Abstract A fully probabilistic framework is presented for estimating local probability density functions on parameters of interest in a model of diffusion. This technique is applied to the estimation of parameters in the diffusion tensor model, and also to a simple partial volume model of diffusion. In both cases the parameters of interest include parameters defining local fiber direction. A technique is then presented for using these density functions to estimate global connectivity (i.e., the probability of the existence of a connection through the data field, between any two distant points), allowing for the quantification of belief in tractography results. This technique is then applied to the estimation of the cortical connectivity of the human thalamus. The resulting connectivity distributions correspond well with predictions from invasive tracer methods in nonhuman primate. Magn Reson Med 50:1077–1088, 2003. © 2003 Wiley‐Liss, Inc.

The experience of pain is subjectively different from the fear and anxiety caused by threats of pain. Functional magnetic resonance imaging in healthy humans was applied to dissociate neural activation patterns associated with acute pain and its anticipation. Expectation of pain activated sites within the medial frontal lobe, insular cortex, and cerebellum distinct from, but close to, locations mediating pain experience itself. Anticipation of pain can in its own right cause mood changes and behavioral adaptations that exacerbate the suffering experienced by chronic pain patients. Selective manipulations of activity at these sites may offer therapeutic possibilities for treating chronic pain.

Current clinical and experimental literature strongly supports the phenomenon of reduced pain perception whilst attention is distracted away from noxious stimuli. This study used functional MRI to elucidate the underlying neural systems and mechanisms involved. An analogue of the Stroop task, the counting Stroop, was used as a cognitive distraction task whilst subjects received intermittent painful thermal stimuli. Pain intensity scores were significantly reduced when subjects took part in the more cognitively demanding interference task of the counting Stroop than in the less demanding neutral task. When subjects were distracted during painful stimulation, brain areas associated with the affective division of the anterior cingulate cortex (ACC) and orbitofrontal regions showed increased activation. In contrast, many areas of the pain matrix (i.e. thalamus, insula, cognitive division of the ACC) displayed reduced activation, supporting the behavioural results of reduced pain perception.

It is common clinical experience that anxiety about pain can exacerbate the pain sensation. Using event-related functional magnetic resonance imaging (FMRI), we compared activation responses to noxious thermal stimulation while perceived pain intensity was manipulated by changes in either physical intensity or induced anxiety. One visual signal, which reliably predicted noxious stimulation of moderate intensity, came to evoke low anxiety about the impending pain. Another visual signal was followed by the same, moderate-intensity stimulation on most of the trials, but occasionally by discriminably stronger noxious stimuli, and came to evoke higher anxiety. We found that the entorhinal cortex of the hippocampal formation responded differentially to identical noxious stimuli, dependent on whether the perceived pain intensity was enhanced by pain-relevant anxiety. During this emotional pain modulation, entorhinal responses predicted activity in closely connected, affective (perigenual cingulate), and intensity coding (mid-insula) areas. Our finding suggests that accurate preparatory information during medical and dental procedures alleviates pain by disengaging the hippocampus. It supports the proposal that during anxiety, the hippocampal formation amplifies aversive events to prime behavioral responses that are adaptive to the worst possible outcome.

Pain is an unpleasant sensory and emotional experience usually triggered by stimulation of peripheral nerves and often associated with actual or potential tissue damage. It is well known that pain perception for patients and normal subjects can be modulated by psychological factors, such as attention, stress, and arousal. Our understanding of how this modulation occurs at a neuroanatomical level is poor. Here we neuroanatomically defined a key area in the network of brain regions active in response to pain that is modulated by attention to the painful stimulus. High-resolution functional magnetic resonance imaging was used to define brain activation to painful heat stimulation applied to the hand of nine normal subjects within the periaqueductal gray region. Subjects were asked to either focus on or distract themselves from the painful stimuli, which were cued using colored lights. During the distraction condition, subjects rated the pain intensity as significantly lower compared with when they attended to the stimulus. Activation in the periaqueductal gray was significantly increased during the distraction condition, and the total increase in activation was predictive of changes in perceived intensity. This provides direct evidence supporting the notion that the periaqueductal gray is a site for higher cortical control of pain modulation in humans.

ALTHOUGH there has been much investigation of brain pathways involved in pain, little is known about the brain mechanisms involved in processing somatosensory stimuli which feel pleasant. Employing fMRI it was shown that pleasant touch to the hand with velvet produced stronger activation of the orbitofrontal cortex than affectively neutral touch of the hand with wood. In contrast, the affectively neutral but more intense touch produced more activation of the primary somatosensory cortex than the pleasant stimulus. This indicates that part of the orbitofrontal cortex is concerned with representing the positively affective aspects of somatosensory stimuli, and in further experiments it was shown that this orbitofrontal area is different from that activated by taste and smell. The finding that three different primary or unlearned types of reinforcer (touch, taste, and smell) are represented in the orbitofrontal cortex helps to provide a firm foundation for understanding the neural basis of emotions, which can be understood in terms of states elicited by stimuli which are rewarding or punishing.

Limited understanding of infant pain has led to its lack of recognition in clinical practice. While the network of brain regions that encode the affective and sensory aspects of adult pain are well described, the brain structures involved in infant nociceptive processing are completely unknown, meaning we cannot infer anything about the nature of the infant pain experience. Using fMRI we identified the network of brain regions that are active following acute noxious stimulation in newborn infants, and compared the activity to that observed in adults. Significant infant brain activity was observed in 18 of the 20 active adult brain regions but not in the infant amygdala or orbitofrontal cortex. Brain regions that encode sensory and affective components of pain are active in infants, suggesting that the infant pain experience closely resembles that seen in adults. This highlights the importance of developing effective pain management strategies in this vulnerable population.

Recent “representational” accounts suggest a key role for the hippocampus in complex scene perception. Due to limitations in scanner field strength, however, the functional neuroanatomy of hippocampal-dependent scene perception is unknown. Here, we applied 7 T high-resolution functional magnetic resonance imaging (fMRI) alongside a perceptual oddity task, modified from nonhuman primate studies. This task requires subjects to discriminate highly similar scenes, faces, or objects from multiple viewpoints, and has revealed selective impairments during scene discrimination following hippocampal lesions. Region-of-interest analyses identified a preferential response in the subiculum subfield of the hippocampus during scene, but not face or object, discriminations. Notably, this effect was in the anteromedial subiculum and was not modulated by whether scenes were subsequently remembered or forgotten. These results highlight the value of ultra-high-field fMRI in generating more refined, anatomically informed, functional accounts of hippocampal contributions to cognition, and a unique role for the human subiculum in discrimination of complex scenes from different viewpoints. SIGNIFICANCE STATEMENT There is increasing evidence that the human hippocampus supports functions beyond just episodic memory, with human lesion studies suggesting a contribution to the perceptual processing of navigationally relevant, complex scenes. While the hippocampus itself contains several small, functionally distinct subfields, examining the role of these in scene processing has been previously limited by scanner field strength. By applying ultra-high-resolution 7 T fMRI, we delineated the functional contribution of individual hippocampal subfields during a perceptual discrimination task for scenes, faces, and objects. This demonstrated that the discrimination of scenes, relative to faces and objects, recruits the anterior subicular region of the hippocampus, regardless of whether scenes were subsequently remembered or forgotten.

During strenuous exercise there is a progressive increase in lactate uptake and metabolism into the brain as workload and plasma lactate levels increase. Although it is now widely accepted that the brain can metabolize lactate, few studies have directly measured brain lactate following vigorous exercise. Here, we used ultra-high field magnetic resonance spectroscopy of the brain to obtain static measures of brain lactate, as well as brain glutamate and glutamine after vigorous exercise. The aims of our experiment were to (a) track the changes in brain lactate following recovery from exercise, and (b) to simultaneously measure the signals from brain glutamate and glutamine. The results of our experiment showed that vigorous exercise resulted in a significant increase in brain lactate. Furthermore, both glutamate and glutamine were successfully resolved, and as expected, although contrary to some previous reports, we did not observe any significant change in either amino acid after exercise. We did however observe a negative correlation between glutamate and a measure of fitness. These results support the hypothesis that peripherally derived lactate is taken up by the brain when available. Our data additionally highlight the potential of ultra-high field MRS as a non-invasive way of measuring multiple brain metabolite changes with exercise.

Abstract Whilst considerable progress has been made in using ultra-high field fMRI to study brain function at fine spatial resolution, methods are generally optimized at a single site and do not translate to studies where multiple sites are required for sufficient subject recruitment. With a recent increase in installations of human 7 T systems, there is now the opportunity to establish a framework for multi-site 7 T fMRI studies. However, an understanding of the inter-site variability of fMRI measurements is required for datasets to be combined across sites. To address this, we employ a hand digit localization task and compare across-site and within-site reproducibility of 7 T fMRI to a hand digit localization task which requires fine spatial resolution to resolve individual digit representations. As part of the UK7T Network “Travelling Heads” study, 10 participants repeated the same hand digit localization task at five sites with whole-body 7T MRI systems to provide a measure of inter-site variability. A subset of the participants (2 per site) performed repeated sessions at each site for measurement of intra-site reproducibility. Dice’s overlap coefficient was used to assess reproducibility, with hand region inter-site Dice = 0.70±0.04 significantly lower than intrasite Dice = 0.76±0.06, with similar trends for the individual digit maps. Although slightly lower than intra-site reproducibility, the inter-site reproducibility results are consistent with previous single site reproducibility measurements, providing evidence that multi-site 7 T fMRI studies are feasible. These results can be used to inform sample size calculations for future multi-site somatomotor mapping studies.