A bstract Multimodal neuroimaging grants a powerful window into the structure and function of the human brain at multiple scales. Recent methodological and conceptual advances have enabled investigations of the interplay between large-scale spatial trends (also referred to as gradients) in brain microstructure and connectivity, offering an integrative framework to study multiscale brain organization. Here, we share a multimodal MRI dataset for Microstructure-Informed Connectomics (MICA-MICs) acquired in 50 healthy adults (23 women; 29.54±5.62 years) who underwent high-resolution T1-weighted MRI, myelin-sensitive quantitative T1 relaxometry, diffusion-weighted MRI, and resting-state functional MRI at 3 Tesla. In addition to raw anonymized MRI data, this release includes brain-wide connectomes derived from i) resting-state functional imaging, ii) diffusion tractography, iii) microstructure covariance analysis, and iv) geodesic cortical distance, gathered across multiple parcellation scales. Alongside, we share large-scale gradients estimated from each modality and parcellation scale. Our dataset will facilitate future research examining the coupling between brain microstructure, connectivity, and macroscale function. MICA-MICs is available on the Canadian Open Neuroscience Platform’s data portal ( https://portal.conp.ca ).

A bstract The vast net of fibres within and underneath the cortex is optimised to support the convergence of different levels of brain organisation. Here we propose a novel coordinate system of the human cortex based on an advanced model of its connectivity. Our approach is inspired by seminal, but so far largely neglected models of cortico-cortical wiring established by post mortem anatomical studies and capitalizes on cutting-edge neuroimaging and machine learning. The new model expands the currently prevailing diffusion MRI tractography approach by incorporation of additional features of cortical microstructure and cortico-cortical proximity. Studying several datasets, we could show that our coordinate system robustly recapitulates established sensory-limbic and anterior-posterior dimensions of brain organisation. A series of validation experiments showed that the new wiring space reflects cortical microcircuit features (including pyramidal neuron depth and glial expression) and allowed for competitive simulations of functional connectivity and dynamics across a broad range contexts (based on resting-state fMRI, task-based fMRI, and human intracranial EEG coherence). Our results advance our understanding of how cell-specific neurobiological gradients produce a hierarchical cortical wiring scheme that is concordant with increasing functional sophistication of human brain organisation. Our evaluations demonstrate the cortical wiring space bridges across scales of neural organisation and can be easily translated to single individuals.

A bstract Episodic memory is our ability to remember past events accurately. Pattern separation, the process of of orthogonalizing similar aspects of external information into nonoverlapping representations, is one of its mechanisms. Converging evidence suggests a pivotal role of the hippocampus, in concert with neocortical areas, in this process. The current study aimed to identify principal dimensions of functional activation associated with pattern separation in hippocampal and neocortical areas, in both healthy individuals and patients with lesions to the hippocampus. Administering a pattern separation fMRI paradigm to a group of healthy adults, we detected task-related activation in bilateral hippocampal and distributed neocortical areas. Capitalizing on manifold learning techniques applied to parallel resting-state fMRI data, we could identify that hippocampal and neocortical activity patterns were efficiently captured by their principal gradients of intrinsic functional connectivity, which follows the hippocampal long axis and sensory-fugal cortical organization. Functional activation patterns and their alignment with these principal dimensions were altered in patients. Notably, inter-individual differences in the concordance between task-related activity and intrinsic functional gradients were correlated with pattern separation performance in both patients and controls. Our work outlines a parsimonious approach to capture the functional underpinnings of episodic memory processes at the systems level, and to decode functional reorganization in clinical populations.

Abstract Temporal lobe epilepsy (TLE), one of the most common pharmaco-resistant epilepsies, is associated with pathology of paralimbic brain regions, particularly in the mesiotemporal lobe. Cognitive dysfunction in TLE is frequent, and particularly affects episodic memory. Crucially, these difficulties challenge the quality of life of patients, sometimes more than seizures, underscoring the need to assess neural processes of cognitive dysfunction in TLE to improve patient management. Our work harnessed a novel conceptual and analytical approach to assess spatial gradients of microstructural differentiation between cortical areas based on high-resolution MRI analysis. Gradients track region-to-region variations in intracortical lamination and myeloarchitecture, serving as a system-level measure of structural and functional reorganization. Comparing cortex-wide microstructural gradients between 21 patients and 35 healthy controls, we observed a contracted gradient in TLE driven by reduced microstructural differentiation between paralimbic cortices and the remaining cortex with marked abnormalities in ipsilateral temporopolar and dorsolateral prefrontal regions. Findings were replicated in an independent cohort. Using an independent post mortem dataset, we observed that in vivo findings reflected topographical variations in cortical lamination patterns, confirming that TLE-related changes in the microstructural gradient reflected increased proximity of regions with more dissimilar laminar structure. Disease-related transcriptomics could furthermore show specificity of our findings to TLE over other common epilepsy syndromes. Finally, microstructural dedifferentiation was associated with cognitive network reorganization seen during an episodic memory functional MRI paradigm, and correlated with inter-individual differences in task accuracy. Collectively, our findings showing a pattern of reduced microarchitectural differentiation between paralimbic regions and the remaining cortex provide a parsimonious explanation for functional network reorganization and cognitive dysfunction characteristic of TLE.

Abstract Stereo-electroencephalography (SEEG) is the gold standard to delineate surgical targets in focal drug-resistant epilepsy. SEEG uses electrodes placed directly into the brain to identify the seizure-onset zone (SOZ). However, its major constraint is limited brain coverage, potentially leading to misidentification of the ‘true’ SOZ. Here, we propose a framework to assess adequate SEEG sampling by coupling epileptic biomarkers with their spatial distribution and measuring the system’s response to a perturbation of this coupling. We demonstrate that the system’s response is strongest in well-sampled patients when virtually removing the measured SOZ. We then introduce the spatial perturbation map, a tool that enables qualitative assessment of the implantation coverage. Probability modelling reveals a higher likelihood of well-implanted SOZs in seizure-free patients or non-seizure free patients with incomplete SOZ resections, compared to non-seizure-free patients with complete resections. This highlights the framework’s value in sparing patients from unsuccessful surgeries resulting from poor SEEG coverage.

ABSTRACT B ackground Temporal lobe epilepsy (TLE) is typically associated with pathology of the hippocampus, a key structure involved in relational memory processes, including episodic, semantic, and spatial memory. While it is widely accepted that TLE-associated hippocampal alterations may underlie global deficits in memory, it remains poorly understood whether TLE may present with shared or unique impairment across distinct relational memory domains. M ethods We administered a recently validated behavioral paradigm to evaluate episodic, semantic, and spatial memory in 20 pharmacoresistant TLE patients and 53 age- and sex-matched healthy controls. We implemented linear mixed effects models to identify memory deficits in individuals with TLE relative to controls, and used partial least squares analysis to identify factors contributing to overall variations in relational memory performance across both cohorts. R esults TLE patients showed marked impairment in episodic memory compared to controls, while spatial and semantic memory remained relatively intact. Findings were robust, with slight decreases in effect sizes after controlling for performance on executive function tests. Via partial least squares analysis, we identified group, age, and bilateral hippocampal volumes as important variables relating to relational memory impairment. C onclusion Our behavioral framework provides a granular approach for assessing relational memory deficits in people with TLE and may inform future prognostic strategies in patients with hippocampal pathology. Our work warrants further investigations into the underlying neural substrates of relational memory.

Corticosteroids and adrenocorticotropic hormone (ACTH) are the therapy of choice to treat infantile spasms. However, systematic studies about their use in other types of childhood epilepsies remain rare and ACTH can have serious side effects. This study compares the interictal epileptic activity (IEA) burden (% of electroencephalography (EEG) time with IEDs) in children with genetic drug-resistant epilepsy before and after a standardized treatment with pulsatile corticoid therapy (PCT).

Temporal lobe epilepsy (TLE) is the most common drug-resistant epilepsy in adults. While commonly related to hippocampal pathology, increasing evidence suggests structural changes beyond the mesiotemporal lobe. Functional anomalies and their link to underlying structural alterations, however, remain incompletely understood. We studied 30 drug-resistant TLE patients and 57 healthy controls using multimodal magnetic resonance imaging analyses. We developed a novel framework that parameterizes functional connectivity distance, consolidating functional and geometric properties of macroscale networks. Compared to controls, TLE showed connectivity distance reductions in temporo-insular and prefrontal networks, suggesting topological segregation of functional networks. Our novel approach furthermore allowed for the testing of morphological and microstructural associations, and revealed that functional connectivity contractions occurred independently from TLE-related cortical atrophy but were mediated by microstructural changes in the underlying white matter. All patients underwent a comparable resective surgery after our study and a regularized supervised machine learning paradigm with 5-fold cross-validation demonstrated that patient-specific functional anomalies predicted post-surgical seizure outcome with 74±8% accuracy, outperforming classifiers operating on clinical and structural imaging features. Our findings suggest connectivity distance contractions as a clinically relevant pathoconnectomic substrate of TLE. Functional topological isolation may represent a microstructurally mediated network mechanism that tilts the balance towards epileptogenesis.

Temporal lobe epilepsy (TLE) is one of the most common pharmaco-resistant epilepsies in adults. While hippocampal pathology is the hallmark of this condition, emerging evidence indicates that brain alterations extend beyond the mesiotemporal epicenter and affect macroscale brain function and cognition. We studied macroscale functional reorganization in TLE, explored structural substrates, and examined cognitive associations. We investigated a multisite cohort of 95 patients with pharmaco-resistant TLE and 95 healthy controls using state-of-the-art multimodal 3T magnetic resonance imaging (MRI). We quantified macroscale functional topographic organization using connectome dimensionality reduction techniques and estimated directional functional flow using generative models of effective connectivity. We observed atypical functional topographies in patients with TLE relative to controls, manifesting as reduced functional differentiation between sensory/motor networks and transmodal systems such as the default mode network, with peak alterations in bilateral temporal and ventromedial prefrontal cortices. TLE-related topographic changes were consistent in all three included sites and reflected reductions in hierarchical flow patterns between cortical systems. Integration of parallel multimodal MRI data indicated that these findings were independent of TLE-related cortical grey matter atrophy, but mediated by microstructural alterations in the superficial white matter immediately beneath the cortex. The magnitude of functional perturbations was robustly associated with behavioral markers of memory function. Overall, this work provides converging evidence for macroscale functional imbalances, contributing microstructural alterations, and their associations with cognitive dysfunction in TLE.

Excitation-inhibition (E/I) imbalance is theorized as a key mechanism in the pathophysiology of epilepsy, with a mounting body of previous research focusing on elucidating its cellular manifestations. However, there are limited studies into E/I imbalance at macroscale and its microcircuit-level mechanisms and clinical associations. In our current work, we computed the Hurst exponent—a previously validated index of the E/I ratio—from resting-state fMRI time series, and simulated microcircuit parameters using biophysical computational models. We found a broad reduction in the Hurst exponent in pharmaco-resistant temporal lobe epilepsy (TLE), indicative of a shift towards more excitable network dynamics. Connectome decoders pointed to temporolimbic and frontocentral areas as plausible network epicenters of E/I imbalance. Computational simulations further revealed that enhancing cortical excitability in patients likely reflected atypical increases in recurrent connection strength of local neuronal ensembles. Moreover, mixed cross-sectional and longitudinal analyses revealed heightened E/I elevation in patients with longer disease duration, more frequent electroclinical seizures and inter-ictal epileptic spikes, and worse cognitive functioning. Replicated in an independent dataset, our work provides compelling in-vivo evidence of a macroscale shift in E/I balance in TLE patients that undergoes progressive changes and underpins cognitive impairments, potentially informing treatment strategies targeting E/I mechanisms.