Whereas some older adults show significant cognitive deficits, others perform as well as young adults. We investigated the neural basis of these different aging patterns using positron emission tomography (PET). In PET and functional MRI (fMRI) studies, prefrontal cortex (PFC) activity tends to be less asymmetric in older than in younger adults (Hemispheric Asymmetry Reduction in Old Adults or HAROLD). This change may help counteract age-related neurocognitive decline (compensation hypothesis) or it may reflect an age-related difficulty in recruiting specialized neural mechanisms (dedifferentiation hypothesis). To compare these two hypotheses, we measured PFC activity in younger adults, low-performing older adults, and high-performing older adults during recall and source memory of recently studied words. Compared to recall, source memory was associated with right PFC activations in younger adults. Low-performing older adults recruited similar right PFC regions as young adults, but high-performing older adults engaged PFC regions bilaterally. Thus, consistent with the compensation hypothesis and inconsistent with the dedifferentiation hypothesis, a hemispheric asymmetry reduction was found in high-performing but not in low-performing older adults. The results suggest that low-performing older adults recruited a similar network as young adults but used it inefficiently, whereas high-performing older adults counteracted age-related neural decline through a plastic reorganization of neurocognitive networks.

Positron emission tomography (PET) was used to compare regional cerebral blood flow (rCBF) in young (mean 26 years) and old (mean 70 years) subjects while they were encoding, recognizing, and recalling word pairs. A multivariate partial-least-squares (PLS) analysis of the data was used to identify age-related neural changes associated with (1) encoding versus retrieval and (2) recognition versus recall. Young subjects showed higher activation than old subjects (1) in left prefrontal and occipito-temporal regions during encoding and (2) in right prefrontal and parietal regions during retrieval. Old subjects showed relatively higher activation than young subjects in several regions, including insular regions during encoding, cuneus/precuneus regions during recognition, and left prefrontal regions during recall. Frontal activity in young subjects was left-lateralized during encoding and right-lateralized during recall [hemispheric encoding/retrieval asymmetry (HERA)], whereas old adults showed little frontal activity during encoding and a more bilateral pattern of frontal activation during retrieval. In young subjects, activation in recall was higher than that in recognition in cerebellar and cingulate regions, whereas recognition showed higher activity in right temporal and parietal regions. In old subjects, the differences in blood flow between recall and recognition were smaller in these regions, yet more pronounced in other regions. Taken together, the results indicate that advanced age is associated with neural changes in the brain systems underlying encoding, recognition, and recall. These changes take two forms: (1) age-related decreases in local regional activity, which may signal less efficient processing by the old, and (2) age-related increases in activity, which may signal functional compensation.

It is controversial whether the effects of aging on various cognitive functions have the same common cause or several different causes. To investigate this issue, we scanned younger and older adults with functional magnetic resonance imaging (fMRI) while performing three different tasks: working memory, visual attention and episodic retrieval. There were three main results. First, in all three tasks, older adults showed weaker occipital activity and stronger prefrontal and parietal activity than younger adults. The occipital reduction is consistent with the view that sensory processing decline is a common cause in cognitive aging, and the prefrontal increase may reflect functional compensation. Secondly, older adults showed more bilateral patterns of prefrontal activity than younger adults during working memory and visual attention tasks. These findings are consistent with the Hemispheric Asymmetry Reduction in Older Adults (HAROLD) model. Finally, compared to younger adults, older adults showed weaker hippocampal formation activity in all three tasks but stronger parahippocampal activity in the episodic retrieval task. The former finding suggests that age-related hippocampal deficits may have a global effect in cognition, and the latter is consistent with an age-related increase in familiarity-based recognition. Taken together, the results indicate that both common and specific factors play an important role in cognitive aging.

Emotional events are remembered better than neutral events possibly because the amygdala enhances the function of medial temporal lobe (MTL) memory system (modulation hypothesis). Although this hypothesis has been supported by much animal research, evidence from humans has been scarce and indirect. We investigated this issue using event-related fMRI during encoding of emotional and neutral pictures. Memory performance after scanning showed a retention advantage for emotional pictures. Successful encoding activity in the amygdala and MTL memory structures was greater and more strongly correlated for emotional than for neutral pictures. Moreover, a double dissociation was found along the longitudinal axis of the MTL memory system: activity in anterior regions predicted memory for emotional items, whereas activity in posterior regions predicted memory for neutral items. These results provide direct evidence for the modulation hypothesis in humans and reveal a functional specialization within the MTL regarding the effects of emotion on memory formation.

The memory-enhancing effect of emotion can be powerful and long-lasting. Most studies investigating the neural bases of this phenomenon have focused on encoding and early consolidation processes, and hence little is known regarding the contribution of retrieval processes, particularly after lengthy retention intervals. To address this issue, we used event-related functional MRI to measure neural activity during the retrieval of emotional and neutral pictures after a retention interval of 1 yr. Retrieval activity for emotional and neutral pictures was separately analyzed for successfully (hits) vs. unsuccessfully (misses) retrieved items and for responses based on recollection vs. familiarity. Recognition performance was better for emotional than for neutral pictures, and this effect was found only for recollection-based responses. Successful retrieval of emotional pictures elicited greater activity than successful retrieval of neutral pictures in the amygdala, entorhinal cortex, and hippocampus. Moreover, in the amygdala and hippocampus, the emotion effect was greater for recollection than for familiarity, whereas in the entorhinal cortex, it was similar for both forms of retrieval. These findings clarify the role of the amygdala and the medial temporal lobe memory regions in recollection and familiarity of emotional memory after lengthy retention intervals.

We review positron emission tomography (PET) studies whose results converge on the hemispheric encoding/retrieval asymmetry (HERA) model of the involvement of prefrontal cortical regions in the processes of human memory. The model holds that the left prefrontal cortex is differentially more involved in retrieval of information from semantic memory, and in simultaneously encoding novel aspects of the retrieved information into episodic memory, than is the right prefrontal cortex. The right prefrontal cortex, on the other hand, is differentially more involved in episodic memory retrieval than is the left prefrontal cortex. This general pattern holds for different kinds of information (e.g., verbal materials, pictures, faces) and a variety of conditions of encoding and retrieval.

Functional neuroimaging studies have shown that different cognitive functions activate overlapping brain regions. An activation overlap may occur because a region is involved in operations tapped by different cognitive functions or because the activated area comprises subregions differentially involved in each of the functions. To investigate these issues, we directly compared brain activity during episodic retrieval (ER) and working memory (WM) using event-related functional MRI (fMRI). ER was investigated with a word recognition test, and WM was investigated with a word delayed-response test. Two-phase trials distinguished between retrieval mode and cue-specific aspects of ER, as well as between encoding/maintenance and retrieval aspects of WM. The results revealed a common fronto-parieto-cerebellar network for ER and WM, as well as subregions differentially involved in each function. Specifically, there were two main findings. First, the results differentiated common and specific subregions within the prefrontal cortex: (i) left dorsolateral areas were recruited by both functions, possibly reflecting monitoring operations; (ii) bilateral anterior and ventrolateral areas were more activated during ER than during WM, possibly reflecting retrieval mode and cue-specific ER operations, respectively; and (iii) left posterior/ventral (Broca's area) and bilateral posterior/dorsal areas were more activated during WM than during ER, possibly reflecting phonological and generic WM operations, respectively. Second, hippocampal and parahippocampal regions were activated not only for ER but also for WM. This result suggests that indexing operations mediated by the medial temporal lobes apply to both long-term and short-term memory traces. Overall, our results show that direct cross-function comparisons are critical to understand the role of different brain regions in various cognitive functions.

Isolated retrograde amnesia is defined as impaired recollection of experiences pre-dating brain injury with relatively preserved anterograde learning and memory. We present findings from a patient (M.L.) with isolated retrograde amnesia following severe traumatic brain injury (TBI) that address hypotheses of the interrelationships of focal neuropathology, episodic memory and the self. M.L. is densely amnesic for experiences predating his injury, but shows normal anterograde memory performance on a variety of standard tests of recall and recognition. The cognitive processes underlying this performance were examined with the remember/know technique, which permits separation of episodic from non-episodic contributions to memory tests by quantifying subjects' reports of re-experiencing aspects of the encoding episode. The results demonstrated that M.L. does not episodically re-experience post-injury events to the same extent as control subjects, although he can use familiarity or other non-episodic processes to distinguish events he has experienced from those he has not experienced. M.L.'s MRI showed damage to the right ventral frontal cortex and underlying white matter, including the uncinate fasciculus, a frontotemporal band of fibres previously hypothesized to mediate retrieval of specific events from one's personal past. Recent functional neuroimaging evidence of an association between right frontal lobe functioning and episodic retrieval demands suggest that M.L.'s memory deficits are related to this focal injury. This hypothesis was supported by right frontal polar hypoactivation in M.L. in response to episodic retrieval demands when he was examined with a cognitive activation H2(15)O PET paradigm that reliably activated this frontal region in both healthy controls and patients with TBI carefully matched to M.L. (but without isolated retrograde amnesia). He also showed increased left inferomedial temporal activation relative to control subjects, suggesting that his spared anterograde memory is mediated through increased reliance on medial temporal lobe structures. Re-experiencing events as part of one's past is based on autonoetic awareness, i.e. awareness of oneself as a continuous entity across time. This form of awareness also supports the formulation of future goals and the implementation of a behavioural guidance system to achieve them. The findings from this study converge to suggest that M.L. has impaired autonoetic awareness attributable to right ventral frontal lobe injury, including right frontal-temporal disconnection. Reorganized brain systems mediate certain preserved cognitive operations in M.L., but without the normal complement of information concerning the self with respect to both past and future events.

We review PET studies of higher-order cognitive processes, including attention (sustained and selective), perception (of objects, faces, and locations), language (word listening, reading, and production), working memory (phonological and visuo-spatial), semantic memory retrieval (intentional and incidental), episodic memory retrieval (verbal and nonverbal), priming, and procedural memory (conditioning and skill learning). For each process, we identify activation patterns including the most consistently involved regions. These regions constitute important components of the network of brain regions that underlie each function.