While reducing the burden of brain disorders remains a top priority of organizations like the World Health Organization and National Institutes of Health (BRAIN, 2013), the development of novel, safe and effective treatments for brain disorders has been slow. In this paper, we describe the state of the science for an emerging technology, real time functional magnetic resonance imaging (rtfMRI) neurofeedback, in clinical neurotherapeutics. We review the scientific potential of rtfMRI and outline research strategies to optimize the development and application of rtfMRI neurofeedback as a next generation therapeutic tool. We propose that rtfMRI can be used to address a broad range of clinical problems by improving our understanding of brain-behavior relationships in order to develop more specific and effective interventions for individuals with brain disorders. We focus on the use of rtfMRI neurofeedback as a clinical neurotherapeutic tool to drive plasticity in brain function, cognition, and behavior. Our overall goal is for rtfMRI to advance personalized assessment and intervention approaches to enhance resilience and reduce morbidity by correcting maladaptive patterns of brain function in those with brain disorders.

Abstract This data descriptor describes a repository of openly shared data from an experiment to assess inter-individual differences in default mode network (DMN) activity. This repository includes cross-sectional functional magnetic resonance imaging (fMRI) data from the Multi Source Interference Task, to assess DMN deactivation, the Moral Dilemma Task, to assess DMN activation, a resting state fMRI scan, and a DMN neurofeedback paradigm, to assess DMN modulation, along with accompanying behavioral and cognitive measures. We report technical validation from n=125 participants of the final targeted sample of 180 participants. Each session includes acquisition of one whole-brain anatomical scan and whole-brain echo-planar imaging (EPI) scans, acquired during the aforementioned tasks and resting state. The data includes several self-report measures related to perseverative thinking, emotion regulation, and imaginative processes, along with a behavioral measure of rapid visual information processing. Technical validation of the data confirms that the tasks deactivate and activate the DMN as expected. Group level analysis of the neurofeedback data indicates that the participants are able to modulate their DMN with considerable inter-subject variability. Preliminary analysis of behavioral responses and specifically self-reported sleep indicate that as many as 73 participants may need to be excluded from an analysis depending on the hypothesis being tested.

ABSTRACT Adolescents experience alarmingly high rates of major depressive disorder (MDD), however, gold-standard treatments are only effective for ~50% of youth. Accordingly, there is a critical need to develop novel interventions, particularly ones that target neural mechanisms believed to potentiate depressive symptoms. Directly addressing this gap, we developed a mindfulness-based fMRI neurofeedback (mbNF) for adolescents that targets default mode network (DMN) hyperconnectivity, which has been implicated in the onset and maintenance of MDD. In this proof-of-concept study, adolescents ( n = 9) with a lifetime history of depression and/or anxiety were administered clinical interviews and self-report questionnaires, and then, each participant’s DMN and central executive network (CEN) were personalized using a resting state fMRI localizer. After the localizer scan, adolescents completed a brief mindfulness training followed by a mbNF session in the scanner wherein they were instructed to volitionally reduce DMN relative to CEN activation by practicing mindfulness meditation. Several promising findings emerged. First, mbNF successfully engaged the target brain state during neurofeedback; participants spent more time in the target state with DMN activation lower than CEN activation. Second, in each of the nine adolescents, mbNF led to significantly reduced within-DMN connectivity, which correlated with post-mbNF increases in state mindfulness. Last, a reduction of within-DMN connectivity mediated the association between better mbNF performance and increased state mindfulness. These findings demonstrate that personalized mbNF can effectively and non-invasively modulate the intrinsic networks known to be associated with the emergence and persistence of depressive symptoms during adolescence.

Trait mindfulness, the tendency to attend to present-moment experiences without judgement, is negatively correlated with adolescent anxiety and depression. Understanding the neural mechanisms underlying trait mindfulness may inform the neural basis of psychiatric disorders. However, few studies have identified brain connectivity states that correlate with trait mindfulness in adolescence, nor have they assessed the reliability of such states.

Individuals with schizophrenia (SZ) and auditory hallucinations (AHs) display a distorted sense of self and self-other boundaries. Alterations of activity in midline cortical structures such as the prefrontal cortex (mPFC) and anterior cingulate cortex (ACC) during self-reference as well as in the superior temporal gyrus (STG) have been proposed as neuromarkers of SZ and AHs. In this randomized, participant-blinded, sham-controlled trial, 22 adults (18 males) with SZ spectrum disorders (SZ or schizoaffective disorder) and frequent medication-resistant AHs received one session of real-time fMRI neurofeedback (NFB) either from the STG (n = 11; experimental group) or motor cortex (n = 11; control group). During NFB, participants were instructed to upregulate their STG activity by attending to pre-recorded sentences spoken in their own voice and downregulate it by ignoring unfamiliar voices. Before and after NFB, participants completed a self-reference task where they evaluated if trait adjectives referred to themselves (self condition), Abraham Lincoln (other condition), or whether adjectives had a positive valence (semantic condition). FMRI activation analyses of self-reference task data tested between-group changes after NFB (self>semantic, post>pre-NFB, experimental>control). Analyses were pre-masked within a self-reference network. Activation analyses revealed significantly (p < 0.001) greater activation increase in the experimental, compared to the control group, after NFB within anterior regions of the self-reference network (mPFC, ACC, superior frontal cortex). STG-NFB was associated with activity increase in the mPFC, ACC, and superior frontal cortex during self-reference. Modulating the STG is associated with activation changes in other, not-directly targeted, regions subserving higher-level cognitive processes associated with self-referential processes and AHs psychopathology in SZ. Rt-fMRI Neurofeedback and AH in Schizophrenia; https://clinicaltrials.gov/study/NCT03504579.

A balanced mind, or equanimity, cultivated through meditation and other spiritual practices, is considered one of the highest mental states. Its core features include deidentification and non-duality. Despite its significance, its neural correlates remain unknown. To address this, we acquired 128-channel EEG data (n = 103) from advanced and novice meditators (from the Isha Yoga tradition) and controls during an internal attention task (breath-watching) and an external attention task (visual-oddball paradigm). We calculated the auto-correlation window (ACW), a measure of the brain's intrinsic neural timescales (INTs), and assessed equanimity through self-report questionnaires. Advanced meditators showed higher levels of equanimity and a shorter duration of INTs (shorter ACW) during breath-watching, indicating deidentification with mental contents. Furthermore, they demonstrated no significant differences in INTs between tasks, indicating non-dual awareness. Finally, the shorter duration of INTs correlated with the participants' subjective perceptions of equanimity. In conclusion, we show that the shorter duration of the brain's INT may serve as a neural marker of equanimity.

Focused attention to spontaneous sensations is a phenomenon that demands interoceptive abilities and a dynamic character of attentive processes. The lack of its control has been linked to neuropsychiatric disorders, such as illness-anxiety disorder. Regulatory strategies, like focused attention meditation, may enhance the ability to control attention particularly to body sensations, which can be reflected on functional neuroanatomy. Adopting a systems-level approach, we aimed at estimating the recurring fMRI functional connectivity (FC) patterns between regions of the dorsal attention network, default mode network, and frontoparietal network during 20 minutes of an attentional task to spontaneous sensations, and during rest before and after the task, in fifteen experienced meditators. Dynamic functional connectivity analysis was performed using sliding windows and k-means clustering. On the rest data, we observed three FC patterns. The task data were associated to five FC patterns, three of them presenting the rest patterns characteristics. The time spent in the rest states varied depending on whether the subjects had or not performed the task. We conclude that interoception performance does not suppress the FC found at rest. Rather, is associated to a more diverse FC organization in time, probably to achieve the task-cognitive demands. The impact of task performance over the subsequent rest period suggests an underlying mechanism probably involved in the learning process linked to cognitive training.

Trait mindfulness-the tendency to attend to present-moment experiences without judgment-is negatively correlated with adolescent anxiety and depression. Understanding the neural mechanisms that underlie trait mindfulness may inform the neural basis of psychiatric disorders. However, few studies have identified brain connectivity states that are correlated with trait mindfulness in adolescence, and they have not assessed the reliability of such states.

This article describes primary data and resources available from the Boston Adolescent Neuroimaging of Depression and Anxiety (BANDA) study, a novel arm of the Human Connectome Project (HCP). Data were collected from 215 adolescents (14–17 years old), 152 of whom had current diagnoses of anxiety and/or depressive disorders at study intake. Data include cross-sectional structural (T1- and T2-weighted), functional (resting state and three tasks), and diffusion-weighted magnetic resonance images. Both unprocessed and HCP minimally-preprocessed imaging data are available within the data release packages. Adolescent and parent clinical interview data, as well as cognitive and neuropsychological data are also included within these packages. Release packages additionally provide data collected from self-report measures assessing key features of adolescent psychopathology, including: anxious and depressive symptom dimensions, behavioral inhibition/activation, exposure to stressful life events, and risk behaviors. Finally, the release packages include 6- and 12-month longitudinal data acquired from clinical measures. Data are publicly accessible through the National Institute of Mental Health Data Archive (ID: #2505).