Abstract The ability to cognitively regulate emotional responses to aversive events is important for mental and physical health. Little is known, however, about neural bases of the cognitive control of emotion. The present study employed functional magnetic resonance imaging to examine the neural systems used to reappraise highly negative scenes in unemotional terms. Reappraisal of highly negative scenes reduced subjective experience of negative affect. Neural correlates of reappraisal were increased activation of the lateral and medial prefrontal regions and decreased activation of the amygdala and medial orbito-frontal cortex. These findings support the hypothesis that prefrontal cortex is involved in constructing reappraisal strategies that can modulate activity in multiple emotion-processing systems.

Event-related fMRI was employed to characterize differences in brain activation between children ages 8-12 and adults related to two forms of cognitive control: interference suppression and response inhibition. Children were more susceptible to interference and less able to inhibit inappropriate responses than were adults. Effective interference suppression in children was associated with prefrontal activation in the opposite hemisphere relative to adults. In contrast, effective response inhibition in children was associated with activation of posterior, but not prefrontal, regions activated by adults. Children failed to activate a region in right ventrolateral prefrontal cortex that was recruited for both types of cognitive control by adults. Thus, children exhibited immature prefrontal activation that varied according to the type of cognitive control required.

Goal-directed behaviour depends on keeping relevant information in mind (working memory) and irrelevant information out of mind (behavioural inhibition or interference resolution). Prefrontal cortex is essential for working memory and for interference resolution, but it is unknown whether these two mental abilities are mediated by common or distinct prefrontal regions. To address this question, functional MRI was used to identify brain regions activated by separate manipulations of working memory load and interference within a single task (the Sternberg item recognition paradigm). Both load and interference manipulations were associated with performance decrements. Subjects were unaware of the interference manipulation. There was a high degree of overlap between the regions activated by load and interference, which included bilateral ventrolateral and dorsolateral prefrontal cortex, anterior insula, anterior cingulate and parietal cortex. Critically, no region was activated exclusively by interference. Several regions within this common network exhibited a brain–behaviour correlation across subjects for the load or interference manipulation. Activation within the right middle frontal gyrus and left inferior frontal gyrus was correlated with the ability to resolve interference efficiently, but not the ability to manage an increased working memory load efficiently. Conversely, activation of the anterior cingulate was correlated with load susceptibility, but was not correlated with interference susceptibility. These findings suggest that, within the circuitry engaged by this task, some regions are more critically involved in the resolution of interference whereas others are more involved in the resolution of an increase in load. The anterior cingulate was engaged to a greater extent by the load than interference manipulation, suggesting that this region, which is thought to be involved in detecting the need for greater allocation of attentional resources, may be particularly implicated during awareness of the need for cognitive control. In the present study, interference resolution did not involve recruitment of additional inhibitory circuitry, but was instead mediated by a subset of the neural system supporting working memory.

The ability to manipulate information in working memory is a key factor in cognitive development. Here, we used event-related functional MRI to test the hypothesis that developmental improvements in manipulation, relative to pure maintenance, are associated with increased recruitment of dorsolateral (DL) prefrontal cortex (PFC) and superior parietal cortex. Three age groups (8–12 years old, 13–17 years old, and 18–25 years old) performed an object-working memory task with separate maintenance and manipulation conditions. We found that 8- to 12-year-olds did not perform the task as well as adolescents or adults, particularly on trials requiring manipulation in addition to maintenance. In this study, no age differences were observed in the activation profile of ventrolateral PFC, a region associated with online maintenance. In contrast, unlike the older participants, 8- to 12-year-olds failed to recruit right DL PFC and bilateral superior parietal cortex during the delay period for manipulation relative to maintenance. This group difference was observed specifically during the delay period, while participants reordered items in working memory, and could not be accounted for by group differences in performance. Across participants, activation levels in right DL PFC and superior parietal cortex, but not ventrolateral PFC, were positively correlated with performance on manipulation trials. These results indicate that increased recruitment of right DL PFC and bilateral parietal cortex during adolescence is associated with improvements in the ability to work with object representations.

The ability to select between possible responses to a given situation is central to human cognition. The goal of this study was to distinguish between brain areas representing candidate responses and areas selecting between competing response alternatives. Event-related fMRI data were acquired while 10 healthy adults performed a task used to examine response competition: the Eriksen flanker task. Left parietal cortex was activated by either of two manipulations that increased the need to maintain a representation of possible responses. In contrast, lateral prefrontal and rostral anterior cingulate cortices were specifically engaged by the need to select among competing response alternatives. These findings support the idea that parietal cortex is involved in activating possible responses on the basis of learned stimulus-response associations, and that prefrontal cortex is recruited when there is a need to select between competing responses.

Abstract Relational memory requires the hippocampus, but whether distinct hippocampal mechanisms along the anterior-posterior axis are required for different types of relations is debated. We investigated the contribution of structural changes in hippocampal head, body, and tail subregions to the capacity to remember item-space, item-time, and item-item relations. Memory for each relation and volumes of hippocampal subregions were assessed longitudinally in 171 participants across 3 time points ( M age at T1= 9.45 years; M age at T2= 10.86 years, M age at T3=12.12 years; comprising 393 behavioral assessments and 362 structural scans). Among older children, volumetric growth in: (a) head and body predicted improvements in item-time memory, (b) head predicted improvements in item-item memory; and (c) right tail predicted improvements in item-space memory. The present research establishes that volumetric changes in hippocampal subregions differentially predict changes in different aspects of relational memory, underscoring a division of labor along the hippocampal anterior-posterior axis.

Abstract Superficial white matter (SWM) represents a significantly understudied part of the human brain, despite comprising a large portion of brain volume and making up a majority of cortical structural connections. Using multiple, high-quality, datasets with large sample sizes (N=2421, age range 5-100) in combination with methodological advances in tractography, we quantified features of SWM volume and thickness across the brain and across the lifespan. We address four questions: (1) How does U-fiber volume change with age? (2) What does U-fiber thickness look like across the brain? (3) How does SWM thickness change with age? (4) Are there relationships between SWM thickness and cortical features? Our main findings are that (1) SWM volume shows unique volumetric trajectories with age that are distinct from gray matter and other white matter trajectories; (2) SWM thickness varies across the brain, with patterns robust across individuals and across the population at the region-level and vertex-level; (3) SWM shows nonlinear changes across the lifespan that vary across regions; and (4) SWM thickness is associated with cortical thickness and curvature. For the first time, we show that SWM volume follows a similar trend as overall white matter volume, peaking at a similar time in adolescence, leveling off throughout adulthood, and decreasing with age thereafter. Notably, the relative fraction of total brain volume of SWM continuously increases with age, and consequently takes up a larger proportion of total white matter volume, unlike the other tissue types that decrease with respect to total brain volume. This study represents the first characterization of SWM features across the lifespan and provides the background for characterizing normal aging and insight into the mechanisms associated with SWM development and decline.

Abstract The neuroanatomical changes that underpin cognitive development is of major interest in neuroscience. Of the many aspects of neuroanatomy to consider, tertiary sulci are particularly appealing as they emerge last in gestation, show a protracted development after birth, and are either human- or hominoid-specific. Thus, they are ideal targets for exploring morphological-cognitive relationships with cognitive skills, such as verbal working memory (WM), that also show protracted development. Yet, the relationship between sulcal morphology and verbal WM is unknown, either in development or more generally. To fill this gap, we adopted a data-driven approach with cross-validation to examine the relationship between sulcal depth in lateral prefrontal cortex (LPFC) and verbal WM in 60 participants ages 6-18. These analyses identified nine left, but not right, LPFC sulci (of which six were tertiary) whose depth predicted verbal WM performance. Most of these sulci are located within and around contours of functionally defined parcellations of LPFC proposed previously. This sulcal depth model out-performed models with age or cortical thickness. Taken together, these findings contribute to building empirical support for a classic theory that tertiary sulci serve as landmarks in association cortices that contribute to aspects of human behavior that show a protracted development.

ABSTRACT While the disproportionate expansion of lateral prefrontal cortex (LPFC) in humans compared to non-human primates is accepted, the relationship between evolutionarily new LPFC brain structures and uniquely human cognitive skills is largely unknown. Here, we tested the relationship between variability in evolutionarily new LPFC tertiary sulci and reasoning skills in a pediatric cohort. A novel data-driven approach in independent discovery and replication samples revealed that the depth of specific LPFC tertiary sulci predicts individual differences in reasoning skills beyond age. These findings support a classic, yet untested, theory linking the protracted development of tertiary sulci to late-developing cognitive processes. We suggest that deeper LPFC tertiary sulci reflect reduced short-range connections in white matter, which in turn, improve the efficiency of local neural signals underlying cognitive skills such as reasoning that are central to human cognitive development. To expedite discoveries in future neuroanatomical-behavioural studies, we share sulcal definitions with the field.

Abstract Previous findings show that the morphology of folds (sulci) of the human cerebral cortex flatten during postnatal development. However, previous studies did not consider the relationship between sulcal morphology and cognitive development in individual participants. Here, we fill this gap in knowledge by leveraging cross-sectional morphological neuroimaging data in the lateral prefrontal cortex (LPFC) from individual human participants (6-36 years old, males and females; N = 108; 3672 sulci), as well as longitudinal morphological and behavioral data from a subset of child and adolescent participants scanned at two timepoints (6-18 years old; N = 44; 2992 sulci). Manually defining thousands of sulci revealed that LPFC sulcal morphology (depth, surface area, gray matter thickness, and local gyrification index) differed between children (6-11 years old)/adolescents (11-18 years old) and young adults (22-36 years old) cross-sectionally, but only cortical thickness showed both cross-sectional differences between children and adolescents and presented longitudinal changes during childhood and adolescence. Furthermore, a data-driven approach relating morphology and cognition identified that longitudinal changes in cortical thickness of four rostral LPFC sulci predicted longitudinal changes in reasoning performance, a higher-level cognitive ability that relies on LPFC. Contrary to previous findings, these results suggest that sulci may flatten either after this time frame or over a longer longitudinal period of time than previously presented. Crucially, these results also suggest that longitudinal changes in the cortex within specific LPFC sulci are behaviorally meaningful—providing targeted structures, and areas of the cortex, for future neuroimaging studies examining the development of cognitive abilities. Significance Statement Recent work has shown that individual differences in neuroanatomical structures (indentations, or sulci) within the lateral prefrontal cortex (LPFC) are behaviorally meaningful during childhood and adolescence. Here, we describe how specific LPFC sulci develop at the level of individual participants for the first time—from both cross-sectional and longitudinal perspectives. Further, we show, also for the first time, that the longitudinal morphological changes in these structures are behaviorally relevant. These findings lay the foundation for a future avenue to precisely study the development of the cortex and highlight the importance of studying the development of sulci in other cortical expanses and charting how these changes relate to the cognitive abilities those areas support at the level of individual participants.