Abstract Understanding how cognitive functions emerge from brain structure depends on quantifying how discrete regions are integrated within the broader cortical landscape. Recent work established that macroscale brain organization and function can be described in a compact manner with multivariate machine learning approaches that identify manifolds often described as cortical gradients. By quantifying topographic principles of macroscale organization, cortical gradients lend an analytical framework to study structural and functional brain organization across species, throughout development and aging, and its perturbations in disease. Here, we present BrainSpace, a Python/Matlab toolbox for (i) the identification of gradients, (ii) their alignment, and (iii) their visualization. Our toolbox furthermore allows for controlled association studies between gradients with other brain-level features, adjusted with respect to null models that account for spatial autocorrelation. Validation experiments demonstrate the usage and consistency of our tools for the analysis of functional and microstructural gradients across different spatial scales.

Temporal lobe epilepsy (TLE) is the most common drug-resistant epilepsy in adults. As morphometric studies have shown widespread structural damage in TLE, this condition is often referred to as a system disorder with disrupted structural networks. Studies based on univariate statistical comparisons can only indirectly test such hypothesis. Graph theory provides a new approach to formally analyze large-scale networks. Using graph-theoretical analysis of magnetic resonance imaging–based cortical thickness correlations, we investigated the structural basis of the organization of such networks in 122 TLE patients and 47 age- and sex-matched healthy controls. Networks in patients and controls were characterized by a short path length between anatomical regions and a high degree of clustering, suggestive of a small-world topology. However, compared with controls, patients showed increased path length and clustering, altered distribution of network hubs, and higher vulnerability to targeted attacks, suggesting a reorganization of cortical thickness correlation networks. Longitudinal analysis demonstrated that network alterations intensify over time. Bootstrap simulations showed high reproducibility of network parameters across random subsamplings, indicating that altered network topology in TLE is a consistent finding. Increased network disruption was associated with unfavorable postoperative seizure outcome, implying adverse effects of epileptogenesis on large-scale network organization.

The white matter architecture of the brain imparts a distinct signature on neuronal coactivation patterns. Interregional projections promote synchrony among distant neuronal populations, giving rise to richly patterned functional networks. A variety of statistical, communication, and biophysical models have been proposed to study the relationship between brain structure and function, but the link is not yet known. In the present report we seek to relate the structural and functional connection profiles of individual brain areas. We apply a simple multilinear model that incorporates information about spatial proximity, routing, and diffusion between brain regions to predict their functional connectivity. We find that structure–function relationships vary markedly across the neocortex. Structure and function correspond closely in unimodal, primary sensory, and motor regions, but diverge in transmodal cortex, particularly the default mode and salience networks. The divergence between structure and function systematically follows functional and cytoarchitectonic hierarchies. Altogether, the present results demonstrate that structural and functional networks do not align uniformly across the brain, but gradually uncouple in higher-order polysensory areas.

While the role of cortical microstructure in organising neural function is well established, it remains unclear how structural constraints can give rise to more flexible elements of cognition. While nonhuman primate research has demonstrated a close structure–function correspondence, the relationship between microstructure and function remains poorly understood in humans, in part because of the reliance on post mortem analyses, which cannot be directly related to functional data. To overcome this barrier, we developed a novel approach to model the similarity of microstructural profiles sampled in the direction of cortical columns. Our approach was initially formulated based on an ultra-high–resolution 3D histological reconstruction of an entire human brain and then translated to myelin-sensitive magnetic resonance imaging (MRI) data in a large cohort of healthy adults. This novel method identified a system-level gradient of microstructural differentiation traversing from primary sensory to limbic regions that followed shifts in laminar differentiation and cytoarchitectural complexity. Importantly, while microstructural and functional gradients described a similar hierarchy, they became increasingly dissociated in transmodal default mode and fronto–parietal networks. Meta-analytic decoding of these topographic dissociations highlighted involvement in higher-level aspects of cognition, such as cognitive control and social cognition. Our findings demonstrate a relative decoupling of macroscale functional from microstructural gradients in transmodal regions, which likely contributes to the flexible role these regions play in human cognition.

Progressive functional decline in the epilepsies is largely unexplained. We formed the ENIGMA-Epilepsy consortium to understand factors that influence brain measures in epilepsy, pooling data from 24 research centres in 14 countries across Europe, North and South America, Asia, and Australia. Structural brain measures were extracted from MRI brain scans across 2149 individuals with epilepsy, divided into four epilepsy subgroups including idiopathic generalized epilepsies (n =367), mesial temporal lobe epilepsies with hippocampal sclerosis (MTLE; left, n = 415; right, n = 339), and all other epilepsies in aggregate (n = 1026), and compared to 1727 matched healthy controls. We ranked brain structures in order of greatest differences between patients and controls, by meta-analysing effect sizes across 16 subcortical and 68 cortical brain regions. We also tested effects of duration of disease, age at onset, and age-by-diagnosis interactions on structural measures. We observed widespread patterns of altered subcortical volume and reduced cortical grey matter thickness. Compared to controls, all epilepsy groups showed lower volume in the right thalamus (Cohen's d = -0.24 to -0.73; P < 1.49 × 10-4), and lower thickness in the precentral gyri bilaterally (d = -0.34 to -0.52; P < 4.31 × 10-6). Both MTLE subgroups showed profound volume reduction in the ipsilateral hippocampus (d = -1.73 to -1.91, P < 1.4 × 10-19), and lower thickness in extrahippocampal cortical regions, including the precentral and paracentral gyri, compared to controls (d = -0.36 to -0.52; P < 1.49 × 10-4). Thickness differences of the ipsilateral temporopolar, parahippocampal, entorhinal, and fusiform gyri, contralateral pars triangularis, and bilateral precuneus, superior frontal and caudal middle frontal gyri were observed in left, but not right, MTLE (d = -0.29 to -0.54; P < 1.49 × 10-4). Contrastingly, thickness differences of the ipsilateral pars opercularis, and contralateral transverse temporal gyrus, were observed in right, but not left, MTLE (d = -0.27 to -0.51; P < 1.49 × 10-4). Lower subcortical volume and cortical thickness associated with a longer duration of epilepsy in the all-epilepsies, all-other-epilepsies, and right MTLE groups (beta, b < -0.0018; P < 1.49 × 10-4). In the largest neuroimaging study of epilepsy to date, we provide information on the common epilepsies that could not be realistically acquired in any other way. Our study provides a robust ranking of brain measures that can be further targeted for study in genetic and neuropathological studies. This worldwide initiative identifies patterns of shared grey matter reduction across epilepsy syndromes, and distinctive abnormalities between epilepsy syndromes, which inform our understanding of epilepsy as a network disorder, and indicate that certain epilepsy syndromes involve more widespread structural compromise than previously assumed.

One paradox of autism is the co-occurrence of deficits in sensory and higher-order socio-cognitive processing. Here, we examined whether these phenotypical patterns may relate to an overarching system-level imbalance-specifically a disruption in macroscale hierarchy affecting integration and segregation of unimodal and transmodal networks. Combining connectome gradient and stepwise connectivity analysis based on task-free functional magnetic resonance imaging (fMRI), we demonstrated atypical connectivity transitions between sensory and higher-order default mode regions in a large cohort of individuals with autism relative to typically-developing controls. Further analyses indicated that reduced differentiation related to perturbed stepwise connectivity from sensory towards transmodal areas, as well as atypical long-range rich-club connectivity. Supervised pattern learning revealed that hierarchical features predicted deficits in social cognition and low-level behavioral symptoms, but not communication-related symptoms. Our findings provide new evidence for imbalances in network hierarchy in autism, which offers a parsimonious reference frame to consolidate its diverse features.

Making sense of the world around us depends upon selectively retrieving information relevant to our current goal or context. However, it is unclear whether selective semantic retrieval relies exclusively on general control mechanisms recruited in demanding non-semantic tasks, or instead on systems specialised for the control of meaning. One hypothesis is that the left posterior middle temporal gyrus (pMTG) is important in the controlled retrieval of semantic (not non-semantic) information; however this view remains controversial since a parallel literature links this site to event and relational semantics. In a functional neuroimaging study, we demonstrated that an area of pMTG implicated in semantic control by a recent meta-analysis was activated in a conjunction of (i) semantic association over size judgements and (ii) action over colour feature matching. Under these circumstances the same region showed functional coupling with the inferior frontal gyrus - another crucial site for semantic control. Structural and functional connectivity analyses demonstrated that this site is at the nexus of networks recruited in automatic semantic processing (the default mode network) and executively demanding tasks (the multiple-demand network). Moreover, in both task and task-free contexts, pMTG exhibited functional properties that were more similar to ventral parts of inferior frontal cortex, implicated in controlled semantic retrieval, than more dorsal inferior frontal sulcus, implicated in domain-general control. Finally, the pMTG region was functionally correlated at rest with other regions implicated in control-demanding semantic tasks, including inferior frontal gyrus and intraparietal sulcus. We suggest that pMTG may play a crucial role within a large-scale network that allows the integration of automatic retrieval in the default mode network with executively-demanding goal-oriented cognition, and that this could support our ability to understand actions and non-dominant semantic associations, allowing semantic retrieval to be 'shaped' to suit a task or context.

The hippocampus plays key roles in cognition and affect and serves as a model system for structure/function studies in animals. So far, its complex anatomy has challenged investigations targeting its substructural organization in humans. State-of-the-art MRI offers the resolution and versatility to identify hippocampal subfields, assess its microstructure, and study topographical principles of its connectivity in vivo. We developed an approach to unfold the human hippocampus and examine spatial variations of intrinsic functional connectivity in a large cohort of healthy adults. In addition to mapping common and unique connections across subfields, we identified two main axes of subregional connectivity transitions. An anterior/posterior gradient followed long-axis landmarks and metaanalytical findings from task-based functional MRI, while a medial/lateral gradient followed hippocampal infolding and correlated with proxies of cortical myelin. Findings were consistent in an independent sample and highly stable across resting-state scans. Our results provide robust evidence for long-axis specialization in the resting human hippocampus and suggest an intriguing interplay between connectivity and microstructure.