Brain plasticity can be conceptualized as nature's invention to overcome limitations of the genome and adapt to a rapidly changing environment. As such, plasticity is an intrinsic property of the brain across the lifespan. However, mechanisms of plasticity may vary with age. The combination of transcranial magnetic stimulation (TMS) with electroencephalography (EEG) or functional magnetic resonance imaging (fMRI) enables clinicians and researchers to directly study local and network cortical plasticity, in humans in vivo, and characterize their changes across the age-span. Parallel, translational studies in animals can provide mechanistic insights. Here, we argue that, for each individual, the efficiency of neuronal plasticity declines throughout the age-span and may do so more or less prominently depending on variable 'starting-points' and different 'slopes of change' defined by genetic, biological, and environmental factors. Furthermore, aberrant, excessive, insufficient, or mistimed plasticity may represent the proximal pathogenic cause of neurodevelopmental and neurodegenerative disorders such as autism spectrum disorders or Alzheimer's disease.

Intrinsic activity in the brain is organized into networks. Although constrained by their anatomical connections, functional correlations between nodes of these networks reorganize dynamically. Dynamic organization implies that couplings between network nodes can be reconfigured to support processing demands. To explore such reconfigurations, we combined repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) and functional connectivity MRI (fcMRI) to modulate cortical activity in one node of the default network, and assessed the effect of this upon functional correlations throughout the network. Two different frequencies of rTMS to the same default network node (the left posterior inferior parietal lobule, lpIPL) induced two topographically distinct changes in functional connectivity. High-frequency rTMS to lpIPL decreased functional correlations between cortical default network nodes, but not between these nodes and the hippocampal formation. In contrast, low frequency rTMS to lpIPL did not alter connectivity between cortical default network nodes, but increased functional correlations between lpIPL and the hippocampal formation. These results suggest that the default network is composed of (at least) two subsystems. More broadly, the finding that two rTMS stimulation regimens to the same default network node have distinct effects reveals that this node is embedded within a network that possesses multiple, functionally distinct relationships among its distributed partners.

Distinct regions of the cerebellum connect to separate regions of the cerebral cortex forming a complex topography. While key properties of cerebellar organization have been revealed in group-averaged data, in-depth study of individuals provides an opportunity to discover functional-anatomical features that emerge at a higher spatial resolution. Here functional connectivity MRI was used to examine the cerebellum of two intensively-sampled individuals (each scanned across 31 MRI sessions). Connectivity to somatomotor cortex showed the expected crossed laterality and inversion of the body maps between the anterior and posterior lobes. A surprising discovery was connectivity to the primary visual cortex along the vermis with evidence for representation of the central field. Within the hemispheres, each individual displayed a hierarchical progression from the inverted anterior lobe somatomotor map through to higher-order association zones. The hierarchy ended near Crus I/II and then progressed in reverse order through to the upright somatomotor map in the posterior lobe. Evidence for a third set of networks was found in the most posterior extent of the cerebellum. Detailed analysis of the higher-order association networks around the Crus I/II apex revealed robust representations of two distinct networks linked to the default network, multiple networks linked to cognitive control, as well as a separate representation of a language network. While idiosyncratic spatial details emerged between subjects, each of these networks could be detected in both individuals, and small seed regions placed within the cerebellum recapitulated the full extent of the spatially-specific cerebral networks. The observation of multiple networks in juxtaposed regions at the Crus I/II apex confirms the importance of this zone to higher-order cognitive function and reveals new organizational details.

The hippocampus possesses anatomical differences along its long axis. Here the functional specialization of the human hippocampal long axis was explored using network-anchored precision functional MRI (N = 11) paired with behavioral analyses (N=266). Functional connectivity analyses demonstrated that the anterior hippocampus was preferentially correlated with a cerebral network associated with remembering, while the posterior hippocampus was correlated with a distinct network associated with behavioral salience. Seed regions placed within the hippocampus recapitulated the distinct cerebral networks. Functional characterization using task data within the same intensively sampled individuals discovered a functional double dissociation between the anterior and posterior hippocampal regions. The anterior hippocampal region was sensitive to remembering and imagining the future, specifically tracking the process of scene construction, while the posterior hippocampal region displayed transient responses to targets in an oddball detection task and to transitions between task blocks. These findings suggest specialization along the long axis of the hippocampus with differential responses reflecting the functional properties of the partner cerebral networks.

The human cerebellum possesses multiple regions linked to cerebral association cortex. Here we mapped the cerebellum using precision functional MRI within individual participants (N=15), first estimating regions using connectivity and then prospectively testing functional properties using independent task data. Network estimates in all participants revealed a Crus I / II cerebellar megacluster of five higher-order association networks often with multiple, discontinuous regions for the same network. Seed regions placed within the megaclusters, including the disjointed regions, yielded spatially selective networks in the cerebral cortex. Compelling evidence for functional specialization within the cerebellar megaclusters emerged from the task responses. Reflecting functional distinctions found in the cerebrum, domain-flexible cerebellar regions involved in cognitive control dissociated from distinct domain-specialized regions with differential responses to language, social, and spatial / episodic task demands. These findings provide a clear demonstration that the cerebellum encompasses multiple zones dedicated to cognition, featuring juxtaposed regions specialized for distinct processing domains.

Abstract Annexin A11 mutations are a rare cause of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), wherein replicated protein variants P36R, G38R, D40G and D40Y are located in a small-alpha helix within the long, disordered N-terminus. To elucidate disease mechanisms, we characterised the phenotypes induced by a genetic loss of function (LoF) and by misexpression of G38R and D40G in vivo. Loss of Annexin A11 results in a low-penetrant behavioural phenotype and aberrant axonal morphology in zebrafish homozygous knockout larvae, which is rescued by human WT Annexin A11. Both Annexin A11 knockout/down and ALS variants trigger nuclear dysfunction characterised by Lamin B2 mis-localisation. The Lamin B2 signature also presented in anterior horn, spinal cord neurons from post-mortem ALS+/-FTD patient tissue possessing G38R and D40G protein variants. These findings suggest mutant Annexin A11 acts as a dominant negative, revealing a potential early nucleopathy highlighting nuclear envelope abnormalities preceding behavioural abnormality in animal models.

The striatum receives projections from multiple regions of the cerebral cortex consistent with its role in diverse motor, affective, and cognitive functions. Supporting cognitive functions, the caudate receives projections from cortical association regions. Building on recent insights about the details of how multiple cortical networks are specialized for distinct aspects of higher-order cognition, we revisited caudate organization using within-individual precision neuroimaging (n=2, each participant scanned 31 times). Detailed analysis revealed that the caudate has side-by-side zones that are coupled to at least five distinct distributed association networks, paralleling the specialization observed in the cerebral cortex. Examining correlation maps from closely juxtaposed seed regions in the caudate recapitulated the five distinct cerebral networks including their multiple spatially distributed regions. These results extend the general notion of parallel specialized basal ganglia circuits, with the additional discovery that even within the caudate, there is fine-grained separation of multiple distinct higher-order networks.

Examination of large-scale distributed networks within the individual reveals details of cortical network organization that are absent in group-averaged studies. One recent discovery is that a distributed transmodal network, often referred to as the 'default network', is comprised of two separate but closely interdigitated networks, only one of which is coupled to posterior parahippocampal cortex. Not all studies of individuals have identified the same networks and questions remain about the degree to which the two networks are separate, particularly within regions hypothesized to be interconnected hubs. Here we replicate the observation of network separation across analytical (seed-based connectivity and parcellation) and data projection (volume and surface) methods in 2 individuals each scanned 31 times. Additionally, 3 individuals were examined with high-resolution fMRI to gain further insight into the anatomical details. The two networks were identified with separate regions localized to adjacent portions of the cortical ribbon, sometimes inside the same sulcus. Midline regions previously implicated as hubs revealed near complete spatial separation of the two networks, displaying a complex spatial topography in the posterior cingulate and precuneus. The network coupled to parahippocampal cortex also revealed a separate region directly within the hippocampus at or near the subiculum. These collective results support that the default network is composed of at least two spatially juxtaposed networks. Fine spatial details and juxtapositions of the two networks can be identified within individuals at high resolution, providing insight into the network organization of association cortex and placing further constraints on interpretation of group-averaged neuroimaging data.

The human cerebral cortex is populated by specialized regions that are organized into networks. Here we estimated networks using a Multi-Session Hierarchical Bayesian sModel (MS-HBM) applied to intensively sampled within-individual functional MRI (fMRI) data. The network estimation procedure was initially developed and tested in two participants (each scanned 31 times) and then prospectively applied to 15 new participants (each scanned 8 to 11 times). Detailed analysis of the networks revealed a global organization. Locally organized first-order sensory and motor networks were surrounded by spatially adjacent second-order networks that also linked to distant regions. Third-order networks each possessed regions distributed widely throughout association cortex. Moreover, regions of distinct third-order networks displayed side-by-side juxtapositions with a pattern that repeated similarly across multiple cortical zones. We refer to these as Supra-Areal Association Megaclusters (SAAMs). Within each SAAM, two candidate control regions were typically adjacent to three separate domain-specialized regions. Independent task data were analyzed to explore functional response properties. The somatomotor and visual first-order networks responded to body movements and visual stimulation, respectively. A subset of the second-order networks responded to transients in an oddball detection task, consistent with a role in orienting to salient or novel events. The third-order networks, including distinct regions within each SAAM, showed two levels of functional specialization. Regions linked to candidate control networks responded to working memory load across multiple stimulus domains. The remaining regions within each SAAM did not track working memory load but rather dissociated across language, social, and spatial / episodic processing domains. These results support a model of the cerebral cortex in which progressively higher-order networks nest outwards from primary sensory and motor cortices. Within the apex zones of association cortex there is specialization of large-scale networks that divides domain-flexible from domain-specialized regions repeatedly across parietal, temporal, and prefrontal cortices. We discuss implications of these findings including how repeating organizational motifs may emerge during development.