Imaging technologies are increasingly used to generate high-resolution reference maps of brain structure and function. Modern scientific discovery relies on making comparisons between new maps (e.g. task activations, group structural differences) and these reference maps. Although recent data sharing initiatives have increased the accessibility of such brain maps, data are often shared in disparate coordinate systems (or “spaces”), precluding systematic and accurate comparisons among them. Here we introduce the neuromaps toolbox, an open-access software package for accessing, transforming, and analyzing structural and functional brain annotations. We implement two registration frameworks to generate high-quality transformations between four standard coordinate systems commonly used in neuroimaging research. The initial release of the toolbox features >40 curated reference maps and biological ontologies of the human brain, including maps of gene expression, neurotransmitter receptors, metabolism, neurophysiological oscillations, developmental and evolutionary expansion, functional hierarchy, individual functional variability, and cognitive specialization. Robust quantitative assessment of map-to-map similarity is enabled via a suite of spatial autocorrelation-preserving null models. By combining open-access data with transparent functionality for standardizing and comparing brain maps, the neuromaps software package provides a systematic workflow for comprehensive structural and functional annotation enrichment analysis of the human brain.

Abstract Neurotransmitter receptors support the propagation of signals in the human brain. How receptor systems are situated within macroscale neuroanatomy and how they shape emergent function remains poorly understood, and there exists no comprehensive atlas of receptors. Here we collate positron emission tomography data from >1 200 healthy individuals to construct a whole-brain 3-D normative atlas of 19 receptors and transporters across 9 different neurotransmitter systems. We find that receptor profiles align with structural connectivity and mediate function, including neurophysiological oscillatory dynamics and resting state hemodynamic functional connectivity. Using the Neurosynth cognitive atlas, we uncover a topographic gradient of overlapping receptor distributions that separates extrinsic and intrinsic psychological processes. Finally, we find both expected and novel associations between receptor distributions and cortical thinning patterns across 13 disorders. We replicate all findings in an independently collected autoradiography dataset. This work demonstrates how chemoarchitecture shapes brain structure and function, providing a new direction for studying multi-scale brain organization.

Regulation of gene expression drives protein interactions that govern synaptic wiring and neuronal activity. The resulting coordinated activity among neuronal populations supports complex psychological processes, yet how gene expression shapes cognition and emotion remains unknown. Here we directly bridge the microscale and macroscale by mapping gene expression patterns to functional activation patterns across the cortical sheet. Applying unsupervised learning to the Allen Human Brain Atlas and Neurosynth databases, we identify a ventromedial-dorsolateral gradient of gene assemblies that separate affective and cognitive domains. This topographic molecular-psychological signature reflects the hierarchical organization of the neocortex, including systematic variations in cell type, myeloarchitecture, laminar differentiation, and intrinsic network affiliation. In addition, this molecular-psychological signature is related to individual differences in cognitive performance, strengthens over neurodevelopment, and can be replicated in two independent repositories. Collectively, our results reveal spatially covarying transcriptomic and cognitive architectures, highlighting the influence that molecular mechanisms exert on psychological processes.

Abstract Variability drives the organization and behavior of complex systems, including the human brain. Understanding the variability of brain signals is thus necessary to broaden our window into brain function and behavior. Few empirical investigations of macroscale brain signal variability have yet been undertaken, given the difficulty in separating biological sources of variance from artefactual noise. Here, we characterize the temporal variability of the most predominant macroscale brain signal, the fMRI BOLD signal, and systematically investigate its statistical, topographical and neurobiological properties. We contrast fMRI acquisition protocols, and integrate across histology, microstructure, transcriptomics, neurotransmitter receptor and metabolic data, fMRI static connectivity, and empirical and simulated magnetoencephalography data. We show that BOLD signal variability represents a spatially heterogeneous, central property of multi-scale multi-modal brain organization, distinct from noise. Our work establishes the biological relevance of BOLD signal variability and provides a lens on brain stochasticity across spatial and temporal scales.

The brain is composed of disparate neural populations that communicate and interact with one another. Although fiber bundles, similarities in molecular architecture, and synchronized neural activity all represent brain connectivity, a comprehensive study of how all these connectivity modes jointly reflect brain structure and function remains missing. Here we systematically integrate seven multimodal, multiscale brain connectivity profiles derived from gene expression, neurotransmitter receptor density, cellular morphology, glucose metabolism, haemodynamic activity, and electrophysiology. We uncover a compact set of universal organizational principles through which brain geometry and neuroanatomy shape emergent connectivity modes. Connectivity modes also exhibit unique and diverse connection patterns, hub profiles, dominant gradients, and modular organization. Throughout, we observe a consistent primacy of molecular connectivity modes—namely correlated gene expression and receptor similarity—that map well onto multiple phenomena including the rich club and patterns of cortical abnormalities across 13 neurological, psychiatric, and neurodevelopmental disorders. Finally, we fuse all seven connectivity modes into a single multimodal network and show that it maps onto major organizational features of the brain including structural conenctivity, intrinsic functional networks, and cytoarchitectonic classes. Altogether, this work contributes to next-generation connectomics and the integrative study of inter-regional relationships.

The wiring of the brain connects micro-architecturally diverse neuronal populations. The conventional graph model encodes macroscale brain connectivity as a network of nodes and edges, but abstracts away the rich biological detail of each regional node. Regions are different in terms of their microscale attributes, many of which are readily available through modern technological advances and data-sharing initiatives. How is macroscale connectivity related to nodal attributes? Here we investigate the systematic arrangement of white-matter connectivity with respect to multiple biological annotations. Namely, we formally study assortative mixing in annotated connectomes by quantifying the tendency for regions to be connected with each other based on the similarity of their micro-architectural attributes. We perform all experiments using four cortico-cortical connectome datasets from three different species (human, macaque and mouse), and consider a range of molecular, cellular and laminar annotations, including gene expression, neurotransmitter receptors, neuron density, laminar thickness and intracortical myelin. Importantly, we disentangle the relationship between neural wiring, regional heterogeneity and spatial embedding using spatial autocorrelation-preserving null models. We show that mixing between micro-architecturally diverse neuronal populations is supported by long-distance connections. Using meta-analytic decoding, we find that the arrangement of connectivity patterns with respect to biological annotations shape patterns of regional functional specialization. Specifically, regions that connect to biologically similar regions are associated with executive function; conversely, regions that connect with biologically dissimilar regions are associated with memory function. By bridging scales of cortical organization, from microscale attributes to macroscale connectivity, this work lays the foundation for next-generation annotated connectomics.

Abstract The relationship between brain areas based on neurotransmitter receptor and transporter molecule expression patterns may provide a link between brain structure and its function. Here, we studied the organization of the receptome, a measure of regional neurotransmitter receptor/transporter molecule (NTRM) similarity, derived from in vivo PET imaging studies of 19 different receptors and transporters. Nonlinear dimensionality reduction revealed three main spatial gradients of receptor similarity in the cortex. The first gradient differentiated the somato-motor network from the remaining cortex. The second gradient spanned between temporo-occipital and frontal anchors, differentiating visual and limbic networks from attention and control networks, and the third receptome gradient was anchored between the occipital and temporal cortices. In subcortical structures, the receptome delineated a striato-thalamic axis, separating functional communities. Moreover, we observed similar organizational principles underlying receptome differentiation in cortex and subcortex, indicating a link between subcortical and cortical NTRM patterning. Overall, we found that the cortical receptome shared key organizational traits with brain structure and function. Node-level correspondence of receptor similarity to functional, microstructural, and diffusion MRI-based measures decreased along a primary-to-transmodal gradient. Compared to primary and paralimbic regions, we observed higher receptomic diversification in unimodal and heteromodal regions, possibly supporting functional flexibility. In sum, we show how receptor similarity may form an additional organizational layer of human brain architecture, bridging brain structure and function.

Abstract Numerous brain disorders demonstrate structural brain abnormalities, which are thought to arise from molecular perturbations or connectome miswiring. The unique and shared contributions of these molecular and connectomic vulnerabilities to brain disorders remain unknown, and has yet to be studied in a single multi-disorder framework. Using MRI morphometry from the ENIGMA consortium, we construct maps of cortical abnormalities for thirteen neurodevelopmental, neurological, and psychiatric disorders from N = 21 000 patients and N = 26 000 controls, collected using a harmonized processing protocol. We systematically compare cortical maps to multiple micro-architectural measures, including gene expression, neurotransmitter density, metabolism, and myelination (molecular vulnerability), as well as global connectomic measures including number of connections, centrality, and connection diversity (connectomic vulnerability). We find that regional molecular vulnerability and macroscale brain network architecture interact to drive the spatial patterning of cortical abnormalities in multiple disorders. Local attributes, particularly neurotransmitter receptor profiles, constitute the best predictors of both disorder-specific cortical morphology and cross-disorder similarity. Finally, we find that cross-disorder abnormalities are consistently subtended by a small subset of network epicentres in bilateral sensory-motor, medial temporal lobe, precuneus, and superior parietal cortex. Collectively, our results highlight how local biological attributes and global connectivity jointly shape cross-disorder cortical abnormalities.

The brainstem is a fundamental component of the central nervous system yet it is typically excluded from in vivo human brain mapping efforts, precluding a complete understanding of how the brainstem influences cortical function. Here we use high-resolution 7 Tesla fMRI to derive a functional connectome encompassing cortex as well as 58 brainstem nuclei spanning the midbrain, pons and medulla. We identify a compact set of integrative hubs in the brainstem with widespread connectivity with cerebral cortex. Patterns of connectivity between brainstem and cerebral cortex manifest as multiple emergent phenomena including neurophysiological oscillatory rhythms, patterns of cognitive functional specialization, and the unimodal-transmodal functional hierarchy. This persistent alignment between cortical functional topographies and brainstem nuclei is shaped by the spatial arrangement of multiple neurotransmitter receptors and transporters. We replicate all findings using 3 Tesla data from the same participants. Collectively, we find that multiple organizational features of cortical activity can be traced back to the brainstem.

Cortical arealization arises during neurodevelopment from the confluence of molecular gradients representing patterned expression of morphogens and transcription factors. However, whether similar gradients are maintained in the adult brain remains unknown. Here, we uncover three axes of topographic variation in gene expression in the adult human brain that specifically capture previously identified rostral-caudal, dorsal-ventral, and medial-lateral axes of early developmental patterning. The interaction of these spatiomolecular gradients i) accurately reconstructs the position of brain tissue samples, ii) delineates known functional territories, and iii) can model the topographical variation of diverse cortical features. The spatiomolecular gradients are distinct from canonical cortical axes differentiating the primary sensory cortex from the association cortex, but radiate in parallel with the axes traversed by local field potentials along the cortex. We replicate all three molecular gradients in three independent human datasets as well as two nonhuman primate datasets and find that each gradient shows a distinct developmental trajectory across the lifespan. The gradients are composed of several well-known transcription factors (e.g., PAX6 and SIX3 ), and a small set of genes shared across gradients are strongly enriched for multiple diseases. Together, these results provide insight into the developmental sculpting of functionally distinct brain regions, governed by three robust transcriptomic axes embedded within brain parenchyma.