The typical functional magnetic resonance (fMRI) study presents a formidable problem of multiple statistical comparisons (i.e., > 10,000 in a 128 x 128 image). To protect against false positives, investigators have typically relied on decreasing the per pixel false positive probability. This approach incurs an inevitable loss of power to detect statistically significant activity. An alternative approach, which relies on the assumption that areas of true neural activity will tend to stimulate signal changes over contiguous pixels, is presented. If one knows the probability distribution of such cluster sizes as a function of per pixel false positive probability, one can use cluster-size thresholds independently to reject false positives. Both Monte Carlo simulations and fMRI studies of human subjects have been used to verify that this approach can improve statistical power by as much as fivefold over techniques that rely solely on adjusting per pixel false positive probabilities.

An unresolved question in neuroscience and psychology is how the brain monitors performance to regulate behavior. It has been proposed that the anterior cingulate cortex (ACC), on the medial surface of the frontal lobe, contributes to performance monitoring by detecting errors. In this study, event-related functional magnetic resonance imaging was used to examine ACC function. Results confirm that this region shows activity during erroneous responses. However, activity was also observed in the same region during correct responses under conditions of increased response competition. This suggests that the ACC detects conditions under which errors are likely to occur rather than errors themselves.

Working memory is responsible for the short-term storage and online manipulation of information necessary for higher cognitive functions, such as language, planning and problem-solving1,2. Traditionally, working memory has been divided into two types of processes: executive control (governing the encoding manipulation and retrieval of information in working memory) and active maintenance (keeping information available 'online'). It has also been proposed that these two types of processes may be subserved by distinct cortical structures, with the prefrontal cortex housing the executive control processes, and more posterior regions housing the content-specific buffers (for example verbal versus visuospatial) responsible for active maintenance3,4. However, studies in non-human primates suggest that dorsolateral regions of the prefrontal cortex may also be involved in active maintenance5–8. We have used functional magnetic resonance imaging to examine brain activation in human subjects during performance of a working memory task. We used the temporal resolution of this technique to examine the dynamics of regional activation, and to show that prefrontal cortex along with parietal cortex appears to play a role in active maintenance.

Although recent neuroimaging studies suggest that prefrontal cortex (PFC) is involved in working memory (WM), the relationship between PFC activity and memory load has not yet been well-described in humans. Here we use functional magnetic resonance imaging (fMRI) to probe PFC activity during a sequential letter task in which memory load was varied in an incremental fashion. In all nine subjects studied, dorsolateral and left inferior regions of PFC were identified that exhibited a linear relationship between activity and WM load. Furthermore, these same regions were independently identified through direct correlations of the fMRI signal with a behavioral measure that indexes WM function during task performance. A second experiment, using whole-brain imaging techniques, both replicated these findings and identified additional brain regions showing a linear relationship with load, suggesting a distributed circuit that participates with PFC in subserving WM. Taken together, these results provide a “dose–response curve” describing the involvement of both PFC and related brain regions in WM function, and highlight the benefits of using graded, parametric designs in neuroimaging research.

Research suggests that the basal ganglia complex is a major component of the neural circuitry that mediates reward-related processing. However, human studies have not yet characterized the response of the basal ganglia to an isolated reward, as has been done in animals. We developed an event-related functional magnetic resonance imaging paradigm to identify brain areas that are activated after presentation of a reward. Subjects guessed whether the value of a card was higher or lower than the number 5, with monetary rewards as an incentive for correct guesses. They received reward, punishment, or neutral feedback on different trials. Regions in the dorsal and ventral striatum were activated by the paradigm, showing differential responses to reward and punishment. Activation was sustained following a reward feedback, but decreased below baseline following a punishment feedback.

This study examines important developmental differences in patterns of activation in the prefrontal cortex during performance of a Go-No-Go paradigm using functional magnetic resonance imaging (fMRI). Eighteen subjects (9 children and 9 adults) were scanned using gradient echo, echo planar imaging during performance of a response inhibition task. The results suggest four general findings. First, the location of activation in the prefrontal cortex was not different between children and adults, which is similar to our earlier pediatric fMRI results of prefrontal activation during a working memory task (Casey et al., 1995). Second, the volume of activation was significantly greater for children relative to adults. These differences in volume of activation were observed predominantly in the dorsal and lateral prefrontal cortices. Third, although inhibitory processes have typically been associated with more ventral or orbital frontal regions, the current study revealed activation that was distributed across both dorsolateral and orbitofrontal cortices. Finally, consistent with animal and human lesion studies, activity in orbital frontal and anterior cingulate cortices correlated with behavioral performance (i.e., number of false alarms). These results further demonstrate the utility of this methodology in studying pediatric populations.

Event-related functional MRI and a version of the Stroop color naming task were used to test two conflicting theories of anterior cingulate cortex (ACC) function during executive processes of cognition. A response-related increase in ACC activity was present when strategic processes were less engaged, and conflict high, but not when strategic processes were engaged and conflict reduced. This is inconsistent with the widely held view that the ACC implements strategic processes to reduce cognitive conflicts, such as response competition. Instead, it suggests that the ACC serves an evaluative function, detecting cognitive states such as response competition, which may lead to poor performance, and representing the knowledge that strategic processes need to be engaged.

OBJECTIVE: The dorsolateral prefrontal cortex has been implicated in both working memory and the pathophysiology of schizophrenia. A relationship among dorsolateral prefrontal cortex activity, working memory dysfunction, and symptoms in schizophrenia has not been firmly established, partly because of generalized cognitive impairments in patients and task complexity. Using tasks that parametrically manipulated working memory load, the authors tested three hypotheses: 1) patients with schizophrenia differ in prefrontal activity only when behavioral performance differentiates them from healthy comparison subjects, 2) dorsolateral prefrontal cortex dysfunction is associated with poorer task performance, and 3) dorsolateral prefrontal cortex dysfunction is associated with cognitive disorganization but not negative or positive symptoms. METHOD: Seventeen conventionally medicated patients with schizophrenia and 16 healthy comparison subjects underwent functional magnetic resonance imaging while performing multiple levels of the “n-back” sequential-letter working memory task. RESULTS: Patients with schizophrenia showed a deficit in physiological activation of the right dorsolateral prefrontal cortex (Brodmann’s area 46/9) in the context of normal task-dependent activity in other regions, but only under the condition that distinguished them from comparison subjects on task performance. Patients with greater dorsolateral prefrontal cortex dysfunction performed more poorly. Dorsolateral prefrontal cortex dysfunction was selectively associated with disorganization symptoms. CONCLUSIONS: These results are consistent with the hypotheses that working memory dysfunction in patients with schizophrenia is caused by a disturbance of the dorsolateral prefrontal cortex and that this disturbance is selectively associated with cognitive disorganization. Further, the pattern of behavioral performance suggests that dorsolateral prefrontal cortex dysfunction does not reflect a deficit in the maintenance of stimulus representations per se but points to deficits in more associative components of working memory.

Background: Previously we proposed that dorsolateral prefrontal cortex (PFC) supports a specific working memory (WM) subcomponent: the ability to represent and maintain context information necessary to guide appropriate task behavior.By context, we mean prior taskrelevant information represented in such a form that it supports selection of the appropriate behavioral response.Furthermore, we hypothesized that WM deficits in schizophrenia reflect impaired context processing due to a disturbance in dorsolateral PFC.We use functional magnetic resonance imaging to examine PFC activation in medication-naive, first-episode patients with schizophrenia during a WM, task-isolating context processing.Methods: Fourteen first-episode, medication-naive patients with schizophrenia and 12 controls similar in age, sex, and parental education underwent functional magnetic resonance imaging during performance of an A-X version of the Continuous Performance Test.Results: Patients with schizophrenia demonstrated deficits in dorsolateral PFC activation in task conditions requiring context processing but showed intact activation of posterior and inferior PFC.In addition, patients demonstrated intact activation of the primary motor and somatosensory cortex in response to stimulus processing demands.Conclusions: These results demonstrate selectivity in dorsolateral PFC dysfunction among medication-naive first-episode patients with schizophrenia, suggesting that a specific deficit in PFC function is present at illness onset, prior to the administration of medication or the most confounding effects of illness duration.Furthermore, these results are consistent with the hypothesis that WM deficits in patients with schizophrenia reflect an impairment in context processing due to a disturbance in dorsolateral PFC function.

A functional magnetic resonance imaging (fMRI) study was conducted to determine whether prefrontal cortex (PFC) increases activity in working memory (WM) tasks as a specific result of the demands placed on WM, or to other processes affected by the greater difficulty of such tasks. Increased activity in dorsolateral PFC (DLPFC) was observed during task conditions that placed demands on active maintenance (long retention interval) relative to control conditions matched for difficulty. Furthermore, the activity was sustained over the entire retention interval and did not increase when task difficulty was manipulated independently of WM requirements. This contrasted with the transient increases in activity observed in the anterior cingulate, and other regions of frontal cortex, in response to increased task difficulty but not WM demands. Thus, this study established a double-dissociation between regions responsive to WM versus task difficulty, indicating a specific involvement of DLPFC and related structures in WM function.