Abstract Decomposition of whole-brain functional connectivity patterns reveals a principal gradient that captures the separation of sensorimotor cortex from heteromodal regions in the default mode network (DMN); this gradient captures the systematic order of networks on the cortical surface. Functional homotopy is strongest in sensorimotor areas, and weakest in heteromodal cortices, suggesting there may be differences between the left and right hemispheres (LH/RH) in the principal gradient, especially towards its apex. This study characterised hemispheric differences in the position of large-scale cortical networks along the principal gradient, and their functional significance. We collected resting-state fMRI and semantic and non-verbal reasoning task performance in 175+ healthy volunteers. We then extracted the principal gradient of connectivity for each participant and tested which networks showed significant hemispheric differences in gradient value. We investigated the functional associations of these differences by regressing participants’ behavioural efficiency in tasks outside the scanner against their interhemispheric gradient difference for each network. LH showed a higher overall principal gradient value, consistent with its role in heteromodal semantic cognition. One frontotemporal control subnetwork was linked to individual differences in semantic cognition: when it was nearer heteromodal DMN on the principal gradient in LH, participants showed more efficient semantic retrieval. In contrast, when a dorsal attention subnetwork was closer to the heteromodal end of the principal gradient in RH, participants showed better visual reasoning. Lateralization of function may reflect differences in connectivity between control and heteromodal regions in LH, and attention and visual regions in RH.

Abstract Recent work has focussed on how patterns of functional change within the temporal lobe relate to whole-brain dimensions of intrinsic connectivity variation (Margulies et al., 2016). We examined two such ‘connectivity gradients’ reflecting the separation of (i) unimodal versus heteromodal and (ii) visual versus auditory-motor cortex, examining visually presented verbal associative and feature judgments, plus picture-based context and emotion generation. Functional responses along the first dimension sometimes showed graded change between modality-tuned and heteromodal cortex (in the verbal matching task), and other times showed sharp functional transitions, with deactivation at the extremes and activation in the middle of this gradient (internal generation). The second gradient revealed more visual than auditory-motor activation, regardless of content (associative, feature, context, emotion) or task process (matching/generation). We also uncovered subtle differences across each gradient for content type, which predominantly manifested as differences in relative magnitude of activation or deactivation.

The default mode network (DMN) lies towards the heteromodal end of the principal gradient of intrinsic connectivity, maximally separated from sensory-motor cortex. It supports memory-based cognition, including the capacity to retrieve conceptual and evaluative information from sensory inputs, and to generate meaningful states internally; however, the functional organisation of DMN that can support these distinct modes of retrieval remains unclear. We used fMRI to examine whether activation within subsystems of DMN differed as a function of retrieval demands, or the type of information to be retrieved, or both. In a picture association task, participants retrieved two types of semantic features about contexts and emotions: in the generate phase, these associations were retrieved from a novel picture, while in a switch phase, participants retrieved a new association for the same image. Semantic context and emotion trials were associated with dissociable DMN subnetworks, indicating that a key dimension of DMN organisation relates to the type of information being accessed. The fronto-temporal and medial temporal DMN showed a preference for emotional and contextual associations, respectively. Relative to the generate phase, the switch phase recruited clusters closer to the heteromodal apex of the principal gradient - a cortical hierarchy separating unimodal and heteromodal regions. There were no differences in this effect between association types. Instead, memory switching was associated with a distinct subnetwork associated with controlled internal cognition. These findings delineate distinct patterns of DMN recruitment for different kinds of associations yet common responses across tasks that reflect retrieval demands.

Abstract Processing pathways between sensory and default mode network (DMN) regions support recognition, navigation, and memory but their organisation is not well understood. We show that functional subdivisions of visual cortex and DMN sit at opposing ends of parallel streams of information processing that support visually-mediated semantic and spatial cognition, providing convergent evidence from univariate and multivariate task responses, intrinsic functional and structural connectivity. Participants learned virtual environments consisting of buildings populated with objects, drawn from either a single semantic category or multiple categories. Later, they made semantic and spatial context decisions about these objects and buildings during functional magnetic resonance imaging. A lateral ventral occipital to frontotemporal DMN pathway was primarily engaged by semantic judgements, while a medial visual to medial temporal DMN pathway supported spatial context judgements. These pathways had distinctive locations in functional connectivity space: the semantic pathway was both further from unimodal systems and more balanced between visual and auditory-motor regions compared with the spatial pathway. When semantic and spatial context information could be integrated (in buildings containing objects from a single category), regions at the intersection of these pathways responded, suggesting that parallel processing streams interact at multiple levels of the cortical hierarchy to produce coherent memory-guided cognition.

Abstract Contemporary neuroscientific accounts suggest that ventral anterior temporal lobe (ATL) regions act as a bilateral heteromodal semantic hub. However, research also shows graded functional differences between the hemispheres relating to linguistic versus non-linguistic semantic tasks and to knowledge of objects versus people. Individual differences in connectivity from bilateral ATL and between left and right ATL might therefore give rise to differences in function within this system. We investigated whether the relative strength of intrinsic connectivity from left and right ATL would relate to differences in performance on semantic tasks. We examined resting-state fMRI in 74 individuals and, in a separate session, examined semantic categorisation, manipulating stimulus type (famous faces versus landmarks) and modality of presentation (visual versus verbal). We found that people with greater connectivity between left and right ATL were more efficient at categorising landmarks, especially when these were presented visually. In addition, participants who showed stronger connectivity from right than left ATL to medial occipital cortex showed more efficient semantic categorisation of landmarks regardless of modality of presentation. These findings show that individual differences in the intrinsic connectivity of left and right ATL are associated with effects of category and modality in semantic categorisation. The results can be interpreted in terms of graded differences in the strengths of inputs from ‘spoke’ regions, such as regions of visual cortex, to a bilateral yet partially segregated semantic ‘hub’, encompassing left and right ATL.

Abstract Language comprehension involves multiple hierarchical processing stages across time, space, and levels of representation. When processing a word, the sensory input is transformed into increasingly abstract representations that need to be integrated with the linguistic context. Thus, language comprehension involves both input-driven as well as memory-dependent processes. While neuroimaging research has identified the most important time windows and brain regions implicated in these processes, recent studies indicate that whole-brain distributed patterns of cortical activation might be highly relevant for cognitive functions, including language. One such pattern, based on resting-state connectivity, is the ‘principal cortical gradient’, which dissociates sensory from heteromodal brain regions. The present study investigated the extent to which this gradient provides an organizational principle underlying language function, using a multimodal neuroimaging dataset of functional magnetic resonance imaging (fMRI) and magnetoencephalography (MEG) recordings from 102 participants during sentence reading. We found that individual representations of a word (word length, orthographic distance and word frequency), which reflect visual, orthographic, and lexical properties, are mainly represented at the sensory end of the gradient. Although these properties showed opposite effect directions in fMRI and MEG, their association to the sensory end of the gradient was consistent across both neuroimaging modalities. In contrast, MEG revealed that properties reflecting a word’s relation to its linguistic context (semantic similarity and position within the sentence) predominantly involve the heteromodal end of the gradient. This dissociation between individual word and contextual properties was stable across earlier and later time windows during word presentation, indicating interactive processing of word representations and linguistic context at opposing ends of the principal gradient. To conclude, our findings indicate that the principal gradient underlies the organization of a range of linguistic representations while supporting a distinction between context-independent and context-dependent representations. Furthermore, the gradient reveals convergent patterns across neuroimaging modalities (similar location along the gradient) in the presence of divergent responses (opposite effect directions).

Abstract Movie watching is a central aspect of our lives and an important paradigm for understanding the brain mechanisms behind cognition as it occurs in daily life. Contemporary views of ongoing thought argue that the ability to make sense of events in the ‘here and now’ depend on the neural processing of incoming sensory information by auditory and visual cortex, which are kept in check by systems in association cortex. However, we currently lack an understanding of how patterns of ongoing thoughts map onto the different brain systems when we watch a film, partly because methods of sampling experience disrupt the dynamics of brain activity and the movie-watching experience. Our study established a novel method for mapping thought patterns onto the brain activity that occurs at different moments of a film, which does not disrupt the time course of brain activity or the movie-watching experience. We found moments when experience sampling highlighted engagement with multi-sensory features of the film or highlighted thoughts with episodic features, regions of sensory cortex were more active and subsequent memory for events in the movie was better—on the other hand, periods of intrusive distraction emerged when activity in regions of association cortex within the frontoparietal system was reduced. These results highlight the critical role sensory systems play in the multi-modal experience of movie-watching and provide evidence for the role of association cortex in reducing distraction when we watch films. Significance statement States like movie-watching provide a window into the brain mechanisms behind cognition in daily life. However, we know relatively little about the mapping between brain activity during movies and associated thought patterns because of difficulties in measuring cognition without disrupting how brain activity naturally unfolds. We establish a novel method to link different experiential states to brain activity during movie-watching with minimal interruptions to viewers or disruptions to brain dynamics. We found states of sensory engagement occur in moments of films when activity in visual and auditory cortex are high. In contrast, states of distraction are reduced when activity in frontoparietal regions is high. Our study, therefore, establishes both sensory and association cortex as core features of the movie-watching experience.