Abstract Most existing research into the default-mode network (DMN) has taken a corticocentric approach. Despite the resemblance of the DMN with the unitary model of the limbic system, the anatomy and contribution of subcortical structures to the network may be underappreciated due to methods limitation. Here, we propose a new and more comprehensive neuroanatomical model of the DMN including the basal forebrain and anterior and mediodorsal thalamic nuclei and cholinergic nuclei. This has been achieved by considering functional territories during interindividual brain alignment. Additionally, tractography of diffusion-weighted imaging was employed to explore the structural connectivity of the DMN and revealed that the thalamus and basal forebrain had high importance in term of values of node degree and centrality in the network. The contribution of these neurochemically diverse brain nuclei reconciles previous neuroimaging with neuropathological findings in diseased brain and offers the potential for identifying a conserved homologue of the DMN in other mammalian species.

Abstract Over the past two decades, the study of resting-state functional magnetic resonance imaging has revealed that functional connectivity within and between networks are linked to cognitive states and pathologies. However, the white matter connections supporting connectivity remain only partially described. We developed a method to jointly map the white and grey matter contributing to each resting-state network. Using the Human Connectome Project, we generated an atlas of 30 resting-state networks. The method also allows highlighting the overlap between networks, which revealed that most of the brain’s white matter (89%) is shared between multiple networks, with 16% shared by at least 7 resting-state networks. These overlaps, especially the existence of regions shared by numerous networks, suggest that white matter lesions in these areas might strongly impact the correlations and the communication within resting-state networks. We provide an open-source software to explore the joint contribution of white and grey matter to RSNs and facilitate the study of the impact of white matter damage on RSNs. In a first clinical application of the software, we were able to link stroke patients and impacted resting-state networks, showing that their symptoms aligned well with the estimated functions of the networks.

Abstract Functional lateralisation is a fundamental principle of the human brain. However, a comprehensive taxonomy of functional lateralisation and its organisation in the brain is missing. We report the first complete map of functional hemispheric asymmetries in the human brain, reveal its low dimensional structure, and its relationship with structural inter-hemispheric connectivity. Our results suggest that the lateralisation of brain functions is distributed along four functional axes: symbolic communication, perception/action, emotion, and decision-making, and that cortical regions showing asymmetries in task-evoked activity have reduced connections with the opposite hemisphere.

ABSTRACT The critical brain hypothesis states that biological neuronal networks, because of their structural and functional architecture, work near phase transitions for optimal response to internal and external inputs. Criticality thus provides optimal function and behavioral capabilities. We test this hypothesis by examining the influence of brain injury (strokes) on the criticality of neural dynamics estimated at the level of single participants using directly measured individual structural connectomes and whole-brain models. Lesions engender a sub-critical state that recovers over time in parallel with behavior. The improvement of criticality is associated with the re-modeling of specific white matter connections. We show that personalized whole-brain dynamical models poised at criticality track neural dynamics, alteration post-stroke, and behavior at the level of single participants.

Abstract In recent years, the field of functional neuroimaging has moved away from a pure localisationist approach of isolated functional brain regions to a more integrated view of these regions within functional networks. However, the methods used to investigate functional networks rely on local signals in grey matter and are limited in identifying anatomical circuitries supporting the interaction between brain regions. Mapping the brain circuits mediating the functional signal between brain regions would propel our understanding of the brain’s functional signatures and dysfunctions. We developed a novel method to unravel the relationship between brain circuits and functions: The Functionnectome. The Functionectome combines the functional signal from f MRI with white matter circuits’ anatomy to unlock and chart the first maps of functional white matter. To showcase this new method’s versatility, we provide the first functional white matter maps revealing the joint contribution of connected areas to motor, working memory, and language functions. The Functionnectome comes with an open-source companion software and opens new avenues into studying functional networks by applying the method to already existing dataset and beyond task f MRI.

Abstract Cortical asymmetry is a ubiquitous feature of brain organization that is subtly altered in some neurodevelopmental disorders, yet we lack knowledge of how its development proceeds across life in health. Achieving consensus on the precise cortical asymmetries in humans is necessary to uncover the genetic and later influences that shape them, such as age. Here, we delineate population-level asymmetry in cortical thickness and surface area vertex-wise in 7 datasets and chart asymmetry trajectories longitudinally across life (4-89 years; observations = 3937; 70% longitudinal). We find replicable asymmetry interrelationships, heritability maps, and test asymmetry associations in large-scale data. Cortical asymmetry was robust across datasets. Whereas areal asymmetry is predominantly stable across life, thickness asymmetry grows in childhood and peaks in early adulthood. Areal asymmetry correlates phenotypically and genetically in specific regions, and is low-moderately heritable (max h 2 SNP ∼19%). In contrast, thickness asymmetry is globally interrelated across the cortex in a pattern suggesting highly left-lateralized individuals tend towards left-lateralization also in population-level right-asymmetric regions (and vice versa), and exhibits low or absent heritability. We find less areal asymmetry in the most consistently lateralized region in humans associates with subtly lower cognitive ability, and confirm small handedness and sex effects. Results suggest areal asymmetry is developmentally stable and arises in early life through genetic but mainly subject-specific stochastic effects, whereas childhood developmental growth shapes thickness asymmetry and may lead to directional variability of global thickness lateralization in the population.

Abstract Patients with semantic aphasia have impaired control of semantic retrieval, often accompanied by executive dysfunction following left hemisphere stroke. Many but not all of these patients have damage to the left inferior frontal gyrus, important for semantic and cognitive control. Yet semantic and cognitive control networks are highly distributed, including posterior as well as anterior components. Accordingly, semantic aphasia might not only reflect local damage but also white matter structural and functional disconnection. Here we characterise the lesions and predicted patterns of structural and functional disconnection in individuals with semantic aphasia and relate these effects to semantic and executive impairment. Impaired semantic cognition was associated with infarction in distributed left- hemisphere regions, including in the left anterior inferior frontal and posterior temporal cortex. Lesions were associated with executive dysfunction within a set of adjacent but distinct left frontoparietal clusters. Performance on executive tasks was also associated with interhemispheric structural disconnection across the corpus callosum. In contrast, poor semantic cognition was associated with small left-lateralized structurally disconnected clusters, including in the left posterior temporal cortex. Little insight was gained from functional disconnection symptom mapping. These results demonstrate that while left- lateralized semantic and executive control regions are often damaged together in stroke aphasia, these deficits are associated with distinct patterns of structural disconnection, consistent with the bilateral nature of executive control and the left-lateralized yet distributed semantic control network.

The typical infarct volume trajectories in stroke patients, categorized as slow or fast progressors, remain largely unknown. This study aimed to reveal the characteristic spatiotemporal evolutions of infarct volumes caused by large vessel occlusion (LVO) and show that such growth charts help anticipate clinical outcomes.

Abstract Cognitive functional neuroimaging has been around for over 30 years and has shed light on the brain areas relevant for reading. However, new methodological developments enable mapping the interaction between functional imaging and the underlying white matter networks. In this study, we used such a novel method, called the disconnectome, to decode the reading circuitry in the brain. We used the resulting disconnection patterns to predict the typical lesion that would lead to reading deficits after brain damage. Our results suggest that white matter connections critical for reading include fronto-parietal U-shaped fibres and the vertical occipital fasciculus (VOF). The lesion most predictive of a reading deficit would impinge on the left temporal, occipital, and inferior parietal gyri. This novel framework can systematically be applied to bridge the gap between the neuropathology of language and cognitive neuroscience.

ABSTRACT The continuously developing field of magnetic resonance imaging (MRI) has made a considerable contribution to the knowledge of brain architecture. It has given shape to a desire to construct a complete map of functional and structural connections. In particular, diffusion MRI paired with tractography has facilitated a non-invasive exploration of structural brain anatomy, which has helped build evidence for the existence of many association, projection and commissural fiber tracts. However, there is still a scarcity in research studies related to intralobar association fibers. The Dejerines’ (two of the most notable neurologists of 19 th century France) gave an in-depth description of the intralobar fibers of the occipital lobe. Unfortunately, their exquisite work has since been sparsely referred to in the modern literature. This work gives the first modern description of many of the occipital intralobar lobe fibers described by the Dejerines. We perform a virtual dissection and reconstruct the tracts using diffusion MRI tractography. The virtual dissection is guided by the Dejerines’ treatise, Anatomie des Centres Nerveux. As an accompaniment to this article, the authors provided a French-to-English translation of the treatise portion concerning intra-occipital fiber bundles. This text provides the original description of five intralober occipital tracts, namely: the stratum calcarinum, the stratum proprium cunei, the vertical occipital fasciculus of Wernicke, the transverse fasciculus of the cuneus (TFC) and the transverse fasciculus of the lingual lobe of Vialet. It was possible to reconstruct all these tracts except for the TFC – possibly because its trajectory intermingles with a large amount of other fiber bundles. For completeness, the recently described sledge runner fasciculus, although not one of the Dejerine tracts, was identified and successfully reconstructed.