Alcohol dependence may be associated with dysfunction of mesolimbic circuitry, such that anticipation of nonalcoholic reward fails to activate the ventral striatum, while alcohol-associated cues continue to activate this region. This may lead alcoholics to crave the pharmacological effects of alcohol to a greater extent than other conventional rewards. The present study investigated neural mechanisms underlying these phenomena. 16 detoxified male alcoholics and 16 age-matched healthy volunteers participated in two fMRI paradigms. In the first paradigm, alcohol-associated and affectively neutral pictures were presented, whereas in the second paradigm, a monetary incentive delay task (MID) was performed, in which brain activation during anticipation of monetary gain and loss was examined. For both paradigms, we assessed the association of alcohol craving with neural activation to incentive cues. Detoxified alcoholics showed reduced activation of the ventral striatum during anticipation of monetary gain relative to healthy controls, despite similar performance. However, alcoholics showed increased ventral striatal activation in response to alcohol-associated cues. Reduced activation in the ventral striatum during expectation of monetary reward, and increased activation during presentation of alcohol cues were correlated with alcohol craving in alcoholics, but not healthy controls. These results suggest that mesolimbic activation in alcoholics is biased towards processing of alcohol cues. This might explain why alcoholics find it particularly difficult to focus on conventional reward cues and engage in alternative rewarding activities.

Background Alcohol dependence is often associated with impulsivity, which may be correlated with dysfunction of the brain reward system. We explored whether functional brain activation during anticipation of incentive stimuli is associated with impulsiveness in detoxified alcoholics and healthy control subjects. Methods Nineteen detoxified male alcoholics and 19 age-matched healthy men participated in a functional magnetic resonance imaging (fMRI) study using a monetary incentive delay (MID) task, in which visual cues predicted that a rapid response to a subsequent target stimulus would either result in monetary gain, avoidance of monetary loss, or no consequence. Impulsivity was assessed with the Barratt Impulsiveness Scale-Version 10 (BIS-10). Results Detoxified alcoholics showed reduced activation of the ventral striatum during anticipation of monetary gain relative to healthy control subjects. Low activation of the ventral striatum and anterior cingulate during gain anticipation was correlated with high impulsivity only in alcoholics, not in control subjects. Conclusions This study suggests that reduced ventral striatal recruitment during anticipation of conventional rewards in alcoholics may be related to their increased impulsivity and indicate possibilities for enhanced treatment approaches in alcohol dependence. Alcohol dependence is often associated with impulsivity, which may be correlated with dysfunction of the brain reward system. We explored whether functional brain activation during anticipation of incentive stimuli is associated with impulsiveness in detoxified alcoholics and healthy control subjects. Nineteen detoxified male alcoholics and 19 age-matched healthy men participated in a functional magnetic resonance imaging (fMRI) study using a monetary incentive delay (MID) task, in which visual cues predicted that a rapid response to a subsequent target stimulus would either result in monetary gain, avoidance of monetary loss, or no consequence. Impulsivity was assessed with the Barratt Impulsiveness Scale-Version 10 (BIS-10). Detoxified alcoholics showed reduced activation of the ventral striatum during anticipation of monetary gain relative to healthy control subjects. Low activation of the ventral striatum and anterior cingulate during gain anticipation was correlated with high impulsivity only in alcoholics, not in control subjects. This study suggests that reduced ventral striatal recruitment during anticipation of conventional rewards in alcoholics may be related to their increased impulsivity and indicate possibilities for enhanced treatment approaches in alcohol dependence.

The primate orbitofrontal cortex (OFC) is involved in reward processing, learning, and decision making. Research in monkeys has shown that this region is densely connected with higher sensory, limbic, and subcortical regions. Moreover, a parcellation of the monkey OFC into two subdivisions has been suggested based on its intrinsic anatomical connections. However, in humans, little is known about any functional subdivisions of the OFC except for a rather coarse medial/lateral distinction. Here, we used resting-state fMRI in combination with unsupervised clustering techniques to investigate whether OFC subdivisions can be revealed based on their functional connectivity profiles with other brain regions. Examination of different cluster solutions provided support for a parcellation into two parts as observed in monkeys, but it also highlighted a much finer hierarchical clustering of the orbital surface. Specifically, we identified (1) a medial, (2) a posterior-central, (3) a central, and (4–6) three lateral clusters spanning the anterior–posterior gradient. Consistent with animal tracing studies, these OFC clusters were connected to other cortical regions such as prefrontal, temporal, and parietal cortices but also subcortical areas in the striatum and the midbrain. These connectivity patterns provide important implications for identifying specific functional roles of OFC subdivisions for reward processing, learning, and decision making. Moreover, this parcellation schema can provide guidance to report results in future studies.

An optimal choice among alternative behavioral options requires precise anticipatory representations of their possible outcomes. A fundamental question is how such anticipated outcomes are represented in the brain. Reward coding at the level of single cells in the orbitofrontal cortex (OFC) follows a more heterogeneous coding scheme than suggested by studies using functional MRI (fMRI) in humans. Using a combination of multivariate pattern classification and fMRI we show that the reward value of sensory cues can be decoded from distributed fMRI patterns in the OFC. This distributed representation is compatible with previous reports from animal electrophysiology that show that reward is encoded by different neural populations with opposing coding schemes. Importantly, the fMRI patterns representing specific values during anticipation are similar to those that emerge during the receipt of reward. Furthermore, we show that the degree of this coding similarity is related to subjects’ ability to use value information to guide behavior. These findings narrow the gap between reward coding in humans and animals and corroborate the notion that value representations in OFC are independent of whether reward is anticipated or actually received.

During development, children improve in learning from feedback to adapt their behavior. However, it is still unclear which neural mechanisms might underlie these developmental changes. In the current study, we used a reinforcement learning model to investigate neurodevelopmental changes in the representation and processing of learning signals. Sixty-seven healthy volunteers between ages 8 and 22 (children: 8–11 years, adolescents: 13–16 years, and adults: 18–22 years) performed a probabilistic learning task while in a magnetic resonance imaging scanner. The behavioral data demonstrated age differences in learning parameters with a stronger impact of negative feedback on expected value in children. Imaging data revealed that the neural representation of prediction errors was similar across age groups, but functional connectivity between the ventral striatum and the medial prefrontal cortex changed as a function of age. Furthermore, the connectivity strength predicted the tendency to alter expectations after receiving negative feedback. These findings suggest that the underlying mechanisms of developmental changes in learning are not related to differences in the neural representation of learning signals per se but rather in how learning signals are used to guide behavior and expectations.

Patients suffering from addiction persist in consuming substances of abuse, despite negative consequences or absence of positive consequences. One potential explanation is that these patients are impaired at flexibly adapting their behavior to changes in reward contingencies. A key aspect of adaptive decision-making involves updating the value of behavioral options. This is thought to be mediated via a teaching signal expressed as a reward prediction error (PE) in the striatum. However, to exert control over adaptive behavior, value signals need to be broadcast to higher executive regions, such as prefrontal cortex. Here we used functional MRI and a reinforcement learning task to investigate the neural mechanisms underlying maladaptive behavior in human male alcohol-dependent patients. We show that in alcohol-dependent patients the expression of striatal PEs is intact. However, abnormal functional connectivity between striatum and dorsolateral prefrontal cortex (dlPFC) predicted impairments in learning and the magnitude of alcohol craving. These results are in line with reports of dlPFC structural abnormalities in substance dependence and highlight the importance of frontostriatal connectivity in addiction, and its pivotal role in adaptive updating of action values and behavioral regulation. Furthermore, they extend the scope of neurobiological deficits underlying addiction beyond the focus on the striatum.

Significance To make adaptive choices based on reward-predicting stimuli, organisms must take into account information about both the value and the specific identity of the reward to be obtained. Using appetizing food odors and pattern-based functional magnetic resonance imaging, we show that the human orbitofrontal cortex encodes future rewards in the form of identity-specific value codes. That is, even if valued the same, different expected rewards, such as pizza and chocolate cake, are differently encoded in this region. We further show that identity-specific and -general value coding regions are functionally linked to distinct regions, providing a novel account for the neural circuitry that underlies integration of both sensory and affective information to guide reward-related behavior.

Internal representations of relationships between events in the external world can be utilized to infer outcomes when direct experience is lacking. This process is thought to involve the orbitofrontal cortex (OFC) and hippocampus (HPC), but there is little evidence regarding the relative role of these areas and their interactions in inference. Here, we used a sensory preconditioning task and pattern-based neuroimaging to study this question. We found that associations among value-neutral cues were acquired in both regions during preconditioning but that value-related information was only represented in the OFC at the time of the probe test. Importantly, inference was accompanied by representations of associated cues and inferred outcomes in the OFC, as well as by increased HPC–OFC connectivity. These findings suggest that the OFC and HPC represent only partially overlapping information and that interactions between the two regions support model-based inference.

ABSTRACT Outcome-guided behavior requires knowledge about the current value of expected outcomes. Such behavior can be isolated in the reinforcer devaluation task, which assesses the ability to infer the current value of rewards after devaluation. Animal lesion studies demonstrate that orbitofrontal cortex (OFC) is necessary for normal behavior in this task, but a causal role for human OFC in outcome-guided behavior has not been established. Here we used sham-controlled non-invasive continuous theta-burst stimulation (cTBS) to temporarily disrupt human OFC network activity prior to devaluation of food odor rewards in a between-subjects design. Subjects in the sham group appropriately avoided Pavlovian cues associated with devalued food odors. However, subjects in the stimulation group persistently chose those cues, even though devaluation of food odors themselves was unaffected by cTBS. This behavioral impairment was mirrored in changes in resting-stated functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) activity, such that subjects in the stimulation group exhibited reduced global OFC network connectivity after cTBS, and the magnitude of this reduction was correlated with choices after devaluation. These findings demonstrate the feasibility of indirectly targeting the human OFC with non-invasive cTBS, and indicate that OFC is specifically required for inferring the value of expected outcomes.

Abstract Episodic memory involves the reinstatement of distributed patterns of brain activity present when events were initially experienced. The hippocampus is thought to coordinate reinstatement via its interactions with a network of brain regions, but this hypothesis has not been causally tested in humans. The current study directly tested the involvement of the hippocampal network in reinstatement using network-targeted noninvasive stimulation. We measured reinstatement of multi-voxel patterns of fMRI activity during encoding and retrieval of naturalistic video clips depicting everyday activities. Reinstatement of video-specific activity patterns was robust in posterior-parietal and occipital areas previously implicated in event reinstatement. Theta-burst stimulation targeting the hippocampal network increased videospecific reinstatement of fMRI activity patterns in occipital cortex and improved memory accuracy relative to stimulation of a control out-of-network location. Furthermore, stimulation targeting the hippocampal network influenced the trial-by-trial relationship between hippocampal activity during encoding and later reinstatement in occipital cortex. These findings implicate the hippocampal network in the reinstatement of spatially distributed patterns of event-specific activity, and identify a role for the hippocampus in encoding complex naturalistic events that later undergo cortical reinstatement.