A baseline or control state is fundamental to the understanding of most complex systems. Defining a baseline state in the human brain, arguably our most complex system, poses a particular challenge. Many suspect that left unconstrained, its activity will vary unpredictably. Despite this prediction we identify a baseline state of the normal adult human brain in terms of the brain oxygen extraction fraction or OEF. The OEF is defined as the ratio of oxygen used by the brain to oxygen delivered by flowing blood and is remarkably uniform in the awake but resting state (e.g., lying quietly with eyes closed). Local deviations in the OEF represent the physiological basis of signals of changes in neuronal activity obtained with functional MRI during a wide variety of human behaviors. We used quantitative metabolic and circulatory measurements from positron-emission tomography to obtain the OEF regionally throughout the brain. Areas of activation were conspicuous by their absence. All significant deviations from the mean hemisphere OEF were increases, signifying deactivations, and resided almost exclusively in the visual system. Defining the baseline state of an area in this manner attaches meaning to a group of areas that consistently exhibit decreases from this baseline, during a wide variety of goal-directed behaviors monitored with positron-emission tomography and functional MRI. These decreases suggest the existence of an organized, baseline default mode of brain function that is suspended during specific goal-directed behaviors.

During performance of attention-demanding cognitive tasks, certain regions of the brain routinely increase activity, whereas others routinely decrease activity. In this study, we investigate the extent to which this task-related dichotomy is represented intrinsically in the resting human brain through examination of spontaneous fluctuations in the functional MRI blood oxygen level-dependent signal. We identify two diametrically opposed, widely distributed brain networks on the basis of both spontaneous correlations within each network and anticorrelations between networks. One network consists of regions routinely exhibiting task-related activations and the other of regions routinely exhibiting task-related deactivations. This intrinsic organization, featuring the presence of anticorrelated networks in the absence of overt task performance, provides a critical context in which to understand brain function. We suggest that both task-driven neuronal responses and behavior are reflections of this dynamic, ongoing, functional organization of the brain.

Control regions in the brain are thought to provide signals that configure the brain's moment-to-moment information processing. Previously, we identified regions that carried signals related to task-control initiation, maintenance, and adjustment. Here we characterize the interactions of these regions by applying graph theory to resting state functional connectivity MRI data. In contrast to previous, more unitary models of control, this approach suggests the presence of two distinct task-control networks. A frontoparietal network included the dorsolateral prefrontal cortex and intraparietal sulcus. This network emphasized start-cue and error-related activity and may initiate and adapt control on a trial-by-trial basis. The second network included dorsal anterior cingulate/medial superior frontal cortex, anterior insula/frontal operculum, and anterior prefrontal cortex. Among other signals, these regions showed activity sustained across the entire task epoch, suggesting that this network may control goal-directed behavior through the stable maintenance of task sets. These two independent networks appear to operate on different time scales and affect downstream processing via dissociable mechanisms.

On the basis of task-related imaging studies in normal human subjects, it has been suggested that two attention systems exist in the human brain: a bilateral dorsal attention system involved in top-down orienting of attention and a right-lateralized ventral attention system involved in reorienting attention in response to salient sensory stimuli. An important question is whether this functional organization emerges only in response to external attentional demands or is represented more fundamentally in the internal dynamics of brain activity. To address this question, we examine correlations in spontaneous fluctuations of the functional MRI blood oxygen level-dependent signal in the absence of task, stimuli, or explicit attentional demands. We identify a bilateral dorsal attention system and a right-lateralized ventral attention system solely on the basis of spontaneous activity. Further, we observe regions in the prefrontal cortex correlated with both systems, a potential mechanism for mediating the functional interaction between systems. These findings demonstrate that the neuroanatomical substrates of human attention persist in the absence of external events, reflected in the correlation structure of spontaneous activity.

Alzheimer's disease (AD) and antecedent factors associated with AD were explored using amyloid imaging and unbiased measures of longitudinal atrophy in combination with reanalysis of previous metabolic and functional studies. In total, data from 764 participants were compared across five in vivo imaging methods. Convergence of effects was seen in posterior cortical regions, including posterior cingulate, retrosplenial, and lateral parietal cortex. These regions were active in default states in young adults and also showed amyloid deposition in older adults with AD. At early stages of AD progression, prominent atrophy and metabolic abnormalities emerged in these posterior cortical regions; atrophy in medial temporal regions was also observed. Event-related functional magnetic resonance imaging studies further revealed that these cortical regions are active during successful memory retrieval in young adults. One possibility is that lifetime cerebral metabolism associated with regionally specific default activity predisposes cortical regions to AD-related changes, including amyloid deposition, metabolic disruption, and atrophy. These cortical regions may be part of a network with the medial temporal lobe whose disruption contributes to memory impairment.

Resting state studies of spontaneous fluctuations in the functional MRI (fMRI) blood oxygen level dependent (BOLD) signal have shown great promise in mapping the brain's intrinsic, large-scale functional architecture. An important data preprocessing step used to enhance the quality of these observations has been removal of spontaneous BOLD fluctuations common to the whole brain (the so-called global signal). One reproducible consequence of global signal removal has been the finding that spontaneous BOLD fluctuations in the default mode network and an extended dorsal attention system are consistently anticorrelated, a relationship that these two systems exhibit during task performance. The dependence of these resting-state anticorrelations on global signal removal has raised important questions regarding the nature of the global signal, the validity of global signal removal, and the appropriate interpretation of observed anticorrelated brain networks. In this study, we investigate several properties of the global signal and find that it is, indeed, global, not residing preferentially in systems exhibiting anticorrelations. We detail the influence of global signal removal on resting state correlation maps both mathematically and empirically, showing an enhancement in detection of system-specific correlations and improvement in the correspondence between resting-state correlations and anatomy. Finally, we show that several characteristics of anticorrelated networks including their spatial distribution, cross-subject consistency, presence with modified whole brain masks, and existence before global regression are not attributable to global signal removal and therefore suggest a biological basis.

The thickness of the cerebral cortex was measured in 106 non-demented participants ranging in age from 18 to 93 years. For each participant, multiple acquisitions of structural T1-weighted magnetic resonance imaging (MRI) scans were averaged to yield high-resolution, high-contrast data sets. Cortical thickness was estimated as the distance between the gray/white boundary and the outer cortical surface, resulting in a continuous estimate across the cortical mantle. Global thinning was apparent by middle age. Men and women showed a similar degree of global thinning, and did not differ in mean thickness in the younger or older groups. Age-associated differences were widespread but demonstrated a patchwork of regional atrophy and sparing. Examination of subsets of the data from independent samples produced highly similar age-associated patterns of atrophy, suggesting that the specific anatomic patterns within the maps were reliable. Certain results, including prominent atrophy of prefrontal cortex and relative sparing of temporal and parahippocampal cortex, converged with previous findings. Other results were unexpected, such as the finding of prominent atrophy in frontal cortex near primary motor cortex and calcarine cortex near primary visual cortex. These findings demonstrate that cortical thinning occurs by middle age and spans widespread cortical regions that include primary as well as association cortex.