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.

Context

In alcohol-dependent patients, brain atrophy and functional brain activation elicited by alcohol-associated stimuli may predict relapse. However, to date, the interaction between both factors has not been studied.

Objective

To determine whether results from structural and functional magnetic resonance imaging are associated with relapse in detoxified alcohol-dependent patients.

Design

A cue-reactivity functional magnetic resonance experiment with alcohol-associated and neutral stimuli. After a follow-up period of 3 months, the group of 46 detoxified alcohol-dependent patients was subdivided into 16 abstainers and 30 relapsers.

Setting

Faculty for Clinical Medicine Mannheim at the University of Heidelberg, Germany.

Participants

A total of 46 detoxified alcohol-dependent patients and 46 age- and sex-matched healthy control subjects

Main Outcome Measures

Local gray matter volume, local stimulus–related functional magnetic resonance imaging activation, joint analyses of structural and functional data with Biological Parametric Mapping, and connectivity analyses adopting the psychophysiological interaction approach.

Results

Subsequent relapsers showed pronounced atrophy in the bilateral orbitofrontal cortex and in the right medial prefrontal and anterior cingulate cortex, compared with healthy controls and patients who remained abstinent. The local gray matter volume–corrected brain response elicited by alcohol-associated vs neutral stimuli in the left medial prefrontal cortex was enhanced for subsequent relapsers, whereas abstainers displayed an increased neural response in the midbrain (the ventral tegmental area extending into the subthalamic nucleus) and ventral striatum. For alcohol-associated vs neutral stimuli in abstainers compared with relapsers, the analyses of the psychophysiological interaction showed a stronger functional connectivity between the midbrain and the left amygdala and between the midbrain and the left orbitofrontal cortex.

Conclusions

Subsequent relapsers displayed increased brain atrophy in brain areas associated with error monitoring and behavioral control. Correcting for gray matter reductions, we found that, in these patients, alcohol-related cues elicited increased activation in brain areas associated with attentional bias toward these cues and that, in patients who remained abstinent, increased activation and connectivity were observed in brain areas associated with processing of salient or aversive stimuli.

Procedural learning and automatization have widely been studied in behavioral psychology and typically involves a rapid improvement, followed by a plateau in performance throughout repeated training. More recently, brain imaging studies have implicated frontal-striatal brain circuits in skill learning. However, it is largely unknown whether frontal-striatal activation during skill learning and behavioral changes follow a similar learning curve pattern. To address this gap in knowledge, we performed a longitudinal brain imaging study using a procedural working memory (pWM) task with repeated measurements across two weeks to map the temporal dynamics of skill learning. We additionally explored the effect of the BDNF Val66Met polymorphism, a common genetic polymorphism impacting neural plasticity, to further inform the relevance of the identified neural markers. We used linear and exponential modeling to characterize procedural learning by means of learning curves on the behavioral and brain functional level. We show that repeated training led to an exponential decay in a distributed set of brain regions including fronto-striatal circuits, which paralleled the exponential improvement in task performance. In addition, we show that both behavioral and neurofunctional readouts were sensitive to the BDNF Val66Met polymorphism, suggesting less efficient learning in 66Met-allele carriers along with protracted signal decay in frontal and striatal brain regions. Our results extend existing literature by showing the temporal relationship between procedural learning and frontal-striatal brain function and suggest a role of BDNF in mediating neural plasticity for establishing automatized behavior.