Distinct Spatial Patterns of Brain Activity Associated with Memory Storage and Search

The time it takes for a human participant to decide whether a given stimulus is an element of a remembered set increases approximately linearly with the number of elements in the set. Here we tested for and detected a spatial pattern of brain activity whose magnitude of expression during this memory search process correlates with set size. We then tested the idea that memory search simply involves a re-activation of neurons involved in remembering the set by statistically comparing the patterns of brain activity corresponding to memory search and set size dependent working memory maintenance. These patterns were significantly different, suggesting that memory search and working memory maintenance are mediated by distinct neural mechanisms

Biomarqueurs d'imagerie fonctionnelle de la mémoire de travail au cours du vieillissement cérébral normal

Normal brain aging is characterized by a progressive decline in information processing ability in particular in the system of working memory. Therefore, it is essential to examine neural substrates underlying the working memory system which can be assessed by functional magnetic resonance imaging (fMRI). The aim of our work is to explore, in a large cohort of healthy elderly individuals, reorganizations in the networks in relation to (i) increase task load during a DIR (delayed item recognition) task, (ii) age during increase DIR task load and (iii) the performance in the DIR task during a resting state. Three hundred and eighty elderly participants (82 years, 56% women) from the Three-City cohort in Montpellier have been selected to perform an fMRI exam including a DIR task and a resting state. DIR task consisted of three phases: (i) stimulation – presentation of one, three or six letters - (ii) retention - blank screen to hold the stimulus items in mind - and (iii) probe - after the presentation of a target letter, the participant indicates whether or not this probe matched a letter in the study array. In the first work, using a covariance analysis, we observed, when the difficulty of the DIR task increases, simultaneously increased activation in salience and central executive networks during three phases separately of the DIR task and decreased activation in DMN during stimulation phase and in limbic regions and deep grey nuclei during retention phase. It may be hypothesized that salience and central executive networks interact in a complex way with DMN and limbic regions and deep grey nuclei. In the second work, age effects on load-dependent increases activations of the task were explored. Reduced activation in the left parietal lobe was identified in very old individuals compared to young old individuals during the stimulation phase suggesting an involvement of posterior–anterior shift with increasing age. In the third work, networks implicated in working memory (central executive, salience and the default mode networks) were highlighted by independent component analysis during the resting state. Our findings have confirmed that the functional connectivity and performance are related by: (i) a decreased in the both salience and the default mode networks and (ii) an increased in the central executive network. We can suggest that the decreased functional connectivity within the salience and the default mode networks could be due attentional and memory processes alterations and/or altered motivation. The increased functional connectivity within the central executive network could be related to compensatory mechanisms meanwhile elders would perform more poorly. All of these studies indicate that brain reorganizations of neural networks (salience, central executive and default mode) underlying working memory in normal brain aging.Le vieillissement cérébral normal est caractérisé par un déclin progressif de la capacité de traitement des informations en particulier dans le système de la mémoire de travail. Il apparaît donc essentiel d'explorer l'organisation corticale cérébrale sous-jacente au mécanisme de la mémoire de travail dont l'évaluation est rendu possible par l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Les objectifs de notre travail ont consisté à identifier, dans une large cohorte d'individus âgés en bonne santé, les réorganisations des réseaux neuronaux en relation avec (i) l'augmentation de la difficulté d'une tâche de mémoire de travail, (ii) l'âge des individus au cours de la tâche et (iii) la performance de la tâche pendant un état de repos. Trois cent quatre-vingt participants âgés (82 ans, 56% femmes) issus de la cohorte des Trois Cités de Montpellier ont été sélectionnés pour réaliser un examen d'IRMf comprenant une tâche de DIR (reconnaissance d'item en élément différé) et un état de repos. La tâche de DIR s'organisait en trois phases : (i) présentation – une, trois ou six lettres – (ii) rétention – écran blanc – et (iii) réponse – après la présentation d'une lettre cible, le participant indique si cette lettre cible faisait partie ou non de l'ensemble de départ. Dans une première partie, après avoir localisé les régions activées lors des trois phases de la tâche, nos analyses de covariance ont pu identifier, simultanément à la difficulté croissante de la tâche, une augmentation de l'activation dans les réseaux du central exécutif et de saillance pendant les trois phases de la tâche ainsi qu'une diminution dans le réseau du mode par défaut pendant la phase de stimulation et dans les régions limbiques et des ganglions de la base pendant la phase de rétention. Ces résultats suggèrent une interaction entre les réseaux d'augmentation et de diminution. Dans une deuxième partie, nous avons exploré l'effet de l'âge sur l'augmentation de l'activité simultanément avec la difficulté croissante de la tâche. Pendant la phase de stimulation, une réduction de l'activation dans le lobule pariétal gauche a été identifiée chez les individus très âgés par rapport aux individus âgés jeunes suggérant la mise en jeu d'un décalage antéro-postérieur lorsque l'âge augmente. Dans une troisième partie, les réseaux impliqués dans la mémoire de travail (central exécutif, saillance et mode par défaut) ont été mis en évidence pendant l'état de repos. Notre travail a montré que la connectivité fonctionnelle et la performance sont corrélées par : (i) une réduction au sein des réseaux de saillance et du mode par défaut suggérant une altération des processus mémoriels et attentionnels et (ii) une augmentation au sein du réseau du central exécutif évoquant l'implication d'un processus compensatoire. L'ensemble de ces résultats indiquent la présence de réorganisations cérébrales des réseaux neuronaux (saillance, central exécutif et mode par défaut) sous-tendant la mémoire de travail au cours du vieillissement cérébral normal

Imaging neural correlates of syntactic complexity in a naturalistic context

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Linguistics and Philosophy, 2008.Includes bibliographical references (p. 253-280).The aim of this thesis, and the research project within which it is embedded, is to delineate a neural model of grammatical competence. For this purpose, we develop here a novel integrated, multi-disciplinary experimental paradigm that endorses the fundamental premise of generative grammar, that the study of language is in essence, the study of the mind. We use functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) to monitor brain activation while subjects listen to short narratives. The texts have been written so as to introduce various syntactic complexities (relative clauses, embedded questions, etc.) not usually found (in such density) in actual corpora. We have calculated a number of complexity measures (both at the level of the single word and at that of the phrase) based on current linguistic and psycholinguistic theory and with the use of a computationally implemented probabilistic parser. By correlating these measures with observed brain activity, we are able to identify the different brain networks that support linguistic processing and characterize their particular function. Conversely, we use the rich brain data to inform our cognitive, and linguistic, theory. We report here the neural correlates of surprisal (based on contextual predictions), syntactic complexity, structural ambiguity and disambiguation, Theory of Mind and non-local dependencies. This work made use of novel solutions to compute numerical predictions for these linguistic dimensions, which are often tested only qualitatively, and of a novel parametric fMRI design that allowed for the use of single subject unaveraged data as the dependent variable. The thesis ends with a synthesis of the results in the form of a blue print for a neural model of grammatical competence.by Asaf Bachrach.Ph.D