Using a multiround version of an economic exchange (trust game), we report that reciprocity expressed by one player strongly predicts future trust expressed by their partner—a behavioral finding mirrored by neural responses in the dorsal striatum. Here, analyses within and between brains revealed two signals—one encoded by response magnitude, and the other by response timing. Response magnitude correlated with the “intention to trust” on the next play of the game, and the peak of these “intention to trust” responses shifted its time of occurrence by 14 seconds as player reputations developed. This temporal transfer resembles a similar shift of reward prediction errors common to reinforcement learning models, but in the context of a social exchange. These data extend previous model-based functional magnetic resonance imaging studies into the social domain and broaden our view of the spectrum of functions implemented by the dorsal striatum.

Functional MRI experiments in human subjects strongly suggest that the striatum participates in processing information about the predictability of rewarding stimuli. However, stimuli can be unpredictable in character (what stimulus arrives next), unpredictable in time (when the stimulus arrives), and unpredictable in amount (how much arrives). These variables have not been dissociated in previous imaging work in humans, thus conflating possible interpretations of the kinds of expectation errors driving the measured brain responses. Using a passive conditioning task and fMRI in human subjects, we show that positive and negative prediction errors in reward delivery time correlate with BOLD changes in human striatum, with the strongest activation lateralized to the left putamen. For the negative prediction error, the brain response was elicited by expectations only and not by stimuli presented directly; that is, we measured the brain response to nothing delivered (juice expected but not delivered) contrasted with nothing delivered (nothing expected).

Infant cues, such as smiling or crying facial expressions, are powerful motivators of human maternal behavior, activating dopamine-associated brain reward circuits. Oxytocin, a neurohormone of attachment, promotes maternal care in animals, although its role in human maternal behavior is unclear. We examined 30 first-time new mothers to test whether differences in attachment, based on the Adult Attachment Interview, were related to brain reward and peripheral oxytocin response to infant cues. On viewing their own infant's smiling and crying faces during functional MRI scanning, mothers with secure attachment showed greater activation of brain reward regions, including the ventral striatum, and the oxytocin-associated hypothalamus/pituitary region. Peripheral oxytocin response to infant contact at 7 months was also significantly higher in secure mothers, and was positively correlated with brain activation in both regions. Insecure/dismissing mothers showed greater insular activation in response to their own infant's sad faces. These results suggest that individual differences in maternal attachment may be linked with development of the dopaminergic and oxytocinergic neuroendocrine systems.

To sustain or repair cooperation during a social exchange, adaptive creatures must understand social gestures and the consequences when shared expectations about fair exchange are violated by accident or intent. We recruited 55 individuals afflicted with borderline personality disorder (BPD) to play a multiround economic exchange game with healthy partners. Behaviorally, individuals with BPD showed a profound incapacity to maintain cooperation, and were impaired in their ability to repair broken cooperation on the basis of a quantitative measure of coaxing. Neurally, activity in the anterior insula, a region known to respond to norm violations across affective, interoceptive, economic, and social dimensions, strongly differentiated healthy participants from individuals with BPD. Healthy subjects showed a strong linear relation between anterior insula response and both magnitude of monetary offer received from their partner (input) and the amount of money repaid to their partner (output). In stark contrast, activity in the anterior insula of BPD participants was related only to the magnitude of repayment sent back to their partner (output), not to the magnitude of offers received (input). These neural and behavioral data suggest that norms used in perception of social gestures are pathologically perturbed or missing altogether among individuals with BPD. This game-theoretic approach to psychopathology may open doors to new ways of characterizing and studying a range of mental illnesses.

When asked to imagine a visual scene, such as an ant crawling on a checkered table cloth toward a jar of jelly, individuals subjectively report different vividness in their mental visualization. We show that reported vividness can be correlated with two objective measures: the early visual cortex activity relative to the whole brain activity measured by functional magnetic resonance imaging (fMRI) and the performance on a novel psychophysical task. These results show that individual differences in the vividness of mental imagery are quantifiable even in the absence of subjective report.

Our goal was to determine how a mother's brain responds to her own infant's facial expressions, comparing happy, neutral, and sad face affect.In an event-related functional MRI study, 28 first-time mothers were shown novel face images of their own 5- to 10-month-old infant and a matched unknown infant. Sixty unique stimuli from 6 categories (own-happy, own-neutral, own-sad, unknown-happy, unknown-neutral, and unknown-sad) were presented randomly for 2 seconds each, with a variable 2- to 6-second interstimulus interval.Key dopamine-associated reward-processing regions of the brain were activated when mothers viewed their own infant's face compared with an unknown infant's face. These included the ventral tegmental area/substantia nigra regions, the striatum, and frontal lobe regions involved in (1) emotion processing (medial prefrontal, anterior cingulate, and insula cortex), (2) cognition (dorsolateral prefrontal cortex), and (3) motor/behavioral outputs (primary motor area). Happy, but not neutral or sad own-infant faces, activated nigrostriatal brain regions interconnected by dopaminergic neurons, including the substantia nigra and dorsal putamen. A region-of-interest analysis revealed that activation in these regions was related to positive infant affect (happy > neutral > sad) for each own-unknown infant-face contrast.When first-time mothers see their own infant's face, an extensive brain network seems to be activated, wherein affective and cognitive information may be integrated and directed toward motor/behavioral outputs. Dopaminergic reward-related brain regions are activated specifically in response to happy, but not sad, infant faces. Understanding how a mother responds uniquely to her own infant, when smiling or crying, may be the first step in understanding the neural basis of mother-infant attachment.

Summary

 To judge causality, organisms must determine the temporal order of their actions and sensations. However, this judgment may be confounded by changing delays in sensory pathways, suggesting the need for dynamic temporal recalibration. To test for such a mechanism, we artificially injected a fixed delay between participants' actions (keypresses) and subsequent sensations (flashes). After participants adapted to this delay, flashes at unexpectedly short delays after the keypress were often perceived as occurring before the keypress, demonstrating a recalibration of motor-sensory temporal order judgments. When participants experienced illusory reversals, fMRI BOLD signals increased in anterior cingulate cortex/medial frontal cortex (ACC/MFC), a brain region previously implicated in conflict monitoring. This illusion-specific activation suggests that the brain maintains not only a recalibrated representation of timing, but also a less-plastic representation against which to compare it.

Significance There is an abundance of circumstantial evidence (primarily work in nonhuman animal models) suggesting that dopamine transients serve as experience-dependent learning signals. This report establishes, to our knowledge, the first direct demonstration that subsecond fluctuations in dopamine concentration in the human striatum combine two distinct prediction error signals: ( i ) an experience-dependent reward prediction error term and ( ii ) a counterfactual prediction error term. These data are surprising because there is no prior evidence that fluctuations in dopamine should superpose actual and counterfactual information in humans. The observed compositional encoding of “actual” and “possible” is consistent with how one should “feel” and may be one example of how the human brain translates computations over experience to embodied states of subjective feeling.

Abstract The evolution of human cognitive function is reliant on complex social interactions which form the behavioural foundation of who we are. These social capacities are subject to dramatic change in disease and injury; yet their supporting neural substrates remain poorly understood. Hyperscanning employs functional neuroimaging to simultaneously assess brain activity in two individuals and offers the best means to understand the neural basis of social interaction. However, present technologies are limited, either by poor performance (low spatial/temporal precision) or unnatural scanning environment (claustrophobic scanners, with interactions via video). Here, we solve this problem by developing a new form of hyperscanning using wearable magnetoencephalography (MEG). This approach exploits quantum sensors for MEG signal detection, in combination with high-fidelity magnetic field control – afforded by a novel “matrix coil” system – to enable simultaneous scanning of two freely moving participants. We demonstrate our approach in a somatosensory task and an interactive ball game. Despite large and unpredictable subject motion, sensorimotor brain activity was delineated clearly in space and time, and correlation of the envelope of neuronal oscillations between people was demonstrated. In sum, unlike existing modalities, wearable-MEG combines high fidelity data acquisition and a naturalistic setting, which will facilitate a new generation of hyperscanning.

Abstract Machine learning advances in electrochemical detection have recently produced sub-second and concurrent detection of dopamine and serotonin during perception and action tasks in conscious humans. Here, we present a new machine learning approach to sub-second, concurrent separation of dopamine, norepinephrine, and serotonin. The method exploits a low amplitude burst protocol for the controlled voltage waveform and we demonstrate its efficacy by showing how it separates dopamine-induced signals from norepinephrine induced signals. Previous efforts to deploy electrochemical detection of dopamine in vivo have not separated the dopamine-dependent signal from a norepinephrine-dependent signal. Consequently, this new method can provide new insights into concurrent signaling by these two important neuromodulators.