Here we describe a functional magnetic resonance imaging study of humans engaged in memory search during a free recall task. Patterns of cortical activity associated with the study of three categories of pictures (faces, locations, and objects) were identified by a pattern-classification algorithm. The algorithm was used to track the reappearance of these activity patterns during the recall period. The reappearance of a given category's activity pattern correlates with verbal recalls made from that category and precedes the recall event by several seconds. This result is consistent with the hypothesis that category-specific activity is cueing the memory system to retrieve studied items.

Abstract Microstructural mechanisms underlying apparent cortical thinning during childhood development are unknown. Using functional, quantitative, and diffusion magnetic resonance imaging in children and adults, we tested if tissue growth (lower T1 relaxation time and mean diffusivity (MD)) or pruning (higher T1 and MD) underlies cortical thinning in ventral temporal cortex (VTC). After age 5, T 1 and MD decreased in mid and deep cortex of functionally-defined regions in lateral VTC, and in their adjacent white matter. T1 and MD decreases were (i) consistent with tissue growth related to myelin proliferation, which we verified with adult postmortem histology and (ii) correlated with apparent cortical thinning. Thus, contrary to prevailing theories, cortical tissue does not thin during childhood, it becomes more myelinated, shifting the gray-white matter boundary deeper into cortex. As tissue growth is prominent in regions with protracted functional development, our data suggest an intriguing hypothesis that functional development and myelination are interlinked.

Abstract Human ventral temporal cortex (VTC) contains category-selective regions that respond preferentially to ecologically-relevant categories such as faces, bodies, places, and words, which are causally involved in the perception of these categories. How do these regions develop during childhood? We used functional MRI to measure longitudinal development of category-selectivity in school-age children over 1 to 5 years. We discovered that from young childhood to the teens, face- and word-selective regions in VTC expand and become more category-selective, but limb-selective regions shrink and lose their preference for limbs. Critically, as a child develops, increases in face- and word-selectivity are directly linked to decreases in limb-selectivity, revealing that during childhood limb-selectivity in VTC is repurposed into word- and face-selectivity. These data provide evidence for cortical recycling during childhood development. This has important implications for understanding typical as well as atypical brain development and necessitates a rethinking of how cortical function develops during childhood.

Development of cortical tissue during infancy is critical for the emergence of typical brain functions in cortex. However, how cortical microstructure develops during infancy remains unknown. We measured the longitudinal development of cortex from newborns to six-months-old infants using multimodal quantitative imaging of cortical microstructure. Here we show that infants' cortex undergoes profound microstructural tissue growth during the first six months of human life. Comparison of postnatal to prenatal transcriptomic gene expression data demonstrates that myelination and synaptic processes are dominant contributors to this postnatal microstructural tissue growth. Using visual cortex as a model system, we find hierarchical microstructural growth: higher-level visual areas have less mature tissue at birth than earlier visual areas but grow at faster rates. This overturns the prevailing view that visual areas that are most mature at birth develop fastest. Together, in vivo, longitudinal, and quantitative measurements, which we validated with ex vivo transcriptomic data, shed new light on the rate, sequence, and specific biological mechanisms of developing cortical systems. Importantly, our findings propose a new hypothesis that cortical myelination is a key factor in cortical development during early infancy, which has significant implications for diagnosis of neurodevelopmental disorders and delays in infants.

Abstract Ventral temporal cortex (VTC) consists of high-level visual regions that are arranged in consistent anatomical locations across individuals. This consistency has led to several hypotheses about the factors that constrain the functional organization of VTC. A prevailing theory is that white matter connections influence the organization of VTC, however, the nature of this constraint is unclear. Here, we test two hypotheses: (1) white matter tracts are specific for each category or (2) white matter tracts are specific to cytoarchitectonic areas of VTC. To test these hypotheses, we used diffusion magnetic resonance imaging (dMRI) to identify white matter tracts and functional magnetic resonance imaging (fMRI) to identify category-selective regions in VTC in children and adults. We find that in childhood, white matter connections are linked to cytoarchitecture rather than category-selectivity. In adulthood, however, white matter connections are linked to both cytoarchitecture and category-selectivity. These results suggest a rethinking of the view that category-selective regions in VTC have category-specific white matter connections early in development. Instead, these findings suggest that the neural hardware underlying the processing of categorical stimuli may be more domain-general than previously thought, particularly in childhood.

Abstract Regions in ventral temporal cortex (VTC) that are involved in visual recognition of categories like words and faces, undergo differential development during childhood. However, categories are also represented in distributed responses across VTC. How do distributed category representations develop and relate to behavioral changes in recognition? Here, we used fMRI to longitudinally measure the development of distributed responses across VTC to 10 categories in school-age children over several years. Our results reveal both strengthening and weakening of category representations with age, which was mainly driven by changes across category-selective voxels. Representations became particularly more distinct for words in the left hemisphere and for faces bilaterally. Critically, distinctiveness for words and faces across category-selective voxels in left and right lateral VTC, respectively, predicted individual children’s word and face recognition performance. These results suggest that the development of distributed VTC representations has behavioral ramifications and advance our understanding of prolonged cortical development during childhood.

Development of myelin, a fatty sheath that insulates nerve fibers, is critical for brain function. Myelination during infancy has been studied with histology, but postmortem data cannot evaluate the longitudinal trajectory of white matter development. Here, we obtained longitudinal diffusion MRI and quantitative MRI measures of R1 in 0, 3 and 6 months-old human infants, and (ii) developed an automated method to identify white matter bundles and quantify their properties in each infant’s brain. We find that R1 increases from newborns to 6-months-olds in all bundles. R1 development is nonuniform: there is faster development in white matter that is less mature in newborns, and along inferior-to-superior as well as anterior-to-posterior spatial gradients. As R1 is linearly related to myelin fraction in white matter bundles, these findings open new avenues to elucidate typical and atypical white matter myelination in early infancy, which has important implications for early identification of neurodevelopmental disorders.

The evolution and development of anatomical-functional relationships in the cerebral cortex is of major interest in neuroscience. Here, we leveraged the fact that a functional region selective for visual scenes is located within a sulcus in medial ventral temporal cortex (VTC) in both humans and macaques to examine the relationship between sulcal depth and place-selectivity in medial VTC across species and age groups. To do so, we acquired anatomical and functional magnetic resonance imaging scans in 9 macaques, 26 human children, and 28 human adults. Our results revealed a strong structural-functional coupling between sulcal depth and place-selectivity across age groups and species in which selectivity was strongest at the deepest sulcal point (the sulcal pit). Interestingly, this coupling between sulcal depth and place-selectivity strengthens from childhood to adulthood in humans. Morphological analyses suggest that the stabilization of sulcal-functional coupling in adulthood may be due to sulcal deepening and areal expansion with age as well as developmental differences in cortical curvature at the pial, but not the white matter surfaces. Our results implicate sulcal features as functional landmarks in high-level visual cortex and highlight that sulcal-functional relationships in medial VTC are preserved between macaques and humans despite differences in cortical folding.

Category-selective regions in ventral temporal cortex (VTC) have a consistent anatomical organization, which is hypothesized to be scaffolded by white matter connections. However, it is unknown how white matter connections are organized from birth. Here, we scanned newborn to 6-month-old infants and adults and used a data-driven approach to determine the organization of the white matter connections of VTC. We find that white matter connections are organized by cytoarchitecture, eccentricity, and category from birth. Connectivity profiles of functional regions in the same cytoarchitectonic area are similar from birth and develop in parallel, with decreases in endpoint connectivity to lateral occipital, and parietal, and somatosensory cortex, and increases to lateral prefrontal cortex. Additionally, connections between VTC and early visual cortex are organized topographically by eccentricity bands and predict eccentricity biases in VTC. These data have important implications for theories of cortical functional development and open new possibilities for understanding typical and atypical white matter development.

Becoming a proficient reader requires substantial learning over many years. However, it is unknown how learning to read affects development of distributed visual representations across human ventral temporal cortex (VTC). Using fMRI and a data-driven, computational approach, we quantified the development of distributed VTC responses to characters (pseudowords and numbers) vs. other domains in children, preteens, and adults. Results reveal anatomical- and hemisphere-specific development. With development, distributed responses to words and characters became more distinctive and informative in lateral but not medial VTC, and in the left but not right hemisphere. While development of voxels with both positive (that is, word-selective) and negative preference to words affected distributed information, only development of word-selective voxels predicted reading ability. These data show that developmental increases in informativeness of distributed left lateral VTC responses enable proficient reading and have important implications for both developmental theories and for elucidating neural mechanisms of reading disabilities.