ABSTRACT Similarities and differences in brain structure and function across species is of major interest in systems neuroscience, comparative biology, and brain mapping. Recently, increased emphasis has been placed on tertiary sulci, which are shallow indentations of the cerebral cortex that appear last in gestation, continue to develop after birth, and are largely either human- or hominoid-specific. While tertiary sulcal morphology in lateral prefrontal cortex (LPFC) has been linked to functional representations and cognition in humans, it is presently unknown if LPFC tertiary sulci also exist in non-human hominoids. To fill this gap in knowledge, we leveraged two freely available multimodal datasets to address the following main question: Can LPFC tertiary sulci be defined in chimpanzee cortical surfaces from human predictions? We found that 1-3 components of the posterior middle frontal sulcus (pmfs) in the posterior middle frontal gyrus are identifiable in nearly all chimpanzee hemispheres. In stark contrast to the consistency of the pmfs components, we could only identify components of the paraintermediate frontal sulcus (pimfs) in two chimpanzee hemispheres. LPFC tertiary sulci were relatively smaller and shallower in chimpanzees compared to humans. In both species, two of the pmfs components were deeper in the right compared to the left hemisphere. As these results have direct implications for future studies interested in the functional and cognitive role of LPFC tertiary sulci across species, we share probabilistic predictions of the three pmfs components to guide the definitions of these sulci in future studies.

Abstract The neuroanatomical changes that underpin cognitive development is of major interest in neuroscience. Of the many aspects of neuroanatomy to consider, tertiary sulci are particularly appealing as they emerge last in gestation, show a protracted development after birth, and are either human- or hominoid-specific. Thus, they are ideal targets for exploring morphological-cognitive relationships with cognitive skills, such as verbal working memory (WM), that also show protracted development. Yet, the relationship between sulcal morphology and verbal WM is unknown, either in development or more generally. To fill this gap, we adopted a data-driven approach with cross-validation to examine the relationship between sulcal depth in lateral prefrontal cortex (LPFC) and verbal WM in 60 participants ages 6-18. These analyses identified nine left, but not right, LPFC sulci (of which six were tertiary) whose depth predicted verbal WM performance. Most of these sulci are located within and around contours of functionally defined parcellations of LPFC proposed previously. This sulcal depth model out-performed models with age or cortical thickness. Taken together, these findings contribute to building empirical support for a classic theory that tertiary sulci serve as landmarks in association cortices that contribute to aspects of human behavior that show a protracted development.

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 While the disproportionate expansion of lateral prefrontal cortex (LPFC) in humans compared to non-human primates is accepted, the relationship between evolutionarily new LPFC brain structures and uniquely human cognitive skills is largely unknown. Here, we tested the relationship between variability in evolutionarily new LPFC tertiary sulci and reasoning skills in a pediatric cohort. A novel data-driven approach in independent discovery and replication samples revealed that the depth of specific LPFC tertiary sulci predicts individual differences in reasoning skills beyond age. These findings support a classic, yet untested, theory linking the protracted development of tertiary sulci to late-developing cognitive processes. We suggest that deeper LPFC tertiary sulci reflect reduced short-range connections in white matter, which in turn, improve the efficiency of local neural signals underlying cognitive skills such as reasoning that are central to human cognitive development. To expedite discoveries in future neuroanatomical-behavioural studies, we share sulcal definitions with the field.

Abstract Understanding the relationship between neuroanatomy and function in portions of human cortex that are expanded compared to other mammals such as lateral prefrontal cortex (LPFC) is of major interest in systems and cognitive neuroscience. When considering neuroanatomical-functional relationships in LPFC, shallow indentations in cortex known as tertiary sulci have been largely ignored. Here, by implementing a multi-modal approach and manually defining 936 neuroanatomical structures in 72 hemispheres (males and females), we show that a subset of these overlooked tertiary sulci serve as a meso-scale link between microstructural (myelin content) and functional (network connectivity) properties of human LPFC in individuals. For example, the posterior middle frontal sulcus ( pmfs ) is a tertiary sulcus with three components that differ in their myelin content, resting state connectivity profiles, and engagement across meta-analyses of 83 cognitive tasks. Further, generating microstructural profiles of myelin content across cortical depths for each pmfs component and the surrounding middle frontal gyrus (MFG) shows that both gyral and sulcal components of the MFG have greater myelin content in deeper compared to superficial layers and that the myelin content in superficial layers of the gyral components is greater than sulcal components. These findings support a classic, yet largely unconsidered theory that tertiary sulci may serve as landmarks in association cortices, as well as a modern cognitive neuroscience theory proposing a functional hierarchy in LPFC. As there is a growing need for computational tools that automatically define tertiary sulci throughout cortex, we share pmfs probabilistic sulcal maps with the field. Significance statement Lateral prefrontal cortex (LPFC) is critical for higher-order cognitive control and goal-directed behavior and is disproportionately expanded in the human brain. However, relationships between fine-scale neuroanatomical structures largely specific to hominoid cortex and functional properties of LPFC remain elusive. Here, we show that these structures, which have been largely neglected throughout history, surprisingly serve as markers for anatomical and functional organization in human LPFC. These findings have theoretical, methodological, developmental, and evolutionary implications for improved understanding of neuroanatomical-functional relationships not only in LPFC, but also in association cortices more broadly. Finally, these findings ignite new questions regarding how morphological features of these neglected neuroanatomical structures contribute to functions of association cortices that are critical for human-specific aspects of cognition.

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 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.

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.