We describe the Queensland Twin Adolescent Brain (QTAB) dataset and provide a detailed methodology and technical validation to facilitate data usage. The QTAB dataset comprises multimodal neuroimaging, as well as cognitive and mental health data collected in adolescent twins over two sessions (session 1: N = 422, age 9-14 years; session 2: N = 304, 10-16 years). The MRI protocol consisted of T1-weighted (MP2RAGE), T2-weighted, FLAIR, high-resolution TSE, SWI, resting-state fMRI, DWI, and ASL scans. Two fMRI tasks were added in session 2: an emotional conflict task and a passive movie-watching task. Outside of the scanner, we assessed cognitive function using standardised tests. We also obtained self-reports of symptoms for anxiety and depression, perceived stress, sleepiness, pubertal development measures, and risk and protective factors. We additionally collected several biological samples for genomic and metagenomic analysis. The QTAB project was established to promote health-related research in adolescence.

SUMMARY Memory consolidation after learning involves spontaneous, brain-wide network reorganization during rest and sleep, but how this is achieved is still poorly understood. Current theory suggests that the hippocampus is pivotal for reshaping the connectivity. Here we identify that a different set of spontaneous networks and their hubs are instrumental in consolidating memory during post-learning rest. We found that two types of spatial memory training invoke distinct functional connections, but a network of the sensory cortex and subcortical areas is common for both tasks. Furthermore, learning increased brain-wide network integration, with the prefrontal, striatal and thalamic areas being influential for this network-level reconfiguration. Chemogenetic suppression of each hub identified after learning resulted in retrograde amnesia, confirming the behavioral significance. These results demonstrate the causal and functional roles of resting-state network hubs in memory consolidation and suggest a distributed network beyond the hippocampus subserving this process.

Various techniques, including optogenetics, chemogenetics, electrical stimulation, and lesions are used to probe brain function and dysfunction. However, the mechanistic consequences of such manipulations at the whole-brain scale remain poorly understood. This information is necessary for a proper interpretation of the functional consequences of local alterations. Combining mouse experimental datasets of focal interventions (thalamic lesion and chemogenetic silencing of cortical hubs), we demonstrate both local and global effects. Utilizing advanced whole-brain simulations of experimental data, we not only confirm the distributed nature of local manipulations but also offer mechanistic insights into these processes. Our simulations predict that the reconfiguration of hemodynamic functional connectivity is tightly coupled with the modulation of neurophysiological activity. This includes alterations in firing rates and spectral characteristics across specific brain networks, leading to structured changes in functional connectivity patterns. Crucially, the brain subnetworks most profoundly impacted are contingent upon the precise site of local intervention. Thus, these subnetworks serve as distinctive fingerprints, enabling pinpoint localization of the altered brain region. This knowledge holds the potential to inform clinical decision-making and address focal brain pathologies by developing circuit-level interventions and customized neuromodulation therapies.

Waste from the brain is cleared via a cerebrospinal fluid (CSF) exchange pathway, the dysfunction of which is suggested to underlie the pathogenesis of many brain conditions. Coherent cerebrovascular oscillation that couples with pulsatile CSF inflow is suggested to drive the fluid flux. However, how this coupling is regulated, whether it mediates waste clearance, and why fluid flux is impaired in disease status remain unclear. Here we show that vascular-CSF coupling correlates with cortical cholinergic activity in non-demented aged humans. The causal role of basal forebrain cholinergic neurons that project to the cortex is then verified by specific lesioning in mice, revealing correlated changes in vascular-CSF coupling, arterial pulsation and glymphatic flux, which can be altered by an acetylcholinesterase inhibitor. These results suggest a neurovascular mechanism by which CSF/glymphatic flux is modulated by cholinergic neuronal activity, thereby providing a conceptual basis for the development of diagnostics and treatments for glymphatic dysfunction.

Abstract The neural circuit of the brain is organized as a hierarchy of functional units with wide-ranging connections that support information flow and functional connectivity. Studies using magnetic resonance imaging (MRI) indicate a moderate coupling between structural and functional connectivity at the system level. However, how do connections of different directions (feedforward and feedback) and regions with different excitatory and inhibitory (E/I) neurons shape the hemodynamic activity and functional connectivity over the hierarchy are unknown. Here, we used functional MRI to detect optogenetic-evoked and resting-state activities over a somatosensory pathway in the mouse brain in relation to axonal projection and E/I distribution. Using a highly sensitive ultrafast imaging, we identified extensive activation in regions up to the third order of axonal projections following optogenetic excitation of the ventral posteriomedial nucleus of the thalamus. The evoked response and functional connectivity correlated with feedforward projections more than feedback projections and weakened with the hierarchy. The hemodynamic response exhibited regional and hierarchical differences, with slower and more variable responses in high-order areas and bipolar response predominantly in the contralateral cortex. Importantly, the positive and negative parts of the hemodynamic response correlated with E/I neuronal densities, respectively. Furthermore, resting-state functional connectivity was more associated with E/I distribution whereas stimulus-evoked effective connectivity followed structural wiring. These findings indicate that the structure-function relationship is projection-, cell-type- and hierarchy-dependent. Hemodynamic transients could reflect E/I activity and the increased complexity of hierarchical processing. Significance Statement The neural circuit of the brain is organized as a hierarchy of functional units with complicated feedforward and feedback connections to selectively enhance (excitation) or suppress (inhibit) information from massive sensory inputs. How brain activity is shaped by the structural wiring and excitatory and inhibitory neurons is still unclear. We characterize how brain-wide hemodynamic responses reflect these structural constituents over the hierarchy of a somatosensory pathway. We find that functional activation and connectivity correlate with feedforward connection strengths and neuronal distributions. This association subsides with hierarchy due to slower and more variable hemodynamic responses, reflecting increased complexity of processing and neuronal compositions in high-order areas. Our findings indicate that hemodynamics follow the hierarchy of structural wiring and neuronal distribution.

Motivation: Conventional use of typical T2* weighted sequences such as FLASH post iron-oxide contrast injection exhibits an enhanced microvascular weighting but neglects changes in pial vessels due to strong dephasing defects. Goal(s): Our goal is to study changes in the pial vessels which will hopefully aid in the interpretation of non-BOLD fMRI signals and help us understand the CBV fMRI signal at a deeper level. Approach: We utilised a radial UTE sequence post-contrast injection with short TE and short readout duration Results: We found consistent positive signal changes in the visual cortex and pial surface. Impact: We found positive signal changes at the pial surface and in the visual cortex upon stimulation. This might indicate the involvement of both micro- and macrovasculature and provide further insights into cerebral-blood-volume changes across vascular compartments.

Abstract Task-free functional connectivity in animal models provides an experimental framework to examine connectivity phenomena under controlled conditions and allows comparison with invasive or terminal procedures. To date, animal acquisitions are performed with varying protocols and analyses that hamper result comparison and integration. We introduce StandardRat , a consensus rat functional MRI acquisition protocol tested across 20 centers. To develop this protocol with optimized acquisition and processing parameters, we initially aggregated 65 functional imaging datasets acquired in rats from 46 centers. We developed a reproducible pipeline for the analysis of rat data acquired with diverse protocols and determined experimental and processing parameters associated with a more robust functional connectivity detection. We show that the standardized protocol enhances biologically plausible functional connectivity patterns, relative to pre-existing acquisitions. The protocol and processing pipeline described here are openly shared with the neuroimaging community to promote interoperability and cooperation towards tackling the most important challenges in neuroscience.

Motivation: We address the need for standardization and collaboration in rat sensory-evoked fMRI by providing evidence-based recommendations and open-access datasets, fostering community growth. Goal(s): We aim to assess inter- and intra-datasets variability, focusing on image acquisition and experimental protocols, and to optimize analysis by comparing hemodynamic response functions and denoising methods. Approach: We collected 17 rat datasets from 10 centers, applied standardized preprocessing, and analyzed the sensory-evoked responses at individual and groups levels. Project code is openly available. Results: Our study revealed significant diversity in rat attributes, anesthesia protocols, and imaging acquisition parameters across datasets. We are currently optimizing analyses to strengthen protocol robustness. Impact: We present evidence for the substantial heterogeneity intra- and inter-datasets of rat sensory-evoked fMRI. We will provide guidelines to enhance reproducibility, facilitate cross-laboratory comparisons, collaborations in neuroimaging research, and encourage more robust findings with potential translational applications.

The ability to modulate specific neural circuits and simultaneously visualize and measure brain activity with MRI would greatly impact understanding brain function in health and disease. The combination of neurostimulation methods and MRI in animal models have already shown promise in elucidating fundamental mechanisms associated with brain activity. We developed an innovative magnetogenetics neurostimulation technology that can trigger neural activity through magnetic fields. Similar to other genetic-based neuromodulation methods, magnetogenetics offers cell-, area- and temporal-specific control of neural activity. However, the magnetogenetics protein (Electromagnetic Preceptive Gene (EPG)) are activated by non-invasive magnetic fields, providing a unique way to target neural circuits by the MRI gradients while simultaneously measure their effect on brain activity. EPG was expressed in rat visual cortex and the amplitude of low-frequency fluctuation (fALFF), resting-state functional connectivity (FC), and sensory activation was measured using a 7T MRI. The results demonstrate that EPG-expressing rats had significantly higher signal fluctuations in the visual areas and stronger FC in sensory areas consistent with known anatomical visuosensory and visuomotor connections. This new technology complements the existing neurostimulation toolbox and provides a mean to study brain function in a minimally-invasive way which was not possible previously.