We present an approach to characterizing the differences among event-related hemodynamic responses in functional magnetic resonance imaging that are evoked by different sorts of stimuli. This approach is predicated on a linear convolution model and standard inferential statistics as employed by statistical parametric mapping. In particular we model evoked responses, and their differences, in terms of basis functions of the peri-stimulus time. This facilitates a characterization of the temporal response profiles that has a high effective temporal resolution relative to the repetition time. To demonstrate the technique we examined differential responses to visually presented words that had been seen prior to scanning or that were novel. The form of these differences involved both the magnitude and the latency of the response components. In this paper we focus on bilateral ventrolateral prefrontal responses that show deactivations for previously seen words and activations for novel words.

Combined EEG/fMRI recording has been used to localize the generators of EEG events and to identify subject state in cognitive studies and is of increasing interest. However, the large EEG artifacts induced during fMRI have precluded simultaneous EEG and fMRI recording, restricting study design. Removing this artifact is difficult, as it normally exceeds EEG significantly and contains components in the EEG frequency range. We have developed a recording system and an artifact reduction method that reduce this artifact effectively. The recording system has large dynamic range to capture both low-amplitude EEG and large imaging artifact without distortion (resolution 2 μV, range 33.3 mV), 5-kHz sampling, and low-pass filtering prior to the main gain stage. Imaging artifact is reduced by subtracting an averaged artifact waveform, followed by adaptive noise cancellation to reduce any residual artifact. This method was validated in recordings from five subjects using periodic and continuous fMRI sequences. Spectral analysis revealed differences of only 10 to 18% between EEG recorded in the scanner without fMRI and the corrected EEG. Ninety-nine percent of spike waves (median 74 μV) added to the recordings were identified in the corrected EEG compared to 12% in the uncorrected EEG. The median noise after artifact reduction was 8 μV. All these measures indicate that most of the artifact was removed, with minimal EEG distortion. Using this recording system and artifact reduction method, we have demonstrated that simultaneous EEG/fMRI studies are for the first time possible, extending the scope of EEG/fMRI studies considerably.

THE relationship between the semantic processing of words and of pictures is a matter of debate among cognitive scientists1,2. We studied the functional anatomy of such processing by using positron-emission tomography (PET). We contrasted activity during two semantic tasks (probing knowledge of associations between concepts, and knowledge of the visual attributes of these concepts) and a baseline task (discrimination of physical stimulus size), performed either with words or with pictures. Modality-specific activations unrelated to semantic processing occurred in the left inferior parietal lobule for words, and the right middle occipital gyrus for pictures. A semantic network common to both words and pictures extended from the left superior occipital gyrus through the middle and inferior temporal cortex to the inferior frontal gyrus. A picture-specific activation related to semantic tasks occurred in the left posterior inferior temporal sulcus, and word-specific activations related to semantic tasks were localized to the left superior temporal sulcus, left anterior middle temporal gyrus, and left inferior frontal sulcus. Thus semantic tasks activate a distributed semantic processing system shared by both words and pictures, with a few specific areas differentially active for either words or pictures.

Human anterior cingulate function has been explained primarily within a cognitive framework. We used functional MRI experiments with simultaneous electrocardiography to examine regional brain activity associated with autonomic cardiovascular control during performance of cognitive and motor tasks. Using indices of heart rate variability, and high- and low-frequency power in the cardiac rhythm, we observed activity in the dorsal anterior cingulate cortex (ACC) related to sympathetic modulation of heart rate that was dissociable from cognitive and motor-related activity. The findings predict that during effortful cognitive and motor behaviour the dorsal ACC supports the generation of associated autonomic states of cardiovascular arousal. We subsequently tested this prediction by studying three patients with focal damage involving the ACC while they performed effortful cognitive and motor tests. Each showed abnormalities in autonomic cardiovascular responses with blunted autonomic arousal to mental stress when compared with 147 normal subjects tested in identical fashion. Thus, converging neuroimaging and clinical findings suggest that ACC function mediates context-driven modulation of bodily arousal states.

It is controversial whether the dorsolateral prefrontal cortex is involved in the maintenance of items in working memory or in the selection of responses. We used event-related functional magnetic resonance imaging to study the performance of a spatial working memory task by humans. We distinguished the maintenance of spatial items from the selection of an item from memory to guide a response. Selection, but not maintenance, was associated with activation of prefrontal area 46 of the dorsal lateral prefrontal cortex. In contrast, maintenance was associated with activation of prefrontal area 8 and the intraparietal cortex. The results support a role for the dorsal prefrontal cortex in the selection of representations. This accounts for the fact that this area is activated both when subjects select between items on working memory tasks and when they freely select between movements on tasks of willed action.

The question of whether recognition memory judgments with and without recollection reflect dissociable patterns of brain activity is unresolved. We used event-related, functional magnetic resonance imaging (fMRI) of 12 healthy volunteers to measure hemodynamic responses associated with both studying and recognizing words. Volunteers made one of three judgments to each word during recognition: whether they recollected seeing it during study (R judgments), whether they experienced a feeling of familiarity in the absence of recollection (K judgments), or whether they did not remember seeing it during study (N judgments). Both R and K judgments for studied words were associated with enhanced responses in left prefrontal and left parietal cortices relative to N judgments for unstudied words. The opposite pattern was observed in bilateral temporoccipital regions and amygdalae. R judgments for studied words were associated with enhanced responses in anterior left prefrontal, left parietal, and posterior cingulate regions relative to K judgments. At study, a posterior left prefrontal region exhibited an enhanced response to words subsequently given R versus K judgments, but the response of this region during recognition did not differentiate R and K judgments. K judgments for studied words were associated with enhanced responses in right lateral and medial prefrontal cortex relative to both R judgments for studied words and N judgments for unstudied words, a difference we attribute to greater monitoring demands when memory judgments are less certain. These results suggest that the responses of different brain regions do dissociate according to the phenomenology associated with memory retrieval.

We present a method for detecting event-related responses in functional magnetic resonance imaging (fMRI). The occurrence of time-locked activations is formulated in terms of the general linear model, i.e., multiple linear regression. This permits the use of established statistical techniques that correct for multiple comparisons in the context of spatially smooth and serially correlated data. Responses are modelled using event-related temporal basis functions. Inferences are then made about all components of the model, using the F-ratio at all voxels in the image, to produce a statistical parametric map (SPM{F}). This method allows for the experimental design to relate the timing of events to the acquisition of data to give a temporal resolution (with respect to the event-related response) far better than the scanning repeat time.

A well-recognized problem with the echo-planar imaging (EPI) technique most commonly used for functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies is geometric distortion caused by magnetic field inhomogeneity. This makes it difficult to achieve an accurate registration between a functional activation map calculated from an EPI time series and an undistorted, high resolution anatomical image. A correction method based on mapping the spatial distribution of field inhomogeneities can be used to reduce these distortions. This approach is attractive in its simplicity but requires postprocessing to improve the robustness of the acquired field map and reduce any secondary artifacts. Furthermore, the distribution of the internal magnetic field throughout the head is position dependent resulting in an interaction between distortion and head motion. Therefore, a single field map may not be sufficient to correct for the distortions throughout a whole fMRI time series. In this paper we present a quantitative evaluation of image distortion correction for fMRI at 2T. We assess (i) methods for the acquisition and calculation of field maps, (ii) the effect of image distortion correction on the coregistration between anatomical and functional images, and (iii) the interaction between distortion and head motion, assessing the feasibility of using field maps to reduce this effect. We propose that field maps with acceptable noise levels can be generated easily using a dual echo-time EPI sequence and demonstrate the importance of distortion correction for anatomical coregistration, even for small distortions. Using a dual echo-time series to generate a unique field map at each time point, we characterize the interaction between head motion and geometric distortion. However, we suggest that the variance between successively measured field maps introduces additional unwanted variance in the voxel time-series and is therefore not adequate to correct for time-varying distortions.

Abstract This paper presents an approach to characterizing evoked hemodynamic responses in fMRI based on nonlinear system identification, in particular the use of Volterra series. The approach employed enables one to estimate Volterra kernels that describe the relationship between stimulus presentation and the hemodynamic responses that ensue. Volterra series are essentially high‐order extensions of linear convolution or “smoothing.” These kernels, therefore, represent a nonlinear characterization of the hemodynamic response function that can model the responses to stimuli in different contexts (in this work, different rates of word presentation) and interactions among stimuli. The nonlinear components of the responses were shown to be statistically significant, and the kernel estimates were validated using an independent event‐related fMRI experiment. One important manifestation of these nonlinear effects is a modulation of stimulus‐specific responses by preceding stimuli that are proximate in time. This means that responses at high‐stimulus presentation rates saturate and, in some instances, show an inverted U behavior. This behavior appears to be specific to BOLD effects (as distinct from evoked changes in cerebral blood flow) and may represent a hemodynamic “refractoriness.” The aim of this paper is to describe the theory and techniques upon which these conclusions were based and to discuss the implications for experimental design and analysis.

This article considers the efficiency of event-related fMRI designs in terms of the optimum temporal pattern of stimulus or trial presentations. The distinction between "stochastic" and "deterministic" is used to distinguish between designs that are specified in terms of the probability that an event will occur at a series of time points (stochastic) and those in which events always occur at prespecified time (deterministic). Stochastic designs may be "stationary," in which the probability is constant, or nonstationary, in which the probabilities change with time. All these designs can be parameterized in terms of a vector of occurrence probabilities and a prototypic design matrix that embodies constraints (such as the minimum stimulus onset asynchrony) and the model of hemodynamic responses. A simple function of these parameters is presented and used to compare the relative efficiency of different designs. Designs with slow modulation of occurrence probabilities are generally more efficient than stationary designs. Interestingly the most efficient design is a conventional block design. A critical point, made in this article, is that the most efficient design for one effect may not be the most efficient for another. This is particularly important when considering evoked responses and the differences among responses. The most efficient designs for evoked responses, as opposed to differential responses, require trial-free periods during which baseline levels can be attained. In the context of stochastic, rapid-presentation designs this is equivalent to the inclusion of "null events."