Investigators in neuroscience have turned to Big Data to address replication and reliability issues by increasing sample sizes, statistical power, and representativeness of data. These efforts unveil new questions about integrating data arising from distinct sources and instruments. We focus on the most frequently assessed cognitive domain - memory testing - and demonstrate a process for reliable data harmonization across three common measures. We aggregated global raw data from 53 studies totaling N = 10,505 individuals. A mega-analysis was conducted using empirical bayes harmonization to remove site effects, followed by linear models adjusting for common covariates. A continuous item response theory (IRT) model estimated each individual's latent verbal learning ability while accounting for item difficulties. Harmonization significantly reduced inter-site variance while preserving covariate effects, and our conversion tool is freely available online. This demonstrates that large-scale data sharing and harmonization initiatives can address reproducibility and integration challenges across the behavioral sciences.

ABSTRACT Induced pluripotent stem cell (iPSC) derived hippocampal dentate granule cell-like neurons from individuals with bipolar disorder (BD) are hyperexcitable and more spontaneously active relative to healthy control (HC) neurons. These abnormalities are normalised after the application of lithium in neurons derived from lithium responders (LR) only. How these abnormalities impact hippocampal microcircuit computation is not understood. We aimed to investigate the impacts of BD-associated abnormal granule cell (GC) activity on pattern separation (PS) using a computational model of the dentate gyrus (DG). We used parameter optimization to fit the parameters of biophysically realistic granule cell (GC) models to electrophysiological data from iPSC GCs from patients with BD. These cellular models were incorporated into DG networks to assess impacts on PS using an adapted spatiotemporal task. Relationships between BD, lithium and spontaneous activity were analysed using linear mixed effects modelling. Lithium and BD negatively impacted PS, consistent with clinical reports of cognitive slowing and memory impairment during lithium therapy. By normalising spontaneous activity levels, lithium improved PS performance in LRs only. Improvements in PS after lithium therapy in LRs may therefore be attributable to the normalisation of spontaneous activity levels, rather than reductions in GC intrinsic excitability as we hypothesised. Our results agree with a hypothesised relationship between behavioural mnemonic discrimination and DG PS, as previous research has suggested that mnemonic discrimination improves after lithium therapy in lithium responders only. Our work can be expanded on in the future by simulating the effects of lithium-induced neurogenesis on PS.

The Alda score is commonly used to quantify lithium responsiveness in bipolar disorder. Most often, this score is dichotomized into "responder" and "non-responder" categories, respectively. This practice is often criticized as inappropriate, since continuous variables are thought to invariably be "more informative" than their dichotomizations. We therefore investigated the degree of informativeness across raw and dichotomized versions of the Alda score, using data from a published study of the scale's inter-rater reliability (n=59 raters of 12 standardized vignettes each). After learning a generative model for the relationship between observed and ground truth scores (the latter defined by a consensus rating of the 12 vignettes), we show that the dichotomized scale is more robust to inter-rater disagreement than the raw 0-10 scale. Further theoretical analysis shows that when a measure's reliability is stronger at one extreme of the continuum—a scenario which has received little-to-no statistical attention, but which likely occurs for the Alda score ≥7—dichotomization of a continuous variable may be more informative concerning its ground truth value, particularly in the presence of noise. Our study suggests that research employing the Alda score of lithium responsiveness should continue using the dichotomous definition, particularly when data are sampled across multiple raters.

Abstract Patients with bipolar disorder (BD) demonstrate episodic memory deficits, which may be hippocampal-dependent and may be attenuated in lithium responders. Induced pluripotent stem-cell derived CA3 pyramidal cell-like neurons show significant hyperexcitability in lithium responsive BD patients, while lithium nonresponders show marked variance in hyperexcitability. We hypothesize that this variable excitability will impair episodic memory recall, as assessed by cued retrieval (pattern completion) within a computational model of the hippocampal CA3. We simulated pattern completion tasks using a computational model of the CA3 with different degrees of pyramidal cell excitability variance. Since pyramidal cell excitability variance naturally leads to a mix of hyperexcitability and hypoexcitability, we also examined what fraction (hyper-vs. hypoexcitable) was predominantly responsible for pattern completion errors in our model. Pyramidal cell excitability variance impaired pattern completion (linear model β =-1.94, SE=0.01, p<0.001). The effect was invariant to the number of patterns stored in the network, as well as general inhibitory tone and pyramidal cell sparsity in the network. Excitability variance, and more specifically hyperexcitability, increased the number of spuriously active neurons, increasing false alarm rates and producing pattern completion deficits. Excessive inhibition also induces pattern completion deficits by limiting the number of correctly active neurons during pattern retrieval. Excitability variance in CA3 pyramidal cell-like neurons observed in lithium nonresponders may predict pattern completion deficits in these patients. These cognitive deficits may not be fully corrected by medications that minimize excitability. Future studies should test our predictions by examining behavioural correlates of pattern completion in lithium responsive and nonresponsive BD patients. Author summary Patients with bipolar disorder experience debilitating cognitive impairments whose mechanisms are unknown, and these deficits may be greater in patients who do not respond to the mood stabilizer lithium. Studies using induced pluripotent stem cell (iPSC) derived neurons have suggested that CA3 pyramidal cells in lithium nonresponders may have wide diversity of excitability. Our study examines how this diversity of neuronal excitability would impact the computation of pattern completion in the CA3. In a computational model of the CA3, we found that variance in pyramidal cell excitability reliably impaired pattern completion abilities. Furthermore, we found that both the hyperexcitable and hypoexcitable fractions of cells were each responsible for distinct pattern completion errors, depending on the overall level of network inhibition. These results suggest that lithium nonresponsive patients with bipolar disorder will have worse performance on behavioural tasks that are sensitive to pattern completion, potentially including cued recall paradigms. Our results also suggest that mood stabilizers that simply reduce cellular hyperexcitability may not be sufficient to correct micro-circuit level computations in lithium nonresponsive bipolar disorder. Rather, these patients may require development of mood stabilizers that normalize the distribution of neuronal hyperexcitability among CA3 pyramidal cells.

The relationship between clinical eating disorder symptom severity and balance of model-based (MB) and model-free (MF) control is unclear, and these traits' predictive capacity is untested in this population. In 25 healthy controls (HCs), 25 subjects with binge eating disorder (BED), and 25 subjects with bulimia nervosa (BN), we show an inverse relationship between symptom severity and MB (though not MF) control. However, trial-by-trial behavioural data discriminated BN from other groups (area under receiver operating characteristic curve of 0.78; 95% CI=0.64-0.92) based primarily on impaired MF control. Our data — including analyses of reaction time and theory-driven computational modeling — support the hypothesis that among pathological binge eating groups, BN may be characterized by impaired value function learning. Our results suggest that trial-by-trial analysis of behavioural data may provide unique insights into the BN phenotype, which may thus be computationally distinct from the related disorder of BED and the HC state.

Mapping brain functions to their underlying neural substrates is a central goal of cognitive neuroscience. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) has proven indispensable in this endeavour. Recently, there has been growing interest in tackling this problem by mapping semantic concepts onto brain regions using repositories of images and text from the neuroimaging literature. However, no study has thus far approached this problem using (dense) vector representations of words. Using data from the Neurosynth database, we sought to develop a model that could (A) capture local correlations between words in text, as well as topics, (B) capture representation of distributed brain networks in relation to word embeddings, and (C) generate synthetic images given word inputs. We show that jointly embedding words and brain imaging data on a vector space can yield semantic representations that sensibly relate concepts across biological, psychological, and observational levels of analysis. Moreover, our proposed model makes no assumption about spatial orientation of fMRI voxels, which allows for embedding of distributed brain networks onto the semantic space. We demonstrate this capability by generating synthetic brain activation vectors from word inputs. Our model has the potential to advance neuroimaging meta-analysis as well as contextual word-embedding methods more broadly.

ABSTRACT Introduction Patients with bipolar disorder (BD) demonstrate episodic memory deficits, which may be hippocampal‐dependent and may be attenuated in lithium responders. Induced pluripotent stem cell–derived CA3 pyramidal cell–like neurons show significant hyperexcitability in lithium‐responsive BD patients, while lithium nonresponders show marked variance in hyperexcitability. We hypothesize that this variable excitability will impair episodic memory recall, as assessed by cued retrieval (pattern completion) within a computational model of the hippocampal CA3. Methods We simulated pattern completion tasks using a computational model of the CA3 with different degrees of pyramidal cell excitability variance. Since pyramidal cell excitability variance naturally leads to a mix of hyperexcitability and hypoexcitability, we also examined what fraction (hyper‐ vs. hypoexcitable) was predominantly responsible for pattern completion errors in our model. Results Pyramidal cell excitability variance impaired pattern completion (linear model β = −2.00, SE = 0.03, p < 0.001). The effect was invariant to all other parameter settings in the model. Excitability variance, specifically hyperexcitability, increased the number of spuriously active neurons, increasing false alarm rates and producing pattern completion deficits. Excessive inhibition also induces pattern completion deficits by limiting the number of correctly active neurons during pattern retrieval. Conclusions Excitability variance in CA3 pyramidal cell–like neurons observed in lithium nonresponders may predict pattern completion deficits in these patients. These cognitive deficits may not be fully corrected by medications that minimize excitability. Future studies should test our predictions by examining behavioral correlates of pattern completion in lithium‐responsive and ‐nonresponsive BD patients.