ABSTRACT Pattern recognition is a major scientific topic. Strikingly, while machine learning algorithms are constantly refined, the human brain emerges as an ancestral biological example of such complex procedure. However, how it transforms sequences of single objects into meaningful temporal patterns remains elusive. Using magnetoencephalography (MEG) and magnetic resonance imaging (MRI), we discovered and mathematically modelled an inedited dual simultaneous processing responsible for pattern recognition in the brain. Indeed, while the objects of the temporal pattern were independently elaborated by a local, rapid brain processing, their combination into a meaningful superordinate pattern depended on a concurrent global, slower processing involving a widespread network of sequentially active brain areas. Expanding the established knowledge of neural information flow from low- to high-order brain areas, we revealed a novel brain mechanism based on simultaneous activity in different frequency bands within the same brain regions, highlighting its crucial role underlying complex cognitive functions.

Abstract Predictive processing of sounds depends on the constant updating of priors based on exposure to posteriors, which through repeated exposure mediates learning. The result of such corrections to the model is seen in musicians, whose lifelong training results in measurable plasticity of audio-motor brain anatomy and functionality. It has been suggested that the plasticity of auditory predictive processes depends on the interaction between the environment and the individual’s genetic substrate. However, empirical evidence to this is still missing. BDNF is a critical genetic factor affecting learning and plasticity, and its widely studied functional variant Val66Met single-nucleotide polymorphism offers a unique opportunity to investigate neuroplastic functional changes occurring upon a years-long training. We hypothesised that BDNF gene variations would be driving neuroplasticity of the auditory cortex in musically trained human participants. To this goal, musicians and non-musicians were recruited and divided in Val/Val and Met carriers and their brain activity measured with magnetoencephalography (MEG) while they listened to a regular auditory sequence containing different types of prediction errors. The auditory cortex responses to prediction errors was enhanced in Val/Val carriers who underwent intensive musical training, compared to Met and non-musicians. Our results point at a role of gene-regulated neurotrophic factors in the neural adaptations of auditory processing after long-term training.

ABSTRACT The neural underpinning of human fluid intelligence (G f ) has gathered a large interest in the scientific community. Nonetheless, previous research did not provide a full understanding of such intriguing topic. Here, we studied the structural (from diffusion tensor imaging, DTI) and functional (from magnetoencephalography (MEG) resting state) connectivity in individuals with high versus average G f scores. Our findings showed greater values in the brain areas degree distribution and higher proportion of long-range anatomical connections for high versus average G f s. Further, the two groups presented different community structures, highlighting the structural and functional integration of the cingulate within frontal subnetworks of the brain in high G f s. These results were consistently observed for structural connectivity and functional connectivity of delta, theta and alpha. Notably, gamma presented an opposite pattern, showing more segregation and lower degree distribution and connectivity in high versus average G f s. Our study confirmed and expanded previous perspectives and knowledge on the “small-worldness” of the brain. Further, it complemented the widely investigated structural brain network of highly intelligent individuals with analyses on fast-scale functional networks in five frequency bands, highlighting key differences in the integration and segregation of information flow between slow and fast oscillations in groups with different G f .

Abstract Overlapping neurophysiological signals are the main obstacle preventing from using cortical event-related potentials (ERPs ) in clinical settings. Children ERPs are particularly affected by this problem, as their cerebral cortex is still maturing. To overcome this problem, we applied a new version of Spike-density Component Analysis (SCA), an analysis method recently introduced, to isolate with high accuracy the neural components of auditory ERP responses (AEPs) in 8-year-old children. Electroencephalography was used with 33 children to record AEPs to auditory stimuli varying in spectrotemporal features. Three different analysis approaches were adopted: the standard ERP analysis procedure, SCA with template-match (SCA-TM), and SCA with half-split average consistency (SCA-HSAC). SCA-HSAC most successfully allowed the extraction of AEPs for each child, revealing that the most consistent components were P1 and N2. An immature N1 component was also detected. Superior accuracy in isolating neural components at the individual level even in children was demonstrated for SCA-HSAC over other SCA approaches. Reliable methods of extraction of neurophysiological signals at the individual level are crucial for the application of cortical AEPs for routine diagnostic exams in clinical settings both in children and adults. Highlights Spike-density component analysis (SCA) was validated on children ERPs SCA extracted overlapping neural components from auditory ERPs (AEPs) Child AEPs were modelled at the individual level

Abstract Predicting events in the ever-changing environment is a fundamental survival function intrinsic to the physiology of sensory systems, whose efficiency varies among the population. Even though it is established that a major source of such variations is genetic heritage, there are no studies tracking down auditory predicting processes to genetic mutations. Thus, we examined the neurophysiological responses to deviant stimuli recorded with magnetoencephalography (MEG) in 108 healthy participants carrying different variants of the Val158Met single-nucleotide polymorphism (SNP) within the catechol-O-methyltransferase (COMT) gene, which is responsible for the majority of catecholamines degradation in the prefrontal cortex. Our results showed significant amplitude enhancement of neural responses localized within inferior frontal gyrus, superior and middle temporal cortices to deviant auditory stimuli in heterozygote genotype carriers (Val/Met) vs homozygote (Val/Val and Met/Met) carriers. Integrating neurophysiology and genetics, this study provided new and broader insights into the brain mechanisms underlying optimal deviant detection.

Abstract Background Methylation of serotonin-related genes has been proposed as a plausible gene-by-environment link which may mediate environmental stress, depressive and anxiety symptoms. DNA methylation is often measured in blood cells, but little is known about the association between this peripheral epigenetic modification and brain serotonergic architecture. Here, we evaluated the association between whole-blood-derived methylation of four CpG sites in the serotonin transporter ( SLC6A4 ) and six CpG sites of the tryptophan hydroxylase 2 ( TPH2 ) gene and in-vivo brain levels of serotonin transporter (5-HTT) and serotonin 4 receptor (5-HT 4 ) in a cohort of healthy individuals ( N = 254) and, for 5-HT 4, in a cohort of unmedicated patients with depression ( N = 90). To do so, we quantified SLC6A4 / TPH2 methylation using bisulfite pyrosequencing and estimated brain 5-HT 4 and 5-HTT levels using positron emission tomography. In addition, we explored the association between SLC6A4 and TPH2 methylation and measures of early life and recent stress, depressive and anxiety symptoms on 297 healthy individuals. Results We found no statistically significant association between peripheral DNA methylation and brain markers of serotonergic neurotransmission in patients with depression or in healthy individuals. In addition, although SLC6A4 CpG2 (chr17:30,236,083) methylation was marginally associated with the parental bonding inventory overprotection score in the healthy cohort, statistical significance did not remain after accounting for blood cell heterogeneity. Conclusions We suggest that findings on peripheral DNA methylation in the context of brain serotonin-related features should be interpreted with caution. More studies are needed to rule out a role of SLC6A4 and TPH2 methylation as biomarkers for environmental stress, depressive or anxiety symptoms.