Abstract Aim Head motion has a profound effect on MRI, and will contaminate comparisons of function or structure between groups that move differently. This work compares adults and infants. Infants might move differently for physical, physiological and cognitive reasons, but so far these differences have not been quantified. Methods The spatial modes and total magnitude of motion in the MRI scanner were measured (N=211). The effects of group (infant vs. adult) and stimulation paradigm (auditory vs. visual) were evaluated. Results Spatial modes of motion were found to be distinct between infant and adult groups. Infants had less anterior-posterior translational motion, but greater motion in other dimensions, often with complex multi-axis patterns. In magnitude distribution, sleeping infants often remained more still than adults, but when movement did occur it was more extreme and abrupt. Two groups of adults presented with different stimulation showed similar shapes of motion. Conclusion The spatial modes and magnitude distribution of motion differed substantially between groups, and must be considered carefully as a confound in comparisons of structure or function. The abruptness and magnitude of movement suggests that for infants relative to adults post-processing strategies such as de-noising are likely to be more effective than prospective motion correction. Key notes Quantified the spatial and temporal distribution of motion during MRI in 211 adults and neonates The different spatial modes in adults and infants were visualized and statistically contrasted The magnitude of motion had “heavier tails” in infants, with more still periods, and more large movements, than adults.

Children who have been diagnosed with autism spectrum disorder (ASD) often show a marked deficit in measures of social cognition. In autistic adults, measures of social cognition have been shown to relate to differences in brain synchronization (as measured by fMRI) when individuals are processing naturalistic stimuli, such as movies. However, whether children with impaired social cognition, with or without a diagnosis of ASD, differ in their neural responses to movies has not yet been investigated. In the current study, neural synchrony was examined in three groups of children aged 7 to 12, who differed with respect to their social cognition scores and whether or not they had been diagnosed with ASD. While watching the movie Despicable Me, those diagnosed with ASD had significantly less neural synchrony in areas that have been previously shown to be associated with social cognition (e.g. areas related to theory of mind), and plot following (e.g. frontoparietal cortex), than those who did not have an ASD diagnosis. In contrast, two groups who differed in their social cognition scores, but did not have a diagnosis of ASD, showed no significant differences in neural synchrony across the whole brain. These results shed some light on how social cognition contributes to our conscious experience of the world, and how, for children with ASD, that experience may differ markedly from that of those without ASD.

We rely upon visual short-term memory (VSTM) for continued access to perceptual information that is no longer available. Despite the complexity of our visual environments, the majority of research on VSTM has focused on memory for lower-level perceptual features. Using more naturalistic stimuli, it has been found that recognizable objects are remembered better than unrecognizable objects. What remains unclear, however, is how semantic information changes brain representations in order to facilitate this improvement in VSTM for real-world objects. To address this question, we used a continuous report paradigm to assess VSTM (precision and guessing rate) while participants underwent functional magnetic resonance imaging (fMRI) to measure the underlying neural representation of 96 objects from 4 animate and 4 inanimate categories. To isolate semantic content, we used a novel image generation method that parametrically warps images until they are no longer recognizable while preserving basic visual properties. We found that intact objects were remembered with greater precision and a lower guessing rate than unrecognizable objects (this also emerged when objects were grouped by category and animacy). Representational similarity analysis of the ventral visual stream found evidence of category and animacy information in anterior visual areas during encoding only, but not during maintenance. These results suggest that the effect of semantic information during encoding in ventral visual areas boosts visual short-term memory for real-world objects.

Abstract Children and adolescents diagnosed with Attention Deficit Hyperactivity Disorder (ADHD) often show deficits in various measures of higher-level cognition, such as, memory and executive functioning. Poorer high-level cognitive functioning in children with ADDH has been associated with differences in functional connectivity across the brain, including the frontoparietal network. However, little is known about the developmental changes to cortical functional connectivity profiles associated with higher-order cognitive abilities in this cohort. To characterize changes in the functional brain connectivity profiles related to higher-order cognitive functioning, we analyzed a large dataset(n=479) from the publicly available Healthy Brain Network which included fMRI data collected while children and adolescents between the ages of 6 and 16 watched a short movie-clip. The cohort was divided into two groups, neurotypical youth (n=106), and children and adolescents with ADHD (n=373). We applied machine learning models to functional connectivity profiles generated from the fMRI data to identify patterns of network connectivity that differentially predict cognitive abilities in our cohort of interest. We found, using out-of-sample cross validation, models using functional connectivity profiles in response to movie-watching successfully predicted IQ, visual spatial, verbal comprehension, and fluid reasoning in children ages 6 to 11, but not in adolescents with ADHD. The models identified connections with the default mode, memory retrieval, and dorsal attention networks as driving prediction during early and middle childhood, but connections with the somatomotor, cingulo-opercular, and frontoparietal networks were more important in middle childhood. This work demonstrated that computational models applied to neuroimaging data in response to naturalistic stimuli can identify distinct neural mechanisms associated with cognitive abilities at different developmental stages in children and adolescents with ADHD.

Identifying what an object is, and whether an object has been encountered before, is a crucial aspect of human behavior. Despite this importance, we do not have a complete understanding of the neural basis of these abilities. Investigations into the neural organization of human object representations have revealed category specific organization in the ventral visual stream in perceptual tasks. Interestingly, these categories fall within broader domains of organization, with distinctions between animate, inanimate large, and inanimate small objects. While there is some evidence for category specific effects in the medial temporal lobe (MTL), it is currently unclear whether domain level organization is also present across these structures. To this end, we used fMRI with a continuous recognition memory task. Stimuli were images of objects from several different categories, which were either animate or inanimate, or large or small within the inanimate domain. We employed representational similarity analysis (RSA) to test the hypothesis that object-evoked responses in MTL structures during recognition-memory judgments also show evidence for domain-level organization along both dimensions. Our data support this hypothesis. Specifically, object representations were shaped by either animacy, real-world size, or both, in perirhinal and parahippocampal cortex, as well as the hippocampus. While sensitivity to these dimensions differed when structures when probed individually, hinting at interesting links to functional differentiation, similarities in organization across MTL structures were more prominent overall. These results argue for continuity in the organization of object representations in the ventral visual stream and the MTL.

Abstract Improvements in behaviour are known to be accompanied by both structural and functional changes in the brain. However whether those changes lead to more general improvements, beyond the behaviour being trained, remains a contentious issue. We investigated whether training on one of two cognitive tasks would lead to either near transfer (that is, improvements on a quantifiably similar task) or far transfer (that is, improvements on a quantifiably different task), and furthermore, if such changes did occur, what the underlying neural mechanisms might be. Participants trained on either a verbal inhibitory control task or a visuospatial working memory task for four weeks, over the course of which they received five diffusion tensor imaging scans. Two additional tasks, a test of verbal reasoning and a test of spatial span, served as measures of near transfer for the inhibitory control task and spatial working memory task, respectively. These two tasks also served as measures of far transfer for the alternate training task. Behaviourally, participants improved on the task that they trained on, but did not improve on cognitively similar tests (near transfer), nor cognitively dissimilar tests (far transfer). Extensive changes to white matter microstructure were observed, with verbal inhibitory control training leading to changes in a left-lateralized network of fronto-temporal and occipito-frontal tracts, and visuospatial working memory training leading to changes in right-lateralized fronto-parietal tracts. Very little overlap was observed in changes between the two training groups. On the basis of these results, we suggest that near and far transfer were not observed because the changes in white matter tracts associated with training on each task are almost entirely non-overlapping with, and therefore afford no advantages for, the untrained tasks.

Abstract Objectives Inconsistencies in the literature make it difficult to outline the relationship between exercise and cognition in young adults. Our aim is to better understand the relationship between prolonged aerobic and resistance exercise and cognitive abilities in sedentary young adults, and how this relationship is mediated by changes in cardiovascular fitness. Methods Twenty-three volunteers were recruited and assigned to two groups to complete one hour of continuous daily workout sessions of aerobic (SPIN) and anaerobic (SCSW) exercises over a 30 day period. Each subject was provided with a Polar-10 wearable to record the heart rate (HR) activity during the workout sessions. The workout sessions were completed during five consecutive days over four consecutive weeks. Each week, HR data were collected from the last workout session. Volunteers also completed a neurocognitive test battery (Cambridge Brain Sciences, CBS) each exercise session, including an additional baseline measure before exercise regime began. Results We found that memory, reasoning and verbal abilities improved throughout the aerobic, but not the resistance exercise program. We found a positive correlation between heart rate index (HRI) and memory and reasoning test scores. We also found a negative correlation between reasoning ability and HRM (heart rate mean), and heart rate skewness (SKW). The results of a regression model to predict memory and reasoning abiltiies revealed that memory was best predicted by HRI and HRM, while the reasoning ability was best predicted by only HRI. Conclusion Regular aerobic exercises improved specific cognitive performance and it was possible to predict the performance by employing the HR parameters HRI and HRM.