instance, category fluency requires the associations between executive, semantic, and language production functions.Here, we provide, for the first time, a set of complementary solutions for measuring the impact of a given lesion on the neuronal circuits. Our methods, which were applied to 37 patients with a focal frontal brain lesions, revealed a large set of directly and indirectly disconnected brain regions that had significantly impacted category fluency performance. The directly disconnected regions corresponded to areas that are classically considered as functionally engaged in verbal fluency and categorization tasks. These regions were also organized into larger directly and indirectly disconnected functional networks, including the left ventral fronto-parietal network, whose cortical thickness correlated with performance on category fluency.The combination of structural and functional connectivity together with cortical thickness estimates reveal the remote effects of brain lesions, provide for the identification of the affected networks, and strengthen our understanding of their relationship with cognitive and behavioral measures. The methods presented are available and freely accessible in the BCBtoolkit as supplementary software [1].

Abstract Most existing research into the default-mode network (DMN) has taken a corticocentric approach. Despite the resemblance of the DMN with the unitary model of the limbic system, the anatomy and contribution of subcortical structures to the network may be underappreciated due to methods limitation. Here, we propose a new and more comprehensive neuroanatomical model of the DMN including the basal forebrain and anterior and mediodorsal thalamic nuclei and cholinergic nuclei. This has been achieved by considering functional territories during interindividual brain alignment. Additionally, tractography of diffusion-weighted imaging was employed to explore the structural connectivity of the DMN and revealed that the thalamus and basal forebrain had high importance in term of values of node degree and centrality in the network. The contribution of these neurochemically diverse brain nuclei reconciles previous neuroimaging with neuropathological findings in diseased brain and offers the potential for identifying a conserved homologue of the DMN in other mammalian species.

Abstract Problem-solving often requires creativity and is critical in everyday life. However, the neurocognitive mechanisms underlying creative problem-solving remain poorly understood. Two mechanisms have been highlighted: forming new connections from and between the problem elements and insight solving (with a sudden realization of a solution). We examined EEG activity during an adapted version of a classical insight problem task, the Remote Associates Test, that requires finding a word connecting three words. It allowed us to explore remoteness in semantic connections (by varying the remoteness of the solution word across trials) and insight solving (identified as a “Eurêka” moment reported by the participants). Semantic remoteness was associated with a power increase in alpha band (8-12Hz) in a left parieto-temporal cluster, beta band (13-30Hz) in a right fronto-temporal cluster in the early phase of the task, and theta band (3-7Hz) in frontal cluster before the participants responded. Insight solving was associated with power increase preceding the response in alpha and gamma band (31-60Hz) in left temporal clusters and theta band in a frontal cluster. Source reconstructions show the brain regions associated with these clusters. Overall, our findings shed new light on the dynamic of some of the mechanisms involved in creative problem-solving.

Abstract Creative cognition relies on the ability to form remote associations between concepts, which allows to generate novel ideas or solve new problems. Such an ability is related to the organization of semantic memory; yet whether real-life creative behavior relies on semantic memory organization and its neural substrates remains unclear. Therefore, this study explored associations between brain functional connectivity patterns, network properties of individual semantic memory, and real-life creativity. We acquired multi-echo functional MRI data while participants underwent a semantic relatedness judgment task. These ratings were used to estimate their individual semantic memory networks, whose properties significantly predicted their real-life creativity. Using a connectome-based predictive modeling approach, we identified patterns of task-based functional connectivity that predicted creativity-related semantic memory network properties. Furthermore, these properties mediated the relationship between functional connectivity and real-life creativity. These results provide new insights into how brain connectivity supports the associative mechanisms of creativity.