Many studies have shown that the human endocrine system modulates brain function, reporting associations between fluctuations in hormone concentrations and both brain activity and connectivity. However, how hormonal fluctuations impact fast changes in brain network structure over short timescales remains unknown. Here, we leverage “edge time series” analysis to investigate the relationship between high-amplitude network states and quotidian variation in sex steroid and gonadotropic hormones in a single individual sampled over the course of two endocrine states, across a natural menstrual cycle and under a hormonal regimen. We find that the frequency of high-amplitude network states are associated with follicle-stimulating and luteinizing hormone, but not the sex hormones estradiol and progesterone. Nevertheless, we show that scan-to-scan variation in the co-fluctuation patterns expressed during network states are robustly linked with the concentration of all four hormones, positing a network-level target of hormonal control. We conclude by speculating on the role of hormones in shaping ongoing brain dynamics.

Abstract Sex steroid hormones have been shown to alter regional brain activity, but the extent to which they modulate connectivity within and between large-scale functional brain networks over time has yet to be characterized. Here, we applied dynamic community detection techniques to data from a highly sampled female with 30 consecutive days of brain imaging and venipuncture measurements to characterize changes in resting-state community structure across the menstrual cycle. Four stable functional communities were identified consisting of nodes from visual, default mode, frontal control, and somatomotor networks. Limbic, subcortical, and attention networks exhibited higher than expected levels of nodal flexibility, a hallmark of between-network integration and transient functional reorganization. The most striking reorganization occurred in a default mode subnetwork localized to regions of the prefrontal cortex, coincident with peaks in serum levels of estradiol, luteinizing hormone, and follicle stimulating hormone. Nodes from these regions exhibited strong intra-network increases in functional connectivity, leading to a split in the stable default mode core community and the transient formation of a new functional community. Probing the spatiotemporal basis of human brain–hormone interactions with dynamic community detection suggests that ovulation results in a temporary, localized patterns of brain network reorganization. Author Summary Sex steroid hormones influence the central nervous system across multiple spatiotemporal scales. Estrogen and progesterone concentrations rise and fall throughout the menstrual cycle, but it remains poorly understood how day-to-day fluctuations in hormones shape human brain dynamics. Here, we assessed the structure and stability of resting-state brain network activity in concordance with serum hormone levels from a female who underwent fMRI and venipuncture for 30 consecutive days. Our results reveal that while network structure is largely stable over the menstrual cycle, there is temporary reorganization of several largescale functional brain networks during the ovulatory window. In particular, a default mode subnetwork exhibits increased connectivity with itself and with regions from temporoparietal and limbic networks, providing novel perspective into brain-hormone interactions.

Pregnancy is a period of profound hormonal and physiological change experienced by millions of women annually, yet the neural changes unfolding in the maternal brain throughout gestation have not been studied in humans. Leveraging precision imaging, we mapped neuroanatomical changes in an individual from preconception through two years postpartum. Pronounced decreases in gray matter volume and cortical thickness paired with increases in white matter microstructure were evident across the brain, with few regions untouched by the transition to motherhood.

The rhythmic production of sex steroid hormones is a central feature of the mammalian endocrine system. In rodents and nonhuman primates, sex hormones are powerful regulators of hippocampal subfield morphology. However, it remains unknown whether intrinsic fluctuations in sex hormones alter hippocampal morphology in the human brain. In a series of dense-sampling studies, we used high-resolution imaging of the medial temporal lobe (MTL) to determine whether endogenous fluctuations (Study 1) and exogenous manipulation (Study 2) of sex hormones alter MTL volume over time. Across the menstrual cycle, intrinsic fluctuations in progesterone were associated with volumetric changes in CA2/3, entorhinal, perirhinal, and parahippocampal cortex. Chronic progesterone suppression abolished these cycle-dependent effects and led to pronounced volumetric changes in entorhinal cortex and CA2/3 relative to freely cycling conditions. No associations with estradiol were observed. These results establish progesterone's ability to rapidly and dynamically shape MTL morphology across the human menstrual cycle.

Abstract The cerebellum contains the vast majority of neurons in the brain and houses distinct functional networks that constitute at least two homotopic maps of the cerebrum. While the functional organization of the human cerebellum has been characterized, the influence of sex steroid hormones on intrinsic cerebellar network dynamics has yet to be established. Here, we investigated the extent to which endogenous fluctuations in estradiol and progesterone alter functional cerebellar networks at rest in a woman densely sampled over a complete menstrual cycle (30 consecutive days). Edgewise regression analysis revealed negative associations between sex hormones and cerebellar coherence, with progesterone showing more pronounced negative associations relative to estradiol. Graph theory metrics probed sex hormones’ influence on topological brain states, revealing relationships between sex hormones and intra- and inter-network integration in Ventral Attention, Dorsal Attention, and Somato-Motor Networks. Together, these results suggest that the intrinsic dynamics of the cerebellum are intimately tied to day-by-day changes in sex hormones.

The brain is an endocrine organ, sensitive to the rhythmic changes in sex hormone production that occurs in most mammalian species. In rodents and nonhuman primates, estrogen and progesterone's impact on the brain is evident across a range of spatiotemporal scales. Yet, the influence of sex hormones on the functional architecture of the human brain is largely unknown. In this dense-sampling, deep phenotyping study, we examine the extent to which endogenous fluctuations in sex hormones alter intrinsic brain networks at rest in a woman who underwent brain imaging and venipuncture for 30 consecutive days. Standardized regression analyses illustrate estrogen and progesterone's widespread influence on cortical dynamics. Time-lagged analyses examined the temporal directionality of these relationships and reveal estrogen's ability to drive connectivity across major functional brain networks, including the Default Mode and Dorsal Attention Networks, whose hubs are densely populated with estrogen receptors. These results reveal the rhythmic nature in which brain networks reorganize across the human menstrual cycle. Neuroimaging studies that densely sample the individual connectome have begun to transform our understanding of the brain's functional organization. As these results indicate, taking endocrine factors into account is critical for fully understanding the intrinsic dynamics of the human brain.

Most of mammalian physiology is under the control of biological rhythms, including the endocrine system with time-varying hormone secretion. Precision neuroimaging studies provide unique insights into the means through which our endocrine system regulates dynamic properties of the human brain. Recently, we established estrogen9s ability to drive widespread patterns of connectivity and enhance the functional efficiency of large-scale brain networks in a woman sampled every 24h across 30 consecutive days, capturing a complete menstrual cycle. Steroid hormone production also follows a pronounced sinusoidal pattern, with a peak in testosterone between 6-7am and nadir between 7-8pm. To capture the brain9s response to diurnal changes in hormone production, we carried out a companion precision imaging study of a healthy adult man who completed MRI and venipuncture every 12-24 hours across 30 consecutive days. Results confirmed robust diurnal fluctuations in testosterone, cortisol, and estradiol. Standardized regression analyses revealed predominantly positive associations between testosterone, cortisol, and estradiol concentrations and whole-brain patterns of coherence. In particular, functional connectivity in Dorsal Attention and Salience/Ventral Attention Networks were coupled with diurnally fluctuating hormones. Further, comparing dense-sampling datasets between a man and naturally-cycling woman revealed that fluctuations in sex hormones are tied to patterns of whole-brain coherence to a comparable degree in both sexes. Together, these findings enhance our understanding of steroid hormones as rapid neuromodulators and provide evidence that diurnal changes in steroid hormones are tied to patterns of whole-brain functional connectivity.