Abstract

 In rats, the firing sequences observed in hippocampal ensembles during spatial learning are replayed during subsequent sleep, suggesting a role for posttraining sleep periods in the offline processing of spatial memories. Here, using regional cerebral blood flow measurements, we show that, in humans, hippocampal areas that are activated during route learning in a virtual town are likewise activated during subsequent slow wave sleep. Most importantly, we found that the amount of hippocampal activity expressed during slow wave sleep positively correlates with the improvement of performance in route retrieval on the next day. These findings suggest that learning-dependent modulation in hippocampal activity during human sleep reflects the offline processing of recent episodic and spatial memory traces, which eventually leads to the plastic changes underlying the subsequent improvement in performance.

This study used positron emission tomography (PET) to identify the brain substrate of self-referential reflective activity and to investigate its relationship with brain areas that are active during the resting state. Thirteen healthy volunteers performed reflective tasks pertaining to three different matters (the self, another person, and social issues) while they were scanned. Rest scans were also acquired, in which subjects were asked to simply relax and not think in a systematic way. The mental activity experienced during each scan was assessed with rating scales. The results showed that, although self-referential thoughts were most frequent during the self-referential task, some self-referential reflective activity also occurred during rest. Compared to rest, performing the reflective tasks was associated with increased blood flow in the dorsomedial prefrontal cortex, the left anterior middle temporal gyrus, the temporal pole bilaterally, and the right cerebellum; there was a decrease of blood flow in right prefrontal regions and in medial and right lateral parietal regions. In addition, the ventromedial prefrontal cortex (VMPFC) (1) was more active during the self-referential reflective task than during the other two reflective tasks, (2) showed common activation during rest and the self-referential task, and (3) showed a correlation between cerebral metabolism and the amount of self-referential processing. It is suggested that the VMPFC is crucial for representing knowledge pertaining to the self and that this is an important function of the resting state.

Abstract The medial prefrontal cortex (MPFC) appears to play a prominent role in two fundamental aspects of social cognition, that is, self-referential processing and perspective taking. However, it is currently unclear whether the same or different regions of the MPFC mediate these two interdependent processes. This functional magnetic resonance imaging study sought to clarify the issue by manipulating both dimensions in a factorial design. Participants judged the extent to which trait adjectives described their own personality (e.g., “Are you sociable?”) or the personality of a close friend (e.g., “Is Caroline sociable?”) and were also asked to put themselves in the place of their friend (i.e., to take a third-person perspective) and estimate how this person would judge the adjectives, with the target of the judgments again being either the self (e.g., “According to Caroline, are you sociable?”) or the other person (e.g., “According to Caroline, is she sociable?”). We found that self-referential processing (i.e., judgments targeting the self vs. the other person) yielded activation in the ventral and dorsal anterior MPFC, whereas perspective taking (i.e., adopting the other person's perspective, rather than one's own, when making judgments) resulted in activation in the posterior dorsal MPFC; the interaction between the two dimensions yielded activation in the left dorsal MPFC. These findings show that self-referential processing and perspective taking recruit distinct regions of the MPFC and suggest that the left dorsal MPFC may be involved in decoupling one's own from other people's perspectives on the self.

Abstract Previous studies exploring the neural substrates of executive functioning used task‐specific analyses, which might not be the most appropriate approach due to the difficulty of precisely isolating executive functions. Consequently, the aim of this study was to use positron emission tomography (PET) to reexamine by conjunction and interaction paradigms the cerebral areas associated with three executive processes (updating, shifting, and inhibition). Three conjunction analyses allowed us to isolate the cerebral areas common to tasks selected to tap into the same executive process. A global conjunction analysis demonstrated that foci of activation common to all tasks were observed in the right intraparietal sulcus, the left superior parietal gyrus, and at a lower statistical threshold, the left lateral prefrontal cortex. These regions thus seem to play a general role in executive functioning. The right intraparietal sulcus seems to play a role in selective attention to relevant stimuli and in suppression of irrelevant information. The left superior parietal region is involved in amodal switching/integration processes. One hypothesis regarding the functional role of the lateral prefrontal cortex is that monitoring and temporal organization of cognitive processes are necessary to carry out ongoing tasks. Finally, interaction analyses showed that specific prefrontal cerebral areas were associated with each executive process. The results of this neuroimaging study are in agreement with cognitive studies demonstrating that executive functioning is characterized by both unity and diversity of processes. Hum. Brain Mapp, 2005. © 2005 Wiley‐Liss, Inc.

Light exerts multiple non-image-forming biological effects on physiology including the stimulation of alertness and cognition. However, the subcortical circuitry underlying the stimulating impact of light is not established in humans. We used 7 Tesla functional magnetic resonance imaging to assess the impact of variations in light illuminance on the regional activity of the hypothalamus while healthy young adults (N=26; 16 women; 24.3 ± 2.9y) were completing two auditory cognitive tasks. We find that, during both the executive and emotional tasks, higher illuminance triggered an activity increase over the posterior part of the hypothalamus, which includes part of the tuberomamillary nucleus and the posterior part of the lateral hypothalamus. In contrast, increasing illuminance evoked a decrease in activity over the anterior and ventral parts of the hypothalamus, encompassing notably the suprachiasmatic nucleus and another part of the tuberomammillary nucleus. Critically, the performance of the executive task was improved under higher illuminance and was negatively correlated with the activity of the posterior hypothalamus area. These findings reveal the distinct local dynamics of different hypothalamus regions that underlie the impact of light on cognition.

Background: Cognitive complaints are gaining more attention as they may represent an early marker of increased risk for AD in individuals without objective decline at standard neuropsychological examination. Objective: Our aim was to assess whether cognitive complaints in late middle-aged individuals not seeking medical help are related to objective cognitive outcomes known as early markers for AD risk, concomitant affective state, and amyloid-β (Aβ) burden. Methods: Eighty-seven community-based cognitively normal individuals aged 50–69 years underwent neuropsychological assessment for global cognition, using Preclinical Alzheimer’s Cognitive Composite 5 (PACC5) score, and a more specific episodic memory measure. Affective state was based on self-assessment questionnaires for depression and anxiety. Aβ PET burden was assessed via [18F]Flutemetamol (N = 84) and [18F]Florbetapir (N = 3) uptake. Cognitive complaints were evaluated using Cognitive Difficulties Scale. Results: Higher cognitive complaints were significantly associated with lower episodic memory performance and worse affective state. Moreover, higher level of cognitive complaints was related to higher (but still sub-clinical) global Aβ accumulation (at uncorrected significance level). Importantly, all three aspects remained significant when taken together in the same statistical model, indicating that they explained distinct parts of variance. Conclusion: In healthy Aβ negative late middle-aged individuals, a higher degree of cognitive complaints is associated with lower episodic memory efficiency, more anxiety and depression, as well as, potentially, with higher Aβ burden, suggesting that complaints might signal subtle decline. Future studies should untangle how cognitive complaints in healthy aging populations are related to longitudinal changes in objective cognition and AD biomarker correlates.

Insomnia disorder (ID) is the second most common neuropsychiatric disorder. Its socioeconomic burden is enormous while diagnosis and treatment are difficult. A novel approach that reveals associations between insomnia genetic propensity and sleep phenotypes in youth may help understand the core of the disease isolated from comorbidities and pave the way for new treatments. We obtained quantitative nocturnal sleep electroencephalogram (EEG) features in 456 participants (18-31y, 49 women). Sleep EEG was recorded during a baseline night following at least 7 days of regular sleep times. We then assessed daytime sleep onset latency in a subsample of N = 359 men exposed to manipulations affecting sleep pressure. We sampled saliva or blood for polygenic risk score (PRS) determination. The PRS for ID was computed based on genome-wide common single nucleotide polymorphism assessments. Participants also completed a battery of behavioral and cognitive tests. The analyses revealed that the PRS for ID was negatively associated with cumulated EEG power in the delta (0.5-4 Hz) and theta (4-8 Hz) bands across rapid eye movement (REM) and non-REM sleep (p ≤ .0026; β ≥ -0.13) controlling for age, sex and BMI. The PRS for ID was also negatively associated with daytime likelihood of falling asleep (β = -0.19, p = .0009). Other explorations for associations with non-baseline-nights, cognitive measures, and mood did not yield significant results. These results propose that the need or the ability to fall asleep and to generate slow brain activity during sleep may constitute the core sleep-related risk factors for developing ID.

Sleep has been suggested to contribute to myelinogenesis and associated structural changes in the brain. As a principal hallmark of sleep, slow-wave activity (SWA) is homeostatically regulated but also differs between individuals. Besides its homeostatic function, SWA topography is suggested to reflect processes of brain maturation. Here, we assessed whether interindividual differences in sleep SWA and its homeostatic response to sleep manipulations are associated with in-vivo myelin estimates in a sample of healthy young men. Two hundred twenty-six participants (18–31 y.) underwent an in-lab protocol in which SWA was assessed at baseline (BAS), after sleep deprivation (high homeostatic sleep pressure, HSP) and after sleep saturation (low homeostatic sleep pressure, LSP). Early-night frontal SWA, the frontal-occipital SWA ratio, as well as the overnight exponential SWA decay were computed over sleep conditions. Semi-quantitative magnetization transfer saturation maps (MTsat), providing markers for myelin content, were acquired during a separate laboratory visit. Early-night frontal SWA was negatively associated with regional myelin estimates in the temporal portion of the inferior longitudinal fasciculus. By contrast, neither the responsiveness of SWA to sleep saturation or deprivation, its overnight dynamics, nor the frontal/occipital SWA ratio were associated with brain structural indices. Our results indicate that frontal SWA generation tracks inter-individual differences in continued structural brain re-organization during early adulthood. This stage of life is not only characterized by ongoing region-specific changes in myelin content, but also by a sharp decrease and a shift towards frontal predominance in SWA generation.

Abstract Background Light can influence several non-image-forming biological effects including the modulation of mood and emotional processing through neural circuitry that remains to be fully established. Rodent data showed that nuclei the amygdala, known to be important to mood regulation and emotional processing, receive direct inputs from the retina and mediate part of the affective impact of light. Here, we wanted to assess whether these animal findings translate to human beings. We determine the dynamics of the impact of light exposure on the activity of the amygdala, and whether the dynamics varied across its volume, during the processing of emotional stimulation. Methods We used 7 Tesla functional magnetic resonance imaging to assess the impact of variations in light illuminance on the regional activity of the amygdala in healthy young adults (N = 29; 18 women; 24 ± 3.1y) during an auditory emotional task. Results We find that several subregions of the amygdala, including the medial nucleus that receives direct retinal projection, showed a marked and linear reduction of activity with increasing illuminance when processing emotionally charged stimuli. Conclusion We speculate that it is through the medial nucleus that light affects the emotional state of healthy individuals. These findings shed more light on the mechanisms that underlie the biological impact of light on the brain and may contribute to the benefits of light therapy in the treatment of mood disorders.

The locus coeruleus (LC) is the primary source of norepinephrine (NE) in the brain, and the LC-NE system is involved in regulating arousal and sleep. It plays key roles in the transition between sleep and wakefulness, and between slow wave sleep (SWS) and rapid eye movement sleep (REMS). However, it is not clear whether the LC activity during the day predicts sleep quality and sleep properties during the night, and how this varies as a function of age. Here, we used 7 Tesla functional Magnetic Resonance Imaging (7T fMRI), sleep electroencephalography (EEG) and a sleep questionnaire to test whether the LC activity during wakefulness was associated with sleep quality in 52 healthy younger (N=33; ~22y; 28 women) and older (N=19; ~61y; 14 women) individuals. We find that, in older, but not in younger participants, higher LC activity, as probed during an auditory mismatch negativity task, is associated with worse subjective sleep quality and with lower power over the EEG theta band during REMS (4-8Hz), which are two sleep parameters significantly correlated in our sample of older individuals. The results remain robust even when accounting for the age-related changes in the integrity of the LC. These findings suggest that the activity of the LC may contribute to the perception of the sleep quality and to an essential oscillatory mode of REMS, and that the LC may be an important target in the treatment of sleep disorders and age-related diseases.