ABSTRACT Understanding brain structure-function relationships, and their development and evolution, is central to neuroscience research. Here, we show that morphological differences in posterior cingulate cortex (PCC), a hub of functional brain networks, predict individual differences in macroanatomical, microstructural, and functional features of PCC. Manually labeling 4,319 sulci in 552 hemispheres, we discovered a consistently localized shallow cortical indentation (termed the inframarginal sulcus; ifrms ) within PCC that is absent from neuroanatomical atlases, yet co-localized with a region within the cognitive control, but not default mode, network. Morphological analyses in humans and chimpanzees showed that unique properties of the ifrms differ across the lifespan and between hominoid species. Intriguingly, the consistency of the ifrms also debunks the uniqueness of the morphology of Einstein’s PCC. These findings support a classic theory that shallow, tertiary sulci serve as landmarks in association cortices. They also beg the question: how many other cortical indentations have we missed?

Abstract Previous findings show that the morphology of folds (sulci) of the human cerebral cortex flatten during postnatal development. However, previous studies did not consider the relationship between sulcal morphology and cognitive development in individual participants. Here, we fill this gap in knowledge by leveraging cross-sectional morphological neuroimaging data in the lateral prefrontal cortex (LPFC) from individual human participants (6-36 years old, males and females; N = 108; 3672 sulci), as well as longitudinal morphological and behavioral data from a subset of child and adolescent participants scanned at two timepoints (6-18 years old; N = 44; 2992 sulci). Manually defining thousands of sulci revealed that LPFC sulcal morphology (depth, surface area, gray matter thickness, and local gyrification index) differed between children (6-11 years old)/adolescents (11-18 years old) and young adults (22-36 years old) cross-sectionally, but only cortical thickness showed both cross-sectional differences between children and adolescents and presented longitudinal changes during childhood and adolescence. Furthermore, a data-driven approach relating morphology and cognition identified that longitudinal changes in cortical thickness of four rostral LPFC sulci predicted longitudinal changes in reasoning performance, a higher-level cognitive ability that relies on LPFC. Contrary to previous findings, these results suggest that sulci may flatten either after this time frame or over a longer longitudinal period of time than previously presented. Crucially, these results also suggest that longitudinal changes in the cortex within specific LPFC sulci are behaviorally meaningful—providing targeted structures, and areas of the cortex, for future neuroimaging studies examining the development of cognitive abilities. Significance Statement Recent work has shown that individual differences in neuroanatomical structures (indentations, or sulci) within the lateral prefrontal cortex (LPFC) are behaviorally meaningful during childhood and adolescence. Here, we describe how specific LPFC sulci develop at the level of individual participants for the first time—from both cross-sectional and longitudinal perspectives. Further, we show, also for the first time, that the longitudinal morphological changes in these structures are behaviorally relevant. These findings lay the foundation for a future avenue to precisely study the development of the cortex and highlight the importance of studying the development of sulci in other cortical expanses and charting how these changes relate to the cognitive abilities those areas support at the level of individual participants.

ABSTRACT Human perception requires complex cortical networks that function at neuroanatomical scales of microns and temporal scales of milliseconds. Despite this complexity, what if just one morphological feature of the brain could predict perceptual ability? Here, we tested this hypothesis with pre-registered analyses of neuroanatomy and face perception in neurotypical controls (NTs) and individuals with developmental prosopagnosia (DPs). Results show that the length of the mid-fusiform sulcus (MFS), a hominoid-specific tertiary sulcus in ventral temporal cortex (VTC), was shorter in DPs than NTs. Furthermore, individual differences in MFS length in the right, but not left, hemisphere predicted individual differences in face perception. These results support theories linking brain structure and function to perception, as well as indicate that one feature – variability in MFS length – can predict face perception. Finally, these findings add to growing evidence supporting a role of morphological variability of late developing, tertiary sulci and individual differences in cognition.

Abstract The relationship between structural variability in late-developing association cortices like the lateral prefrontal cortex (LPFC) and the development of higher-order cognitive skills is not well understood. Recent findings show that the morphology of LPFC sulci predicts reasoning performance; this work led to the observation of substantial individual variability in the morphology of one of these sulci, the para-intermediate frontal sulcus (pimfs). Here, we sought to characterize this variability and assess its behavioral significance. To this end, we identified the pimfs in a developmental cohort of 72 participants, ages 6-18. When controlling for age, the presence or absence of the ventral component of the pimfs was associated with reasoning, as was the total surface area of pimfs. These findings show that multiple features of sulci can support the development of complex cognitive abilities and highlight the importance of considering individual differences in local morphology when exploring the neurodevelopmental basis of cognition.

Abstract Background Emotion-related impulsivity (ERI) describes the trait-like tendency toward poor self-control when experiencing strong emotions. ERI has been shown to be elevated across psychiatric disorders and predictive of the onset and worsening of psychiatric syndromes. Recent work has correlated ERI scores with the neuroanatomy of the orbitofrontal cortex (OFC). Informed by a growing body of research indicating that the morphology of cortical folds (sulci) can produce insights into behavioral outcomes, the present study modeled the association between ERI and the sulcal morphology of OFC at a finer scale than previously conducted. Methods Analyses were conducted in a transdiagnostic sample of 118 individuals with a broad range of psychiatric syndromes. We first manually defined over 2000 sulci across the 118 participants. We then implemented a model-based LASSO regression to relate OFC sulcal morphology to ERI and test whether effects were specific to ERI as compared to non-emotion-related impulsivity. Results The LASSO regression revealed bilateral associations of ERI with the depth of eight OFC sulci. These effects were specific to ERI and were not observed in non-emotion-related impulsivity. In addition, we identified a new transverse component of the olfactory sulcus in every hemisphere that is dissociable from the longitudinal component based on anatomical features and correlation with behavior, which could serve as a new transdiagnostic biomarker. Conclusions The results of this data-driven investigation provide greater neuroanatomical and neurodevelopmental specificity on how OFC is related to ERI. As such, findings link neuroanatomical characteristics to a trait that is highly predictive of psychopathology.

Abstract Two recent parallel research tracks link tertiary sulcal morphology—sulci that emerge last in gestation and continue to develop after birth—with functional features of the cerebral cortex and cognition, respectively. The first track identified a relationship between the mid-fusiform sulcus (MFS) in ventral temporal cortex (VTC) and cognition in individuals with Autism Spectrum Disorder (ASD). The second track identified a new tertiary sulcus, the inframarginal sulcus (IFRMS), that serves as a tripartite landmark within the posteromedial cortex (PMC). As VTC and PMC are structurally and functionally different in individuals with ASD compared to neurotypical controls (NTs), here, we integrated these two tracks with a twofold approach. First, we tested if there are morphological differences in VTC and PMC sulci between 50 NTs and 50 individuals with ASD. Second, we tested if tertiary sulcal morphology was linked to cognition in ASD individuals. Our twofold approach replicates and extends recent findings in five ways. First, in terms of replication, the standard deviation (STD) of MFS cortical thickness (CT) was increased in ASDs compared to NTs. Second, MFS length was shorter in ASDs compared to NTs. Third, the CT STD effect extended to other VTC and PMC sulci. Fourth, a subset of VTC and PMC morphological features were correlated between regions in ASD. Fifth, IFRMS depth was negatively associated with ADOS-GS score. These results empirically support a relationship between later-developing, tertiary sulci and ASD, providing a novel framework to study the relationship between brain structure and cognition in additional neurodevelopmental disorders in future studies. Lay Summary We observed that some, but not all, morphological features of later-developing tertiary indentations (sulci) in the cerebral cortex differed significantly between neurotypical controls and individuals with autism spectrum disorder (ASD). In ASD, a subset of sulcal morphological features also correlated between brain areas and one feature reflected differences in cognition. Thus, studying these structures provides insight into how individual variability in structure is related to individual variability in cognition in ASD.

Identifying structure-function correspondences is a major goal among biologists, cognitive neuroscientists, and brain mappers. Recent studies have identified relationships between performance on cognitive tasks and the presence or absence of small, shallow indentations, or sulci, of the human brain. Building on the previous finding that the presence of one such sulcus in the left anterior lateral prefrontal cortex (aLPFC) was related to reasoning task performance in children and adolescents, we tested whether this relationship extended to a different sample, age group, and reasoning task. As predicted, the presence of this aLPFC sulcus-the ventral para-intermediate frontal sulcus-was also associated with higher reasoning scores in young adults (ages 22-36). These findings have not only direct developmental, but also evolutionary relevance-as recent work shows that the pimfs-v is exceedingly rare in chimpanzees. Thus, the pimfs-v is a novel developmental, cognitive, and evolutionarily relevant feature that should be considered in future studies examining how the complex relationships among multiscale anatomical and functional features of the brain give rise to abstract thought.

Abstract A salient neuroanatomical feature of the human brain is its pronounced cortical folding, and there is mounting evidence that sulcal morphology is relevant to functional brain architecture and cognition. Recent studies have emphasized putative tertiary sulci (pTS): small, shallow, late-developing, and evolutionarily new sulci that have been posited to serve as functional landmarks in association cortices. A fruitful approach to characterizing brain architecture has been to delineate regions based on transitions in fMRI-based functional connectivity profiles; however, exact regional boundaries can change depending on the data used to generate the parcellation. As sulci are fixed neuroanatomical structures, here, we propose to anchor functional connectivity to individual-level sulcal anatomy. We characterized fine-grained patterns of functional connectivity across 42 sulci in lateral prefrontal (LPFC) and lateral parietal cortices (LPC) in a pediatric sample (N = 43; 20 female; ages 7–18). Further, we test for relationships between pTS morphology and functional network architecture, focusing on depth as a defining characteristic of these shallow sulci, and one that has been linked to variability in cognition. We find that 1) individual sulci have distinct patterns of connectivity, but nonetheless cluster together into groups with similar patterns – in some cases with distant rather than neighboring sulci, 2) there is moderate agreement in cluster assignments at the group and individual levels, underscoring the need for individual-level analyses, and 3) across individuals, greater depth was associated with higher network centrality for several pTS. These results highlight the importance of considering individual sulcal morphology for understanding functional brain organization. Significance Statement A salient, and functionally relevant, feature of the human brain is its pronounced cortical folding. However, the links between sulcal anatomy and brain function are still poorly understood – particularly for small, shallow, individually variable sulci in association cortices. Here, we explore functional connectivity among individually defined sulci in lateral prefrontal and parietal regions. We find that individual sulci have distinct patterns of connectivity but nonetheless cluster together into groups with similar connectivity – in some cases spanning lateral prefrontal and parietal sulci. We further show that the network centrality of specific sulci is positively associated with their depth, thereby helping to bridge the gap between individual differences in brain anatomy and functional networks leveraging the sulcal anatomy of the individual.

Abstract Recent studies identify a surprising coupling between evolutionarily new sulci and the functional organization of human posteromedial cortex (PMC). Yet, no study has compared this modern PMC sulcal patterning between humans and non-human hominoids. To fill this gap in knowledge, we first manually defined 918 sulci in 120 chimpanzee ( Pan Troglodytes ) hemispheres and 1619 sulci in 144 human hemispheres. We uncovered four new PMC sulci, and quantitatively identified species differences in incidence, depth, and surface area. Interestingly, some PMC sulci are more common in humans and others, in chimpanzees. Further, we found that the prominent marginal ramus of the cingulate sulcus differs significantly between species. Contrary to classic observations, the present results reveal that the surface anatomy of PMC substantially differs between humans and chimpanzees — findings which lay a foundation for better understanding the evolution of neuroanatomical-functional and neuroanatomical-behavioral relationships in this highly expanded region of the human cerebral cortex.

Abstract Recent work has uncovered relationships between evolutionarily new small and shallow cerebral indentations, or sulci, and human behavior. Yet, this relationship remains unexplored in the lateral parietal cortex (LPC) and the lateral parieto-occipital junction (LPOJ). After defining thousands of sulci in a young adult cohort, we uncovered four previously unidentified small and shallow LPC/LOPJ sulci—one of which (ventral supralateral occipital sulcus, slocs-v) is present in nearly every hemisphere, and is morphologically, architecturally, and functionally dissociable from neighboring regions. A data-driven, model-based approach relating sulcal depth to behavior revealed that the morphology of only a subset of LPC/LPOJ sulci, including the slocs-v, is related to performance on a spatial orientation, but not a relational reasoning task. Our findings build on classic neuroanatomical theories and identify new neuroanatomical targets for future “precision imaging” studies exploring the relationship among brain structure, brain function, and cognitive abilities in individual participants.