ABSTRACT Brain structure scaffolds intrinsic function, supporting cognition and ultimately behavioral flexibility. However, it remains unclear how a static, genetically controlled architecture supports flexible cognition and behavior. Here, we synthesize genetic, phylogenetic and cognitive analyses to understand how the macroscale organization of structure-function coupling across the cortex can inform its role in cognition. In humans, structure-function coupling was highest in regions of unimodal cortex and lowest in transmodal cortex, a pattern that was mirrored by a reduced alignment with heritable connectivity profiles. Structure-function uncoupling in non-human primates had a similar spatial distribution, but we observed an increased coupling between structure and function in association regions in macaques relative to humans. Meta-analysis suggested regions with the least genetic control (low heritable correspondence and different across primates) are linked to social cognition and autobiographical memory. Our findings establish the genetic and evolutionary uncoupling of structure and function in different transmodal systems may support the emergence of complex, culturally embedded forms of cognition.

A bstract Analysis and interpretation of neuroimaging datasets has become a multidisciplinary endeavor, relying not only on statistical methods, but increasingly on associations with respect to other brain-derived features such as gene expression, histological data, and functional as well as cognitive architectures. Here, we introduce BrainStat - a toolbox for (i) univariate and multivariate linear models in volumetric and surface-based brain imaging datasets, and (ii) multidomain feature association of results with respect to spatial maps of post-mortem gene expression and histology, task-based fMRI meta-analysis, as well as resting-state fMRI motifs across several common surface templates. The combination of statistics and feature associations into a turnkey toolbox streamlines analytical processes and accelerates cross-modal research. The toolbox is implemented in both Python and MATLAB, two widely used programming languages in the neuroimaging and neuroinformatics communities. BrainStat is openly available and complemented by an expandable documentation.

Abstract While macroscale brain asymmetry and its relevance for human cognitive function have been consistently shown, the underlying neurobiological signatures remain an open question. Here, we probe layer-specific microstructural asymmetry of the human cortex using intensity profiles from post-mortem cytoarchitecture. An anterior-posterior cortical pattern of left-right asymmetry was found, varying across cortical layers. A similar anterior-posterior pattern was observed using in vivo microstructural imaging, with in vivo asymmetry showing the strongest similarity with layer III. Microstructural asymmetry varied as a function of age and sex and was found to be heritable. Moreover, asymmetry in microstructure corresponded to asymmetry of intrinsic function, in particular in sensory areas. Last, probing the behavioral relevance, we found differential association of language and markers of mental health with asymmetry, illustrating a functional divergence between inferior-superior and anterior-posterior microstructural axes anchored in microstructural development. Our study highlights the layer-based patterning of microstructural asymmetry of the human cortex and its functional relevance.

Abstract The human thalamus is a bilateral and heterogeneous grey matter structure that plays a crucial role in coordinating whole-brain activity. Investigations of its complex structural and functional internal organization revealed to a certain degree overlapping parcellations, however, a consensus on thalamic subnuclei boundaries remains absent. Recent work suggests that thalamic organization might additionally reflect continuous axes transcending nuclear boundaries. In this study, we used a multimodal approach to uncover how low-dimensional axes that describe thalamic connectivity patterns to the cortex are related to internal thalamic microstructural features, functional connectivity, and structural covariance. We computed a thalamocortical structural connectome via probabilistic tractography on diffusion MRI and derived two main axes of thalamic organization. The principal thalamic gradient, extending from medial to lateral and differentiating between transmodal and unimodal nuclei, was related to intrathalamic myelin profiles, and patterns of functional connectivity, while the secondary axis showed correspondence to core-matrix cell type distributions. Lastly, exploring multimodal thalamocortical associations on a global scale, we observed that the medial-to- lateral gradient consistently differentiated limbic, frontoparietal, and default mode network nodes from dorsal and ventral attention networks across modalities. However, the link with sensory modalities varied. In sum, we show the coherence between lower dimensional patterns of thalamocortical structural connectivity and various modalities, shedding light on multiscale thalamic organization.

Abstract Schizophrenia is a polygenetic mental disorder with heterogeneous positive and negative symptom constellations, and is associated with abnormal cortical connectivity. The thalamus has a coordinative role in cortical function and is key to the development of the cerebral cortex. Conversely, altered functional organization of the thalamus might relate to overarching cortical disruptions in schizophrenia, anchored in development. Here, we contrasted resting-state fMRI in 99 antipsychotic-naive first-episode early-onset schizophrenia (EOS) patients and 100 typically developing controls to study whether macroscale thalamic organization is altered in EOS. Employing dimensional reduction techniques on thalamocortical functional connectome, we derived lateral-medial and anterior-posterior thalamic functional axes. We observed increased segregation of macroscale thalamic functional organization in EOS patients, which was related to altered thalamocortical interactions both in unimodal and transmodal networks. Using an ex vivo approximation of core-matrix cell distribution, we found that core cells particularly underlie the macroscale abnormalities in EOS patients. Moreover, the disruptions were associated with schizophrenia-related gene expression maps. Behavioral and disorder decoding analyses indicated that the macroscale hierarchy disturbances might perturb both perceptual and abstract cognitive functions and contribute to negative syndromes in schizophrenia, suggesting a unitary pathophysiological framework of schizophrenia.

Abstract The human cerebral cortex is symmetrically organized along large-scale axes but also presents inter-hemispheric differences in structure and function. The quantified contralateral homologous difference, i.e., asymmetry, is a key feature of the human brain left-right axis supporting functional processes, such as language. Here, we assessed whether the asymmetry of cortical functional organization is heritable and phylogenetically conserved between humans and macaques. Our findings indicate asymmetric organization along an axis describing a hierarchical functional trajectory from perceptual/action to abstract cognition. Whereas language network showed leftward asymmetric organization, frontoparietal network showed rightward asymmetric organization. These asymmetries were heritable and comparable between humans and macaques, suggesting (phylo)genetic conservation. However, both language and frontoparietal networks showed a qualitatively larger asymmetry in humans relative to macaques and variable heritability in humans. This may reflect an evolutionary adaptation allowing for experience-dependent specialization, linked to higher-order cognitive functions uniquely developed in humans.

Abstract Determining sex-bias in brain structure is of great societal interest to improve diagnostics and treatment of brain-related disorders. So far, studies on sex-bias in brain structure predominantly focus on macro-scale measures, and often ignore factors determining this bias. Here we study sex-bias in cortical and hippocampal microstructure in relation to sex hormones. Investigating quantitative intracortical profiling in-vivo using the T1w/T2w ratio in 1093 healthy females and males of the cross-sectional Human Connectome Project young adult sample, we find that regional cortical and hippocampal microstructure differs between males and females and that the effect size of this sex-bias varies depending on self-reported hormonal status in females. Microstructural sex-bias and expression of sex hormone genes, based on an independent post-mortem sample, are spatially coupled. Lastly, sex-bias is most pronounced in paralimbic areas, with low laminar complexity, which are predicted to be most plastic based on their cytoarchitectural properties. Albeit correlative, our study underscores the importance of incorporating sex hormone variables into the investigation of brain structure and plasticity.

Understanding the relationship between localized anatomical damage, reorganization, and functional deficits is a major challenge in stroke research. Previous work has shown that localized lesions cause widespread functional connectivity alterations in structurally intact areas, thereby affecting a whole network of interconnected regions. Recent advances suggest an alternative to discrete functional networks by describing a connectivity space based on a low-dimensional embedding of the full connectivity matrix. The dimensions of this space, described as connectivity gradients, capture the similarity of areas' connections along a continuous space. Here, we defined a three-dimensional connectivity space template based on functional connectivity data from healthy controls. By projecting lesion locations into this space, we demonstrate that ischemic strokes resulted in dimension-specific alterations in functional connectivity over the first week after symptoms onset. Specifically, changes in functional connectivity were captured along connectivity Gradients 1 and 3. The degree of change in functional connectivity was determined by the distance from the lesion along these connectivity gradients regardless of the anatomical distance from the lesion. Together, these results provide a novel framework to study reorganization after stroke and suggest that, rather than only impacting on anatomically proximate areas, the indirect effects of ischemic strokes spread along the brain relative to the space defined by its connectivity.

Abstract The hippocampus is a uniquely infolded allocortical structure in the medial temporal lobe that consists of the microstructurally and functionally distinct subregions: subiculum, cornu ammonis, and dentate gyrus. The hippocampus is a remarkably plastic region that is implicated in learning and memory. At the same time it has been shown that hippocampal subregion volumes are heritable, and that genetic expression varies along a posterior to anterior axis. Here, we studied how a heritable, stable, hippocampal organisation may support its flexible function in healthy adults. Leveraging the twin set-up of the Human Connectome Project with multimodal neuroimaging, we observed that the functional connectivity between hippocampus and cortex was heritable and that microstructure of the hippocampus genetically correlated with cortical microstructure. Moreover, both functional and microstructural organisation could be consistently captured by anterior-to-posterior and medial-to-lateral axes across individuals. However, heritability of functional, relative to microstructural, organisation was found reduced, suggesting individual variation in functional organisation of subfields is under low genetic control. Last, we demonstrate that structure and function couple along its genetic axes, suggesting an interplay of stability and plasticity within the hippocampus. Our study provides new insights on the heritability of the hippocampal formation and illustrates how genetic axes may scaffold hippocampal structure and function.

Abstract The human cerebral cortex shows hemispheric asymmetry, yet the microstructural basis of this asymmetry remains incompletely understood. Here, we probe layer-specific microstructural asymmetry using one post-mortem male brain. Overall, anterior and posterior regions show leftward and rightward asymmetry respectively, but this pattern varies across cortical layers. A similar anterior-posterior pattern is observed using in vivo Human Connectome Project ( N = 1101) T1w/T2w microstructural data, with average cortical asymmetry showing the strongest similarity with post-mortem -based asymmetry of layer III. Moreover, microstructural asymmetry is found to be heritable, varies as a function of age and sex, and corresponds to intrinsic functional asymmetry. We also observe a differential association of language and markers of mental health with microstructural asymmetry patterns at the individual level, illustrating a functional divergence between inferior-superior and anterior-posterior microstructural axes, possibly anchored in development. Last, we could show concordant evidence with alternative in vivo microstructural measures: magnetization transfer ( N = 286) and quantitative T1 ( N = 50). Together, our study highlights microstructural asymmetry in the human cortex and its functional and behavioral relevance.