Neural connections, providing the substrate for functional networks, exist whether or not they are functionally active at any given moment. However, it is not known to what extent brain regions are continuously interacting when the brain is "at rest." In this work, we identify the major explicit activation networks by carrying out an image-based activation network analysis of thousands of separate activation maps derived from the BrainMap database of functional imaging studies, involving nearly 30,000 human subjects. Independently, we extract the major covarying networks in the resting brain, as imaged with functional magnetic resonance imaging in 36 subjects at rest. The sets of major brain networks, and their decompositions into subnetworks, show close correspondence between the independent analyses of resting and activation brain dynamics. We conclude that the full repertoire of functional networks utilized by the brain in action is continuously and dynamically "active" even when at "rest."

An automated coordinate-based system to retrieve brain labels from the 1988 Talairach Atlas, called the Talairach Daemon (TD), was previously introduced [Lancaster et al., 1997].In the present study, the TD system and its 3-D database of labels for the 1988 Talairach atlas were tested for labeling of functional activation foci.TD system labels were compared with author-designated labels of activation coordinates from over 250 published functional brain-mapping studies and with manual atlas-derived labels from an expert group using a subset of these activation coordinates.Automated labeling by the TD system compared well with authors' labels, with a 70% or greater label match averaged over all locations.Author-label matching improved to greater than 90% within a search range of Ϯ5 mm for most sites.An adaptive grey matter (GM) range-search utility was evaluated using individual activations from the M1 mouth region (30 subjects, 52 sites).It provided an 87% label match to Brodmann area labels (BA 4 & BA 6) within a search range of Ϯ5 mm.Using the adaptive GM range search, the TD system's overall match with authors' labels (90%) was better than that of the expert group (80%).When used in concert with authors' deeper knowledge of an experiment, the TD system provides consistent and comprehensive labels for brain activation foci.Additional suggested applications of the TD system include interactive labeling, anatomical grouping of activation foci, lesion-deficit analysis, and neuroanatomy education.

Back to table of contents Previous article Next article Regular ArticleFull AccessReciprocal Limbic-Cortical Function and Negative Mood: Converging PET Findings in Depression and Normal SadnessHelen S. Mayberg, M.D., Mario Liotti, M.D., Ph.D., Stephen K. Brannan, M.D., Scott McGinnis, B.S., Roderick K. Mahurin, Ph.D., Paul A. Jerabek, Ph.D., J. Arturo Silva, M.D., Janet L. Tekell, M.D., Charles C. Martin, Ph.D., Jack L. Lancaster, Ph.D., and Peter T. Fox, M.D.Helen S. MaybergSearch for more papers by this author, M.D., Mario LiottiSearch for more papers by this author, M.D., Ph.D., Stephen K. BrannanSearch for more papers by this author, M.D., Scott McGinnisSearch for more papers by this author, B.S., Roderick K. MahurinSearch for more papers by this author, Ph.D., Paul A. JerabekSearch for more papers by this author, Ph.D., J. Arturo SilvaSearch for more papers by this author, M.D., Janet L. TekellSearch for more papers by this author, M.D., Charles C. MartinSearch for more papers by this author, Ph.D., Jack L. LancasterSearch for more papers by this author, Ph.D., and Peter T. FoxSearch for more papers by this author, M.D.Published Online:1 May 1999https://doi.org/10.1176/ajp.156.5.675AboutSectionsView articleAbstractPDF/EPUB ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack Citations ShareShare onFacebookTwitterLinked InEmail View articleAbstractOBJECTIVE: Theories of human behavior from Plato to Freud have repeatedly emphasized links between emotion and reason, a relationship now commonly attributed to pathways connecting phylogenetically “old” and “new” brain regions. Expanding on this theory, this study examined functional interactions between specific limbic and neocortical regions accompanying normal and disease-associated shifts in negative mood state. METHOD: Regions of concordant functional change accompanying provocation of transient sadness in healthy volunteers and resolution of chronic dysphoric symptoms in depressed patients were examined with two positron emission tomography techniques: [15O]water and [18F]fluorodeoxyglucose, respectively. RESULTS: With sadness, increases in limbic-paralimbic blood flow (subgenual cingulate, anterior insula) and decreases in neocortical regions (right dorsolateral prefrontal, inferior parietal) were identified. With recovery from depression, the reverse pattern, involving the same regions, was seen—limbic metabolic decreases and neocortical increases. A significant inverse correlation between subgenual cingulate and right dorsolateral prefrontal activity was also demonstrated in both conditions. CONCLUSIONS: Reciprocal changes involving subgenual cingulate and right prefrontal cortex occur with both transient and chronic changes in negative mood. The presence and maintenance of functional reciprocity between these regions with shifts in mood in either direction suggests that these regional interactions are obligatory and probably mediate the well-recognized relationships between mood and attention seen in both normal and pathological conditions. The bidirectional nature of this limbic-cortical reciprocity provides additional evidence of potential mechanisms mediating cognitive (“top-down”), pharmacological (mixed), and surgical (“bottom-up”) treatments of mood disorders such as depression. The development of functional connections between limbic structures and neocortex has long been considered critical to the evolution of complex emotional behaviors, although conclusive experimental evidence from studies of humans is relatively sparse (1–6). Clinical observation and personal experience nonetheless confirm the inseparable and often intrusive effects of transient changes in mood state on attention span, decisiveness, and other cognitive abilities, be it the fleeting sadness one feels on hearing a tragic news event or the more sustained feelings of melancholia and impaired concentration that accompany intense grief. The chronic and more insidious disruption of attentional processing observed in depressive illness (7, 8)—an extreme instance of a sustained altered mood state—further suggests common neural pathways mediating both the normal and pathological interactions of these behaviors.Comparative anatomical studies provide material support for these hypotheses. Reciprocal pathways linking midline limbic structures (cingulate, hypothalamus, hippocampus, amygdala) with widely distributed brainstem, striatal, paralimbic, and neocortical sites are now well-defined (9, 10), and clear associations with specific motivational, affective, and emotional behaviors in animals have been demonstrated (3, 4, 11). By extrapolation, these regions are also assumed to be the neural substrates responsible for the systematic integration of exteroceptive and interoceptive inputs required for the combined sensory, cognitive, and autonomic processing at the core of normal and abnormal human emotional experience.Previous human experiments have generally approached the brain localization of mood and attention in isolation and have rarely addressed mechanisms underlying their interaction (12, 13). With the use of complementary lesion-deficit and physiological studies (14–18), components of attention have been localized to right prefrontal, parietal, and dorsal anterior cingulate regions in both humans and primates. Mood has been mapped to predominantly limbic and paralimbic areas (cingulate, insula) and prefrontal cortex, but with considerable variability (19–24). Focal limbic (anterior cingulate), paralimbic (ventral frontal, anterior insula), and neocortical (prefrontal, parietal) abnormalities have also been identified in depression (25–29). However, correlations of these regional changes with specific symptoms or relationships between regions have not been fully explored (30).To clarify mechanisms mediating these known mood-attention relationships, this study targeted interregional interactions and regional reciprocity in functional brain activity present during both transient and sustained changes in affective state. Using positron emission tomography (PET), we investigated two experimental manipulations of mood: transient sadness provoked in healthy volunteers and treatment-induced resolution of sustained dysphoria in clinically depressed patients. On the basis of the location and direction of changes in neural activity seen in these studies, we propose that the well-recognized concurrence of negative mood and impaired attentional processing in both normal and pathological conditions is mediated by reciprocal interactions between specific limbic and neocortical sites.METHODFor experiment 1, healthy subjects were recruited by advertisement and word of mouth. Potential participants were asked to prepare scripts describing two recent sad personal experiences, and these were reviewed with the investigators during the screening interviews. The potential subjects were screened for the presence of medical, neurological, and psychiatric conditions, personal or family history of major affective disorder, and medication use, any of which precluded participation in the study. Semistructured interviews confirmed the absence of major or minor depressive symptoms and evidence of other previously unrecognized psychiatric syndromes or complaints. Potential subjects were then tested on their emotional reactions to their prepared scripts. Of 13 potential subjects so screened, eight right-handed euthymic women (mean age=36 years, SD=6; mean Beck Depression Inventory score=1.75, SD=1 [asymptomatic range=0–9]) were selected for participation on the basis of their ability to predictably provoke an intense sad mood state under laboratory conditions.For experiment 2, patients who had responded in a 6-week inpatient, placebo-controlled, double-blind PET study of fluoxetine treatment in depression (20 mg/day fixed dose) were identified. All patients met the DSM-IV criteria for a major depressive episode, unipolar type, as diagnosed by two independent psychiatrists (J.A.S. and J.L.T.) and confirmed by means of a structured psychiatric interview (Structured Clinical Interview for DSM-IV [31]). Patients with cerebrovascular risk factors or a previous stroke, documented head trauma, neurodegenerative disorders, other axis I psychiatric diagnoses, or evidence of global cognitive impairment were excluded, as were patients with psychotic symptoms, alcohol or substance abuse, or previous ECT. Responders were defined as patients who had a minimum 50% decrease in Hamilton Depression Rating Scale score, independent of treatment group (i.e., fluoxetine or placebo). Eight of 15 participating male patients met these criteria (mean age=44 years, SD=8; initial 17-item Hamilton depression scale score=22, SD=3; 6-week score=11, SD=2.5). Four responders received fluoxetine, and four received placebo. Written informed consent was obtained from all subjects, and the experiment was conducted as approved by the University of Texas Health Science Center’s institutional review board.Experiment 1Regional cerebral blood flow (rCBF) was measured with the use of [15O]water and PET in two mood states: sad and neutral (euthymic). For each subject there were two trials in the sad condition and four neutral trials (three during rest with eyes closed and one with a neutral-emotion script) in a randomized design. Rehearsed autobiographical scripts were used to provoke the sad (or neutral) mood state. On the basis of prescan practice trials with each subject, the protocol allowed 8–10 minutes to achieve the maximum target mood. Mood state was then maintained, without active rumination on the script, for approximately 2 minutes before tracer injection. Scans were acquired during this state with the subject’s eyes closed. While monitoring of one’s internal mood state (whether sad or neutral) was required for all conditions, the intent of the protocol was to minimize participation of brain regions mediating the cognitive processes involved in generating the emotional state. Subjects were debriefed after completion of each 90-second scan, and mood was allowed to return to a baseline euthymic state before initiation of the next condition, generally after about 5 minutes. Mood state was rated every 2 minutes throughout the session with a visual analog scale and the subject’s self-report. Rest or neutral mood conditions required a score of 6 of a maximum 7 on the calmness scale and a mandatory 0 of 7 on the sadness scale to initiate scan acquisition; sad mood conditions required a minimum score of 6 of 7 on the sadness scale.Experiment 2Changes in regional glucose metabolism associated with remission of both dysphoric mood and other syndromal features were measured by means of [18F]fluorodeoxyglucose (FDG) and PET in the selected subset of unipolar depressed patients. Scans were performed before and after 6 weeks of treatment as described above. Scans were acquired with the patients in the resting state, with eyes closed and ears uncovered. The patients were specifically instructed to relax, stay awake, and avoid rumination on any one topic. They were not explicitly instructed to monitor internal mood state. This approach aimed to examine regional effects associated with a sustained shift in overall mood state accompanying remission of illness without any overt acute manipulation of either affective or cognitive state.General PET MethodAll PET scans were acquired on a General Electric Scanditronix 4096 camera (15 parallel slices; 6.5-mm center-to-center interslice distance) with measured attenuation correction (68Ge/68Ga transmission scans) and were reconstructed to a final in-plane resolution of 7.0 mm full width at half maximum. In experiment 1, CBF was measured with a conventional bolus [15O]water technique (60–65 mCi [15O]water dose per scan; scan duration=90 seconds) (32). Glucose metabolism was measured in the resting state with FDG (5 mCi FDG dose; scan duration=20 minutes) following a standard 40-minute FDG uptake period (33). An anatomical magnetic resonance imaging (MRI) scan of each subject was also acquired for the purposes of spatial transformation of the PET data and parametric image display (Elscint Gyrex 2T-DLX, Haifa, Israel) (three-dimensional gradient/recall acquisition in the steady state sequence: TR=33 msec; TE=12 msec; flip angle=60°; 256×256×127 volume; spatial resolution of 1 mm3).PET Data AnalysisAll analyses were performed with in-house software and validated methods. Following spatial transformation of PET and MR images into proportional bicommissural coordinate space (34) relative to the 1988 stereotaxic atlas of Talairach and Tournoux (35), voxelwise tissue activity of either [15O]water or FDG was first value-normalized to mean whole brain activity and then scaled to an arbitrary mean of 1000 (32). Value- and spatially normalized images were then trilinearly interpolated, resampled (60 slices; 8-mm3 voxels), and Gaussian-filtered to a final resolution of 9.9 mm (full width at half maximum) before statistical analysis.State-related changes in rCBF (experiment 1) and metabolism (experiment 2) were detected in the following manner. A pixel-by-pixel subtraction of the condition pairs was first performed for each trial in each individual. Within-subject differences were then averaged across subjects, creating a grand-mean difference image for each experiment (value for sad memory minus value for rest in healthy subjects; value with treatment minus baseline value in depressed patients). A beta-2 statistic measuring kurtosis of the histogram of the difference image (change distribution curve) was used as an omnibus test to assess overall significance (36). The beta-2 test was implemented in the MIPS software (Research Imaging Center, San Antonio) in a manner similar to the use of the gamma-2 statistic (37). The beta-2 improves on the gamma-2 by using a better estimate of the degrees of freedom (i.e., “number of resyls” in the PET images) (38). The omnibus test was followed by a maxima and minima search to identify local extrema within a search volume measuring 125 mm3(39). To facilitate reporting and visualization of these maxima and minima, group mean subtraction images were converted post hoc to statistical parametric images of z scores based on the variance of all local changes within the subtraction images. Locations of concordant focal maxima and minima exceeding a z score magnitude of 1.96 (p≤0.05, two-tailed) are listed in table 1, with the peak voxel of each area described in x, y, and z coordinates in millimeters relative to the anterior commissure. Concordance was defined as a common Brodmann area identifier for the coordinates of the maxima or minima locations in both experiment 1 and experiment 2 (40), as well as evidence of anatomical overlap in the extent of significant activations or deactivations seen with the use of a logical contrast of the two z score maps (Figure 1, bottom) (41).RESULTSExperiment 1Intense sadness was experienced by all subjects (sadness score=6.85, SD=0.55; resting score=0, SD=0). On average, a sad state (minimum sadness score of 4 or 5 of the maximum 7) was achieved within 5–7 minutes of initiation of the trial. The approximate duration of sustained sadness (score of 6 or 7) was 5 minutes. During the debriefing interview, the subjects confirmed that they had been able to comply with the instructions, and six of the eight described being tearful. All subjects also described being less aware of the scanning environment while intensely sad. Resting state debriefing identified no consistent repetitive thoughts in any subject.Sadness compared with rest was associated with both increases and decreases in rCBF (omnibus: beta-2=3.216, df=1972, p=0.001, two-tailed) (Figure 1, left). Increases were seen in ventral limbic and paralimbic sites (subgenual cingulate [Brodmann area 25] and ventral, mid-, and posterior insula); decreases were predominantly in dorsal cortical regions (right dorsal prefrontal [Brodmann area 46/9], inferior parietal [Brodmann area 40], dorsal anterior cingulate [Brodmann area 24b], and posterior cingulate [Brodmann area 23/31]) (table 1). Areas of significant change not seen in experiment 2 included decreases in the right temporal cortex (Brodmann area 37) and bilateral inferior frontal cortex (Brodmann area 10/47), as well as increases in the cerebellar vermis and right premotor cortex (Brodmann area 6).Experiment 2Posttreatment metabolism relative to pretreatment metabolism was associated with both increases and decreases in specific limbic-paralimbic and neocortical sites, but in a pattern inverse to that seen with provoked sadness (beta-2=3.178, df=1972, p=0.001, two-tailed) (Figure 1, right). These regionally similar effects were obtained despite differences in gender, time course of mood-state change (sustained versus transient), and type of PET radiotracer used in the two experiments (FDG versus [15O]water); they were seen with both active fluoxetine and placebo treatment, although the magnitude of changes in limbic regions was more robust with the active drug (data not shown).Remission of depression was characterized by metabolic increases in dorsal cortical regions (right dorsolateral prefrontal [Brodmann area 46/9], inferior parietal [Brodmann area 40], dorsal anterior cingulate [Brodmann area 24b], and posterior cingulate [Brodmann area 23/31]) and concomitant decreases in ventral limbic and paralimbic sites (subgenual cingulate [Brodmann area 25] and ventral, mid-, and posterior insula) (table 1). The anatomical overlap of findings in the two experiments is presented in Figure 1, bottom. Additional changes seen uniquely with recovery from depression included increases in the pons and left prefrontal cortex as well as decreases in the hippocampus and hypothalamus.DISCUSSIONThis study, using two separate subject populations and two different functional imaging approaches, independently demonstrated reciprocal changes involving nearly identical limbic-paralimbic and neocortical regions with both acute and chronic changes in negative mood state.In the first and more direct assessment of brain regions mediating negative mood, the induction of transient normal sadness revealed most significantly increases in subgenual cingulate (Brodmann area 25) and decreases in right prefrontal cortex (Brodmann area 9). The increases in subgenual cingulate closely replicate previously reported findings in transient sadness with the use of a variety of provocation methods (12, 20). In contrast, the observed right prefrontal decreases (as well as the less significant decreases in inferior parietal and dorsal anterior cingulate) are the exact inverse of those seen in published studies where scanning occurred during overt processing of the sad stimuli (19, 20, 24). Such decreases are nonetheless comparable to those repeatedly described in resting-state studies of patients with clinical depression (26, 42). Furthermore, these decreases localize to areas previously implicated in both imaging and behavioral studies of attention (14, 18). In other words, the experience of sadness, as studied here, resulted not only in limbic activation but also in the simultaneous deactivation of cortical regions known to mediate attentional processing, independent of mood state. This observed reciprocal relationship between limbic increases and cortical decreases also appears consistent with changes in environmental awareness described by the subjects in the debriefing interview, as well as the large body of experimental evidence associating negative mood with impaired attention (8). While performance on attentional tasks was not explicitly monitored during or following the scanning period, performance deficits have been demonstrated in a separate event-related-potential study in which the identical sadness provocation method was used in a different group of subjects (43).These reciprocal limbic-cortical and mood-attention relationships were confirmed, although more indirectly, in the second experiment, where resolution of chronic negative mood symptoms accompanying recovery from a chronic depressive episode was examined. The observed right dorsolateral prefrontal increases (also, increases in left prefrontal and dorsal anterior cingulate) are the normalization of a pretreatment frontal hypometabolic pattern characteristic of unipolar depression (relative regional glucose metabolism expressed as value-normalized tissue counts: pretreatment=1185, SD=108; posttreatment=1285, SD=25; healthy subjects=1236, SD=151). These pretreatment abnormalities have been linked to both severity of depression and impairments in psychomotor speed and cognition (26, 30, 42) and are consistent with the direction of cortical changes seen during acute sadness in experiment 1. The cortical increases accompanying remission generally replicate previous reports of antidepressant treatment effects(26, 44–46). In addition, resolution of mood symptoms in the present study was mirrored by significantly improved attentional performance. Simple reaction times were inversely correlated with right prefrontal cortex metabolism (r=–0.47, N=16, p=0.05), consistent with the initial hypothesis that changes in mood and attention are behaviorally linked.In contrast to the normalization of pretreatment abnormalities seen in cortical regions, the decrease in the ventral limbic region (subgenual cingulate) was not the normalization of an existing abnormality. Rather, this change was suppression of activity below the expected normal level (relative regional glucose metabolism: healthy subjects=1115, SD=100; pretreatment=1119, SD=89; posttreatment=940, SD=126). This decrease in subgenual activity has not been previously described with pharmacological treatment of depression but has been suggested by changes reported with ECT (47), although anatomical localization of changes with ECT are less precise than those reported here. This relative subgenual cingulate suppression is also consistent with resting state decreases seen in remitted depressed patients on maintenance antidepressant therapy (48). These pretreatment and remission-related findings—normal subgenual cingulate (Brodmann area 25) metabolism when depressed; subnormal metabolism when well—would appear to contradict a recent report of subgenual cingulate/medial prefrontal hypometabolism and atrophy in acutely depressed unipolar and bipolar patients (49). This apparent contradiction can be reconciled if the reported hypometabolism is corrected for the described regional atrophy, which would likely result in a metabolic pattern similar to those reported here (i.e., normal or slightly increased) (50).A potential confounding factor in considering the interpretation of these data, despite the regional convergence across the two experiments, is the contribution of the neutral control conditions. It has been proposed that task-associated decreases can be caused by suspension of activity present during a passive task or resting state (51, 52). This does not appear to apply here, since in the transient mood-induction experiment, comparable decreases were seen during both a resting state and a neutral memory condition (i.e., one that more precisely matched the cognitive activity present during the sadness trial) (53). This theory also would not explain the cortical increases seen in experiment 2. While the debriefing interviews revealed no specific repetitive cognitive thoughts in any of the patients nor subjective differences between the two scans, one might have expected, on the basis of previous reports targeting random episodic thinking, increased uncontrollable intrusive thoughts in the acutely depressed state (scan 1), resulting in a decrease rather than an increase in prefrontal and parietal metabolism with remission of illness (52).A second potential confounding element was the presence of tearfulness in six of the eight subjects in experiment 1. While there was inadequate power to assess these effects independently, inspection of single-subject subtractions revealed similar patterns of limbic increases and cortical decreases in subjects who did and did not become tearful. In addition, changes in these same areas were observed with the resolution of negative mood symptoms in the second experiment, even though tearfulness was not observed in any of the patients during either scan.To recapitulate, concordant changes in nearly identical dorsal cortical and ventral limbic regions were demonstrated in both experiments (Figure 1, top and bottom). The two areas demonstrating the greatest magnitude of change, subgenual cingulate (Brodmann area 25) and right prefrontal cortex (Brodmann area 9), were also strongly intercorrelated. Using regions of interest (216 mm3) centered on the maximal pixel identified in the two subtraction analyses, we found an inverse correlation between the activity in these two regions in both studies (sadness computed for all sadness and resting trials: r=–0.52, N=30, p=0.003; remission computed at baseline, 1 week, and 6 weeks: r=–0.46, N=24, p=0.02). These findings suggest that a reciprocal relationship between ventral limbic and dorsal cortical compartments is maintained through the interaction of these two nodes as mood shifts in either direction (Figure 2). This statistical relationship further suggests that the negative influence of depressed mood on attention is probably attributable to functional connections between these two brain regions rather than concurrent changes in both sites independently.The theory that these two regions are functionally linked and mutually inhibitory is supported by a large preclinical animal literature. Direct projections from subgenual cingulate to targets in dorsolateral prefrontal cortex have been delineated, as have bidirectional indirect pathways through multiple limbic and paralimbic nodes, including posterior cingulate, hippocampus, and anterior insula (4, 9, 10, 54).The reciprocal nature of the changes observed in these two experiments suggests that treatments for depression targeting either “old” or “new” brain areas in this local circuit should be equally effective—a hypothesis supported by empirical clinical experience and by the finding of comparable regional changes in both drug and placebo responders. Mood symptoms can be ameliorated with cognitive therapy, which implies a “top-down” cortical influence on limbic pathways (55). Pharmacological treatments are more classically viewed as acting “bottom-up” (or combined bottom-up and top-down), since brainstem nuclei—most notably locus ceruleus and dorsal raphe—are major sites of action of most antidepressants, with secondary effects mediated in remote cortical sites through afferent projections and postsynaptic receptor mechanisms (56, 57). A more pure bottom-up effect is implicated by the surgical destruction of the subgenual cingulate region and surrounding white matter (the so-called limbic leukotomy or subcaudate tractotomy) (58), used to treat the most severely treatment-resistant depressed patients, suggesting that the critical change mediating clinical improvement is limbic suppression with secondary cortical release or disinhibition. These clinical observations might indicate that the requisite regional perturbation necessary for remission of disease is neither limbic nor cortical but a reconfiguration of their mutual interactions, whether initiated through top-down (cortical-limbic) or bottom-up (limbic-cortical) interventional strategies (42). If one assumes that these two approaches are equally viable, the related question of whether 1) suppression of ventral limbic regions allows normalization of dorsal cortical hypometabolism or 2) normalization of cortical activity causes a decrease in ventral limbic regions becomes moot. Clearly, this hypothesis requires examination of additional groups of patients of both genders as well as the focused evaluation of antidepressant medications that are not selective serotonin reuptake inhibitors. Further studies are also needed to delineate the specific behavioral correlates of the other identified regional changes, as well as to clarify how these results may be incorporated into other current theories of depression and mood regulation (5, 6, 59). Nonetheless, taken together, these data suggest that pathways connecting subgenual cingulate and dorsolateral prefrontal cortex are fundamental to the mediation of mood-attention interactions necessary for maintenance of emotional homeostasis in health and disease.Presented in part at the Third International Conference on Functional Mapping of the Human Brain, Copenhagen, May 19–23, 1997. Received May 5, 1998; revision received Sept. 25, 1998; accepted Oct. 10, 1998. From the Research Imaging Center and the Departments of Psychiatry, Neurology, and Radiology, University of Texas Health Science Center at San Antonio. Address reprint requests to Dr. Mayberg, Rotman Research Institute, Baycrest Centre, 3560 Bathurst St., Toronto, Ont. M6A 2E1, Canada; [email protected] (e-mail). Supported by NIMH grant MH-49553, the National Alliance for Research on Schizophrenia and Depression, the Charles A. Dana Foundation, and Eli Lilly and Co. The authors thank Stanley Mayberg, M.D., Lawrence Parsons, Ph.D., James Redmond, M.D., and Marty Woldorff, Ph.D., for comments and criticisms.TABLE 1Enlarge tableFIGURE 1. Reciprocal Changes in Cortical and Paralimbic Function With Shifts in Negative Mood StateaaTop: Left images: changes in regional cerebral blood flow (CBF) (with [15O]water PET) associated with transient sadness in eight healthy volunteers. Right images: changes in regional glucose metabolism (with FDG PET) after 6 weeks of treatment in eight unipolar depressed patients. Coronal (top row) and sagittal (bottom row) views. Sadness is associated with increases in ventral paralimbic regions and decreases in dorsal

The human brain atlases that allow correlating brain anatomy with psychological and cognitive functions are in transition from ex vivo histology-based printed atlases to digital brain maps providing multimodal in vivo information. Many current human brain atlases cover only specific structures, lack fine-grained parcellations, and fail to provide functionally important connectivity information. Using noninvasive multimodal neuroimaging techniques, we designed a connectivity-based parcellation framework that identifies the subdivisions of the entire human brain, revealing the in vivo connectivity architecture. The resulting human Brainnetome Atlas, with 210 cortical and 36 subcortical subregions, provides a fine-grained, cross-validated atlas and contains information on both anatomical and functional connections. Additionally, we further mapped the delineated structures to mental processes by reference to the BrainMap database. It thus provides an objective and stable starting point from which to explore the complex relationships between structure, connectivity, and function, and eventually improves understanding of how the human brain works. The human Brainnetome Atlas will be made freely available for download at http://atlas.brainnetome.org, so that whole brain parcellations, connections, and functional data will be readily available for researchers to use in their investigations into healthy and pathological states.

Motivated by the vast amount of information that is rapidly accumulating about the human brain in digital form, we embarked upon a program in 1992 to develop a four–dimensional probabilistic atlas and reference system for the human brain. Through an International Consortium for Brain Mapping (ICBM) a dataset is being collected that includes 7000 subjects between the ages of eighteen and ninety years and including 342 mono– and dizygotic twins. Data on each subject includes detailed demographic, clinical, behavioural and imaging information. DNA has been collected for genotyping from 5800 subjects. A component of the programme uses post–mortem tissue to determine the probabilistic distribution of microscopic cyto– and chemoarchitectural regions in the human brain. This, combined with macroscopic information about structure and function derived from subjects in vivo , provides the first large scale opportunity to gain meaningful insights into the concordance or discordance in micro– and macroscopic structure and function. The philosophy, strategy, algorithm development, data acquisition techniques and validation methods are described in this report along with database structures. Examples of results are described for the normal adult human brain as well as examples in patients with Alzheimer's disease and multiple sclerosis. The ability to quantify the variance of the human brain as a function of age in a large population of subjects for whom data is also available about their genetic composition and behaviour will allow for the first assessment of cerebral genotype–phenotype–behavioural correlations in humans to take place in a population this large. This approach and its application should provide new insights and opportunities for investigators interested in basic neuroscience, clinical diagnostics and the evaluation of neuropsychiatric disorders in patients.

Coupling between cerebral blood flow (CBF) and cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO2) was studied using multiple sequential administrations of 15O-labeled radiotracers (half-life, 123 sec) and positron emission tomography. In the resting state an excellent correlation (mean r, 0.87) between CBF and CMRO2 was found when paired measurements of CBF and CMRO2 from multiple (30-48) brain regions were tested in each of 33 normal subjects. Regional uncoupling of CBF and CMRO2 was found, however, during neuronal activation induced by somatosensory stimulation. Stimulus-induced focal augmentation of cerebral blood flow (29% mean) far exceeded the concomitant local increase in tissue metabolic rate (mean, 5%), when resting-state and stimulated-state measurements were obtained in each of 9 subjects. Stimulus duration had no significant effect on response magnitude or on the degree of CBF-CMRO2 uncoupling observed. Dynamic, physiological regulation of CBF by a mechanism (neuronal or biochemical) dependent on neuronal firing per se, but independent of the cerebral metabolic rate of oxygen, is hypothesized.

Abstract A widely used technique for coordinate‐based meta‐analyses of neuroimaging data is activation likelihood estimation (ALE). ALE assesses the overlap between foci based on modeling them as probability distributions centered at the respective coordinates. In this Human Brain Project/Neuroinformatics research, the authors present a revised ALE algorithm addressing drawbacks associated with former implementations. The first change pertains to the size of the probability distributions, which had to be specified by the used. To provide a more principled solution, the authors analyzed fMRI data of 21 subjects, each normalized into MNI space using nine different approaches. This analysis provided quantitative estimates of between‐subject and between‐template variability for 16 functionally defined regions, which were then used to explicitly model the spatial uncertainty associated with each reported coordinate. Secondly, instead of testing for an above‐chance clustering between foci, the revised algorithm assesses above‐chance clustering between experiments. The spatial relationship between foci in a given experiment is now assumed to be fixed and ALE results are assessed against a null‐distribution of random spatial association between experiments. Critically, this modification entails a change from fixed‐ to random‐effects inference in ALE analysis allowing generalization of the results to the entire population of studies analyzed. By comparative analysis of real and simulated data, the authors showed that the revised ALE‐algorithm overcomes conceptual problems of former meta‐analyses and increases the specificity of the ensuing results without loosing the sensitivity of the original approach. It may thus provide a methodologically improved tool for coordinate‐based meta‐analyses on functional imaging data. Hum Brain Mapp 2009. © 2009 Wiley‐Liss, Inc.

Brain glucose uptake, oxygen metabolism, and blood flow in humans were measured with positron emission tomography, and a resting-state molar ratio of oxygen to glucose consumption of 4.1:1 was obtained. Physiological neural activity, however, increased glucose uptake and blood flow much more (51 and 50 percent, respectively) than oxygen consumption (5 percent) and produced a molar ratio for the increases of 0.4:1. Transient increases in neural activity cause a tissue uptake of glucose in excess of that consumed by oxidative metabolism, acutely consume much less energy than previously believed, and regulate local blood flow for purposes other than oxidative metabolism.

Placing a light emitter in an ultra-small optical cavity results in coupling between matter and light, generating new forms of emission that can be exploited in practical or fundamental applications; here, a system is described in which strong light–matter coupling occurs at room temperature and in ambient conditions by aligning single dye molecules in the optical cavities between gold nanoparticles and surfaces. When a light-emitter is placed in a high-quality optical cavity, where light remains confined for a long time, coupling between matter and light occurs. This coupling produces new forms of light that can be exploited in practical or fundamental applications such as low-power switches or quantum information networks. Jeremy Baumberg and colleagues demonstrate an unusual system, of interest for photochemistry studies, where the fully mixed, strong-coupling regime is reached for single dye molecules at room temperature and in ambient conditions. The system is assembled by aligning dye molecules using a host–guest chemistry approach in plasmonic gaps (the optical cavities) between gold nanoparticles and surfaces. The authors demonstrate strong statistical evidence for single-molecule strong coupling. This opens up the possibility of exploring the chemical structure of molecules with light-dressed states. Photon emitters placed in an optical cavity experience an environment that changes how they are coupled to the surrounding light field. In the weak-coupling regime, the extraction of light from the emitter is enhanced. But more profound effects emerge when single-emitter strong coupling occurs: mixed states are produced that are part light, part matter1,2, forming building blocks for quantum information systems and for ultralow-power switches and lasers3,4,5,6. Such cavity quantum electrodynamics has until now been the preserve of low temperatures and complicated fabrication methods, compromising its use5,7,8. Here, by scaling the cavity volume to less than 40 cubic nanometres and using host–guest chemistry to align one to ten protectively isolated methylene-blue molecules, we reach the strong-coupling regime at room temperature and in ambient conditions. Dispersion curves from more than 50 such plasmonic nanocavities display characteristic light–matter mixing, with Rabi frequencies of 300 millielectronvolts for ten methylene-blue molecules, decreasing to 90 millielectronvolts for single molecules—matching quantitative models. Statistical analysis of vibrational spectroscopy time series and dark-field scattering spectra provides evidence of single-molecule strong coupling. This dressing of molecules with light can modify photochemistry, opening up the exploration of complex natural processes such as photosynthesis9 and the possibility of manipulating chemical bonds10.