background image

 

Research Articles | Behavioral/Cognitive 

 

 
7-Tesla evidence for columnar and rostral–caudal
organization of the human periaqueductal gray
response in the absence of threat: a working memory
study.

 

 

https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1757-23.2024

 
Received: 12 September 2023
Revised: 1 March 2024
Accepted: 8 April 2024
 

Copyright © 2024 Fischbach et al.

This is an open-access article distributed under the terms of the 

Creative Commons

Attribution 4.0 International license

, which permits unrestricted use, distribution and

reproduction in any medium provided that the original work is properly attributed.

This Early Release article has been peer reviewed and accepted, but has not been through
the composition and copyediting processes.The final version may differ slightly in style or
formatting and will contain links to any extended data.

Alerts: Sign up at 

www.jneurosci.org/alerts

 to receive customized email alerts when the fully

             formatted version of this article is published.

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

 

Title page 

Title: 

7-Tesla evidence for columnar and rostral

–caudal organization of the human 

periaqueductal gray response in the absence of threat: a working memory study. 

 

Abbreviated title:

 Human periaqueductal gray in working memory 

 

Author Names and Affiliations:

 Alexandra K. Fischbach

1

, Ajay B. Satpute

1

, Karen Quigley

1

Philip A. Kragel

2

, Danlei Chen

1

, Marta 

Bianciardi

3

Larry Wald

3

Tor D. Wager

4

, Ji-Kyung Choi

5

Jiahe Zhang

1

Lisa Feldman Barrett

1 **

Jordan E. Theriault

3**

 

 

**Shared senior authorship  

 

Author Affiliations: 

1

Department of Psychology, Northeastern University, Boston, MA, 02115 

2

Department of Psychology, Emory University, Atlanta, GA, 30322 

3

Department of Radiology, Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging, 

Massachusetts General Hospital and Harvard Medical School, Charlestown, MA, 02129 

4

Department of Psychological and Brain Sciences, Dartmouth College, Hanover, NH, 

03755 

5

Department of Surgery, University of California, San Francisco, CA, 94143 

 

Author contributions:

 P.A.K., M.B., K.Q., L.W., T.D.W., L.F.B., and A.B.S. designed research; 

A.K.F. and J.E.T., analyzed data; A.K.F. and J.E.T. wrote the first draft of the paper; A.K.F., 
P.A.K., A.B.S., K.Q., L.F.B., and J.E.T. edited the paper; A.K.F., A.B.S., K.Q., L.F.B., and J.E.T. 
wrote the paper; D.C., J.-K.C., and J.Z. performed research. 

Corresponding author:

 Jordan Theriault (email: JTHERIAULT2@mgh.harvard.edu) 

 

Number of figures: 6  

Number of words 

 

Abstract: 209 

Introduction: 1,375 

Discussion: 919 

 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

Acknowledgements: 

This work was supported by grants from the National Institutes of Health 

(U01 CA193632; R01 AG071173; R01 MH113234; R21 MH129902), the National Science 
Foundation (BCS 1947972), the U.S. Army Research Institute for the Behavioral and Social 
Sciences (W911NF-16-1-019), and the Unlikely Collaborators Foundation. The views, opinions, 
and/or findings contained in this manuscript are those of the authors and shall not be construed 
as an official Department of the Army position, policy, or decision, unless so designated by other 
documents, nor do they necessarily reflect the views of the Unlikely Collaborators Foundation.  

 

 

Keywords:

 

periaqueductal gray, working memory, neuroimaging, high-resolution, brainstem 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

 

Abstract

 

The periaqueductal gray (PAG) is a small midbrain structure that surrounds the cerebral 

aqueduct, regulates brain

–body communication, and is often studied for its role in “fight-or-flight” 

and “freezing” responses to threat. We used ultra-high field 7-Tesla fMRI to resolve the PAG in 

humans and distinguish it from the cerebral aqueduct, examining its in vivo

 

function in humans 

during a working memory task (N = 87). Both mild and moderate cognitive demand elicited 

spatially similar patterns of whole brain BOLD response, and moderate cognitive demand 

elicited widespread BOLD increases above baseline in the brainstem. Notably, these brainstem 

increases were not significantly greater than those in the mild demand condition, suggesting 

10 

that a subthreshold brainstem BOLD increase occurred for mild cognitive demand as well. PAG 

11 

response was group-aligned and examined with subject-specific masks. In PAG, both mild and 

12 

moderate demand elicited a well-defined response in ventrolateral PAG (vlPAG), a region 

13 

thought to be functionally related to anticipated painful threat in humans and non-human 

14 

animals

—yet, the present task posed only the most minimal (if any) “threat”, with the cognitive 

15 

tasks used being approximately equivalent to remembering a phone number. These findings 

16 

suggest that the PAG may play a more general role in visceromotor regulation, even in the 

17 

absence of threat. 

18 

 

19 

 

 

20 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

Significance statement 

21 

The periaqueductal gray (PAG) is thought to control survival-related behavior, and is typically 

22 

studied using experiments that manipulate threat. Others have proposed that the PAG plays a 

23 

more general role in bodily regulation, but studies examining PAG function outside of threat-

24 

based experimental contexts are rare. We used high-resolution fMRI to examine PAG response 

25 

in humans during a working memory task, which involves minimal threat. Moderate cognitive 

26 

demands elicited a well-defined response in ventrolateral PAG, a functional subregion thought 

27 

to coordinate a 

“freezing” response to threat. A task where threat is minimal elicited a clear fMRI 

28 

response in one of the most well-known survival circuits in the brain, which suggests the PAG 

29 

supports a more general function in brain

–body coordination. 

30 

 

31 

 

32 

33 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

Introduction 

34 

Historically, the periaqueductal gray (PAG) has been identified as a key brain structure 

35 

mediating the “fight-or-flight” and “freezing” responses (for review, see Bandler, 1988; Bandler, 

36 

Carrive, & Depaulis, 1991), and this functional association of PAG with threat responses 

37 

continues to be articulated in recent reviews (Mobbs et al., 2015, 2020; C. Silva & McNaughton, 

38 

2019). Direct chemical stimulation of the PAG elicits a diverse range of motor behaviors and 

39 

physiological responses

—including, in cats, immobility, pupil dilation, vocalization (e.g., hissing 

40 

or howling), alert positions (Bandler & Carrive, 1988), running and jumping (S. P. Zhang et al., 

41 

1990), and hypertension and tachycardia (Abrahams et al., 1960), all of which are generally 

42 

understood as part of the 

“fight-or-flight” and “freezing” responses (Bandler, Carrive, & Zhang, 

43 

1991a; Bandler & Depaulis, 1991; Fanselow, 1994). Likewise, in humans PAG is most 

44 

commonly studied for its role in threat (Coker-Appiah et al., 2013; Hermans et al., 2013; Lindner 

45 

et al., 2015; Wang et al., 2022; C. Weis et al., 2020; C. N. Weis et al., 2022; Zhou et al., 2021). 

46 

Deep-brain stimulation of the human PAG elicits a desire to escape (Amano et al., 1978), 

47 

feelings of fear and impending death, and autonomic changes including hyperventilation and 

48 

increased heart rate (Nashold et al., 1969). Brain imaging studies in humans observed blood-

49 

oxygen level-dependent (BOLD) signal intensity increases in PAG when participants were 

50 

chased through a virtual maze (i.e., approached by a simulated predator; Mobbs et al., 2007), 

51 

and when exposed to a learned cue signaling the onset of an unpleasant respiratory restriction 

52 

(Faull et al., 2016, 2019). The interpretation of the PAG as a primary region for coordinating 

53 

survival-based responses has been used to unify these many observations under a single 

54 

coherent function (Fanselow, 1991; B. A. Silva et al., 2016)

,

 in which the PAG was conceived of 

55 

as playing a central role in an evolutionarily ancient “fear circuit” (LeDoux & Daw, 2018; B. Lu et 

56 

al., 2022; McNaughton & Corr, 2018; Panksepp, 2011; B. A. Silva et al., 2016; Vázquez-León et 

57 

al., 2023). 

58 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

The hypothesis that PAG is a center for survival-based responses unifies a great deal of 

59 

evidence, but not all evidence. For example, PAG has been observed to play a functional role in 

60 

bodily processes at moments when threat is absent (for review, see Carrive, 1993), including 

61 

control of the heart (M. A. Gray et al., 2009; Hermans et al., 2013; Hohenschurz-Schmidt et al., 

62 

2020; Pereira et al., 2010; Wager, Waugh, et al., 2009), blood pressure control (Green et al., 

63 

2005), cardiorespiratory coordination (Dampney et al., 2013), bladder control (B. F. Blok et al., 

64 

1997; B. F. M. Blok & Holstege, 1998), rapid-eye-movement (REM) sleep (J. Lu et al., 2006), 

65 

body temperature (Chen et al., 2002; Y. H. Zhang et al., 1997), trigeminovascular contributions 

66 

to migraine headache (Knight & Goadsby, 2001), communication (e.g., the vocalization of 

67 

Songbirds; Haakenson et al., 2020), mating behavior (e.g., the control of male copulatory 

68 

behavior in Quails; Carere et al., 2007), and feeding behaviors (e.g., the motivational drive to 

69 

hunt in mice; Mota-Ortiz et al., 2012; also see Tryon & Mizumori, 2018). Furthermore, the PAG 

70 

has extensive connectivity with regions across the entire neuraxis from spinal cord and 

71 

brainstem to cerebral cortex, placing it at a critical integration point in brain

–body 

72 

communication (for review, see Carrive & Morgan, 2012). Given this evidence, we hypothesized 

73 

that PAG involvement in response to predatory threat is consistent with a more fundamental 

74 

function: the PAG may coordinate and regulate internal bodily (visceromotor) systems in service 

75 

of efficient regulation of the body (called allostasis). On this interpretation, threat responses 

76 

represent only one of many contexts where the autonomic nervous system, the endocrine 

77 

system, the immune system and tissues of the body must be coordinated with each other and 

78 

with motor movements (for review, see Benarroch, 2012; Motta et al., 2017). If this is correct, 

79 

and the PAG does play a more general regulatory role (rather than a threat/survival-specific 

80 

role) then organized patterns of PAG response may be observed in task-based contexts 

81 

involving effort, but minimal threat.  

82 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

Critically, well-known columnar functional distinctions within the PAG set some 

83 

expectations for how its response is organized. Within the PAG, prior work has identified 

84 

dorsomedial (dmPAG), dorsolateral (dlPAG), lateral (lPAG), and ventrolateral (vlPAG) functional 

85 

columns (Bandler, Carrive, & Depaulis, 1991; Carrive, 1993). In the context of threat/survival-

86 

based research, dl/lPAG is thought to support active coping 

“fight-or-flight” responses to 

87 

predatory threats, whereas dmPAG is thought to support similar responses to aggressive 

88 

conspecifics, and vlPAG is thought to support passive coping or 

“freezing” responses to painful 

89 

threats (Gross & Canteras, 2012; Morgan et al., 1998; S. P. Zhang et al., 1990). For example, 

90 

stimulating dl/lPAG, in rodents and cats increases cardiac and respiratory rates (Bandler, 

91 

Carrive, & Zhang, 1991b; Carrive & Bandler, 1991; Depaulis et al., 1992; Subramanian et al., 

92 

2008; W. Zhang et al., 2005) and elicits explosive running and jumping (Bandler, Carrive, & 

93 

Zhang, 1991b; Fardin et al., 1984; Morgan et al., 1998; S. P. Zhang et al., 1990). By contrast, 

94 

stimulating vlPAG decreases cardiac and respiratory rates (Bandler, Carrive, & Zhang, 1991b; 

95 

Carrive & Bandler, 1991; Depaulis et al., 1992; Lovick, 1992; Subramanian et al., 2008), and 

96 

induces an absence of movement in cats (S. P. Zhang et al., 1990) 

and “freezing” behavior in 

97 

rats (Carrive et al., 1997; Morgan et al., 1998). In humans, anticipated breathlessness increases 

98 

the BOLD signal in vlPAG (Faull et al., 2016, 2019; Tinoco Mendoza et al., 2023), whereas 

99 

subcutaneous (deep muscle) and cutaneous pain increases the BOLD signal in vlPAG and 

100 

lPAG respectively (Tinoco Mendoza et al., 2023). Observations that correspond to this 

101 

functional localization along PAG columns would increase our confidence in an observed 

102 

pattern of results, given that these functional distinctions have been strongly established in prior 

103 

work. 

104 

In the present study, we examined changes in PAG activity in the context of a mild-to-

105 

moderately challenging N-back working memory task, which aims to simulate energetic, 

106 

cognitive, and physiological demands within the range of those typically encountered in daily 

107 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

life. Participants observed a sequence of letters and responded with a key press when a letter 

108 

was repeated, either from the prior trial (1-back) or three trials prior (3-back; Fig. 1). This task 

109 

required that participants simultaneously attend to and remember target stimuli while inhibiting 

110 

or completing task-relevant motor responses. The 1-back task could be conceptually described 

111 

as easier than remembering a phone number, and so we consider it to fall well outside the 

112 

traditional survival-based contexts in which PAG function has previously been tested. 

113 

Imaging resolution in 1.5 Tesla and 3 Tesla MRI scanners is insufficient to resolve small 

114 

brainstem nuclei, both due to low signal-to-noise ratios (SNR) and voxel resolution. By contrast, 

115 

ultra-high resolution 7 Tesla (7T) imaging, used in the present work, provides a substantial 

116 

increase in SNR (Linnman et al., 2012; Satpute et al., 2013). An earlier report included the first 

117 

24 participants from the current data set (all the participants who were available for analysis at 

118 

that time) and used univariate and multivariate methods to distinguish PAG BOLD responses to 

119 

1-back (mild cognitive demand) and 3-back (moderate cognitive demand) conditions (Kragel et 

120 

al., 2019). This earlier study reported BOLD signal intensity greater increases in the 3-back (vs. 

121 

the 1-back) condition, which were localized to the right rostral vlPAG. The present work builds 

122 

on this earlier report, with a sample size (N = 87) that affords the power to identify functional 

123 

distinctions among PAG columns. We also improved our localization procedure, identifying PAG 

124 

columnar subregions by their radial degree. As in prior work (Kragel et al., 2019), we aligned 

125 

subject-specific PAG masks to a group template to estimate the voxel-wise BOLD response 

126 

during the N-back task. For PAG columns, tract-tracing techniques in non-human animals 

127 

typically produce symmetrical results (Carrive et al., 1987; Carrive & Bandler, 1991; Holstege et 

128 

al., 1997; Jansen et al., 1998; Li et al., 1993; Paredes et al., 2000; Sandkühler & Herdegen, 

129 

1995; S. P. Zhang et al., 1990), and so we expected that PAG activity would be symmetric 

130 

along the PAG midline. We recorded cardiac interbeat interval (IBI) and respiratory rate (RR) to 

131 

examine whether columnar organization supported visceromotor functions, and whether this 

132 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

visceromotor support could possibly account for any task-elicited changes observed during the 

133 

working memory task.  

134 

Methods 

135 

Participants.

 One hundred forty participants were recruited from the Greater Boston area and 

136 

provided informed consent in accordance with guidelines set forth b

y the Partners’ Healthcare 

137 

Institutional Review Board (IRB). Consented participants completed two scanning sessions and 

138 

were paid $150 for each scan (i.e., $300 upon study completion). Eighteen participants either 

139 

withdrew or ended the MRI scan session before starting the working memory task. Nineteen 

140 

participants were excluded due to poor image quality (e.g., large artifacts compromising 

141 

analysis), as assessed by visual inspection in Mango version 4.1 (RRID: SCR_009603). Sixteen 

142 

participants were excluded for excessive head motion (> 0.5 mm framewise displacement in > 

143 

20% of TRs in the run; see 

MRI preprocessing

). Our final sample consisted of 87 participants 

144 

(

M

age

 = 27.0 years, 

SD

age

 = 6.1 years; 39 female, 47 male, 1 non-response). For self-reported 

145 

ethnicity, 13% of participants identified as Hispanic. For self-reported race, 62% identified as 

146 

White, 25% identified as Asian, and 9% identified as Black. Of the 87 participants, three did not 

147 

provide a response for race, and one did not provide a response for ethnicity. The participant 

148 

sample was generally highly-educated (24% had some graduate education, 25% had completed 

149 

college/university, 37% had some college/university, 10% had completed high school, and 2% 

150 

had not completed high school). Peripheral physiological recordings were inspected for artifacts 

151 

(see 

Peripheral Physiological Recording and Quality Assessment

) and only non-artifactual 

152 

recordings were included in analyses. Of the 87 participants with usable fMRI data, 59 had 

153 

artifact-free cardiac data, and 47 had artifact-free respiratory data.  

154 

All participants were between 18 and 40 years old, right-handed, fluent English 

155 

speakers, with normal or corrected to normal vision, and no known neurological or psychiatric 

156 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

10 

illnesses. Participants were excluded from participating if they were pregnant, claustrophobic or 

157 

had any metal implants that could cause harm during scanning.  

158 

Experimental Paradigm. 

Participants completed a visual N-back working memory task during 

159 

fMRI scanning, based on the experimental design of prior studies (Gevins & Cutillo, 1993; J. R. 

160 

Gray et al., 2003; Kirchner, 1958; van Ast et al., 2016; Wager & Smith, 2003). On each trial, a 

161 

letter (Q, W, R, S, or T) was presented at the center of the visual field for 1-second followed by 

162 

a blank screen for 1-second (Fig. 1). Participants were instructed to respond with a button press 

163 

when the letter on the screen matched the letter presented 

trials ago where 

n

 was either 1 or 

164 

3. The task was administered during a single scanning run, across 12 blocks, each consisting of 

165 

10 trials (120 trials total). Each block began with a 3-second cue indicating the current trial type 

166 

(1-back or 3-back). 1-back and 3-back blocks were presented in ABBA or BAAB order 

167 

(counterbalanced across participants) and each block was followed by 25-seconds of resting 

168 

fixation. Stimuli were classified into 2 cate

gories; a “target” was a stimulus that met the N-back 

169 

criteria for a match (e.g., N-back either 1 or 3 trials ago), and all other stimuli were classified as 

170 

“non-targets”. The task had fixed proportions of 20% targets and 80% non-targets. Of the non-

171 

targets, 12.5% were classified as lure trials

—i.e., 2-back matches in the 1-back blocks and 2 or 

172 

4-back matches in the 3-back blocks. The proportion of lure trials was the same for both 1-back 

173 

and 3-back blocks.  

174 

The task was administered in MATLAB (The MathWorks; RRID:SCR_001622), using the 

175 

Psychophysics Toolbox extensions (Kleiner, 2007; RRID:SCR_002881). Stimuli were made 

176 

visible to participants by projecting them onto a mirror attached to the head coil. Responses 

177 

were recorded using an MR-compatible button box.   

178 

To familiarize participants with the task, participants completed a practice N-back task 

179 

session on a laptop immediately before the scan session. These practice sessions mirrored the 

180 

task used during scanning, including blocks of 1-back and 3-back trials, for a total of 48 trials.  

 

181 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

11 

MRI Data Acquisition. 

Gradient-echo echo-planar imaging BOLD-fMRI was performed on a 7-

182 

Tesla (7T) Siemens MRI scanner at the Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging at 

183 

Massachusetts General Hospital (MGH), Boston, MA. The scanner was built by Magnex 

184 

Scientific (Oxford, UK), with the MRI console, gradient and gradient drivers, and patient table 

185 

provided by Siemens. Functional images were acquired using GRAPPA-EPI sequence: echo 

186 

time = 28 ms, repetition time = 2.34 s, flip angle = 75°, slice orientation = transversal (axial), 

187 

anterior to posterior phase encoding, voxel size = 1.1 mm isotropic, gap between slices = 0 mm, 

188 

number of axial slices = 123, field of view = 205 × 205 mm

2

, GRAPPA acceleration factor = 3; 

189 

echo spacing = 0.82 ms, bandwidth = 1414 Hz per pixel, partial Fourier in the phase encode 

190 

direction = 7/8. A custom-built 32-channel radiofrequency coil head array was used for 

191 

reception. Radiofrequency transmission was provided by a detunable band-pass birdcage coil.  

192 

Structural images were acquired using a T1-weighted EPI sequence, selected so that 

193 

functional and structural images had similar spatial distortions, which facilitated co-registration 

194 

and subsequent normalization of data to MNI space (Renvall et al., 2016). Structural scan 

195 

parameters were: echo time = 22 ms, repetition time = 8.52 s, flip angle = 90°, slice orientation = 

196 

transversal (axial), voxel size = 1.1 mm isotropic, gap between slices = 0 mm, number of axial 

197 

slices = 126, field of view = 205 × 205 mm

2

, GRAPPA acceleration factor = 3; echo spacing = 

198 

0.82 ms, bandwidth =1414 Hz per pixel, partial Fourier in the phase encode direction = 6/8. 

 

199 

MRI Preprocessing. 

Functional and structural MRI data were preprocessed using the fmriprep 

200 

pipeline, version 1.1.2 (Esteban et al., 2019, 2020; RRID: SCR_016216), a Nipype-based tool 

201 

(Esteban et al., 2020; Gorgolewski et al., 2011; RRID: SCR_002502). Full pipeline details can 

202 

be found at (https://fmriprep.org/en/1.1.2/workflows.html). Spatial normalization of anatomical 

203 

data to the 2009c ICBM 152 Nonlinear Asymmetrical template (Fonov et al., 2009; RRID: 

204 

SCR_008796) was performed through nonlinear registration with the antsRegistration tool of 

205 

ANTs version 2.1.0 (Avants et al., 2008; RRID: SCR_004757), using brain-extracted versions of 

206 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

12 

both T1w (T1-weighted) volume and template. Brain tissue segmentation of cerebrospinal fluid 

207 

(CSF), white-matter (WM) and gray-matter (GM) was performed on the brain-extracted T1w 

208 

using FAST in FSL version 5.0.9 (Y. Zhang et al., 2001; RRID: SCR_002823). Functional data 

209 

were slice time corrected using 3dTshift from AFNI version 16.2.07 (Cox, 1996; RRID: 

210 

SCR_005927)  and motion corrected using MCFLIRT (FSL version 5.0.9 (Jenkinson et al., 

211 

2002). This was followed by co-registration to the corresponding T1w using boundary-based 

212 

registration (Greve & Fischl, 2009) with 9 degrees of freedom, using FLIRT 

(FMRIB’s Linear 

213 

Image Registration Tool; FSL version 5.0.9; Jenkinson et al., 2002; Jenkinson & Smith, 2001). 

214 

Motion correcting transformations, BOLD-to-T1w transformation, and T1w-to-template (MNI) 

215 

warp were concatenated and applied in a single step using antsApplyTransforms (ANTs version 

216 

2.1.0) using Lanczos interpolation. Physiological noise regressors were extracted using the 

217 

aCompCor method (Muschelli et al., 2014), taking the top five principle components from 

218 

subject-specific CSF and WM masks, where the masks were generated by thresholding the 

219 

WM/CSF masks derived from FAST at 99% probability, constraining the CSF mask to the 

220 

ventricles (using the ALVIN mask; Kempton et al., 2011), and eroding the WM mask using the 

221 

binary_erosion function in SciPy version 1.6. Frame-wise displacement (Power et al., 2014) was 

222 

calculated for each functional run using the implementation of Nipype. Many internal operations 

223 

of fmriprep use Nilearn (Abraham et al., 2014; RRID: SCR_001362), principally within the 

224 

BOLD-processing workflow. For all participants, the quality of brain masks, tissue segmentation, 

225 

and MNI registration was visually inspected for errors using the html figures provided by the 

226 

fmriprep pipeline. 

227 

fMRI Analysis. 

To estimate BOLD signal intensity during the working memory N-back task, a 

228 

general linear model was applied to preprocessed functional time-series (GLM; FSL version 

229 

5.0.9). Subject-level models provided beta weight estimates for 1-back and 3-back conditions 

230 

within each participant, relative to baseline fixation. All trial regressors were aligned to trial onset 

231 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

13 

(duration = 1 second), and convolved with a double gamma hemodynamic response function 

232 

(HRF). Because trials were closely spaced, the convolved 1-back and 3-back regressors 

233 

approximated a block-based design, meaning that observed PAG responses should be 

234 

interpreted as an average across the 1-back/3-back block period (as opposed to more time-

235 

sensitive responses to the letter presented on each trial). Subject-level nuisance regressors 

236 

included a run intercept, motion (i.e., translation/rotation in x/y/z planes), aCompCor 

237 

components (5 cerebral spinal fluid, 5 white matter; Muschelli et al., 2014), a discrete cosine 

238 

transformation set with a minimum period of 264 seconds, and spike regressors (> 0.5mm 

239 

framewise displacement (Satterthwaite et al., 2013). To assess multicollinearity variance 

240 

inflation factors (VIFs), were inspected for 1-back (VIF

mean

 = 1.33; VIF

SD

 = 0.16) and 3-back 

241 

regressors (VIF

mean

 = 1.48; VIF

SD

 = 0.28), and were considered to be within an acceptable range 

242 

(i.e., < 5; Mumford et al., 2015). Group-level analyses included whole-brain contrasts and 

243 

analyses within PAG voxels (see 

PAG Identification and Alignment

). Whole-brain contrasts 

244 

computed 

z

-scores relative to 0 for subject-level beta weights after smoothing with a 1 mm 

245 

FWHM Gaussian kernel. Thresholds for 

z-

score maps were corrected for multiple comparisons 

246 

using threshold-free cluster-enhancement (TFCE) 

(α < .05; Smith & Nichols, 2009).  

247 

PAG Identification and Alignment.

 The PAG was identified and aligned across subjects using 

248 

a semi-automated iterative procedure (for details, see Kragel et al., 2019), which built on 

249 

manual PAG alignment methods previously used in 7T studies of the PAG (for details, see 

250 

Satpute et al., 2013). For each subject, a subject-specific mask of the cerebral aqueduct was 

251 

created by identifying high-variance voxels in the region. Following this, subject-specific PAG 

252 

masks were created by dilating the aqueduct mask (2 voxels, i.e., 2.2 mm) and masking (a) 

253 

voxels in the original subject-specific aqueduct mask, (b) voxels not in a subject-specific gray-

254 

matter segmentation (> 50% probability), and (c) any voxels outside the target range [MNI: 

−22 

255 

> y > 

−42; z > −14]. This created hollow and cylindrical PAG masks for each subject, which 

256 

were aligned and warped to a group-aligned mask in DARTEL (Ashburner, 2007). These 

257 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

14 

transformations were then applied to whole-brain contrast images to align subject-level 

258 

functional data to a common PAG-aligned space. For all analyses within the PAG, voxels were 

259 

resampled to 0.5 mm isotropic space (from 1.1 mm isotropic native space), masked with the 

260 

group-aligned PAG mask, and smoothed 1 mm.

 

261 

 

Each voxel within the group-aligned PAG mask was tagged according to (a) its radial 

262 

degree from the PAG midline, (b) its position along the rostral

–caudal PAG axis, and (c) its 

263 

radial distance from the center of the cylinder. 

Figure 2b depicts the “unrolled” PAG, with radial 

264 

degrees on the x-axis, and rostral-caudal position on the y-

axis. Figure 2c depicts the “unrolled” 

265 

PAG “sliced” according to radial distance from the center of the cylinder. Rostral–caudal position 

266 

was calculated using principal components analysis (PCA) on voxelwise x/y/z coordinates, and 

267 

radial degree and distance were calculated using a geometric transformation of those PCA 

268 

coordinates, giving degree relative to the volumetric y-axis (at 0°) and cylinder center (at radial 

269 

distance = 0). For visualization, Figure 2 depicts the functional columns within the PAG (Fig. 2); 

270 

however, all group-level analyses were performed using either voxelwise data (Figs. 2, 5a), or 

271 

bilateral ROIs aggregating across radial degrees or the rostral

–caudal axis (Fig. 5b; see 

Linear 

272 

Mixed Effects Model

). The ventral most 90° of the PAG was excluded from analysis, given that it 

273 

contains other subcortical structures (e.g., dorsal raphe).  

274 

Linear Mixed-Effects Model.

 Voxel beta weights

 

within the PAG group-aligned mask were 

275 

submitted to a linear mixed-effects model to summarize the spatial distribution of BOLD signal 

276 

changes. PAG voxel beta weights were averaged within four ranks of rostral

–caudal position 

277 

and ten ranks of radial degree (Fig. 5b). Each rostral

–caudal rank consisted of a 3.5 mm 

278 

segment along the 14 mm rostral

–caudal positional axis, and each radial degree rank consisted 

279 

of a 

bilateral average 

of 

13

.5° sections of the PAG

—i.e., the first radial degree rank included 0-

280 

13.5° in left and right PAG, while the last radial degree rank included 121.5-135° in left and right 

281 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

15 

PAG. Given this, our mixed effects model assumes bilaterality in any effect along PAG radial 

282 

degree (an assumption we visually first confirmed by visual inspection of the voxels (Fig. 5a). 

283 

 

The mixed effect model was specified to include fixed effects of condition (1-back/3-

284 

back), rostral

–caudal rank, PAG degree rank, and all interactions. The model included by-

285 

participant random intercepts, and by-participant random slopes for all fixed effects (Barr et al., 

286 

2013). Analyses were conducted in R (R version 3.6.2;R Core Team, 2016) using the lmer4 

287 

package (Bates et al., 2015), with degrees of freedom approximated by the Satterthwaite 

288 

method, as implemented in the lmerTest package (Kuznetsova et al., 2017). The code was 

289 

entered as follows:  

290 

model <- lmer(averaged PAG BOLD ~ condition * rostral

–caudal position * PAG degree +        

291 

(condition * rostral

–caudal position * PAG degree | participant), control = 

292 

lmerControl(optimizer = "bobyqa", optCtrl = list(maxfun = 2e5))) 

293 

Peripheral Physiological Recording and Quality Assessment.

 Peripheral physiological 

294 

measures were collected at 1kHz using an AD Instruments PowerLab data acquisition system 

295 

with MR-compatible sensors and LabChart software. Data were continuously acquired 

296 

throughout the entire scan session and partitioned for alignment with fMRI data using 

297 

experimenter annotations in LabChart and scanner TR events. A piezo-electric pulse transducer 

298 

(PowerLab, AD Instruments, Colorado Springs, Colorado, USA) measured heart rate from the 

299 

left index fingertip. A respiratory belt with a piezo-electric transducer (UFI) measured respiratory 

300 

rate and was placed around the chest at the lower end of the sternum.  

301 

Physiological time-

series data were visually inspected for quality in Biopac’s 

302 

AcqKnowledge data acquisition and analysis software (Biopac Systems Inc., Goleta, California, 

303 

USA) and in custom visualizations using R (R version 3.6.2;R Core Team, 2016) and the 

304 

ggplot2 package (version 3.2.1; Wickham, 2009). Time-series were classified as high-quality 

305 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

16 

(i.e., few or no motion artifacts), noisy (i.e., IBI: motion artifacts affected < 50% of each 1-minute 

306 

segment; RR: large, frequent motion artifacts or RRs outside of a typical range of 7-20 breaths 

307 

per min), and unusable (i.e., IBI: containing excessive artifacts with few reliably detectable 

308 

peaks; RR: containing low amplitudes that could not be distinguished from noise). Among the 87 

309 

participants with usable fMRI data, cardiac data was high-quality (i.e., all 1-minute segments 

310 

were sufficiently free of motion to easily identify peaks in the IBI signal) for 59 participants, noisy 

311 

for 12, unusable for 14, and missing for two. Among the 87 participants with usable fMRI data, 

312 

respiratory data was high-quality for 47 participants, noisy for 20, unusable for 14, and missing 

313 

for six. Only high-quality data were used for cardiac (IBI) and respiratory (RR) analyses.  

314 

Peripheral Physiological Preprocessing and Analysis. 

Physiological time-series data were 

315 

analyzed using MATLAB toolboxes and custom R scripts. Heart rate was calculated using the 

316 

PhysIO MATLAB toolbox (Kasper et al., 2017a), which used a 0.3 to 9 Hz band-pass filter, and 

317 

identified peaks using a two-pass process. The first-pass estimated run average heart rate 

318 

(inverse of IBI), detecting peaks exceeding 40% of normalized amplitude, assuming a minimum 

319 

peak spacing < 90 beats per minute. First-pass peaks were used to create an averaged 

320 

template, and the first-pass estimated average heart rate was used as a prior to detect peaks on 

321 

the second-pass (for more details, see Kasper et al., 2017b). PhysIO pipeline-detected peaks 

322 

were compared with peaks identified in Biopac by trained coders. Discrepancies between the 

323 

two methods were rare (0.5% of peaks across all runs and participants), and occurred very 

324 

rarely in the dataset scored by a more experienced coder (0.323% of peaks), compared to the 

325 

dataset scored by a less experienced coder (0.878% of peaks). To reduce drift in the cardiac 

326 

signal, heart rates were smoothed with a 6-second rolling average and down-sampled into scan 

327 

repetition time. Upon completion of pre-processing, we then converted heart rate into IBI, as IBI 

328 

displays a more linear relationship with underlying autonomic cardiac inputs than heart rate 

329 

(Berntson et al., 1995). After converting HR to IBI, cardiac data were analyzed exclusively using 

330 

IBI. Respiratory rates were calculated using custom R scripts. A 1 Hz low-pass filter was applied 

331 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

17 

to the respiratory time-series, and local peaks were identified in a sliding 500 ms window. Small 

332 

excursions (those < 0.5 SD of average respiratory belt tension across the entire run) were 

333 

deemed too small to meet criteria as a respiratory peak or trough. To maintain consistency 

334 

between pre-processing of IBI and RR, RRs were also smoothed with a 6-second rolling 

335 

average and down-sampled into scan repetition time. Down-sampling IBI and RR into scan 

336 

repetition time resulted in a total of 263 captured instances of physiological activity for each 

337 

variable (IBI, RR) in every participant; averages were then computed for each participant and for 

338 

each resting fixation, 1-back and 3-back task epoch (see 

Experimental Paradigm

). Using the 

339 

averaged task epoch values, change scores were computed as the difference in physiological 

340 

activity (IBI, RR) between resting fixation and 1-back and 3-back task epoch.  

341 

Results  

342 

Performance and reaction time increased in the 1-back vs. 3-back working memory task. 

343 

As expected, and consistent with the earlier work using a small subset of this sample, 

344 

performance (i.e., hit rates) were higher for 1-back trials (

M

 = 0.99, 

SD

 = 0.02) than for 3-back 

345 

trials (

M

 = 0.89, 

SD

 = 0.08; 

t

(85)

 

= 12.18,  

p

 < 1e

−16

d

 = 1.31). Likewise, reaction times for correct 

346 

responses were higher for 1-back trials (

M

 = 0.76 sec, 

SD

 = 0.16 sec) than 3-back trials (

M

 = 

347 

0.99 sec, 

SD

 = 0.22 sec; 

t

(85)

 

= 13.75, 

p

 < 1e

−16

d

 = 1.48). Reaction times for incorrect 

348 

responses did not significantly differ between 1-back and 3-back conditions.

 

349 

Peripheral physiology was affected by 1-back and 3-back working memory conditions. 

350 

Group-level changes in peripheral physiology (IBI and RR) were compared to resting baseline 

351 

during 1-back and 3-back task epochs. Although previous analyses using a subset of the 

352 

present sample did not observe any change in peripheral physiology from baseline (Kragel et 

353 

al., 2019), we did observe changes in both 1-back and 3-back conditions (Fig. 3). In the 1-back 

354 

condition, across participants, IBI increased (i.e., cardio-deceleration occurred) and reparatory 

355 

rate increased compared to resting baseline (IBI: 

t

(58)

 = 3.64, 

p

 < 0.0006,

 d

 = 0.47; RR: 

t

(46)

 = 

356 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

18 

4.75, 

p

 < 1e

−5

d

 = 0.69). In the 3-back condition IBI decreased (i.e., cardio-acceleration 

357 

occurred) and respiratory rate increased compared to resting baseline (IBI:

 t

(58)

 = 3.82,  

p

 < 

358 

0.0003, 

d

 = 0.50; RR: 

t

(46)

 = 9.07, 

p

 < 1e

−12

d

 = 1.32). Relative to the 1-back condition, 3-back 

359 

IBI was shorter (

t

(58)

 = 5.21, 

p

 < 1e

−6

d

 = 0.68), and 3-back respiration rate was faster (

t

(46)

 = 

360 

6.07, 

p

 < 1e

−7

d

 = 0.89). Thus, both mild and moderately difficult cognitive tasks elicited 

361 

physiological changes: they both elicited increased respiratory rates, and they elicited opposite 

362 

cardiac responses, with the mildly difficult 1-back reducing heart rate, and moderately difficult 3-

363 

back increasing it.

 

364 

Whole brain contrast elicits expected pattern of cortical results, and widespread 

365 

brainstem activity in 3-back condition. 

Whole-brain group-level analyses for 1-back, 3-back, 

366 

and 3-back > 1-back contrasts were performed to ensure that cortical results were consistent 

367 

with observations in prior work (Kragel et al., 2019). Group-level analyses were performed on 

368 

first-level contrasts after applying a transformation to align the subject-specific PAG masks (see 

369 

PAG Identification and Alignment, in Methods

), The 3-back > 1-back contrast was consistent 

370 

with prior work, with bilateral responses observed in the inferior frontal junction, the intraparietal 

371 

sulcus, dorsal anterior insula, supplemental motor area, posterior parietal cortex, and 

372 

dorsolateral prefrontal cortex (Fig. 4a). Notably, unlike in Kragel et al., (2019), we did not 

373 

observe a supra-threshold response in PAG for the 3-back > 1-back contrast. However, the 3-

374 

back > baseline contrast did elicit supra-threshold activity throughout the brainstem, including 

375 

within the PAG (Fig. 4b).  

376 

 

1-back and 3-back (vs. baseline) contrasts elicited similar patterns of BOLD response 

377 

across the cortex (Fig. 4a), meaning that the 3-back > 1-back contrast estimates were generally 

378 

caused by a difference in the intensity of the BOLD signal increase/decrease between the 

379 

conditions. In other words, a similar set of brain regions responded to 1-back and 3-back 

380 

conditions, but the magnitude of increase/decrease was greater for the 3-back condition (with 

381 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

19 

the exceptions of posterior parietal cortex and posterior insula, where no supra-threshold 

382 

differences between 1-back and resting baseline were observed; Fig. 4a). The fact that the 3-

383 

back condition elicited brainstem and PAG responses that exceeded baseline, but that did not 

384 

differ from the 1-back response, suggested the presence of a subthreshold PAG response in the 

385 

1-back < baseline contrast as well. Given that the cortical response in 1-back and 3-back 

386 

conditions were similar in their topographic organization, but different in their intensities, it was 

387 

possible that a similar topographic similarity would be observed in the PAG as well. Extracting 

388 

and analyzing the voxelwise topography of the BOLD response in PAG allowed us to test this 

389 

hypothesis.  

390 

The voxelwise topography of PAG BOLD response for 1-back and 3-back working 

391 

memory conditions is strongly correlated. 

Voxelwise 

z

-scores for the 1-back and 3-back < 

392 

baseline contrasts were plotted on a 2D surface to visualize the topography of the PAG BOLD 

393 

response (Fig. 5a). Visual inspection of these results suggested that the 1-back and 3-back 

394 

contrasts did elicit a PAG BOLD response that was similar spatially, but different in intensity, as 

395 

in the cortical pattern of results. Supporting this topographic similarity, voxelwise 

z

-scores were 

396 

highly correlated between 1-back and 3-back contrasts, 

r

 = 0.76 [0.75, 0.77; bootstrapped 95% 

397 

CI, 10,000 samples; Fig. 5a]. To model the topographic pattern of PAG response, we assigned 

398 

two ordinal ranks to each PAG voxel: a rostral

–caudal rank (4 levels, from caudal to rostral 

399 

poles of the PAG; Fig. 5b), and a radial degree rank (10 levels, from dorsomedial to 

400 

ventrolateral PAG, averaging bilaterally; Fig. 5b; see 

Linear Mixed Effects Model

in Methods

). 

401 

These ordinal ranks, along with N-back condition (1-back, 3-back) and all interactions, were 

402 

submitted to a linear mixed effects model (including subject-level intercepts and all random 

403 

slopes; Barr et al., 2013) to model the spatial topography of the PAG BOLD beta weights in both 

404 

N-back conditions.  

405 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

20 

 

The main effect of N-back condition was non-significant, [

F

(1, 86)

 = 2.12, 

p

 < 0.15], 

406 

consistent with failure to observe any 3-back > 1-back difference within the PAG in the whole-

407 

brain contrast (Fig. 4b). The main effect of rostral

–caudal rank was significant, [

F

(1, 86)

 = 52.61, 

p

 

408 

< 1e

-9

], but was qualified by a two-way interaction with N-back condition, [

F

(1, 86)

 = 7.88, 

p

 < 

409 

.007], suggesting that the linear increase along the rostral

–caudal axis of the PAG occurred in 

410 

both N-back conditions, but was greater in the 3-back condition than in the 1-back condition 

411 

(Fig. 5c; y-axis increases from pink to green categories). The main effect of degree rank was 

412 

also significant, [

F

(1, 86)

 = 41.92, 

p

 < 1e

-8

], and was also qualified by a two-way interaction with N-

413 

back condition [

F

(1, 86)

 = 4.62, 

p

 < 0.035], suggesting that the linear increase from dorsomedial to 

414 

ventrolateral PAG occurred in both N-back conditions, but was greater in the 3-back condition 

415 

than in the 1-back condition (Fig. 5c; y-axis increases from left to right along the x-axis). The 

416 

magnitude of the linear increase from dorsomedial to ventrolateral PAG also increased from the 

417 

caudal to rostral end of the PAG (Fig. 5c), as indicated by a two-way rostral

–caudal rank by 

418 

degree rank interaction, [

F

(1, 86)

 = 26.03, 

p

 < 1e

-5

], but two-way interaction was not qualified by 

419 

an additional 3-way interaction with N-back condition [

F

(1, 86)

 = 3.64, 

> .05], meaning that 

420 

spatial topography of the BOLD response in 1-back and 3-back conditions was similar along the 

421 

dimensions of the rostral

–caudal axis and radial degrees, but the conditions did differ in the 

422 

magnitude of change BOLD response along these dimensions (Fig. 5c).  

423 

Task-elicited changes in peripheral physiological response correlate with PAG voxels, 

424 

but the voxelwise topography of correlation is weakly related to task-elicited BOLD 

425 

responses.

 The PAG is implicated in physiological regulation, and we expected that task-

426 

elicited changes in PAG BOLD signal would correlate with changes (from baseline) in cardiac 

427 

interbeat interval (IBI) and respiratory rate (RR). To identify voxels that were associated with the 

428 

magnitude of task-elicited physiological change from baseline, in each voxel subject-level beta 

429 

weights for 1-back and 3-back > baseline contrasts were correlated with subject-level changes 

430 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

21 

in IBI and RR (Fig. 6a). The voxelwise topography of the correlation coefficients was less clearly 

431 

distinguishable along the expected organizational pattern of functional PAG columns than in the 

432 

1-back and 3-back > baseline contrasts (Fig. 5a). To directly compare these two patterns 

433 

voxelwise topography (i.e., voxelwise correlations with physiological change, Fig. 6a, and 

434 

voxelwise task-elicited BOLD increases/decreases, Fig. 5a), we plotted the estimates against 

435 

each other (Fig. 6b). We observed moderate correlations across PAG voxels between task-

436 

elicited BOLD and its correlation with changes in cardiac interbeat interval (Fig. 6b, top), but 

437 

weaker or negative correlations with change in respiratory rate (Fig. 6b, bottom). In all cases, 

438 

the similarity in topography was much weaker than the similarity between PAG BOLD signal 

439 

elicited in the 1-back and 3-back tasks. 

 

440 

Discussion 

 

441 

Our results suggest that, in humans, non-painful and non-threatening tasks that elicit 

442 

mild physiological changes elicit a spatially organized pattern of BOLD response in PAG. 

443 

Further, the moderate and mild working memory demands of the 3-back and 1-back tasks 

444 

elicited nearly identical patterns of BOLD response across the PAG

—the 3-back response 

445 

magnified the intensity of response, but did not change its voxelwise topography. In both 1-back 

446 

and 3-back conditions, BOLD increases were observed along the entire rostral

–caudal axis in 

447 

vlPAG, suggesting that the BOLD response to the cognitive task is organized along previously 

448 

the known anatomical boundaries of PAG functional columns (for review, see Carrive & Morgan, 

449 

2012).  

450 

It was surprising that light cognitive exertion would elicit a localized BOLD response in 

451 

vlPAG, as previous studies have associated the function of vlPAG with survival-related stimuli, 

452 

including stimuli eliciting 

“freezing” behavior (in rats; Carrive et al., 1997; Morgan et al., 1998), 

453 

and anticipated breathlessness or subcutaneous pain in humans (Faull et al., 2016; Tinoco 

454 

Mendoza et al., 2023). Given that the present work observed a clearly defined pattern of BOLD 

455 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

22 

increase in vlPAG in response to a task approximately as easy as remembering a phone 

456 

number, we posit that the PAG plays a more general functional role than just supporting 

457 

survival-related behavior 

(e.g., housing “fear” or “survival” circuits; LeDoux & Daw, 2018; B. Lu 

458 

et al., 2022; McNaughton & Corr, 2018; Panksepp, 2011; B. A. Silva et al., 2016; Vázquez-León 

459 

et al., 2023)

—consistent with accumulating evidence that the PAG helps coordinate and 

460 

regulate the internal (visceromotor) systems of the body (for similar perspectives, see 

461 

Benarroch, 1993, 2001; Faull et al., 2019). In other words, although prior work has observed 

462 

associations between PAG activity 

“fight-or-flight” or “freezing” behavior in the context of threat, 

463 

the overall function of the PAG may be better described by its support for autonomic regulation 

464 

in 

many situations

, even in contexts where survival-related threat is absent, like the working 

465 

memory context used in the present work.  

466 

Within the past decade, significant progress has been made in imaging the human PAG 

467 

(e.g., Coker-Appiah et al., 2013; Hermans et al., 2013; Lindner et al., 2015; Tinoco Mendoza et 

468 

al., 2023; Wang et al., 2022; C. Weis et al., 2020; C. N. Weis et al., 2022; Zhou et al., 2021); 

469 

however, because the PAG has been associated with survival-related behavior, most 

470 

experiments continue to explore its function in these threat-based contexts. By contrast, the N-

471 

back task used in the present work involves cognitive demands that are within the range of what 

472 

is experienced in daily life, and provided a context in which to probe PAG BOLD response 

473 

during less affectively evocative task conditions. Successful performance in a N-back working 

474 

memory task requires integrating exteroceptive (e.g., visual stimuli) and interoceptive sensory 

475 

signals (e.g., signals of energy status from the body), maintaining those signals across trials 

476 

(i.e., working memory), mobilizing energy to meet changing task demands (e.g., as reflected in 

477 

changes in cardiorespiratory reactivity (Berntson et al., 2017; Dampney et al., 2013; Hoemann 

478 

et al., 2020; Thayer et al., 2012), maintaining goal-directed behavior (e.g., allocating attentional 

479 

resources), and finally, generating and executing a motor plan (e.g., pushing a button to make a 

480 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

23 

response). These brain functions support successful working memory performance, but they 

481 

also support other complex, goal-directed sensorimotor behaviors. Indeed, these are the basic 

482 

operations that are needed to perform many laboratory psychological tasks and engage in real-

483 

world motivated performance (i.e., situations that are goal-relevant to the performer, require 

484 

instrumental cognitive responses, and are active rather than passive (Blascovich & Mendes, 

485 

2000). From this perspective, the working memory task is a motivated performance task, similar 

486 

to other motivated performance tasks that have elicited a PAG BOLD response under more 

487 

stressful conditions (e.g., social stress during preparation for public speaking; Wager, Waugh, et 

488 

al., 2009; Wager, van Ast, et al., 2009; Theriault et al., under review). The N-back task, then, in 

489 

addition to being regarded as a prototypical 

‘cognitive’ task, can also be considered as a task 

490 

that drives a brain to mobilize resources to meet task demands

—i.e., to engage in allostatic 

491 

regulation (Barrett, 2017; Sennesh et al., 2022). The PAG is anatomically well-positioned to 

492 

contribute to this allostatic function

—especially given the its anatomical position at the 

493 

convergence of ascending viscerosensory signals from the body and descending visceromotor 

494 

signals for controlling the body (for review, see Carrive & Morgan, 2012).  

495 

In sum, our observation that 

both mild and moderately challenging 

cognitive tasks 

496 

elicited near similar patterns of PAG BOLD response is consistent with the emerging 

497 

perspective that the PAG serves a general integrative function

—as opposed to a survival-

498 

specific function

—and may support the integration of bottom-up sensory signals from the body 

499 

with top-down visceromotor control signals from the brain (for review, see Bandler et al., 2000; 

500 

Benarroch, 2012; Gianaros & Wager, 2015; Koutsikou et al., 2017).

 

This perspective was 

501 

hindered by the rarity of studies probing PAG function outside of threat-related contexts, and so 

502 

future work would benefit from exploring PAG function in naturalistic conditions, and in other 

503 

experimental contexts, like the N-back task, that drive the brain to mobile resources for action. 

504 

Such studies could identify subcortical responses that might be missed in experimental contexts 

505 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

24 

that exclusively study rare and intense events that trigger 

a “fight-or-flight” response. Indeed, the 

506 

fact that moderate cognitive demand elicited a BOLD increase across the entire brainstem 

507 

(including the PAG; Fig. 4b), suggests that there is a great deal to learn about brainstem and 

508 

subcortical contributions to cognition.  

509 

 

510 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

25 

 

 

References 

Abraham, A., Pedregosa, F., Eickenberg, M., Gervais, P., Mueller, A., Kossaifi, J., Gramfort, A., 

Thirion, B., & Varoquaux, G. (2014). Machine learning for neuroimaging with scikit-learn. 

Frontiers in Neuroinformatics

8

. https://doi.org/10.3389/fninf.2014.00014 

Abrahams, V. C., Hilton, S. M., & Zbrożyna, A. (1960). Active muscle vasodilatation produced 

by stimulation of the brain stem: Its significance in the defence reaction. 

The Journal of 

Physiology

154

(3), 491

–513. 

Amano, K., Tanikawa, T., Iseki, H., Kawabatake, H., Notani, M., Kawamura, H., & Kitamura, K. 

(1978). Single Neuron Analysis of the Human Midbrain Tegmentum. 

Stereotactic and 

Functional Neurosurgery

41

(1

–4), 66–78. https://doi.org/10.1159/000102402 

Ashburner, J. (2007). A fast diffeomorphic image registration algorithm. 

NeuroImage

38

(1), 95

113. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2007.07.007 

Avants, B. B., Epstein, C. L., Grossman, M., & Gee, J. C. (2008). Symmetric diffeomorphic 

image registration with cross-correlation: Evaluating automated labeling of elderly and 

neurodegenerative brain. 

Medical Image Analysis

12

(1), 26

–41. 

https://doi.org/10.1016/j.media.2007.06.004 

Bandler, R. (1988). Brain mechanisms of aggression as revealed by electrical and chemical 

stimulation: Suggestion of a central role for the midbrain periaqueductal grey region. In 

Progress in psychobiology and physiological psychology, Vol. 13

 (pp. 67

–154). 

Academic Press. 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

26 

Bandler, R., & Carrive, P. (1988). Integrated defence reaction elicited by excitatory amino acid 

microinjection in the midbrain periaqueductal grey region of the unrestrained cat. 

Brain 

Research

439

(1

–2), 95–106. https://doi.org/10.1016/0006-8993(88)91465-5 

Bandler, R., Carrive, P., & Depaulis, A. (1991). Emerging Principles of Organization of the 

Midbrain Periaqueductal Gray Matter. In A. Depaulis & R. Bandler (Eds.), 

The Midbrain 

Periaqueductal Gray Matter: Functional, Anatomical, and Neurochemical Organization

 

(pp. 1

–8). Springer US. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-3302-3_1 

Bandler, R., Carrive, P., & Zhang, S. P. (1991a). Integration of somatic and autonomic reactions 

within the midbrain periaqueductal grey: Viscerotopic, somatotopic and functional 

organization. In 

Progress in Brain Research

 (Vol. 87, pp. 269

–305). Elsevier. 

https://doi.org/10.1016/S0079-6123(08)63056-3 

Bandler, R., Carrive, P., & Zhang, S. P. (1991b). Integration of somatic and autonomic reactions 

within the midbrain periaqueductal grey: Viscerotopic, somatotopic and functional 

organization. 

Progress in Brain Research

87

, 269

–305. https://doi.org/10.1016/s0079-

6123(08)63056-3 

Bandler, R., & Depaulis, A. (1991). Midbrain Periaqueductal Gray Control of Defensive Behavior 

in the Cat and the Rat. In A. Depaulis & R. Bandler (Eds.), 

The Midbrain Periaqueductal 

Gray Matter: Functional, Anatomical, and Neurochemical Organization

 (pp. 175

–198). 

Springer US. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-3302-3_11 

Bandler, R., Keay, K. A., Floyd, N., & Price, J. (2000). Central circuits mediating patterned 

autonomic activity during active vs. Passive emotional coping. 

Brain Research Bulletin

53

(1), 95

–104. https://doi.org/10.1016/S0361-9230(00)00313-0 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

27 

Barr, D. J., Levy, R., Scheepers, C., & Tily, H. J. (2013). Random effects structure for 

confirmatory hypothesis testing: Keep it maximal. 

Journal of Memory and Language

68

(3), 255

–278. https://doi.org/10.1016/j.jml.2012.11.001 

Barrett, L. F. (2017). The theory of constructed emotion: An active inference account of 

interoception and categorization. 

Social Cognitive and Affective Neuroscience

12

(1), 1

23. https://doi.org/10.1093/scan/nsw154 

Bates, D., Mächler, M., Bolker, B., & Walker, S. (2015). Fitting Linear Mixed-Effects Models 

Using lme4. 

Journal of Statistical Software

67

(1), Article 1. 

https://doi.org/10.18637/jss.v067.i01 

Benarroch, E. E. (1993). The central autonomic network: Functional organization, dysfunction, 

and perspective. 

Mayo Clinic Proceedings

68

(10), 988

–1001. 

https://doi.org/10.1016/s0025-6196(12)62272-1 

Benarroch, E. E. (2001). Pain-autonomic interactions: A selective review. 

Clinical Autonomic 

Research

11

(6), 343

–349. https://doi.org/10.1007/BF02292765 

Benarroch, E. E. (2012). Periaqueductal gray: An interface for behavioral control. 

Neurology

78

(3), 210

–217. https://doi.org/10.1212/WNL.0b013e31823fcdee 

Berntson, G. G., Cacioppo, J. T., & Quigley, K. S. (1995). The metrics of cardiac chronotropism: 

Biometric perspectives. 

Psychophysiology

32

(2), 162

–171. 

https://doi.org/10.1111/j.1469-8986.1995.tb03308.x 

Berntson, G. G., Quigley, K. S., Norman, G. J., & Lozano, D. L. (2017). Cardiovascular 

psychophysiology. In 

Handbook of psychophysiology, 4th ed

 (pp. 183

–216). Cambridge 

University Press. 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

28 

Blascovich, J., & Mendes, W. B. (2000). Challenge and threat appraisals: The role of affective 

cues. In 

Feeling and thinking: The role of affect in social cognition

 (pp. 59

–82). 

Cambridge University Press. 

Blok, B. F. M., & Holstege, G. (1998). The central nervous system control of micturition in cats 

and humans. 

Behavioural Brain Research

92

(2), 119

–125. 

https://doi.org/10.1016/S0166-4328(97)00184-8 

Blok, B. F., Willemsen, A. T., & Holstege, G. (1997). A PET study on brain control of micturition 

in humans. 

Brain: A Journal of Neurology

120 ( Pt 1)

, 111

–121. 

https://doi.org/10.1093/brain/120.1.111 

Carere, C., Ball, G. F., & Balthazart, J. (2007). Sex differences in projections from preoptic area 

aromatase cells to the periaqueductal gray in Japanese quail. 

The Journal of 

Comparative Neurology

500

(5), 894

–907. https://doi.org/10.1002/cne.21210 

Carrive, P. (1993). The periaqueductal gray and defensive behavior: Functional representation 

and neuronal organization. 

Behavioural Brain Research

58

(1

–2), 27–47. 

https://doi.org/10.1016/0166-4328(93)90088-8 

Carrive, P., & Bandler, R. (1991). Viscerotopic organization of neurons subserving hypotensive 

reactions within the midbrain periaqueductal grey: A correlative functional and 

anatomical study. 

Brain Research

541

(2), 206

–215. https://doi.org/10.1016/0006-

8993(91)91020-2 

Carrive, P., Dampney, R. A., & Bandler, R. (1987). Excitation of neurones in a restricted portion 

of the midbrain periaqueductal grey elicits both behavioural and cardiovascular 

components of the defence reaction in the unanaesthetised decerebrate cat. 

Neuroscience Letters

81

(3), 273

–278. https://doi.org/10.1016/0304-3940(87)90395-8 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

29 

Carrive, P., Leung, P., Harris, J., & Paxinos, G. (1997). Conditioned fear to context is associated 

with increased Fos expression in the caudal ventrolateral region of the midbrain 

periaqueductal gray. 

Neuroscience

78

(1), 165

–177. https://doi.org/10.1016/S0306-

4522(97)83047-3 

Carrive, P., & Morgan, M. M. (2012). Periaqueductal Gray. In G. Paxinos & J. K. Mai (Eds.), 

The 

Human Nervous System (Second Edition)

 (pp. 367

–400). Elsevier. 

https://doi.org/10.1016/B978-012547626-3/50013-2 

Chen, X.-M., Nishi, M., Taniguchi, A., Nagashima, K., Shibata, M., & Kanosue, K. (2002). The 

caudal periaqueductal gray participates in the activation of brown adipose tissue in rats. 

Neuroscience Letters

331

(1), 17

–20. https://doi.org/10.1016/S0304-3940(02)00757-7 

Coker-Appiah, D. S., White, S. F., Clanton, R., Yang, J., Martin, A., & Blair, R. J. R. (2013). 

Looming animate and inanimate threats: The response of the amygdala and 

periaqueductal gray. 

Social Neuroscience

8

(6), 621

–630. 

https://doi.org/10.1080/17470919.2013.839480 

Cox, R. W. (1996). AFNI: Software for Analysis and Visualization of Functional Magnetic 

Resonance Neuroimages. 

Computers and Biomedical Research

29

(3), 162

–173. 

https://doi.org/10.1006/cbmr.1996.0014 

Dampney, R. A. L., Furlong, T. M., Horiuchi, J., & Iigaya, K. (2013). Role of dorsolateral 

periaqueductal grey in the coordinated regulation of cardiovascular and respiratory 

function. 

Autonomic Neuroscience

175

(1

–2), 17–25. 

https://doi.org/10.1016/j.autneu.2012.12.008 

Depaulis, A., Keay, K. A., & Bandler, R. (1992). Longitudinal neuronal organization of defensive 

reactions in the midbrain periaqueductal gray region of the rat. 

Experimental Brain 

Research

90

(2), 307

–318. https://doi.org/10.1007/BF00227243 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

30 

Esteban, O., Markiewicz, C. J., Blair, R. W., Moodie, C. A., Isik, A. I., Erramuzpe, A., Kent, J. D., 

Goncalves, M., DuPre, E., Snyder, M., Oya, H., Ghosh, S. S., Wright, J., Durnez, J., 

Poldrack, R. A., & Gorgolewski, K. J. (2019). fMRIPrep: A robust preprocessing pipeline 

for functional MRI. 

Nature Methods

16

(1), 111

–116. https://doi.org/10.1038/s41592-018-

0235-4 

Esteban, O., Markiewicz, C. J., Goncalves, M., DuPre, E., Kent, J. D., Salo, T., Ciric, R., 

Pinsard, B., Blair, R. W., Poldrack, R. A., & Gorgolewski, K. J. (2020). 

fMRIPrep: A 

robust preprocessing pipeline for functional MRI

 [Computer software]. Zenodo. 

https://doi.org/10.5281/zenodo.4252786 

Fanselow, M. S. (1991). The Midbrain Periaqueductal Gray as a Coordinator of Action in 

Response to Fear and Anxiety. In A. Depaulis & R. Bandler (Eds.), 

The Midbrain 

Periaqueductal Gray Matter

 (pp. 151

–173). Plenum Publishing Corp. 

https://doi.org/10.1007/978-1-4615-3302-3_10 

Fanselow, M. S. (1994). Neural organization of the defensive behavior system responsible for 

fear. 

Psychonomic Bulletin & Review

1

(4), 429

–438. 

https://doi.org/10.3758/BF03210947 

Fardin, V., Oliveras, J.-L., & Besson, J.-M. (1984). A reinvestigation of the analgesic effects 

induced by stimulation of the periaqueductal gray matter in the rat. I. The production of 

behavioral side effects together with analgesia. 

Brain Research

306

(1), 105

–123. 

https://doi.org/10.1016/0006-8993(84)90360-3 

Faull, O. K., Jenkinson, M., Ezra, M., & Pattinson, K. T. (2016). Conditioned respiratory threat in 

the subdivisions of the human periaqueductal gray. 

eLife

5

, e12047. 

https://doi.org/10.7554/eLife.12047 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

31 

Faull, O. K., Subramanian, H. H., Ezra, M., & Pattinson, K. T. S. (2019). The midbrain 

periaqueductal gray as an integrative and interoceptive neural structure for breathing. 

Neuroscience & Biobehavioral Reviews

98

, 135

–144. 

https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2018.12.020 

Fonov, V., Evans, A., McKinstry, R., Almli, C., & Collins, D. (2009). Unbiased nonlinear average 

age-appropriate brain templates from birth to adulthood. 

NeuroImage

47

, S102. 

https://doi.org/10.1016/S1053-8119(09)70884-5 

Gevins, A., & Cutillo, B. (1993). Spatiotemporal dynamics of component processes in human 

working memory. 

Electroencephalography and Clinical Neurophysiology

87

(3), 128

143. https://doi.org/10.1016/0013-4694(93)90119-g 

Gianaros, P. J., & Wager, T. D. (2015). Brain-Body Pathways Linking Psychological Stress and 

Physical Health. 

Current Directions in Psychological Science

24

, 313

–321. 

https://doi.org/10.1177/0963721415581476 

Gorgolewski, K., Burns, C. D., Madison, C., Clark, D., Halchenko, Y. O., Waskom, M. L., & 

Ghosh, S. S. (2011). Nipype: A Flexible, Lightweight and Extensible Neuroimaging Data 

Processing Framework in Python. 

Frontiers in Neuroinformatics

0

https://doi.org/10.3389/fninf.2011.00013 

Gray, J. R., Chabris, C. F., & Braver, T. S. (2003). Neural mechanisms of general fluid 

intelligence. 

Nature Neuroscience

6

(3), 316

–322. https://doi.org/10.1038/nn1014 

Gray, M. A., Rylander, K., Harrison, N. A., Wallin, B. G., & Critchley, H. D. (2009). Following 

One’s Heart: Cardiac Rhythms Gate Central Initiation of Sympathetic Reflexes. 

Journal 

of Neuroscience

29

(6), 1817

–1825. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.3363-08.2009 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

32 

Green, A. L., Wang, S., Owen, S. L. F., Xie, K., Liu, X., Paterson, D. J., Stein, J. F., Bain, P. G., 

& Aziz, T. Z. (2005). Deep brain stimulation can regulate arterial blood pressure in 

awake humans. 

NeuroReport

16

(16), 1741

–1745. 

https://doi.org/10.1097/01.wnr.0000183904.15773.47 

Greve, D. N., & Fischl, B. (2009). Accurate and robust brain image alignment using boundary-

based registration. 

NeuroImage

48

(1), 63

–72. 

https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2009.06.060 

Gross, C. T., & Canteras, N. S. (2012). The many paths to fear. 

Nature Reviews Neuroscience

13

(9), Article 9. https://doi.org/10.1038/nrn3301 

Haakenson, C. M., Balthazart, J., & Ball, G. F. (2020). Effects of Inactivation of the 

Periaqueductal Gray on Song Production in Testosterone-Treated Male Canaries 

(Serinus canaria). 

eNeuro

7

(4), ENEURO.0048-20.2020. 

https://doi.org/10.1523/ENEURO.0048-20.2020 

Hermans, E. J., Henckens, M. J. A. G., Roelofs, K., & Fernández, G. (2013). Fear bradycardia 

and activation of the human periaqueductal grey. 

NeuroImage

66

, 278

–287. 

https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2012.10.063 

Hoemann, K., Khan, Z., Feldman, M. J., Nielson, C., Devlin, M., Dy, J., Barrett, L. F., 

Wormwood, J. B., & Quigley, K. S. (2020). Context-aware experience sampling reveals 

the scale of variation in affective experience. 

Scientific Reports

10

(1), Article 1. 

https://doi.org/10.1038/s41598-020-69180-y 

Hohenschurz-

Schmidt, D. J., Calcagnini, G., Dipasquale, O., Jackson, J. B., Medina, S., O’Daly, 

O., O’Muircheartaigh, J., de Lara Rubio, A., Williams, S. C. R., McMahon, S. B., 

Makovac, E., & Howard, M. A. (2020). Linking Pain Sensation to the Autonomic Nervous 

System: The Role of the Anterior Cingulate and Periaqueductal Gray Resting-State 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

33 

Networks. 

Frontiers in Neuroscience

14

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnins.2020.00147 

Holstege, G., Kerstens, L., Moes, M. C., & VanderHorst, V. G. J. M. (1997). Evidence for a 

periaqueductal gray

–nucleus retroambiguus–spinal cord pathway in the rat. 

Neuroscience

80

(2), 587

–598. https://doi.org/10.1016/S0306-4522(97)00061-4 

Jansen, A. S. P., Farkas, E., Mac Sams, J., & Loewy, A. D. (1998). Local connections between 

the columns of the periaqueductal gray matter: A case for intrinsic neuromodulation. 

Brain Research

784

(1), 329

–336. https://doi.org/10.1016/S0006-8993(97)01293-6 

Jenkinson, M., Bannister, P., Brady, M., & Smith, S. (2002). Improved Optimization for the 

Robust and Accurate Linear Registration and Motion Correction of Brain Images. 

NeuroImage

17

(2), 825

–841. https://doi.org/10.1006/nimg.2002.1132 

Jenkinson, M., & Smith, S. (2001). A global optimisation method for robust affine registration of 

brain images. 

Medical Image Analysis

5

(2), 143

–156. https://doi.org/10.1016/S1361-

8415(01)00036-6 

Kasper, L., Bollmann, S., Diaconescu, A. O., Hutton, C., Heinzle, J., Iglesias, S., Hauser, T. U., 

Sebold, M., Manjaly, Z.-M., Pruessmann, K. P., & Stephan, K. E. (2017a). The PhysIO 

Toolbox for Modeling Physiological Noise in fMRI Data. 

Journal of Neuroscience 

Methods

276

, 56

–72. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2016.10.019 

Kasper, L., Bollmann, S., Diaconescu, A. O., Hutton, C., Heinzle, J., Iglesias, S., Hauser, T. U., 

Sebold, M., Manjaly, Z.-M., Pruessmann, K. P., & Stephan, K. E. (2017b). The PhysIO 

Toolbox for Modeling Physiological Noise in fMRI Data. 

Journal of Neuroscience 

Methods

276

, 56

–72. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2016.10.019 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

34 

Kempton, M. J., Underwood, T. S. A., Brunton, S., Stylios, F., Schmechtig, A., Ettinger, U., 

Smith, M. S., Lovestone, S., Crum, W. R., Frangou, S., Williams, S. C. R., & Simmons, 

A. (2011). A comprehensive testing protocol for MRI neuroanatomical segmentation 

techniques: Evaluation of a novel lateral ventricle segmentation method. 

NeuroImage

58

(4), 1051

–1059. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2011.06.080 

Kirchner, W. K. (1958). Age differences in short-term retention of rapidly changing information. 

Journal of Experimental Psychology

55

(4), 352

–358. https://doi.org/10.1037/h0043688 

Kleiner, M. (2007). 

What’s new in Psychtoolbox-3?

 89. 

Knight, Y. E., & Goadsby, P. J. (2001). The periaqueductal grey matter modulates 

trigeminovascular input: A role in migraine?11Presented in part at the Xth International 

Headache Congress, Barcelona, Spain, 24

–26 June 1999 [Knight and Goadsby, 

Cephalalgia 19 (1999) 315]. 

Neuroscience

106

(4), 793

–800. 

https://doi.org/10.1016/S0306-4522(01)00303-7 

Koutsikou, S., Apps, R., & Lumb, B. M. (2017). Top down control of spinal sensorimotor circuits 

essential for survival. 

The Journal of Physiology

595

(13), 4151

–4158. 

https://doi.org/10.1113/JP273360 

Kragel, P. A., Bianciardi, M., Hartley, L., Matthewson, G., Choi, J.-K., Quigley, K. S., Wald, L. L., 

Wager, T. D., Feldman Barrett, L., & Satpute, A. B. (2019). Functional Involvement of 

Human Periaqueductal Gray and Other Midbrain Nuclei in Cognitive Control. 

The 

Journal of Neuroscience

39

(31), 6180

–6189. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2043-

18.2019 

Kuznetsova, A., Brockhoff, P. B., & Christensen, R. H. B. (2017). lmerTest Package: Tests in 

Linear Mixed Effects Models. 

Journal of Statistical Software

82

(1), Article 1. 

https://doi.org/10.18637/jss.v082.i13 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

35 

LeDoux, J., & Daw, N. D. (2018). Surviving threats: Neural circuit and computational 

implications of a new taxonomy of defensive behaviour. 

Nature Reviews Neuroscience

19

(5), Article 5. https://doi.org/10.1038/nrn.2018.22 

Li, Y.-Q., Takada, M., Shinonaga, Y., & Mizuno, N. (1993). Direct projections from the midbrain 

periaqueductal gray and the dorsal raphe nucleus to the trigeminal sensory complex in 

the rat. 

Neuroscience

54

(2), 431

–443. https://doi.org/10.1016/0306-4522(93)90264-G 

Lindner, K., Neubert, J., Pfannmöller, J., Lotze, M., Hamm, A. O., & Wendt, J. (2015). Fear-

potentiated startle processing in humans: Parallel fMRI and orbicularis EMG assessment 

during cue conditioning and extinction. 

International Journal of Psychophysiology

98

(3, 

Part 2), 535

–545. https://doi.org/10.1016/j.ijpsycho.2015.02.025 

Linnman, C., Moulton, E. A., Barmettler, G., Becerra, L., & Borsook, D. (2012). Neuroimaging of 

the periaqueductal gray: State of the field. 

NeuroImage

60

(1), 505

–522. 

https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2011.11.095 

Lovick, T. A. (1992). Inhibitory modulation of the cardiovascular defence response by the 

ventrolateral periaqueductal grey matter in rats. 

Experimental Brain Research

89

(1), 

133

–139. https://doi.org/10.1007/BF00229010 

Lu, B., Fan, P., Wang, Y., Dai, Y., Xie, J., Yang, G., Mo, F., Xu, Z., Song, Y., Liu, J., & Cai, X. 

(2022). Neuronal Electrophysiological Activities Detection of Defense Behaviors Using 

an Implantable Microelectrode Array in the Dorsal Periaqueductal Gray. 

Biosensors

12

(4), 193. https://doi.org/10.3390/bios12040193 

Lu, J., Sherman, D., Devor, M., & Saper, C. B. (2006). A putative flip

–flop switch for control of 

REM sleep. 

Nature

441

(7093), Article 7093. https://doi.org/10.1038/nature04767 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

36 

McNaughton, N., & Corr, P. J. (2018). Survival circuits and risk assessment. 

Current Opinion in 

Behavioral Sciences

24

, 14

–20. https://doi.org/10.1016/j.cobeha.2018.01.018 

Mobbs, D., Hagan, C. C., Dalgleish, T., Silston, B., & Prévost, C. (2015). The ecology of human 

fear: Survival optimization and the nervous system. 

Frontiers in Neuroscience

9

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnins.2015.00055 

Mobbs, D., Headley, D. B., Ding, W., & Dayan, P. (2020). Space, Time, and Fear: Survival 

Computations along Defensive Circuits. 

Trends in Cognitive Sciences

24

(3), 228

–241. 

https://doi.org/10.1016/j.tics.2019.12.016 

Mobbs, D., Petrovic, P., Marchant, J. L., Hassabis, D., Weiskopf, N., Seymour, B., Dolan, R. J., 

& Frith, C. D. (2007). When Fear Is Near: Threat Imminence Elicits Prefrontal-

Periaqueductal Gray Shifts in Humans. 

Science

317

(5841), 1079

–1083. 

https://doi.org/10.1126/science.1144298 

Morgan, M. M., Whitney, P. K., & Gold, M. S. (1998). Immobility and flight associated with 

antinociception produced by activation of the ventral and lateral/dorsal regions of the rat 

periaqueductal gray. 

Brain Research

804

(1), 159

–166. https://doi.org/10.1016/S0006-

8993(98)00669-6 

Mota-Ortiz, S. R., Sukikara, M. H., Bittencourt, J. C., Baldo, M. V., Elias, C. F., Felicio, L. F., & 

Canteras, N. S. (2012). The periaqueductal gray as a critical site to mediate reward 

seeking during predatory hunting. 

Behavioural Brain Research

226

(1), 32

–40. 

https://doi.org/10.1016/j.bbr.2011.08.034 

Motta, S. C., Carobrez, A. P., & Canteras, N. S. (2017). The periaqueductal gray and primal 

emotional processing critical to influence complex defensive responses, fear learning 

and reward seeking. 

Neuroscience & Biobehavioral Reviews

76

, 39

–47. 

https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2016.10.012 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

37 

Mumford, J. A., Poline, J.-B., & Poldrack, R. A. (2015). Orthogonalization of Regressors in fMRI 

Models. 

PLOS ONE

10

(4), e0126255. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0126255 

Muschelli, J., Nebel, M. B., Caffo, B. S., Barber, A. D., Pekar, J. J., & Mostofsky, S. H. (2014). 

Reduction of motion-related artifacts in resting state fMRI using aCompCor. 

NeuroImage

96

, 22

–35. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2014.03.028 

Nashold, B. S., Wilson, W. P., & Slaughter, D. G. (1969). Sensations evoked by stimulation in 

the midbrain of man. 

Journal of Neurosurgery

30

(1), 14

–24. 

https://doi.org/10.3171/jns.1969.30.1.0014 

Panksepp, J. (2011). The basic emotional circuits of mammalian brains: Do animals have 

affective lives? 

Neuroscience & Biobehavioral Reviews

35

(9), 1791

–1804. 

https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2011.08.003 

Paredes, J., Winters, R. W., Schneiderman, N., & McCabe, P. M. (2000). Afferents to the central 

nucleus of the amygdala and functional subdivisions of the periaqueductal gray: 

Neuroanatomical substrates for affective behavior. 

Brain Research

887

(1), 157

–173. 

https://doi.org/10.1016/S0006-8993(00)02972-3 

Pereira, E. A. C., Lu, G., Wang, S., Schweder, P. M., Hyam, J. A., Stein, J. F., Paterson, D. J., 

Aziz, T. Z., & Green, A. L. (2010). Ventral periaqueductal grey stimulation alters heart 

rate variability in humans with chronic pain. 

Experimental Neurology

223

(2), 574

–581. 

https://doi.org/10.1016/j.expneurol.2010.02.004 

Power, J. D., Mitra, A., Laumann, T. O., Snyder, A. Z., Schlaggar, B. L., & Petersen, S. E. 

(2014). Methods to detect, characterize, and remove motion artifact in resting state fMRI. 

NeuroImage

84

, 320

–341. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2013.08.048 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

38 

R Core Team. (2016). 

R: A language and environment for statistical computing

 [Computer 

software]. R Foundation for Statistical Computing. https://www.R-project.org 

Renvall, V., Witzel, T., Wald, L. L., & Polimeni, J. R. (2016). Automatic cortical surface 

reconstruction of high-resolution T1 echo planar imaging data. 

NeuroImage

134

, 338

354. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2016.04.004 

Sandkühler, J., & Herdegen, T. (1995). Distinct patterns of activated neurons throughout the rat 

midbrain periaqueductal gray induced by chemical stimulation within its subdivisions. 

The Journal of Comparative Neurology

357

(4), 546

–553. 

https://doi.org/10.1002/cne.903570406 

Satpute, A. B., Wager, T. D., Cohen-Adad, J., Bianciardi, M., Choi, J.-K., Buhle, J. T., Wald, L. 

L., & Barrett, L. F. (2013). Identification of discrete functional subregions of the human 

periaqueductal gray. 

Proceedings of the National Academy of Sciences

110

(42), 

17101

–17106. https://doi.org/10.1073/pnas.1306095110 

Satterthwaite, T. D., Elliott, M. A., Gerraty, R. T., Ruparel, K., Loughead, J., Calkins, M. E., 

Eickhoff, S. B., Hakonarson, H., Gur, R. C., Gur, R. E., & Wolf, D. H. (2013). An 

improved framework for confound regression and filtering for control of motion artifact in 

the preprocessing of resting-state functional connectivity data. 

NeuroImage

64

, 240

256. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2012.08.052 

Sennesh, E., Theriault, J., Brooks, D., van de Meent, J.-W., Barrett, L. F., & Quigley, K. S. 

(2022). Interoception as modeling, allostasis as control. 

Biological Psychology

167

108242. https://doi.org/10.1016/j.biopsycho.2021.108242 

Silva, B. A., Gross, C. T., & Gräff, J. (2016). The neural circuits of innate fear: Detection, 

integration, action, and memorization. 

Learning & Memory

23

(10), 544

–555. 

https://doi.org/10.1101/lm.042812.116 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

39 

Silva, C., & McNaughton, N. (2019). Are periaqueductal gray and dorsal raphe the foundation of 

appetitive and aversive control? A comprehensive review. 

Progress in Neurobiology

177

, 33

–72. https://doi.org/10.1016/j.pneurobio.2019.02.001 

Smith, S. M., & Nichols, T. E. (2009). Threshold-free cluster enhancement: Addressing 

problems of smoothing, threshold dependence and localisation in cluster inference. 

NeuroImage

44

(1), 83

–98. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2008.03.061 

Subramanian, H. H., Balnave, R. J., & Holstege, G. (2008). The Midbrain Periaqueductal Gray 

Control of Respiration. 

Journal of Neuroscience

28

(47), 12274

–12283. 

https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.4168-08.2008 

Thayer, J. F., Åhs, F., Fredrikson, M., Sollers, J. J., & Wager, T. D. (2012). A meta-analysis of 

heart rate variability and neuroimaging studies: Implications for heart rate variability as a 

marker of stress and health. 

Neuroscience & Biobehavioral Reviews

36

(2), 747

–756. 

https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2011.11.009 

Theriault, J. E., Fischbach, A., Kragel, P. A., Wager, T. D., Wald, L. L., Bianciardi, M., Quigley, 

K. S., Barrett, L. F., & Satpute, A. B. (under review). 

Distinct spatial patterns of neural 

and physiology-related activity in the human periaqueductal grey during anticipatory 

social stress.

 

Tinoco Mendoza, F. A., Hughes, T. E. S., Robertson, R. V., Crawford, L. S., Meylakh, N., 

Macey, P. M., Macefield, V. G., Keay, K. A., & Henderson, L. A. (2023). Detailed 

organisation of the human midbrain periaqueductal grey revealed using ultra-high field 

magnetic resonance imaging. 

NeuroImage

266

, 119828. 

https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2022.119828 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

40 

Tryon, V. L., & Mizumori, S. J. Y. (2018). A Novel Role for the Periaqueductal Gray in 

Consummatory Behavior. 

Frontiers in Behavioral Neuroscience

12

, 178

–178. PubMed. 

https://doi.org/10.3389/fnbeh.2018.00178 

van Ast, V. A., Spicer, J., Smith, E. E., Schmer-Galunder, S., Liberzon, I., Abelson, J. L., & 

Wager, T. D. (2016). Brain Mechanisms of Social Threat Effects on Working Memory. 

Cerebral Cortex (New York, N.Y.: 1991)

26

(2), 544

–556. 

https://doi.org/10.1093/cercor/bhu206 

Vázquez-León, P., Miranda-Páez, A., Valencia-Flores, K., & Sánchez-Castillo, H. (2023). 

Defensive and Emotional Behavior Modulation by Serotonin in the Periaqueductal Gray. 

Cellular and Molecular Neurobiology

43

(4), 1453

–1468. https://doi.org/10.1007/s10571-

022-01262-z 

Virtanen, P., Gommers, R., Oliphant, T. E., Haberland, M., Reddy, T., Cournapeau, D., 

Burovski, E., Peterson, P., Weckesser, W., Bright, J., van der Walt, S. J., Brett, M., 

Wilson, J., Millman, K. J., Mayorov, N., Nelson, A. R. J., Jones, E., Kern, R., Larson, E., 

… van Mulbregt, P. (2020). SciPy 1.0: Fundamental algorithms for scientific computing 

in Python. 

Nature Methods

17

(3), 261

–272. https://doi.org/10.1038/s41592-019-0686-2 

Virtanen, P., Gommers, R., Oliphant, T. E., Haberland, M., Reddy, T., Cournapeau, D., 

Burovski, E., Peterson, P., Weckesser, W., Bright, J., Van Der Walt, S. J., Brett, M., 

Wilson, J., Millman, K. J., Mayorov, N., Nelson, A. R. J., Jones, E., Kern, R., Larson, E., 

… Vázquez-Baeza, Y. (2020). SciPy 1.0: Fundamental algorithms for scientific 

computing in Python. 

Nature Methods

17

(3), 261

–272. https://doi.org/10.1038/s41592-

019-0686-2 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

41 

Wager, T. D., & Smith, E. E. (2003). Neuroimaging studies of working memory: A meta-analysis. 

Cognitive, Affective & Behavioral Neuroscience

3

(4), 255

–274. 

https://doi.org/10.3758/cabn.3.4.255 

Wager, T. D., van Ast, V. A., Hughes, B. L., Davidson, M. L., Lindquist, M. A., & Ochsner, K. N. 

(2009). Brain mediators of cardiovascular responses to social threat, Part II: Prefrontal-

subcortical pathways and relationship with anxiety. 

NeuroImage

47

(3), 836

–851. 

https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2009.05.044 

Wager, T. D., Waugh, C. E., Lindquist, M., Noll, D. C., Fredrickson, B. L., & Taylor, S. F. (2009). 

Brain mediators of cardiovascular responses to social threat: Part I: Reciprocal dorsal 

and ventral sub-regions of the medial prefrontal cortex and heart-rate reactivity. 

NeuroImage

47

(3), 821

–835. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2009.05.043 

Wang, S., Veinot, J., Goyal, A., Khatibi, A., Lazar, S. W., & Hashmi, J. A. (2022). Distinct 

networks of periaqueductal gray columns in pain and threat processing. 

NeuroImage

250

, 118936. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2022.118936 

Weis, C., Bennett, K., Huggins, A., Parisi, E., & Larson, C. (2020). Dynamic Functional 

Connectivity of the Periaqueductal Grey in Response to Predictable and Unpredictable 

Threat Using 7-Tesla MRI. 

Biological Psychiatry

87

(9), S164

–S165. 

https://doi.org/10.1016/j.biopsych.2020.02.436 

Weis, C. N., Bennett, K. P., Huggins, A. A., Parisi, E. A., Gorka, S. M., & Larson, C. (2022). A 7-

Tesla MRI study of the periaqueductal gray: Resting state and task activation under 

threat. 

Social Cognitive and Affective Neuroscience

17

(2), 187

–197. 

https://doi.org/10.1093/scan/nsab085 

Wickham, H. (2009). 

ggplot2: Elegant Graphics for Data Analysis

. Springer-Verlag. 

https://doi.org/10.1007/978-0-387-98141-3 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GREY IN WORKING MEMORY 

42 

Zhang, S. P., Bandler, R., & Carrive, P. (1990). Flight and immobility evoked by excitatory 

amino acid microinjection within distinct parts of the subtentorial midbrain periaqueductal 

gray of the cat. 

Brain Research

520

(1

–2), 73–82. https://doi.org/10.1016/0006-

8993(90)91692-a 

Zhang, W., Hayward, L. F., & Davenport, P. W. (2005). Respiratory muscle responses elicited 

by dorsal periaqueductal gray stimulation in rats. 

American Journal of Physiology-

Regulatory, Integrative and Comparative Physiology

289

(5), R1338

–R1347. 

https://doi.org/10.1152/ajpregu.00828.2004 

Zhang, Y., Brady, M., & Smith, S. (2001). Segmentation of brain MR images through a hidden 

Markov random field model and the expectation-maximization algorithm. 

IEEE 

Transactions on Medical Imaging

20

(1), 45

–57. https://doi.org/10.1109/42.906424 

Zhang, Y. H., Hosono, T., Yanase-Fujiwara, M., Chen, X. M., & Kanosue, K. (1997). Effect of 

midbrain stimulations on thermoregulatory vasomotor responses in rats. 

The Journal of 

Physiology

503 ( Pt 1)

, 177

–186. https://doi.org/10.1111/j.1469-7793.1997.177bi.x 

Zhou, F., Zhao, W., Qi, Z., Geng, Y., Yao, S., Kendrick, K. M., Wager, T. D., & Becker, B. 

(2021). A distributed fMRI-based signature for the subjective experience of fear. 

Nature 

Communications

12

(1), Article 1. https://doi.org/10.1038/s41467-021-26977-3 

 

 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GRAY IN WORKING MEMORY 

 

 

43 

 

Figure captions:

Figure 1.

 Schematic overview of the working memory N-back task. An example of a 1-back 

(mild cognitive demand) and 3-back (moderate cognitive demand) task showing a sequence of 
trials. For every trial, a single letter was presented at the center of the visual field for 1-second. 
Following the 1-second stimuli presentation, participants were given an additional 1-second to 
respond before the next trial began. Participants were instructed to respond with a button press 
if the target stimulus matched the stimulus 

n

 (either 1 or 3) positions back.

 

 

Figure 2.  

PAG identification, segmentation, and visualization.

 

(

a

) Sagittal and coronal 

perspectives on the human PAG. For the purposes of visualization, functional columns within 
the PAG are colored according to the legend. The ventral 90° of the cylinder contains the dorsal 
raphe and was excluded from analysis (

b

) The PAG is a 3D structure, and is difficult to 

visualize. To simplify the presentation of results, we labeled each voxel with its position on the 
rostral

–caudal axis, and its radial degree from the volumetric y-axis. Plotting rostral–caudal 

position (y-axis) by radial degree (x-axis) flattens the PAG into a 2D surface. This convention 
will be used in later figures. (

c

) The flattened map of PAG voxels can be simplified further by 

taking radial slices within the PAG. Each voxel was labeled with its radial distance from the 
center of the cylinder, and radial distance is plotted panels depicting 1 mm bins. For example, 
the 0-1 mm panel shows voxels abutting the cerebral aqueduct, and the 3-4 mm panel shows 
voxels at the outer periphery of the PAG. As in (b), the y-axis illustrates the longitudinal (rostral

caudal) axis of the PAG. Within each bin, radial degrees are plotted on the x-axis. 

 

Figure 3. 

Task-dependent physiological changes from baseline. Group means and 95% 

confidence intervals are plotted in red for IBI (interbeat interval) and RR (respiration rate; see 

Peripheral Physiological Recording & Quality Assessment

). Black dots illustrate individual mean 

change across all 1-back (left) or 3-back (right) task periods. Note that a decrease in IBI reflects 
an increase in heart rate. *** 

p

 < 0.001. 

 

Figure 4. 

Group-level patterns in whole-brain and brainstem contrasts. 

(a)

 Whole-brain 

contrasts for 1-back > fixation, 3-back > fixation, and 3-back > 1-back contrasts. Subject-level 
estimates were smoothed with a 1 mm FWHM Gaussian kernel and submitted to a group-level 
GLM. Thresholding was performed using threshold-free cluster-enhancement 

(α < .05; Smith & 

Nichols, 2009). 1-back and 3-back > fixation contrasts generally showed a similar pattern within 
the cortex, with the exception of in posterior insula and posterior parietal cortex, where no 1-
back response exceeding the TFCE threshold was observed. Cortical results for the 3-back > 1-
back contrast were similar to those observed in prior work (Kragel et al., 2019), except that no 
3-back > 1-back difference was observed in PAG. 

(b) 

The 3-back > fixation contrast elicited 

widespread BOLD activity in the brainstem, and in a number of voxels (marked in black) within 
the group-aligned PAG mask (marked in white). Notably, there was no 3-back > 1-back 
difference observed in the PAG or brainstem, suggesting that subtle changes above baseline 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

HUMAN PERIAQUEDUCTAL GRAY IN WORKING MEMORY 

 

 

44 

were present in the 1-back condition as well. Voxel-wise analyses within the PAG (Fig. 5) 
allowed us to examine this further. All subject-level contrasts were warped to a common PAG 
mask template to align PAG voxels at the group level (see 

PAG Identification and Alignment in 

Methods

).

Figure 5. 

Patterns of group-level PAG BOLD signal intensity elicited by the 1-back/3-back task. 

(a)

 Left: Voxelwise topography of PAG BOLD response (

z

-scored) during 1-back (left) and 3-

back (right) conditions. Upper panels display radial slices of the PAG cylinder (each 1 mm thick; 
see Fig. 2). The y-axis illustrates voxel position along the rostral

–caudal axis (14 mm in length). 

The x-axis illustrates voxel position in +/

− 135 degrees from the brain midline. The heat map 

illustrates group-level 

z

-scored BOLD signal intensity relative to baseline fixation between task 

blocks. Voxels were interpolated to 0.5 mm isotropic, from 1.1 mm native space, and smoothed 
with a 1mm FWHM Gaussian kernel. Right: Beta weights for all 1-back PAG voxels (y-axis) 
plotted against beta weights for all 3-back PAG voxels (x-axis). A Pearson correlation coefficient 
and 95% confidence interval was calculated using 10,000 bootstrapped samples. Across voxels, 
1-back and 3-back 

z

-scores were highly correlated, consistent with similar in 1-back and 3-back 

cortical responses, reported in Fig. 4. (

b

) To model PAG topography in the 1-back and 3-back 

conditions, ordinal ranks were assigned to voxels according to their position on the rostral

caudal axis (4 ranks, left), and radial degree (10 ranks, right). Radial degree ranks were 
bilateral, meaning that our analysis assumed symmetry in any PAG response (which is visually 
supported by the topography in panel (a). In each subject, voxels in each combination of 
rostral

–caudal and degree rank were averaged to produce 40 estimates for each subject to be 

used in the mixed effects model. 

(c)

 Subject-level beta weights were averaged and plotted (with 

95% confidence intervals) for each combination of rostral

–caudal and degree ranks. The y-axis, 

unlike in plots above, depicts group-averaged beta weights (in arbitrary units, a.u.), and the x-
axis depicts radial degree rank (i.e., bilateral dorsomedial to ventrolateral regions, moving from 
left to right). In both 1-back (left) and 3-back (right) conditions, the rostral end of the PAG 
showed a general BOLD increase above fixation, whereas the caudal end of the PAG showed a 
dorsomedial decrease, and increased BOLD response in ventrolateral areas. These plotted 
averages are consistent with the results of the mixed effects model (see Results).

 

 

Figure 6.

 Voxelwise correlation with task-elicited physiological changes. 

(a)

 Voxelwise 

topography of between-subject correlations between either cardiac interbeat interval (top) or 
respiratory rate (bottom) and estimated voxel-wise PAG BOLD signal intensity (i.e., beta weight) 
elicited by the 1-back (left) and 3-back (right) task. Upper panels display radial slices of the PAG 
cylinder (each 1 mm thick; see Fig. 2). The y-axis illustrates voxel position along the rostral

caudal axis (14 mm in length). The x-axis illustrates voxel position in +/

− 135 degrees from the 

brain midline. The heat map illustrates Pearson correlation coefficients. Correlations were 
calculated across all subjects with artifact-free physiological data (cardiac interbeat interval = 
69; respiratory rate = 47).  

(b)

 Voxelwise BOLD-physiological change correlation coefficients for 

interbeat interval change (y-axis, top) and respiratory rate change (y-axis bottom) are plotted 
against contrast beta weights for all 1-back PAG voxels (x-axis, left) and 3-back PAG voxels (x-
axis, right). Pearson correlation coefficients and 95% confidence intervals were calculated using 
10,000 bootstrapped samples. Correlations across voxels were non-zero, but substantially lower 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

 

 

45 

 

than the correlation between the 1-back and 3-back voxelwise topography of BOLD response 
reported in Fig. 5. 

 

 

 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1757-23.2024.full-html.html
background image

JNeurosci Accepted Manuscript