The protracted development of structural and functional brain connectivity within distributed association networks coincides with improvements in higher-order cognitive processes such as executive function. However, it remains unclear how white-matter architecture develops during youth to directly support coordinated neural activity. Here, we characterize the development of structure–function coupling using diffusion-weighted imaging and n -back functional MRI data in a sample of 727 individuals (ages 8 to 23 y). We found that spatial variability in structure–function coupling aligned with cortical hierarchies of functional specialization and evolutionary expansion. Furthermore, hierarchy-dependent age effects on structure–function coupling localized to transmodal cortex in both cross-sectional data and a subset of participants with longitudinal data ( n = 294). Moreover, structure–function coupling in rostrolateral prefrontal cortex was associated with executive performance and partially mediated age-related improvements in executive function. Together, these findings delineate a critical dimension of adolescent brain development, whereby the coupling between structural and functional connectivity remodels to support functional specialization and cognition.

Abstract Converging evidence from both human neuroimaging and animal studies has supported a model of mesolimbic processing in computing prediction errors, which form the basis of reward learning behaviors. However, direct evidence demonstrating how human dopamine signaling in the basal ganglia contributes to learning has been hampered by limitations of individual imaging modalities. Here, we present data from a large (N=81, 18-30 year olds), multi-modal neuroimaging study using simultaneously acquired task fMRI, affording temporal resolution of reward system function, and PET imaging with [ 11 C]Raclopride (RAC) assessing striatal D2/3 receptor binding. Results indicated that task-related dopamine release in the ventral striatum, measured as a change in RAC binding, was greater among those who demonstrated successful reward learning on a probabilistic map learning task. This learning response was specific to the ventral striatum and was not present in fMRI BOLD reward response activation. This provides support for considering task-related DA release in ventral striatum as a key signal for translating reward outcomes into a learning signal, rather the representing the reward outcome in isolation. These data provide novel, human in vivo evidence that dopaminergic function may support reward reactivity as well as reward learning as distinct processes.

Abstract Adolescence is hypothesized to be a critical period for the development of association cortex. A reduction of the excitation:inhibition (E:I) ratio is a hallmark of critical period development; however it has been unclear how to assess the development of the E:I ratio using non-invasive neuroimaging techniques. Here, we used pharmacological fMRI with a GABAergic benzodiazepine challenge to empirically generate a model of E:I ratio based on multivariate patterns of functional connectivity. In an independent sample of 879 youth (ages 8-22 years), this model predicted reductions in the E:I ratio during adolescence, which were specific to association cortex and related to psychopathology. These findings support hypothesized shifts in E:I balance of association cortices during a neurodevelopmental critical period in adolescence. Teaser Inhibitory maturation of the association cortex reflects an adolescent critical period.

A balanced excitation-inhibition ratio (E/I ratio) is critical for healthy brain function. Normative development of cortex-wide E/I ratio remains unknown. Here, we noninvasively estimate a putative marker of whole-cortex E/I ratio by fitting a large-scale biophysically plausible circuit model to resting-state functional MRI (fMRI) data. We first confirm that our model generates realistic brain dynamics in the Human Connectome Project. Next, we show that the estimated E/I ratio marker is sensitive to the gamma-aminobutyric acid (GABA) agonist benzodiazepine alprazolam during fMRI. Alprazolam-induced E/I changes are spatially consistent with positron emission tomography measurement of benzodiazepine receptor density. We then investigate the relationship between the E/I ratio marker and neurodevelopment. We find that the E/I ratio marker declines heterogeneously across the cerebral cortex during youth, with the greatest reduction occurring in sensorimotor systems relative to association systems. Importantly, among children with the same chronological age, a lower E/I ratio marker (especially in the association cortex) is linked to better cognitive performance. This result is replicated across North American (8.2 to 23.0 y old) and Asian (7.2 to 7.9 y old) cohorts, suggesting that a more mature E/I ratio indexes improved cognition during normative development. Overall, our findings open the door to studying how disrupted E/I trajectories may lead to cognitive dysfunction in psychopathology that emerges during youth.

ABSTRACT To support brain development during youth, the brain must balance energy delivery and consumption. Previous studies in adults have demonstrated high coupling between cerebral blood flow and brain function as measured using functional neuroimaging, but how this relationship evolves over adolescence is unknown. To address this gap, we studied a sample of 831 children and adolescents (478 females, ages 8-22) from the Philadelphia Neurodevelopmental Cohort who were scanned at 3T with both arterial spin labeled (ASL) MRI and resting-state functional MRI (fMRI). Local coupling between cerebral blood flow (CBF, from ASL) and the amplitude of low frequency fluctuations (ALFF, from fMRI) was first quantified using locally weighted regressions on the cortical surface. We then used generalized additive models to evaluate how CBF-ALFF coupling was associated with age, sex, and executive function. Enrichment of effects within canonical functional networks was evaluated using spin-based permutation tests. Our analyses revealed tight CBF-ALFF coupling across the brain. Whole-brain CBF-ALFF coupling decreased with age, largely driven by coupling decreases in the inferior frontal cortex, precuneus, visual cortex, and temporoparietal cortex ( p fdr <0.05). Females had stronger coupling in the frontoparietal network than males ( p fdr <0.05). Better executive function was associated with decreased coupling in the somatomotor network ( p fdr <0.05). Overall, we found that CBF-ALFF coupling evolves in development, differs by sex, and is associated with individual differences in executive function. Future studies will investigate relationships between maturational changes in CBF-ALFF coupling and the presence of psychiatric symptoms in youth. SIGNIFICANCE The functions of the human brain are metabolically expensive and reliant on coupling between cerebral blood flow and neural activity. Previous neuroimaging studies in adults demonstrate tight physiology-function coupling, but how this coupling evolves over development is unknown. Here, we examine the relationship between blood flow as measured by arterial spin labeling and the amplitude of low frequency fluctuations from resting-state magnetic resonance imaging across a large sample of youth. We demonstrate regionally specific changes in coupling over age and show that variations in coupling are related to biological sex and executive function. Our results highlight the importance of CBF-ALFF coupling throughout development; we discuss its potential as a future target for the study of neuropsychiatric diseases.

Abstract Schizophrenia is marked by deficits in facial affect processing associated with abnormalities in GABAergic circuitry, deficits also found in first-degree relatives. Facial affect processing involves a distributed network of brain regions including limbic regions like amygdala and visual processing areas like fusiform cortex. Pharmacological modulation of GABAergic circuitry using benzodiazepines like alprazolam can be useful for studying this facial affect processing network and associated GABAergic abnormalities in schizophrenia. Here, we use pharmacological modulation and computational modeling to study the contribution of GABAergic abnormalities toward emotion processing deficits in schizophrenia. Specifically, we apply principles from network control theory to model persistence energy – the control energy required to maintain brain activation states – during emotion identification and recall tasks, with and without administration of alprazolam, in a sample of first-degree relatives and healthy controls. Here, persistence energy quantifies the magnitude of theoretical external inputs during the task. We find that alprazolam increases persistence energy in relatives but not in controls during threatening face processing, suggesting a compensatory mechanism given the relative absence of behavioral abnormalities in this sample of unaffected relatives. Further, we demonstrate that regions in the fusiform and occipital cortices are important for facilitating state transitions during facial affect processing. Finally, we uncover spatial relationships (i) between regional variation in differential control energy (alprazolam versus placebo) and (ii) both serotonin and dopamine neurotransmitter systems, indicating that alprazolam may exert its effects by altering neuromodulatory systems. Together, these findings reveal differences in emotion-processing circuitry associated with genetic vulnerability to schizophrenia.

A balanced excitation-inhibition ratio (E/I ratio) is critical for healthy brain function. Normative development of cortex-wide E/I ratio remains unknown. Here we non-invasively estimate a putative marker of whole-cortex E/I ratio by fitting a large-scale biophysically-plausible circuit model to resting-state functional MRI (fMRI) data. We first confirm that our model generates realistic brain dynamics in the Human Connectome Project. Next, we show that the estimated E/I ratio marker is sensitive to the GABA-agonist benzodiazepine alprazolam during fMRI. Alprazolam-induced E/I changes are spatially consistent with positron emission tomography measurement of benzodiazepine receptor density. We then investigate the relationship between the E/I ratio marker and neurodevelopment. We find that the E/I ratio marker declines heterogeneously across the cerebral cortex during youth, with the greatest reduction occurring in sensorimotor systems relative to association systems. Importantly, among children with the same chronological age, a lower E/I ratio marker (especially in association cortex) is linked to better cognitive performance. This result is replicated across North American (8.2 to 23.0 years old) and Asian (7.2 to 7.9 years old) cohorts, suggesting that a more mature E/I ratio indexes improved cognition during normative development. Overall, our findings open the door to studying how disrupted E/I trajectories may lead to cognitive dysfunction in psychopathology that emerges during youth.

Summary Characterizing developmental changes in frontostriatal circuitry is critical to our understanding of adolescent development and can clarify neurobiological mechanisms underlying increased reward sensitivity and sensation seeking, and the emergence of psychopathology during this period. However, the role of striatal neurobiology in the development of frontostriatal circuitry through human adolescence remains largely unknown. We combine longitudinal MR-based assessments of striatal tissue-iron as a correlate of dopamine-related neurobiology with functional magnetic resonance imaging indices of resting-state and reward-state connectivity to investigate the contribution of dopaminergic processes to developmental changes in frontostriatal circuitry. Connectivity between the nucleus accumbens and ventral anterior cingulate, subgenual cingulate, and orbitofrontal cortices decreased through adolescence into adulthood. Nucleus accumbens tissue-iron mediated age-related changes and was associated with variability in connectivity. Our results provide evidence that developmental changes in dopamine-related striatal properties contribute to specialization of frontostriatal circuitry, potentially underlying changes in sensation seeking and reward sensitivity into adulthood.

Abstract Animal and human postmortem studies provide evidence for changes in gamma-aminobutyric acid (GABA) and glutamate in prefrontal cortex (PFC) during adolescence, suggesting shifts in excitation and inhibition balance consistent with critical period plasticity. However, how GABA and glutamate change through adolescence and how the balance of these inhibitory and excitatory neurotransmitters changes is not well understood in vivo in humans. High field (7 Tesla) Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging was used to investigate age-related changes in the balance of GABA/creatine (Cr) and glutamate/Cr in multiple developmentally-relevant regions of PFC in 144 10 to 30-year-olds. Results indicated a homogenous pattern of age-related Glu/Cr decreases across PFC regions, while age-related changes in GABA/Cr were heterogenous, with a mix of stable and decreasing age effects. Importantly, balance between glutamate/Cr and GABA/Cr in areas of prefrontal cortex increased through adolescence, suggesting the presence of critical period plasticity in PFC at this significant time of development when adult trajectories are established.

The white matter architecture of the human brain undergoes substantial development throughout childhood and adolescence, allowing for more efficient signaling between brain regions that support executive function. Increasingly, the field understands grey matter development as a spatially and temporally coordinated mechanism that follows hierarchically organized gradients of change. While white matter development also appears asynchronous, previous studies have largely relied on anatomical atlases to characterize white matter tracts, precluding a direct assessment of how white matter structure is spatially and temporally coordinated. Here, we leveraged advances in diffusion modeling and unsupervised machine learning to delineate white matter fiber covariance networks comprised of structurally similar areas of white matter in a cross-sectional sample of 939 youth aged 8-22 years. We then evaluated associations between fiber covariance network structural properties with both age and executive function using generalized additive models. The identified fiber covariance networks aligned with the known architecture of white matter while simultaneously capturing novel spatial patterns of coordinated maturation. Fiber covariance networks showed heterochronous increases in fiber density and cross section that generally followed hierarchically organized temporal patterns of cortical development, with the greatest increases in unimodal sensorimotor networks and the most prolonged increases in superior and anterior transmodal networks. Notably, we found that executive function was associated with structural features of limbic and association networks. Taken together, this study delineates data-driven patterns of white matter network development that support cognition and align with major axes of brain maturation.