The need to breathe links the mammalian olfactory system inextricably to the respiratory rhythms that draw air through the nose. In rodents and other small animals, slow oscillations of local field potential activity are driven at the rate of breathing (∼2–12 Hz) in olfactory bulb and cortex, and faster oscillatory bursts are coupled to specific phases of the respiratory cycle. These dynamic rhythms are thought to regulate cortical excitability and coordinate network interactions, helping to shape olfactory coding, memory, and behavior. However, while respiratory oscillations are a ubiquitous hallmark of olfactory system function in animals, direct evidence for such patterns is lacking in humans. In this study, we acquired intracranial EEG data from rare patients (Ps) with medically refractory epilepsy, enabling us to test the hypothesis that cortical oscillatory activity would be entrained to the human respiratory cycle, albeit at the much slower rhythm of ∼0.16–0.33 Hz. Our results reveal that natural breathing synchronizes electrical activity in human piriform (olfactory) cortex, as well as in limbic-related brain areas, including amygdala and hippocampus. Notably, oscillatory power peaked during inspiration and dissipated when breathing was diverted from nose to mouth. Parallel behavioral experiments showed that breathing phase enhances fear discrimination and memory retrieval. Our findings provide a unique framework for understanding the pivotal role of nasal breathing in coordinating neuronal oscillations to support stimulus processing and behavior. SIGNIFICANCE STATEMENT Animal studies have long shown that olfactory oscillatory activity emerges in line with the natural rhythm of breathing, even in the absence of an odor stimulus. Whether the breathing cycle induces cortical oscillations in the human brain is poorly understood. In this study, we collected intracranial EEG data from rare patients with medically intractable epilepsy, and found evidence for respiratory entrainment of local field potential activity in human piriform cortex, amygdala, and hippocampus. These effects diminished when breathing was diverted to the mouth, highlighting the importance of nasal airflow for generating respiratory oscillations. Finally, behavioral data in healthy subjects suggest that breathing phase systematically influences cognitive tasks related to amygdala and hippocampal functions.

Reasoning about someone’s thoughts and intentions—i.e., forming a “theory of mind”—is a core aspect of social cognition and relies on association areas of the brain that have expanded disproportionately in the human lineage. We recently showed that these association zones comprise parallel distributed networks that, despite occupying adjacent and interdigitated regions, serve dissociable functions. One network is selectively recruited by social cognitive processes. What circuit properties differentiate these parallel networks? Here, we show that social cognitive association areas are intrinsically and selectively connected to anterior regions of the medial temporal lobe that are implicated in emotional learning and social behaviors, including the amygdala at or near the basolateral complex and medial nucleus. The results suggest that social cognitive functions emerge through coordinated activity between internal circuits of the amygdala and a broader distributed association network, and indicate the medial nucleus may play an important role in social cognition in humans.

Reasoning about someone9s thoughts and intentions — i.e., forming a theory of mind — is an important aspect of social cognition that relies on association areas of the brain that have expanded disproportionately in the human lineage. We recently showed that these association zones comprise parallel distributed networks that, despite occupying adjacent and interdigitated regions, serve dissociable functions. One network is selectively recruited by theory of mind processes. What circuit properties differentiate these parallel networks? Here, we show that social cognitive association areas are intrinsically and selectively connected to regions of the anterior medial temporal lobe that are implicated in emotional learning and social behaviors, including the amygdala at or near the basolateral complex and medial nucleus. The results suggest that social cognitive functions emerge through coordinated activity between amygdala circuits and a distributed association network, and indicate the medial nucleus may play an important role in social cognition in humans.

Abstract Studies of neuronal oscillations have contributed substantial insight into the mechanisms of visual, auditory and somatosensory perception. However, progress in such research in the human olfactory system has lagged behind. As a result, the electrophysiological properties of the human olfactory system are poorly understood, and in particular, whether stimulus-driven high frequency oscillations play a role in odor processing is unknown. Here, we used direct intracranial recordings from human piriform cortex during an odor identification task to show that three key oscillatory rhythms are an integral part of the human olfactory cortical response to smell: odor induces theta, beta and gamma rhythms in human piriform cortex. We further show that these rhythms have distinct relationships with perceptual behavior. Odor-elicited gamma oscillations occur only during trials in which the odor is accurately perceived, and features of gamma oscillations predict odor identification accuracy, suggesting they are critical for odor identity perception in humans. We also found that the amplitude of high-frequency oscillations is organized by the phase of low frequency signals shortly following sniff onset, only when odor is present. Our findings reinforce previous work on theta oscillations, suggest that gamma oscillations in human piriform cortex are important for perception of odor identity, and constitute a robust identification of the characteristic electrophysiological response to smell in the human brain. Future work will determine whether the distinct oscillations we identified reflect distinct perceptual features of odor stimuli.

Non-invasive neuroimaging has revealed specific network-based resting-state dynamics in the human brain, yet the underlying neurophysiological mechanism remains unclear. We employed intracranial electroencephalography to characterize local field potentials within the default mode network (DMN), frontoparietal network (FPN), and salience network (SN) in 42 participants. We identified stronger within-network phase coherence at low frequencies (θ and α band) within the DMN, and at high frequencies (γ band) within the FPN. Hidden Markov modeling indicated that the DMN exhibited preferential low frequency phase coupling. Phase-amplitude coupling (PAC) analysis revealed that the low-frequency phase in the DMN modulated the high-frequency amplitude envelopes of the FPN, suggesting frequency-dependent characterizations of intrinsic brain networks at rest. These findings provide intracranial electrophysiological evidence in support of the network model for intrinsic organization of human brain and shed light on the way brain networks communicate at rest.

Abstract Neuroimaging studies of hemodynamic fluctuations have shown specific network-based organization of the brain at rest, yet the neurophysiological underpinning of these networks in human brain remain unclear. Here, we recorded resting-state activities of neuronal populations in the key regions of default mode network (DMN, posterior cingulate cortex and medial prefrontal cortex), frontoparietal network (FPN, dorsolateral prefrontal cortex and inferior parietal lobule), and salience network (SN, anterior insula and dorsal anterior cingulate cortex) from 42 human participants using intracranial electroencephalogram (iEEG). We observed stronger within-network connectivity of the DMN, FPN and SN in broadband iEEG power, stronger phase synchronization within the DMN across theta and alpha bands, and weaker phase synchronization within the FPN in delta, theta and alpha band. We also found positive power correlations in high frequency band (70-170Hz) and negative power correlations in alpha and beta band for FPN-DMN and FPN-SN. Robust negative correlations in DMN-SN were found in alpha, beta and gamma band. These findings provide intracranial electrophysiological evidence in support of the network model for intrinsic organization of human brain and shed light on the way how the brain networks communicate at rest.