ABSTRACT Brain structure scaffolds intrinsic function, supporting cognition and ultimately behavioral flexibility. However, it remains unclear how a static, genetically controlled architecture supports flexible cognition and behavior. Here, we synthesize genetic, phylogenetic and cognitive analyses to understand how the macroscale organization of structure-function coupling across the cortex can inform its role in cognition. In humans, structure-function coupling was highest in regions of unimodal cortex and lowest in transmodal cortex, a pattern that was mirrored by a reduced alignment with heritable connectivity profiles. Structure-function uncoupling in non-human primates had a similar spatial distribution, but we observed an increased coupling between structure and function in association regions in macaques relative to humans. Meta-analysis suggested regions with the least genetic control (low heritable correspondence and different across primates) are linked to social cognition and autobiographical memory. Our findings establish the genetic and evolutionary uncoupling of structure and function in different transmodal systems may support the emergence of complex, culturally embedded forms of cognition.

Abstract The human cerebral cortex is connected by intricate inter-areal wiring at the macroscale. The cortical hierarchy from primary sensorimotor to higher-order association areas is a unifying organizational principle across various neurobiological properties; however, previous studies have not clarified whether the connections between cortical regions exhibit a similar hierarchical pattern. Here, we identify a connectional hierarchy indexed by inter-individual variability of functional connectivity edges, which continuously progresses along a hierarchical gradient from within-network connections to between-network edges connecting sensorimotor and association networks. We found that this connectional hierarchy of variability aligns with both hemodynamic and electromagnetic connectivity strength and is constrained by structural connectivity strength. Moreover, the patterning of connectional hierarchy is related to inter-regional similarity in transcriptional and neurotransmitter receptor profiles. Using the Neurosynth cognitive atlas and cortical vulnerability maps in 13 brain disorders, we found that the connectional hierarchy of variability is associated with similarity networks of cognitive relevance and that of disorder vulnerability. Finally, we found that the prominence of this hierarchical gradient of connectivity variability declines during youth. Together, our results reveal a novel hierarchal organizational principle at the connectional level that links multimodal and multiscale human connectomes to individual variability in functional connectivity.

ABSTRACT The collection of eye gaze information during functional magnetic resonance imaging (fMRI) is important for monitoring variations in attention and task compliance, particularly for naturalistic viewing paradigms (e.g., movies). However, the complexity and setup requirements of current in-scanner eye-tracking solutions can preclude many researchers from accessing such information. Predictive eye estimation regression (PEER) is a previously developed support vector regression-based method for retrospectively estimating eye gaze from the fMRI signal in the eye’s orbit using a 1.5-minute calibration scan. Here, we provide confirmatory validation of the PEER method’s ability to infer eye gaze on a TR-by-TR basis during movie viewing, using simultaneously acquired eye tracking data in five individuals (median angular deviation < 2°). Then, we examine variations in the predictive validity of PEER models across individuals in a subset of data (n=448) from the Child Mind Institute Healthy Brain Network Biobank, identifying head motion as a primary determinant. Finally, we accurately classify which of two movies is being watched based on the predicted eye gaze patterns (area under the curve = .90 ± .02) and map the neural correlates of eye movements derived from PEER. PEER is a freely available and easy-to-use tool for determining eye fixations during naturalistic viewing.

Abstract While cortical patterning has been a perennial research topic in neuroscience, the mechanism for its consequence, namely functional specialization at the macro scale, remains an open question in the human brain. Here, we focused on age-dependent changes of resting-state thalamocortical connectivity to investigate its role in the emergence of large-scale functional networks across infancy, childhood and young adulthood. We found that the thalamocortical connectivity during infancy reflects an early differentiation of sensorimotor networks and genetically-influenced axonal projection. This initial role of the thalamus, however, seems to change during childhood, by establishing connectivity with the salience network and decoupling externally- and internally-oriented functional processes. Developmental simulation and perturbation analyses corroborated these findings, demonstrating the highest contribution of thalamic connectivity, especially in the later age of youth, in the formation of key characteristics of the mature brain, such as functional gradient and cortical hierarchy. Our study highlights a developmentally shifting role of the thalamus in orchestrating complex brain organization and its potential implications for developmental conditions characterized by compromised internal and external processing.

Abstract Characterizing individual variations is central to interpreting individual differences in neuroscience and clinical studies. While the field has examined multifaceted individual differences in brain functional organization, it is only in recent years that neuroimaging researchers have begun to place a priority on its quantification and optimization. Here, we highlight a potential analytic pitfall that can lead to contaminated estimates of inter-individual differences. We define a two-dimensional individual variation field map to decipher sources of individual variation and their relation to fingerprinting and measures of reliability. We illustrate theoretical gradient flow that represents the most effective direction for optimization when measuring individual differences. We propose to use this general framework for dissecting within- and between-individual variation and provide a supporting online tool for the purposes of guiding optimization efforts in biomarker discovery.

Complex macro-scale patterns of brain activity that emerge during periods of wakeful rest provide insight into the organisation of neural function, how these differentiate individuals based on their traits, and the neural basis of different types of self-generated thoughts. Although brain activity during wakeful rest is valuable for understanding important features of human cognition, its unconstrained nature makes it difficult to disentangle neural features related to personality traits from those related to the thoughts occurring at rest. Our study builds on recent perspectives from work on ongoing conscious thought that highlight the interactions between three brain networks - ventral and dorsal attention networks, as well as the default mode network. We combined measures of personality with state-of-the-art indices of ongoing thoughts at rest and brain imaging analysis and explored whether this tripartite view can provide a framework within which to understand the contribution of states and traits to observed patterns of neural activity at rest. To capture macro-scale relationships between different brain systems, we calculated cortical gradients to describe brain organisation in a low dimensional space. Our analysis established that for more introverted individuals, regions of the ventral attention network were functionally more aligned to regions of the somatomotor system and the default mode network. At the same time, a pattern of detailed self-generated thought was associated with a decoupling of regions of dorsal attention from regions in the default mode network. Our study, therefore, establishes interactions between attention systems and the default mode network are important influences on ongoing thought at rest and highlights the value of integrating contemporary perspectives on conscious experience when understanding patterns of brain activity at rest.

Abstract Understanding cortical topographic organization and how it supports complex perceptual and cognitive processes is a fundamental question in neuroscience. Previous work has characterized functional gradients that demonstrate large-scale principles of cortical organization. How these gradients are modulated by rich ecological stimuli remains unknown. Here, we utilize naturalistic stimuli via movie-fMRI to assess macroscale functional organization. We identify principal movie gradients that delineate separate hierarchies anchored in sensorimotor, visual, and auditory/language areas. At the opposite/heteromodal end of these perception-to-cognition axes, we find a more central role for the frontoparietal network along with the default network. Even across different movie stimuli, movie gradients demonstrated good reliability, suggesting that these hierarchies reflect a brain state common across different naturalistic conditions. The relative position of brain areas within movie gradients showed stronger and more numerous correlations with cognitive behavioral scores compared to resting state gradients. Together, these findings provide an ecologically valid representation of the principles underlying cortical organization while the brain is active and engaged in multimodal, dynamic perceptual and cognitive processing. Highlights Movie-fMRI reveals novel, more granular principles of hierarchical cortical organization Top movie gradients delineate three separate perception-to-cognition hierarchies A distinctive third gradient in movie-watching is anchored by auditory/language regions Gradient scores demonstrate good reliability even across different movie stimuli Movie gradients yield stronger correlations with behavior relative to resting state gradients

Abstract Movie-watching is a central aspect of our lives and an important paradigm for understanding the brain mechanisms behind cognition as it occurs in daily life. Contemporary views of ongoing thought argue that the ability to make sense of events in the ‘here and now’ depend on the neural processing of incoming sensory information by auditory and visual cortex, which are kept in check by systems in association cortex. However, we currently lack an understanding of how patterns of ongoing thoughts map onto the different brain systems when we watch a film, partly because methods of sampling experience disrupt the dynamics of brain activity and the experience of movie-watching. Our study established a novel method for mapping thought patterns onto the brain activity that occurs at different moments of a film, which does not disrupt the time course of brain activity or the movie-watching experience. We found moments when experience sampling highlighted engagement with multi-sensory features of the film or highlighted thoughts with episodic features, regions of sensory cortex were more active and subsequent memory for events in the movie was better—on the other hand, periods of intrusive distraction emerged when activity in regions of association cortex within the frontoparietal system was reduced. These results highlight the critical role sensory systems play in the multi-modal experience of movie-watching and provide evidence for the role of association cortex in reducing distraction when we watch films. Significance statement States like movie-watching provide a window into the brain mechanisms behind cognition in daily life. However, we know relatively little about the mapping between brain activity during movies and associated thought patterns because of difficulties in measuring cognition without disrupting how brain activity naturally unfolds. We establish a novel method to link different experiential states to brain activity during movie-watching with minimal interruptions to viewers or disruptions to brain dynamics. We found states of sensory engagement occur in moments of films when activity in visual and auditory cortex are high. In contrast, states of distraction are reduced when activity in frontoparietal regions is high. Our study, therefore, establishes both sensory and association cortex as core features of the movie-watching experience.

Abstract Neuroimaging non-human primates (NHPs) is a growing, yet highly specialized field of neuroscience. Resources that were primarily developed for human neuroimaging often need to be significantly adapted for use with NHPs or other animals, which has led to an abundance of custom, in-house solutions. In recent years, the global NHP neuroimaging community has made significant efforts to transform the field towards more open and collaborative practices. Here we present the PRIMatE Resource Exchange (PRIME-RE), a new collaborative online platform for NHP neuroimaging. PRIME-RE is a dynamic community-driven hub for the exchange of practical knowledge, specialized analytical tools, and open data repositories, specifically related to NHP neuroimaging. PRIME-RE caters to both researchers and developers who are either new to the field, looking to stay abreast of the latest developments, or seeking to collaboratively advance the field.

Abstract The human cerebral cortex is symmetrically organized along large-scale axes but also presents inter-hemispheric differences in structure and function. The quantified contralateral homologous difference, i.e., asymmetry, is a key feature of the human brain left-right axis supporting functional processes, such as language. Here, we assessed whether the asymmetry of cortical functional organization is heritable and phylogenetically conserved between humans and macaques. Our findings indicate asymmetric organization along an axis describing a hierarchical functional trajectory from perceptual/action to abstract cognition. Whereas language network showed leftward asymmetric organization, frontoparietal network showed rightward asymmetric organization. These asymmetries were heritable and comparable between humans and macaques, suggesting (phylo)genetic conservation. However, both language and frontoparietal networks showed a qualitatively larger asymmetry in humans relative to macaques and variable heritability in humans. This may reflect an evolutionary adaptation allowing for experience-dependent specialization, linked to higher-order cognitive functions uniquely developed in humans.