There has been an increasing use of functional magnetic resonance imaging (fMRI) by the neuroscience community to examine differences in functional connectivity between normal control groups and populations of interest. Understanding the reliability of these functional connections is essential to the study of neurological development and degenerate neuropathological conditions. To date, most research assessing the reliability with which resting-state functional connectivity characterizes the brain's functional networks has been on scans between 3 and 11 min in length. In our present study, we examine the test–retest reliability and similarity of resting-state functional connectivity for scans ranging in length from 3 to 27 min as well as for time series acquired during the same length of time but excluding half the time points via sampling every second image. Our results show that reliability and similarity can be greatly improved by increasing the scan lengths from 5 min up to 13 min, and that both the increase in the number of volumes as well as the increase in the length of time over which these volumes was acquired drove this increase in reliability. This improvement in reliability due to scan length is much greater for scans acquired during the same session. Gains in intersession reliability began to diminish after 9–12 min, while improvements in intrasession reliability plateaued around 12–16 min. Consequently, new techniques that improve reliability across sessions will be important for the interpretation of longitudinal fMRI studies.

Resting-state fMRI (rs-fMRI) has been demonstrated to have moderate to high reliability and produces consistent patterns of connectivity across a wide variety of subjects, sites, and scanners. However, there is no one agreed upon method to acquire rs-fMRI data. Some sites instruct their subjects, or patients, to lie still with their eyes closed, while other sites instruct their subjects to keep their eyes open or even fixating on a cross during scanning. Several studies have compared those three resting conditions based on connectivity strength. In our study, we assess differences in metrics of test–retest reliability (using an intraclass correlation coefficient), and consistency of the rank-order of connections within a subject and the ranks of subjects for a particular connection from one session to another (using Kendall's W tests). Twenty-five healthy subjects were scanned at three different time points for each resting condition, twice the same day and another time two to three months later. Resting-state functional connectivity measures were evaluated in motor, visual, auditory, attention, and default-mode networks, and compared between the different resting conditions. Of the networks examined, only the auditory network resulted in significantly higher connectivity in the eyes closed condition compared to the other two conditions. No significant between-condition differences in connectivity strength were found in default mode, attention, visual, and motor networks. Overall, the differences in reliability and consistency between different resting conditions were relatively small in effect size but results were found to be significant. Across all within-network connections, and within default-mode, attention, and auditory networks statistically significant greater reliability was found when the subjects were lying with their eyes fixated on a cross. In contrast, primary visual network connectivity was most reliable when subjects had their eyes open (and not fixating on a cross).

The human brain undergoes both morphological and functional modifications across the human lifespan. It is important to understand the aspects of brain reorganization that are critical in normal aging. To address this question, one approach is to investigate age-related topological changes of the brain. In this study, we developed a brain network model using graph theory methods applied to the resting-state functional magnetic resonance imaging data acquired from two groups of normal healthy adults classified by age. We found that brain functional networks demonstrated modular organization in both groups with modularity decreased with aging, suggesting less distinct functional divisions across whole brain networks. Local efficiency was also decreased with aging but not with global efficiency. Besides these brain-wide observations, we also observed consistent alterations of network properties at the regional level in the elderly, particularly in two major functional networks-the default mode network (DMN) and the sensorimotor network. Specifically, we found that measures of regional strength, local and global efficiency of functional connectivity were increased in the sensorimotor network while decreased in the DMN with aging. These results indicate that global reorganization of brain functional networks may reflect overall topological changes with aging and that aging likely alters individual brain networks differently depending on the functional properties. Moreover, these findings highly correspond to the observation of decline in cognitive functions but maintenance of primary information processing in normal healthy aging, implying an underlying compensation mechanism evolving with aging to support higher-level cognitive functioning.

Abstract White matter bundle segmentation using diffusion MRI fiber tractography has become the method of choice to identify white matter fiber pathways in vivo in human brains. However, like other analyses of complex data, there is considerable variability in segmentation protocols and techniques. This can result in different reconstructions of the same intended white matter pathways, which directly affects tractography results, quantification, and interpretation. In this study, we aim to evaluate and quantify the variability that arises from different protocols for bundle segmentation. Through an open call to users of fiber tractography, including anatomists, clinicians, and algorithm developers, 42 independent teams were given processed sets of human whole-brain streamlines and asked to segment 14 white matter fascicles on six subjects. In total, we received 57 different bundle segmentation protocols, which enabled detailed volume-based and streamline-based analyses of agreement and disagreement among protocols for each fiber pathway. Results show that even when given the exact same sets of underlying streamlines, the variability across protocols for bundle segmentation is greater than all other sources of variability in the virtual dissection process, including variability within protocols and variability across subjects. In order to foster the use of tractography bundle dissection in routine clinical settings, and as a fundamental analytical tool, future endeavors must aim to resolve and reduce this heterogeneity. Although external validation is needed to verify the anatomical accuracy of bundle dissections, reducing heterogeneity is a step towards reproducible research and may be achieved through the use of standard nomenclature and definitions of white matter bundles and well-chosen constraints and decisions in the dissection process.

Abstract Determining genetic versus environmental influences on the human brain is of crucial importance to understand the healthy brain as well as in a variety of disease and disorder states. Here we propose a unique, minimal assumption, approach to investigate genetic influence on the functional connectivity of the brain using 260 subjects” (65 monozygotic (MZ) and 65 dizygotic (DZ) healthy young adult twin pairs) resting state fMRI (rsfMRI) data from the Human Connectome Project (HCP). For any given resting state connection between twin pairs, the connection strengths across pairs were subtracted from each other in both directions. By applying the F-Test for equality of variances per connection, we found that there were a number of significant connections that demonstrated greater variance among dizygotic pairs in comparison to monozygotic pairs, implying these connections were under significant genetic influence. These population (DZ-MZ) results remained true irrespective of gender, with the caveat that certain connections were significant on a gender-specific basis. This is the first study to our knowledge to assess the heritability across young healthy adults both in general and specific to gender. Population Results & Discussion At the population level, there appears to be a posterior to anterior gradient of more to less genetic influence on brain connections and networks with visual > temporal, parietal > frontal. There was a high density of genetically-influenced functional connections predominantly involving posterior regions or networks of the brain: Visual Networks (VNs - primary visual, early visual, dorsal stream and ventral stream visual cortices, MT+ complex). These posterior regions of the brain with greater genetic influence are implicated for example in visual, perceptual, dorsal (“where”) and ventral (“what”) visuospatial processing streams (VNs). There was a low-density or paucity of genetically-influenced functional connections predominantly involving anterior regions or networks of the brain comprising Task Positive Networks (TPNs): FrontoParietal Networks (FPNs - dorsolateral prefrontal, orbital and polar frontal, midcingulate, insular and frontal opercular, superior and inferior parietal cortices); FrontoTemporal Networks (FTNs - inferior frontal, posterior opercular, early auditory, auditory association cortices); Sensorimotor Networks (SMNs - premotor, somatosensory, paralobular, and motor cortices); These anterior regions of the brain with lesser genetic influence are implicated in various TPN processes; for example in high-level cognitive and affective processes such as working memory, executive function, reasoning, attentional and impulse control, emotional judgement and decision making (FPNs); language and auditory processes (FTNs); action-planning and movement processes (SMN). There was a mix of high (posterior) and low (anterior) density of genetically influenced functional connections involving the extended Default Mode Network (eDMN). Specifically, there was a high density of genetically-influenced functional connections involving predominantly posterior-medial regions of eDMN - hippocampus and precuneus/posterior cingulate cortices; There was a low density of genetically influenced connections involving anterior regions (anterior cingulate and medial prefrontal) and lateral (inferior parietal, temporoparietooccipital) regions of the eDMN. The eDMN is involved in low-level cognitive and affective processes such as those involved in episodic memory retrieval, mental imagery, introspection, rumination, evaluation of self and others. These differences in genetic influence on posterior (more) vs. anterior (less) brain regions may have implications in terms of the environmental influence (e.g., education, school and work environment, family and home environment, social interaction with friends and peers, medications, nutrition, sports and physical exercise) on posterior (less) vs. anterior (more) portions of the brain during development and later in life. Gender-Specific Results & Discussion As noted at the population level, both males and females were under extensive genetic influence in terms of network interactions involving visual cortices. In addition, males were more genetically influenced in terms of network interactions involving auditory-language related cortices compared to females. This finding suggests that males may be more functionally “hard-wired” and females may be more environmentally influenced and shaped in terms of auditory-language systems than males. As noted at the population level, both males and females were under extensive genetic influence in terms of interactions involving the eDMN which is considered a central hub of the brain for various processes such as internal monitoring, rumination and evaluation of self and others, as noted previously. In addition, males also were more genetically influenced compared to females in terms of intranetwork and internetwork interactions of eDMN and other brain regions (occipital, temporal, parietal, and frontal regions) involved in various task-oriented processes and attending to and interacting with the environment which comprise part of the Task Positive Networks (TPNs). There were also nearly five times more genetically influenced functional connections in males (310) than females (64) suggesting that male brains are more genetically influenced, i.e. functionally “hard-wired”, than females. This result suggests differences in genetic predisposition in males (more) vs. females (less) in terms of interplay of attending to task-oriented interactions with the environment (TPNs) vs. internal and external interactions with self and others (eDMN). This finding may also have implications in terms of brain plasticity differences in males (less) versus females (more) in terms of ability to react or adapt/maladapt to environmental influences (e.g. task completion demands, psychosocial stressors, positive and negative feedback, meditation, cognitive behavioral therapy, pharmacotherapy) and their overall malleability. These results reveal the similarities and differences of genetics and environmental influences on different connections, areas, and networks of the resting state functional brain in young healthy males and females with implications in development and later in life. This unique method can be applied in healthy as well as in patient populations to reveal the genetic and environmental influences on the brain. Significance There were high vs. low genetic influences on posterior vs. anterior brain regions involved in low-level visuospatial processes vs. high-level cognitive processes such as reasoning and language respectively. This finding may have implications in terms of the brain to be environmentally influenced (e.g., school, work and home environment) during development and later in life. There were nearly five times more genetically influenced functional connections in males than females in brain regions involved in task-oriented interactions with environment vs. interactions with self and others. This finding may have implications in terms of brain plasticity differences in males (less) versus females (more) in terms of ability to adapt/maladapt to environmental influences (e.g. task completion demands, psychosocial stressors, various therapies) and their overall malleability. This is the first study to our knowledge to assess the heritability across young healthy adults both in general and specific to gender.

Emerging evidence illustrates that temporal lobe epilepsy (TLE) involves network disruptions represented by hyperexcitability and other seizure-related neural plasticity. However, these associations are not well-characterized. Our study characterizes the whole brain white matter connectome abnormalities in TLE patients compared to healthy controls (HCs) from the prospective Epilepsy Connectome Project study. Furthermore, we assessed whether aberrant white matter connections are differentially related to cognitive impairment and a history of focal-to-bilateral tonic-clonic (FBTC) seizures.

One third of infants who have prenatal Zika virus (ZIKV) exposure and lack significant defects consistent with congenital Zika syndrome (CZS) manifest neurodevelopmental deficits in their second year of life. We hypothesized that prenatal ZIKV exposure would lead to brain abnormalities and neurodevelopmental delays in infant macaques, as measured by quantitative hearing, neurodevelopmental, ocular and brain imaging studies. We inoculated 5 pregnant rhesus macaques with ZIKV during the first trimester, monitored pregnancies with serial ultrasounds, determined plasma viral RNA (vRNA) loads, and evaluated the infants for birth defects and neurodevelopmental deficits during their first week of life. ZIKV-exposed and control infants (n=16) were evaluated with neurobehavioral assessments, ophthalmic examinations, optical coherence tomography, electroretinography with visual evoked potentials, hearing examinations, magnetic resonance imaging (MRI) of the brain, gross post mortem examination, and histopathological and vRNA analyses of approximately 40 tissues and fluids. All 5 dams had ZIKV vRNA in plasma and seroconverted following ZIKV inoculation. One pregnancy resulted in a stillbirth. The ZIKV-exposed infants had decreased cumulative feeding volumes and weight gains compared with control infants, and also had grey matter abnormalities in the pharyngeal motor cortex identified by quantitative voxel-based morphometric comparisons. Quantitative ocular studies identified differences between ZIKV-exposed and control infants in retinal layer thicknesses and electroretinograms that were not identified in qualitative ophthalmic evaluations. Despite these findings of neuropathology, no ZIKV vRNA or IgM was detected in the infants. This suggests that ZIKV exposure without measurable vertical transmission can affect brain development in utero and that subtle neurodevelopmental delays may be detected with quantitative analyses in early infancy. Quantitative brain analyses, such as these, may predict neurodevelopmental delays that manifest later in childhood and allow early intervention and targeted therapies to improve functional outcomes of ZIKV exposed children.

Whilst the concept of a general mental factor known as '

Abstract INTRODUCTION Motor function has correlated with longevity and functionality; however, there is limited research on those with Alzheimer's disease (AD). We studied the association between motor functionality and AD pathology in primary motor and medial temporal cortices. METHODS A total of 206 participants with a clinical diagnosis of cognitively healthy, AD, or mild cognitive impairment (MCI) underwent imaging and motor assessment. Linear regressions and analyses of variance were applied to test the prediction from AD imaging biomarkers to motor performance and the diagnosis group differences in motor performance. RESULTS Increased neurodegeneration was associated with worsening dexterity and lower walking speed, and increased amyloid and tau were associated with worsening dexterity. AD and MCI participants had lower motor performance than the cognitively healthy participants. DISCUSSION Increased AD pathology is associated with worsening dexterity performance. The decline in dexterity in those with AD pathology may offer an opportunity for non‐pharmacological therapy intervention. Highlights Noted worsening dexterity performance was associated with greater Alzheimer's disease (AD) pathology (tau, amyloid beta, and neurodegeneration) in primary motor cortices. Similarly, increased neurodegeneration and tau pathology in parahippocampal, hippocampal, and entorhinal cortices is associated with worsening dexterity performance. Motor performance declined in those with clinical and preclinical AD among an array of motor assessments.