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.

Abstract In rodents and nonhuman primates, sex hormones are powerful modulators of dopamine neurotransmission. Yet little is known about hormonal regulation of the dopamine system in the human brain. Using Positron Emission Tomography (PET), we address this gap by comparing hormonal contraceptive users and non-users across multiple aspects of dopamine function: dopamine synthesis capacity via the PET radioligand 6-[ 18 F]fluoro-m-tyrosine ([ 18 F]FMT), baseline D2/3 receptor binding potential using [ 11 C]raclopride, and dopamine release using methylphenidate-paired [ 11 C]raclopride. Participants consisted of 36 healthy women (n=21 naturally cycling; n=15 hormonal contraceptive users), and men (n=20) as a comparison group. A behavioral index of cognitive flexibility was assessed prior to PET imaging. Hormonal contraceptive users exhibited greater dopamine synthesis capacity than naturally cycling participants, particularly in dorsal caudate, and greater cognitive flexibility. Further, across individuals the magnitude of striatal DA synthesis capacity was associated with cognitive flexibility. No group differences were observed in D2/3 receptor binding or dopamine release. Analyses by sex alone may obscure underlying differences in DA synthesis tied to women’s hormone status. Hormonal contraception (in the form of pill, shot, implant, ring or IUD) is used by ~400 million women worldwide, yet few studies have examined whether chronic hormonal manipulations impact basic properties of the dopamine system. Findings from this study begin to address this critical gap in women’s health.

Human neuroimaging studies consistently show multimodal patterns of variability along a key principle of macroscale cortical organization - the sensorimotor-association (S-A) axis. However, little is known about day-to-day fluctuations in functional activity along this axis within an individual, including sex-specific neuroendocrine factors contributing to such transient changes. We leveraged data from two densely sampled healthy young adults, one female and one male, to investigate intra-individual daily variability along the S-A axis, which we computed as our measure of functional cortical organization by reducing the dimensionality of functional connectivity matrices. Daily variability was greatest in temporal limbic and ventral prefrontal regions in both participants, and was more strongly pronounced in the male subject. Next, we probed local- and system-level effects of steroid hormones and self-reported perceived stress on functional organization. Our findings revealed modest effects that differed between participants, hinting at subtle -potentially sex-specific- associations between neuroendocrine fluctuations and intra-individual variability along the S-A axis. In sum, our study points to neuroendocrine factors as possible modulators of intra-individual variability in functional brain organization, highlighting the need for further research in larger samples.

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.

Abstract Reductions in the ability to encode and retrieve past experiences in rich spatial contextual detail (episodic memory) are apparent by midlife – a time when most females experience spontaneous menopause. Yet, little is known about how menopause status affects episodic memory-related brain activity at encoding and retrieval in middle-aged pre- and post-menopausal females, and whether any observed group differences in brain activity and memory performance correlate with chronological age within group. We conducted an event-related task fMRI study of episodic memory for spatial context to address this knowledge gap. Multivariate behavioral partial least squares (PLS) was used to investigate how chronological age and retrieval accuracy correlated with brain activity in 31 premenopausal (age range: 39.55 – 53.30 yrs, M age = 44.28 yrs, SD age = 3.12 yrs) and 41 postmenopausal females (age range: 46.70 to 65.14 yrs, M age = 57.56 yrs, SD age = 3.93 yrs). We found that postmenopausal status, and advanced age within post-menopause, was associated with lower spatial context memory. The fMRI analysis showed that only in postmenopausal females, advanced age was correlated with decreased activity in occipitotemporal, parahippocampal, and inferior parietal during encoding and retrieval, and poorer spatial context memory performance. In contrast, only premenopausal females exhibited an overlap in encoding and retrieval activity in angular gyrus, midline cortical regions, and prefrontal cortex, which correlated with better spatial context retrieval accuracy. These results highlight how menopause status and chronological age, nested within menopause group, affect episodic memory and its neural correlates at midlife. Significance Statement This is the first fMRI study to examine how pre- and post-menopause status affects the neural correlates of episodic memory encoding and retrieval, and how chronological age contributes to any observed group similarities and differences. We found that both menopause status (endocrine age) and chronological age affect spatial context memory and its neural correlates. Menopause status directly affected the direction of age- and performance-related correlations with brain activity in inferior parietal, parahippocampal and occipitotemporal cortices across encoding and retrieval. Moreover, we found that only premenopausal females exhibited cortical reinstatement of encoding-related activity in midline cortical, prefrontal, and angular gyrus, at retrieval. This suggests that spatial context memory abilities may rely on distinct brain systems at pre-compared to post-menopause.

Cyclic fluctuations in hypothalamic-pituitary-gonadal axis (HPG-axis) hormones exert powerful behavioral, structural, and functional effects through actions on the mammalian central nervous system. Yet, very little is known about how these fluctuations alter the structural nodes and information highways of the human brain. In a study of 30 naturally cycling women, we employed multidimensional diffusion and T1-weighted imaging during three estimated menstrual cycle phases (menses, ovulation, mid-luteal) to investigate whether HPG-axis hormone concentrations co-fluctuate with alterations in white matter (WM) microstructure, cortical thickness (CT), and brain volume. Across the whole brain, 17β-estradiol and luteinizing hormone (LH) concentrations were directly proportional to diffusion anisotropy (μFA), while follicle-stimulating hormone (FSH) was directly proportional to cortical thickness. Within several individual regions, FSH and progesterone demonstrated opposing associations with mean diffusivity and cortical thickness. These regions mainly reside within the temporal and occipital lobes, with functional implications for the limbic and visual systems. Lastly, progesterone was associated with increased tissue and decreased CSF volumes, with total brain volume remaining unchanged. These results are the first to report simultaneous brain-wide changes in human WM microstructure and cortical thickness coinciding with menstrual cycle-driven hormone rhythms. Strong brain-hormone interaction effects may not be limited to classically known HPG-axis receptor-dense regions.

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.

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.

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.