The  purpose  of  this  lecture  is  to  describe  the  func2on  (and  anatomy)  of  the  pre-­‐frontal  cortex.    I  would  like  to  be  able  to  do  that  by  poin2ng  to  certain  areas  and  saying,  this  func2on  is  carried  out  here.    But  the  truth  is  our  frontal  cortex  is  perhaps  the  most  complex  of  all  our  neural  structures  and  is  con2nually  relying  on  communica2on  with  other  neural  structures.  Thus,  to  describe  the  anatomical  component  of  a  func2on  is  not  possible.    Rather,  one  must  describe  circuits.    As  well,  the  PFC  is  more  unique  to  the  individual  than  other  structures.    It  represents  our  personality  and  our  individual  strengths  and  limita2ons  which  further  complicates  the  simple  anatomical-­‐func2on  paradigm.    

1

I  assume  that  you  have  all  heard  the  story  of  Phineas  Gage.  In  the  mid  1800’s  Phineas  was  a  railway  worker  who  managed  to  have  a  rod  lodged  in  his  frontal  lobe.    It  is  remarkable  that  he  survived  considering  the  high  likelihood  of  infec2on  to  exposed  brain  2ssue.    However,  the  new  Phineas  Gage  was  different  than  before  the  injury.    Most  notable:  he  became  much  more  aggressive  toward  others.    He  went  from  being  someone  everyone  liked  to  someone  who  seemed  to  care  liRle  for  others.    He  was  even  described  as  arrogant.    Is  arrogance  in  the  PFC?    Maybe  not  arrogance  but  the  ability  to  take  the  perspec2ve  of  others  (empathy)  is  in  the  PFC  and  the  absence  of  empathy  is  arrogance.    

2

The  frontal  cortex  is  largely  about  “outputs”,  whereas  the  other  lobes  are  primarily  involved  with  inputs  (senses).    The  major  func2ons  of  the  PFC  are  generally  referred  to  as  execu2ve  func2ons  and  include  planning,  reasoning,  awareness,  problem  solving,  judgment  and  decision  making.    One  of  my  goals  is  to  iden2fy  how  these  func2ons  are  described,  assessed  and  related  to  one  another.  

3

The  motor  strip  and  the  pre-­‐motor  cortex  will  be  discussed  in  subsequent  lectures.    However,  please  keep  in  mind  that  “behavior”,  which  represents  the  primary  output  of  our  neural  ac2vity  results  from  pre-­‐motor/motor  strip  ac2va2on.    These  components  are  considered  part  of  the  frontal  lobes  and  the  pre-­‐frontal  cortex  is  merely  an  extension  of  these  more  basic  aspects  of  output  (namely  behavior)  whereas  the  pre-­‐frontal  cortex  is  involved  in  the  more  complex  aspects  of  output  such  as  planning,  problem  solving  etc.  

4

For  the  sake  of  simplicity  we  are  going  to  divide  the  PFC  into  two  basic  components,  the  Dorsolateral  region  and  the  Orbitofrontal/Ventromedial  region.    The  Dorsolateral  region  is  immediately  anterior  to  the  premotor  areas  and  as  such  is  more  involved  in  func2ons  associated  directly  with  behavior.    The  Orbitofrontal/Ventromedial  regions  are  anterior  to  the  limbic  cortex  and  have  more  to  do  with  outputs  (and  as  it  turns  out,  inputs)  of  an  emo2onal  nature.  

5

At  least  five  different  pathways  have  been  iden2fied  in  the  Dorsal  regions  (and  many  more  pathways  will  be  iden2fied  in  the  coming  years).    All  of  the  Dorsal  pathways  involve  the  temporoparietal  regions.    Thus  ac2vity  of  the  Dorsolateral  cortex  depends  on  input  of  a  visual/auditory/somatosensory  nature.    As  stated  earlier,  motor  outputs  are  generally  the  end  result  of  planning  etc.  in  the  Dorsal  region  and  for  the  most  part  the  informa2on  required  for  planning  is  of  a  logical  nature  (as  opposed  to  an  emo2onal  nature).  Conversely,  ventral  pathways  rely  on  input  of  an  emo2onal  nature  (from  the  limbic  cortex  and  somatosenory  cortex).    Outputs  from  the  ventral  streams  may  also  be  behavior  (e.g.  a  smile),  or  they  may  be  visceral  (feeling  sad,  nausea).  

6

In  order  for  the  PFC  to  benefit  from  informa2on  from  other  parts  of  the  brain,  that  informa2on  must  be  temporarily  stored  in  the  Dorsal  pfc.  There  are  5  circuits  iden2fied  just  from  Brodmann  areas  9/10  primarily  involved  in  working  memory.  Informa2on  from  the  DLPFC  is  mediated  by  Glutamate  which  is  excitatory.    Glutamate  is  a  neurotransmiRer  that  is  involved  in  learning.    Inhibitory  pathways  are  mediated  by  GABA.  The  circuitry  from  the  Caudate  Nucleus  generally  includes  the  globus  pallidus  interna  and  the  substan2a  nigra.    The  mediodorsal  region  of  the  thalamus  handles  the  dorsal  pathways.      

7

The  circuitry  involved  in  working  memory  is  complex  as  is  the  circuitry  for  focused  aRen2on.    I  will  return  to  working  memory  in  a  moment.    A  second  major  aspect  of  managing  all  of  the  inputs  from  other  brain  regions  is  aRen2on  to  those  details  that  maRer.  In  other  words  focused  aRen2on.    

8

The  Occipital,  Parietal  and  Temporal  cortex  are  constantly  aRending  to  the  environment.  This  is  called  reflexive  aRen2on.    The  brain  has  developed  mechanisma  to  suppress  aRen2on  to  all  of  the  possible  inputs  such  as  when  we  are  sleeping.    It  is  also  cri2cal  to  suppress  aRen2on  so  that  we  may  focus  out  aRen2on  (e.g  when  reading  or  speaking  on  the  phone).    The  inability  to  suppress  reflexive  aRen2on  is  a  cardinal  characteris2c  of  aRen2on  deficit  disorder.    Focused  aRen2on  is  a  func2on  of  the  dorsolateral  PFC.    During  an  assessment  of  aRen2on  we  are  not  only  interested  in  whether  aRen2on  can  be  focused,  but  how  long  aRen2on  may  be  sustained,  whether  the  individual  can  alternate  between  tasks,  or  mul2-­‐task.    The  average  adult  can  sustain  aRen2on  for  approximately  50  minutes.  

9

ARen2on  to  visual  s2muli  is  ini2ated  in  the  DLPFC  (Frontal  Eye  Fields);  spa2al  maps  are  recorded  in  the  lateral  intraparietal  cortex.    The  superior  colliculi  play  a  role  in  causing  the  saccadic  movement  of  the  eyes  and  goal  directed  visual  scanning.  The  FEF  are  located  just  superior  to  the  Broca’s  area.  

10

There  are  various  tests  for  aRen2on.    To  some  extent  the  Mini  Mental  Status  exam  assesses  aRen2on  although  not  specifically.    The  Stroop  test  is  one  of  the  more  common  tests  of  aRen2on.      

11

12

As  we  age  “aRen2on”  is  more  ocen  the  culprit  than  actual  memory  loss  as  older  people  complain  (and  complain  ocen)  about  memory  loss.    You  ocen  hear  the  phrase,  “he  remembers  what  he  wants  to  remember”,  and  actually  that  is  quite  true.    Although  this  might  be  beRer  stated  “  he  remembers  what  he  pays  aRen2on  to”.      

13

Working  memory:  The  capacity  to  retain  informa2on  no  longer  present  in  the  environment,  to  manipulate  or  transform  this  informa2on  and  to  use  it  to  guide  behavior.    Working  memory  is  generally  assessed  using  a  delayed  response.    Research  has  demonstrated  con2nued  ac2vity  in  the  PFC  (during  the  delay)  but  the  actual  storage  of  informa2on  may  be  in  the  parietal  regions  associated  with  visual  spa2al,  auditory  and  other  s2muli.    

14

Visual  working  memory  appears  to  be  right  DPFC  but  func2onal  imaging  reveals  the  circuitry  that  must  be  intact  for  an  image  to  remain  in  short  term  memory.  

15

Spa2al  working  memory  is  where  we  store  informa2on  about  where  we  are  in  space.    It  is  almost  impossible  to  separate  visual/spa2al  memory  from  spa2al  memory  since  our  knowledge  of  where  we  are  in  space  is  so  dependent  on  our  visual  input.    This  picture  also  gives  you  a  general  idea  idea  of  where  you  might  find  the  frontal  eye  field  (FEF)  and  the  working  memory  for  faces.    We  are  social  creatures  so  it  is  important  that  we  remember  faces  (even  if  most  of  us  are  not  good  at  remembering  names)..    

16

Working  memory  for  verbal  informa2on,  not  surprisingly,  is  located  near  the  Broca’s  area  and  also  near  working  memory  for  objects.    We  remember  objects  much  easier  if  they  have  a  name.  In  addi2on  to  being  able  to  remember  something  of  a  verbal  or  visual  nature  we  need  to  be  able  to  manipulate  the  informa2on.  It  may  be  as  simple  a  task  as  being  given  three  names  and  reorder  them  into  alphabe2cal  order.    At  a  more  complex  level  we  may  be  looking  at  various  bits  of  unconnected  informa2on  and  being  able  to  solve  a  puzzle  or  mystery.    This  we  call  analy2c  reasoning.  Please  not  the  loca2on  near  the  ventral  region  of  the  DPFC.  

17

The  Orbital  Frontal  PFC  is  best  known  as  the  communicator  between  the  VMPFC  and  the  DLPFC.      

Nucleus  accumbens  is  more  than  “reward”  or  feel  good.    The  NA  is  about  mo2va2on.    What  keeps  a  medical  student  on  track  and  mo2vated  when  the  reward  of  comple2ng  medical  school,  residency  and  gegng  established  in  a  prac2ce  seems  so  far  away?    The  answer  is  dopamine  and  the  NA  for  the  steps  iden2fied  along  the  way.  Learning  itself  can  produce  a  feeling  of  accomplishment.    It  is  also  necessary  that  the  student  be  able  to  see  relevance  of  each  step  (each  class?)  to  the  ul2mate  goal.    This  laRer  process  is  more  Dorsal  that  Ventral,  applying  logic  to  the  process,  also  requires  the  Orbitofrontal  PFC  for  communica2on.  

The  primary  role  of  the  vetromedial  PFC  is  social  processing.    I  will  describe  this  in  more  detail  in  an  upcoming  lecture.        

18

This  is  an  example  of  a  ventral  circuit.    Please  note  the  close  2e  to  the  hippocampus.    Emo2on  plays  a  large  role  in  making  events  memorable.    Also  note  the  insula,  which  has  a  major  role  in  taste  and  is  therefore  well  connected  to  the  stomach.    For  lower  organisms  this  reflects  the  connec2on  between  emo2on-­‐food-­‐memory.    For  humans,  it  reflects  the  visceral  response  to  emo2on.  

19

The  ventral  circuitry  has  other  func2ons  more  closely  aligned  with  execu2ve  func2on.    The  ability  to  use  cues  to  predict  future  rewarding  or  aversive  events.    Flexibility/problem  solving  is  another  important  func2on.    Autobiographical  memory…  what  happened  when.    The  ability  to  sequence,  put  things  in  proper  order.  

Olfactory  processing  is  also  carried  out  in  the  ventral  circuitry  and  has  considerable  overlap  with  emo2on  regula2on.  

20

21

I  have  covered  this  already.  

22

When  the  Orbitofrontal  cortex  is  damaged  it  has  the  greatest  impact  on  the  individual’s  ability  to  make  decisions.    This  makes  sense  when  you  consider  the  communica2on  role  of  the  OFC  vis  a  vis  the  Ventromedial  PFC  and  the  Dorsolateral  PFC.  

23

Another  aspect  of  execu2ve  func2on  is  awareness.    Awareness  starts  with  basic  awareness  of  your  physiologic  state…  the  answer  to  “how  are  you”.    Informa2on  about  abili2es  and  disabili2es  is  the  next  step  up.    Lack  of  awareness  of  disabili2es  is  called  Anosognosia.  At  another  level  is  informa2on  about  body  needs  like  hunger,  thirst,  body  temperature  etc.    Finally  there  is  informa2on  of  self  esteem,  self  image.    1,2,3  Somatosensory  cortex,  1,2  Anterior  Insula,  3  Posterior  Insula.    4?  Ventromedial  PFC.  

24

25