Abstract The representations of the articulators involved in human speech production are organized somatotopically in primary motor cortex. The neural representation of the larynx, however, remains debated. Both a dorsal and a ventral larynx representation have been previously described. It is unknown, however, whether both representations are located in primary motor cortex. Here, we mapped the motor representations of the human larynx using fMRI and characterized the cortical microstructure underlying the activated regions. We isolated brain activity related to laryngeal activity during vocalization while controlling for breathing. We also mapped the articulators (the lips and tongue) and the hand area. We found two separate activations during vocalization – a dorsal and a ventral larynx representation. Structural and quantitative neuroimaging revealed that myelin content and cortical thickness underlying the dorsal, but not the ventral larynx representation, are similar to those of other primary motor representations. This finding confirms that the dorsal larynx representation is located in primary motor cortex and that the ventral one is not. We further speculate that the location of the ventral larynx representation is in premotor cortex, as seen in other primates. It remains unclear, however, whether and how these two representations differentially contribute to laryngeal motor control.

Abstract There is a long-established link between anatomy and function in the somatomotor system in the mammalian cerebral cortex. The morphology of the central sulcus is predictive of the location of functional activation peaks relating to movement of different effectors in individuals. By contrast, morphological variation in the subcentral region and its relationship to function is, as yet, unknown. Investigating the subcentral region is particularly important in the context of speech, since control of the larynx during human speech production is related to activity in this region. Here, we examined the relationship between morphology in the central and subcentral region and the location of functional activity during movement of the hand, lips, tongue, and larynx at the individual participant level. We provide a systematic description of the sulcal patterns of the subcentral and adjacent opercular cortex, including the inter-individual variability in sulcal morphology. We show that, in the majority of participants, the anterior subcentral sulcus is not continuous, but consists of two distinct segments. A robust relationship between morphology of the central and subcentral sulcal segments and movement of different effectors is demonstrated. Inter-individual variability of underlying anatomy might thus explain previous inconsistent findings, in particular regarding the ventral larynx area in subcentral cortex. A surface registration based on sulcal labels indicated that such anatomical information can improve the alignment of functional data for group studies.

Abstract Evolutionary modifications of the temporo-parietal cortex are considered to be a critical adaptation of the human brain. Cortical adaptations, however, can affect different aspects of brain architecture, including areal expansion or changes in connectivity profiles. We propose to distinguishing different types of brain reorganization using a computational neuroanatomy approach. We investigate the extent to which between-species alignment based on cortical myelin can predict changes in connectivity patterns across macaque, chimpanzee and human. We show that expansion and relocation of brain areas are sufficient to predict terminations of several white matter tracts in temporo-parietal cortex, including the middle and superior longitudinal fasciculus, but not of the arcuate fasciculus. This demonstrates that the arcuate fasciculus underwent additional evolutionary modifications affecting the connectivity pattern of the temporal lobe. The presented approach can flexibly be extended to include other features of cortical organization and other species, allowing direct tests of comparative hypotheses of brain organization.

Abstract Several studies have established specific relationships between White Matter (WM) and behaviour. However, these studies have typically focussed on fractional anisotropy (FA), a neuroimaging metric that is sensitive to multiple tissue properties, making it difficult to identify what biological aspects of WM may drive such relationships. Here, we carry out a pre-registered assessment of WM-behaviour relationships in 50 healthy individuals across multiple behavioural and anatomical domains, and complementing FA with myelin-sensitive quantitative MR modalities (MT, R1, R2*). Surprisingly, we only find support for predicted relationships between FA and behaviour in one of three pre-registered tests. For one behavioural domain, where we failed to detect an FA-behaviour correlation, we instead find evidence for a correlation between behaviour and R1. This hints that multimodal approaches are able to identify a wider range of WM-behaviour relationships than focusing on FA alone. To test whether a common biological substrate such as myelin underlies WM-behaviour relationships, we then ran joint multimodal analyses, combining across all MRI parameters considered. No significant multimodal signatures were found and power analyses suggested that sample sizes of 40 to 200 may be required to detect such joint multimodal effects, depending on the task being considered. These results demonstrate that FA-behaviour relationships from the literature can be replicated, but may not be easily generalisable across domains. Instead, multimodal microstructural imaging may be best placed to detect a wider range of WM-behaviour relationships, as different MRI modalities provide distinct biological sensitivities. Our findings highlight a broad heterogeneity in WM’s relationship with behaviour, suggesting that variable biological effects may be shaping their interaction. Highlights Pre-registered testing of microstructural imaging across modalities (FA, MT, R1, R2*) to test WM-behaviour relationships. Partial support for FA-behaviour relationships hypothesised based on previous literature. Multimodal approaches can help detect WM-behaviour relationships that are not detected with FA alone. Sample sizes of 40 to 200 may be needed to detect myelin-behaviour relationships in joint multimodal analyses. Variable biological effects may be shaping WM-behaviour relationships.

A bstract The temporal lobe is implicated in higher cognitive processes and is one of the regions that underwent substantial reorganization during primate evolution. Its functions are instantiated, in part, by its complex layout of structural connections. This study identified low-dimensional representations of structural connectivity variations in human temporal cortex and explored their microstructural underpinnings and associations to macroscale function. We identified three eigenmodes which described gradients in structural connectivity. These gradients reflected interregional variations in cortical microstructure derived from quantitative MRI and post-mortem histology. Gradient-informed models accurately predicted macroscale measures of temporal lobe function. Gradients aligned closely with established measures of functional reconfiguration and areal expansion between macaques and humans, highlighting the important role evolution has played in shaping temporal lobe function. Our results provide robust evidence for three axes of structural connectivity in human temporal cortex with consistent microstructural underpinnings and contributions to large-scale brain network function.

Abstract While the hippocampus is key for human cognitive abilities, it is also a phylogenetically old cortex and paradoxically considered evolutionarily preserved. Here, we introduce a comparative framework to quantify preservation and reconfiguration of hippocampal organisation in primate evolution, by analysing the hippocampus as an unfolded cortical surface that is geometrically matched across species. Our findings revealed an overall conservation of hippocampal macro- and micro-structure, which shows anterior-posterior and, perpendicularly, subfield-related organisational axes in both humans and macaques. However, while functional organisation in both species followed an anterior-posterior axis, we observed a marked reconfiguration in the latter across species, which mirrors a rudimentary integration of the default-mode-network in non-human primates. Here we show that microstructurally preserved regions like the hippocampus may still undergo functional reconfiguration in primate evolution, due to their embedding within heteromodal association networks.

Multimodal neuroimaging allows for non-invasive examination of human brain structure and function across multiple scales. Precision neuroimaging builds upon this foundation, enabling the mapping of brain structure, function, and connectivity patterns with high fidelity in single individuals. Ultra-high field (UHF) neuroimaging, operating at magnetic field strengths of 7 Tesla or higher, increases signal-to-noise ratio and offers even higher spatial resolution. Here, we provide a multimodal Precision Neuroimaging and Connectomics (PNI) dataset, utilizing UHF 7T magnetic resonance imaging (MRI). Ten healthy individuals underwent a comprehensive MRI protocol, including T1 relaxometry, magnetization transfer imaging, T2*-weighted imaging, diffusion MRI, and multi-state functional MRI paradigms, aggregated across three imaging sessions. Alongside anonymized raw imaging data, we release cortex-wide connectomes from different modalities across multiple parcellation scales, and supply gradients that compactly characterize spatial patterning of cortical organization. Our precision imaging dataset will advance our understanding of structure-function relationships in the individual human brain and is publicly available via the Open Science Framework (https://osf.io/mhq3f/) and the Canadian Open Neuroscience Platform data portal (https://portal.conp.ca).

The hippocampus is involved in numerous cognitive functions, some of which have uniquely human aspects, such as autobiographical memory. Hippocampal anatomy, however, is typically considered conserved across primates and its evolutionary diversification is rarely studied. Comparing hippocampal structure and function is, therefore, critical for understanding human brain architecture. Here, we developed a novel comparative framework to study the hippocampus across species characterising its geometry, microstructure, and functional network embedding. In humans and macaques, we generated a new comparative space that represents the hippocampus as an unfolded surface, which respects its sheet-like anatomy. We mapped histological and MRI-derived markers of microstructure to the hippocampal surface and integrated it with low-dimensional embedding of resting-state MRI connectivity data. Our results demonstrate that the micro- and macro-structural organisation of the hippocampus are overall conserved in both species, showing consistent anterior-posterior and subfield-to-subfield differentiation. Furthermore, while hippocampal functional organisation also follows anterior-posterior trends in both species, hippocampal functional connectivity markedly reflected evolutionary reconfiguration of transmodal networks, in particular the default-mode network. Specifically, the inferior parietal lobe in the macaque mirrors an incomplete integration of the default mode network in non-human primates. By combining fine-grained anatomical investigation with large-scale functional imaging, we showed that microstructurally preserved regions like the hippocampus may still undergo functional reconfiguration, due to their embedding in higher-order association networks.

Specialization of brain areas and subregions, as well as their integration into large-scale networks are key principles in neuroscience. Consolidating both local and global cortical organization, however, remains challenging. Our study developed a new approach to map global, cortex-wise similarities of microstructure, structural connectivity, and functional interactions, and integrate these patterns with maps of cortical arealization. Our analysis combined repeated high-field in-vivo 7 tesla (T) Magnetic Resonance Imaging (MRI) data collected in 10 healthy adults with a recently introduced probabilistic post-mortem atlas of cortical cytoarchitecture. We obtained multimodal eigenvectors describing cortex-wide gradients at the level of microstructural covariance, structural connectivity, and intrinsic functional interactions, and then assessed inter- and intra-area differences in cortex-wide embedding based on these multimodal eigenvectors. Inter-area similarities followed a canonical sensory-fugal gradient, with primary sensorimotor cortex being the most distinctive from all other areas, while paralimbic regions were least distinctive. This pattern largely corresponded to functional connectivity variations across different tasks collected in the same participants, suggesting that the degree of global cortical integration mirrors the functional diversity of brain areas across contexts. When studying heterogeneity within areas, we did not observe a similar relationship, despite overall higher heterogeneity in association cortices relative to paralimbic and idiotypic cortices. Findings could be replicated in a different dataset. Our findings highlight a close coupling between cortical arealization and global cortical motifs in shaping specialized versus integrative human brain function.

Chimpanzees ( Pan troglodytes ) are, along with bonobos, the closest living relatives of humans. The advent of diffusion tractography in recent years has allowed a resurgence of comparative neuroanatomical studies in humans and other primate species. Here, we offer, in comparative perspective, the first chimpanzee white matter atlas, coupled with surface projection maps of these major white matter tracts, constructed from in vivo chimpanzee diffusion-weighted scans. Comparative white matter atlases provide a useful tool for identifying neuroanatomical differences and similarities between humans and other primate species. Until now, comprehensive fascicular atlases have been created for humans ( Homo sapiens ), rhesus macaques ( Macaca mulatta ), and several other nonhuman primate species, but never in a nonhuman ape. Information on chimpanzee neuroanatomy is essential for understanding the anatomical specializations of white matter organization that are unique to the human lineage.