In the effort to understand the evolution of mammalian brains, we have found that common relationships between brain structure mass and numbers of nonneuronal (glial and vascular) cells apply across eutherian mammals, but brain structure mass scales differently with numbers of neurons across structures and across primate and nonprimate clades. This suggests that the ancestral scaling rules for mammalian brains are those shared by extant nonprimate eutherians - but do these scaling relationships apply to marsupials, a sister group to eutherians that diverged early in mammalian evolution? Here we examine the cellular composition of the brains of 10 species of marsupials. We show that brain structure mass scales with numbers of nonneuronal cells, and numbers of cerebellar neurons scale with numbers of cerebral cortical neurons, comparable to what we have found in eutherians. These shared scaling relationships are therefore indicative of mechanisms that have been conserved since the first therians. In contrast, while marsupials share with nonprimate eutherians the scaling of cerebral cortex mass with number of neurons, their cerebella have more neurons than nonprimate eutherian cerebella of a similar mass, and their rest of brain has fewer neurons than eutherian structures of a similar mass. Moreover, Australasian marsupials exhibit ratios of neurons in the cerebral cortex and cerebellum over the rest of the brain, comparable to artiodactyls and primates. Our results suggest that Australasian marsupials have diverged from the ancestral Theria neuronal scaling rules, and support the suggestion that the scaling of average neuronal cell size with increasing numbers of neurons varies in evolution independently of the allocation of neurons across structures.

Relative brain size has long been considered a reflection of cognitive capacities and has played a fundamental role in developing core theories in the life sciences. Yet, the notion that relative brain size validly represents selection on brain size relies on the untested assumptions that brain-body allometry is restrained to a stable scaling relationship across species and that any deviation from this slope is due to selection on brain size. Using the largest fossil and extant dataset yet assembled, we find that shifts in allometric slope underpin major transitions in mammalian evolution and are often primarily characterized by marked changes in body size. Our results reveal that the largest-brained mammals achieved large relative brain sizes by highly divergent paths. These findings prompt a reevaluation of the traditional paradigm of relative brain size and open new opportunities to improve our understanding of the genetic and developmental mechanisms that influence brain size.

Abstract Post-mortem MRI provides the opportunity to acquire high-resolution datasets to investigate neuroanatomy, and validate the origins of image contrast through microscopy comparisons. We introduce the Digital Brain Bank ( open.win.ox.ac.uk/DigitalBrainBank ), a data release platform providing open access to curated, multimodal post-mortem neuroimaging datasets. Datasets span three themes - Digital Neuroanatomist : datasets for detailed neuroanatomical investigations; Digital Brain Zoo : datasets for comparative neuroanatomy; Digital Pathologist : datasets for neuropathology investigations. The first Digital Brain Bank release includes twenty one distinctive whole-brain diffusion MRI datasets for structural connectivity investigations, alongside microscopy and complementary MRI modalities. This includes one of the highest-resolution whole-brain human diffusion MRI datasets ever acquired, whole-brain diffusion MRI in fourteen non-human primate species, and one of the largest post-mortem whole-brain cohort imaging studies in neurodegeneration. The Digital Brain Bank is the culmination of our lab’s investment into post-mortem MRI methodology and MRI-microscopy analysis techniques. This manuscript provides a detailed overview of our work with post-mortem imaging to date, including the development of diffusion MRI methods to image large post-mortem samples, including whole, human brains. Taken together, the Digital Brain Bank provides crossscale, cross-species datasets facilitating the incorporation of post-mortem data into neuroimaging studies.

The present study describes the ipsilateral and contralateral cortico-cortical and cortico-thalamic connectivity of the parietal visual areas PPc and PPr in the ferret using standard anatomical tract-tracing methods. The two divisions of posterior parietal cortex of the ferret are strongly interconnected, however area PPc shows stronger connectivity with the occipital and suprasylvian visual cortex, while area PPr shows stronger connectivity with the somatomotor cortex, reflecting the functional specificity of these two areas. This pattern of connectivity is mirrored in the contralateral callosal connections. In addition, PPc and PPr are connected with the visual and somatomotor nuclei of the dorsal thalamus. Numerous connectional similarities exist between the posterior parietal cortex of the ferret (PPc and PPr) and the cat (area 7 and 5), indicative of the homology of these areas within the Carnivora. These findings highlight the existence of a fronto-parietal network as a shared feature of the organization of parietal cortex across Euarchontoglires and Laurasiatherians, with the degree of expression varying in relation to the expansion and areal complexity of the posterior parietal cortex. This observation indicates that the ferret is a potentially valuable experimental model animal for understanding the evolution and function of the posterior parietal cortex and the fronto-parietal network across mammals. The data generated will also contribute to the Ferretome (www.ferretome.org) connectomics databank, to further cross-species analyses of connectomes and illuminate wiring principles of cortical connectivity across mammals.

The present study describes the ipsilateral and contralateral cortico-cortical and cortico-thalamic connectivity of the occipital visual areas 17,18, 19 and 21 in the ferret using standard anatomical tract-tracing methods. In line with previous studies of mammalian visual cortex connectivity, substantially more anterograde and retrograde label was present in the hemisphere ipsilateral to the injection site compared to the contralateral hemisphere. Ipsilateral reciprocal connectivity was the strongest within the occipital visual areas, while weaker connectivity strength was observed in the temporal, suprasylvian and parietal visual areas. Callosal connectivity tended to be strongest in the homotopic cortical areas, and revealed a similar areal distribution to that observed in the ipsilateral hemisphere, although often less widespread across cortical areas. Ipsilateral reciprocal connectivity was observed throughout the visual nuclei of the dorsal thalamus, with no contralateral connections to the visual thalamus being observed. The current study, along with previous studies of connectivity in the cat, identified the posteromedial lateral suprasylvian visual area (PMLS) as a distinct network hub external to the occipital visual areas in carnivores, implicating PMLS as a potential gateway to the parietal cortex for dorsal stream processing. These data will also contribute to the Ferretome (www.ferretome.org), a macro connectome database of the ferret brain, providing essential data for connectomics analyses and cross-species analyses of connectomes and brain connectivity matrices, as well as providing data relevant to additional studies of cortical connectivity across mammals and the evolution of cortical connectivity variation.

Abstract To elucidate causality underlying the evolution of large brains in cetaceans, we examined the brains of 16 cetartiodactyl species for evidence of non-shivering thermogenesis. In comparison to the artiodactyl brain, the cetacean brain exhibits an expanded expression of uncoupling protein 1 (UCP1, UCPs being mitochondrial inner membrane proteins that dissipate the proton gradient to generate heat) in cortical neurons, localization of UCP4 within a substantial proportion of glia throughout the brain, and an increased density of noradrenergic axonal boutons (noradrenaline functioning to control concentrations of and activate UCPs). Thus, cetacean brains possess multiple characteristics indicative of intensified thermogenetic functionality that can be related to their current and historical obligatory aquatic niche. These findings necessitate reassessment of our concepts regarding the reasons for large brain evolution and associated functional capacities in cetaceans.

ABSTRACT Like the cerebral cortex, the surface of the cerebellum is repeatedly folded. Unlike the cerebral cortex, however, cerebellar folds in a given brain are much thinner and more numerous; repeat themselves largely along a single direction, forming long strips transverse to the mid-sagittal plane, like an accordion; and occur in the smallest of cerebella, including those of lissencephalic mammals and non-mammal vertebrates. We have shown previously that while the location of folds in mammalian cerebral cortex is clade-specific, the overall degree of folding strictly follows a universal power law relating cortical thickness, and the exposed and total surface areas. This law is derived from a statistical-physics model for gyrification that postulates that folding results from the interplay between axonal elongation dynamics and the self-avoiding nature of the expanding cortical surfaces. Since both aspects are present in the cerebellum, we hypothesize that a similar relation across species also exists therein. Furthermore, given the modular organization of cerebellar architecture and circuitry, as well as the transverse orientation of the folia, it is plausible that this relation is reflected in the degree of folding of the mid-sagittal section of the cerebellum, which greatly facilitates analysis. Here we show that a strict universal scaling law does apply to the folding of the mid-sagittal sections of the cerebellum of 53 species belonging to six mammalian clades, spanning a large range of sizes and degrees of gyrification. This folding is hierarchical and can be explicitly separated into branching orders, such that position of the 1 st -order folds is largely stereotypical across all mammals examined. Subsequent nth-order folds become progressively less stereotypical, and folding within such cerebellar subsections scales with power laws whose exponents decrease monotonically with branching order, converging to the exponents predicted by a two-dimensional version of the same gyrification model that describes cortical folding. We propose that the changes in scaling exponent with branching order occurs as increasing amounts of white matter are included in the folding volume of the cerebellum, reflecting the difference between the outside-in development of the cerebellar cortex around a preexisting core of already connected white matter, compared to the inside-out development of the cerebral cortex with a white matter volume that develops as the cerebral cortex itself gains neurons. Our data strongly indicate that the mammalian cerebellum folds as a multi-fractal object, emerging from the interplay between clade-specificity and universality, and between phylogenetical contingency and the physics of self-organization. Thus, repeated folding, one of the most recognizable features of biology, can arise simply from the universal applicability of physical principles, without the need for invoking selective pressures in evolution; and diversity arises within the constraints imposed by physics.

ABSTRACT The interaction of the limbic system and frontal cortex of the primate brain is important in many affective behaviors. For this reason, it is heavily implicated in a number of psychiatric conditions. This system is often studied in the macaque monkey, the most largely-used non-human primate model species. However, how evolutionary conserved this system is and how well results obtained in any model species translate to the human can only be understood by studying its organization across the primate order. Here, we present an investigation of the topology of limbic-frontal connections across seven species, representing all major branches of the primate family tree. We show that dichotomous organization of amydalofugal and uncinate connections with frontal cortex is conserved across all species. Subgenual connectivity of the cingulum bundle, however, seems less prominent in prosimian and New World monkey brains. These results inform both translational neuroscience and primate brain evolution.

Abstract The present study reports the results of an electrophysiological analysis of sleep in the East African root rat, Tachyoryctes splendens , belonging to the rodent subfamily Spalacinae . Telemetric electroencephalographic (EEG) and electromyographic recordings, with associated video recording, on three root rats over a continuous 72 h period (12 h light/12 h dark cycle) were analyzed. The analysis revealed that the East African root rat has a total sleep time (TST) of 8.9 h per day. Despite this relatively short total sleep time in comparison to fossorial rodents, nonrapid eye movement (non‐REM) sleep and rapid eye movement (REM) sleep states showed similar physiological signatures to that observed in other rodents and no unusual sleep states were observed. REM occupied 19.7% of TST, which is within the range observed in other rodents. The root rats were extremely active during the dark period, and appeared to spend much of the light period in quiet wake while maintaining vigilance (as determined from both EEG recordings and behavioral observation). These recordings were made under normocapnic environmental conditions, which contrasts with the hypercapnic environment of their natural burrows.

Databases of structural connections of the mammalian brain, such as CoCoMac (cocomac.g- node.org) or BAMS (brancusi.usc.edu), are valuable resources for the analysis of brain connectivity and the modeling of brain dynamics in species such as the non-human primate or the rodent, and have also contributed to the computational modeling of the human brain. Another model species that is widely used in electrophysiological or developmental studies is the ferret; however, no systematic compilation of brain connectivity is currently available for this species. Thus, we have started developing a database of anatomical connections and architectonic features of the ferret brain (the Ferretome, www.ferretome.org). The main goals of this database project are: (1) to assemble structural information on the ferret brain that is currently widely distributed in the literature or in different in-house laboratory databases into a single resource which is open to the scientific community; (2) to try and build an extendable community resource that is beneficial to researchers in neuroinformatics and computational neuroscience, as well as to neuroanatomists, by adding value to their data through algorithms for efficient data representation, analysis and visualization; (3) to create techniques for the representation of quantitative and raw data; and (4) to expand existing database ontologies in order to accommodate further neuroarchitectural information for identifying essential relations between brain structure and connections. The Ferretome database has adapted essential features of the CoCoMac methodology and legacy. In particular, its data model is derived from CoCoMac. It also uses a semantic parcellation of ferret brain regions as well as a logical brain maps transformation algorithm (objective relational transformation, ORT). The database is being developed in MySQL and has been populated with literature reports on tract tracing observations in the ferret brain using a custom-designed web interface that allows efficient and validated simultaneous input and proofreading by multiple curators. The database is also equipped with a web interface for generating output data that was designed with non-computer science specialist users in mind. This interface can be extended to produce connectivity matrices in several formats including a graphical representation superimposed on established ferret brain maps. An important feature of the Ferretome database is the possibility to trace back entries in connectivity matrices to the original studies archived in the system. Currently, the Ferretome contains 50 reports on connections comprising 20 injection reports with more than 150 labeled source and target areas, the majority reflecting connectivity of subcortical nuclei. We hope that the Ferretome database will become a useful resource for neuroinformatics and neural modeling, and will support studies of the ferret brain as well as facilitate advances in comparative studies of mesoscopic brain connectivity.