The default mode network (DMN) in humans has been suggested to support a variety of cognitive functions and has been implicated in an array of neuropsychological disorders. However, its function(s) remains poorly understood. We show that rats possess a DMN that is broadly similar to the DMNs of nonhuman primates and humans. Our data suggest that, despite the distinct evolutionary paths between rodent and primate brain, a well-organized, intrinsically coherent DMN appears to be a fundamental feature in the mammalian brain whose primary functions might be to integrate multimodal sensory and affective information to guide behavior in anticipation of changing environmental contingencies.

Abstract Experience with diffusion‐weighted imaging (DWI) shows that signal attenuation is consistent with a multicompartmental theory of water diffusion in the brain. The source of this so‐called nonexponential behavior is a topic of debate, because the cerebral cortex contains considerable microscopic heterogeneity and is therefore difficult to model. To account for this heterogeneity and understand its implications for current models of diffusion, a stretched‐exponential function was developed to describe diffusion‐related signal decay as a continuous distribution of sources decaying at different rates, with no assumptions made about the number of participating sources. DWI experiments were performed using a spin‐echo diffusion‐weighted pulse sequence with b ‐values of 500–6500 s/mm 2 in six rats. Signal attenuation curves were fit to a stretched‐exponential function, and 20% of the voxels were better fit to the stretched‐exponential model than to a biexponential model, even though the latter model had one more adjustable parameter. Based on the calculated intravoxel heterogeneity measure, the cerebral cortex contains considerable heterogeneity in diffusion. The use of a distributed diffusion coefficient (DDC) is suggested to measure mean intravoxel diffusion rates in the presence of such heterogeneity. Magn Reson Med 50:727–734, 2003. © 2003 Wiley‐Liss, Inc.

Synchronized low-frequency spontaneous fluctuations of the functional MRI (fMRI) signal have recently been applied to investigate large-scale neuronal networks of the brain in the absence of specific task instructions. However, the underlying neural mechanisms of these fluctuations remain largely unknown. To this end, electrophysiological recordings and resting-state fMRI measurements were conducted in α-chloralose-anesthetized rats. Using a seed-voxel analysis strategy, region-specific, anesthetic dose-dependent fMRI resting-state functional connectivity was detected in bilateral primary somatosensory cortex (S1FL) of the resting brain. Cortical electroencephalographic signals were also recorded from bilateral S1FL; a visual cortex locus served as a control site. Results demonstrate that, unlike the evoked fMRI response that correlates with power changes in the γ bands, the resting-state fMRI signal correlates with the power coherence in low-frequency bands, particularly the δ band. These data indicate that hemodynamic fMRI signal differentially registers specific electrical oscillatory frequency band activity, suggesting that fMRI may be able to distinguish the ongoing from the evoked activity of the brain.

Abstract How does the prefrontal cortex (PFC) regulate motivated behavior? Our experiments characterize the circuits of the PFC regulating motivation, reinforcement and dopamine activity, revealing a novel cortico-thalamic loop. The stimulation of medial PFC (mPFC) neurons activated many downstream regions, as shown by functional MRI. Axonal terminal stimulation of mPFC neurons in downstream regions, including the anteromedial thalamic nucleus (AM), reinforced behavior and activated midbrain dopaminergic neurons. The stimulation of AM neurons projecting to the mPFC also reinforced behavior and activated dopamine neurons, and mPFC and AM showed a positive-feedback loop organization. Reciprocal excitatory functional connectivity, as well as co-activation of the two regions, was found in human participants who watched reinforcing videos. Our results suggest that this cortico-thalamic loop regulates motivation, reinforcement and dopaminergic neuron activity.

Abstract The supramammillary region (SuM) is a posterior hypothalamic structure, known to regulate hippocampal theta oscillations and arousal. However, recent studies reported that the stimulation of SuM neurons with neuroactive chemicals, including substances of abuse, is reinforcing. We conducted experiments to illuminate how SuM neurons mediate such effects. The excitation of SuM glutamatergic (GLU) neurons was reinforcing in mice; this effect was relayed by the projections to septal GLU neurons. SuM neurons were active during exploration and approach behavior and diminished activity during sucrose consumption. Consistently, inhibition of SuM neurons disrupted approach responses, but not sucrose consumption. Such functions are similar to those of mesolimbic dopamine neurons. Indeed, the stimulation of SuM-to-septum GLU neurons and septum-to-ventral tegmental area (VTA) GLU neurons activated mesolimbic dopamine neurons. We propose that the supramammillo-septo-VTA pathway is important in reinforcement and approach motivation and may play an important role in mood and substance-use disorders.

Abstract Background Cognitive dysfunction and high-order psychopathologic dimensions are two main classes of transdiagnostic factors related to psychiatric disorders. They may link to common or distinct core brain networks underlying developmental risk of psychiatric disorders. Method The current study is a longitudinal investigation with 11,875 youths aged 9-to 10-years-old at study onset, from the Adolescent Brain Cognitive Development study. A machine-learning approach based on canonical correlation analysis was used to identify latent dimensional associations of the resting-state functional connectome with multi-domain behavioral assessments of cognitive functions and psychopathological problems. For the latent rsFC factor showing a robust behavioral association, its ability to predict psychiatric disorders was assessed using two-year follow-up data and its genetic association was evaluated using twin data from the same cohort. Result A latent functional connectome pattern was identified that showed a strong and generalizable association with the multi-domain behavioral assessments (5-fold cross validation: ρ = 0.68~0.73, for the training set (N = 5096); ρ = 0.56 ~ 0.58, for the test set (N = 1476)). This functional connectome pattern was highly heritable (h 2 = 74.42%, 95% CI: 56.76%-85.42%), exhibited a dose-response relationship with cumulative number of psychiatric disorders assessed concurrently and 2-years post-MRI-scan, and predicted the transition of diagnosis across disorders over the 2-year follow-up period. Conclusion These findings provide preliminary evidence for a transdiagnostic connectome-based measure that underlies individual differences in developing psychiatric disorders in early adolescence.

This study aims to describe a MATLAB software package for transcranial magnetic stimulation (TMS) coil analysis and design.Electric and magnetic fields of the coils as well as their self- and mutual (for coil arrays) inductances are computed, with or without a magnetic core. Solid and stranded (Litz wire) conductors are also taken into consideration. The starting point is the centerline of a coil conductor(s), which is a 3D curve defined by the user. Then, a wire mesh and a computer aided design (CAD) mesh for the volume conductor of a given cross-section (circular, elliptical, or rectangular) are automatically generated. Self- and mutual inductances of the coil(s) are computed. Given the conductor current and its time derivative, electric and magnetic fields of the coil(s) are determined anywhere in space.Computations are performed with the fast multipole method (FMM), which is the most efficient way to evaluate the fields of many elementary current elements (current dipoles) comprising the current carrying conductor at a large number of observation points. This is the major underlying mathematical operation behind both inductance and field calculations.The wire-based approach enables precise replication of even the most complex physical conductor geometries, while the FMM acceleration quickly evaluates large quantities of elementary current filaments. Agreement to within 0.74% was obtained between the inductances computed by the FMM method and ANSYS Maxwell 3D for the same coil model. Although not provided in this study, it is possible to evaluate non-linear magnetic cores in addition to the linear core exemplified. An experimental comparison was carried out against a physical MagVenture C-B60 coil; the measured and simulated inductances differed by only 1.25%, and nearly perfect correlation was found between the measured and computed E-field values at each observation point.The developed software package is applicable to any quasistatic inductor design, not necessarily to the TMS coils only.

ABSTRACT Coordinated whole-brain neural dynamics are essential for proper control of the functionality of different brain systems. Multisite simultaneous or sequential stimulations may provide tools for mechanistic studies of brain functions and the treatment of neuropsychiatric disorders. Conventional circular and figure-8 Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) coils occupy a large footprint, and it is difficult to reach desired multiple stimulation locations with close proximity for comprehensive multisite stimulations. These conventional coils, limited by the depth-spread tradeoff rule, also lack the required focality for targeted stimulations. In this work, we propose and demonstrate angle-tuned TMS (AT) coils with an intrinsically reduced footprint with their geometric arrangements of stacking and angle tuning. The stimulation depth can be adjusted with the coil stacking number, and the field spread can be reduced by increasing the tilted wire-wrapping angle of the coils. With either smaller or larger diameter coils than a standard commercial figure-8 coil, we show, theoretically and experimentally, improved field decay rate and field intensity, and the reduced field spread spot size at different stimulation depths. These results indicate that the proposed novel coil establishes a better depth-spread tradeoff curve than the conventional circular and figure-8 coils. This coil design has a simple and single element structure and provides a promising solution for an improved multisite brain stimulation performance and serves as the building block of more complex coils for further depth-spread improvements.

Across all domains of brain stimulation (neuromodulation), conventional analysis of neuron activation involves two discrete steps: i) prediction of macroscopic electric field, ignoring presence of cells and; ii) prediction of cell activation from tissue electric fields. The first step assumes that current flow is not distorted by the dense tortuous network of cell structures. The deficiencies of this assumption have long been recognized, but - except for trivial geometries - ignored, because it presented intractable computation hurdles. This study introduces a novel approach for analyzing electric fields within a microscopically realistic brain volume. Our pipeline overcomes the technical intractability that prevented such analysis while also showing significant implications for brain stimulation. Contrary to the standard finite element method (FEM), we suggest using a nested iterative boundary element method (BEM) coupled with the fast multipole method (FMM). This approach allows for solving problems with multiple length scales more efficiently. A target application is a subvolume of the L2/3 P36 mouse primary visual cortex containing approximately 400 detailed densely packed neuronal cells at a resolution of 100 nm, which is obtained from scanning electron microscopy data. Our immediate result is a reduction of the stimulation field strength necessary for neuron activation by a factor of 0.85-0.55 (by 15%-45%) as compared to macroscopic predictions. This is in line with modern experimental data stating that existing macroscopic theories substantially overestimate electric field levels necessary for brain stimulation.