Abstract Connectome mapping studies have documented a principal primary-to-transmodal gradient in the adult brain network, capturing a functional spectrum which ranges from perception and action to abstract cognition. However, how this gradient pattern develops and whether its development is linked to cognitive growth, topological reorganization, and gene expression profiles remain largely unknown. Using longitudinal resting-state functional magnetic resonance imaging data from 305 children (ages 6-14), we describe substantial changes in the primary-to-transmodal gradient between childhood and adolescence, including emergence as the principal gradient, expansion of global topography, and focal tuning in primary and default-mode regions. These gradient changes are mediated by developmental changes in network integration and segregation, and are associated with abstract processing functions such as working memory and expression levels of calcium ion regulated exocytosis, synaptic transmission, and axon and synapse part related genes. Our findings have implications for understanding connectome maturation principles in normal development and developmental disorders. Teaser Our study reported the maturation of the core connectome gradient and its association with cognitions and genes expression.

Abstract Functional brain networks require dynamic reconfiguration to support flexible cognitive function. However, the developmental principles shaping brain network dynamics remain poorly understood. Here, we report the longitudinal development of large-scale brain network dynamics during childhood and adolescence, and its connection with gene expression profiles. Using a multilayer network model, we show the temporally varying modular architecture of child brain networks, with higher network switching primarily in the association cortex and lower switching in the primary regions. This topographical profile exhibits progressive maturation, which manifests as reduced modular dynamics, particularly in the transmodal (e.g., default-mode and frontoparietal) and sensorimotor regions. These developmental refinements mediate age-related enhancements of global network segregation and are linked with the expression profiles of genes associated with the enrichment of ion transport and nucleobase-containing compound transport. These results highlight a progressive stabilization of brain dynamics, which expand our understanding of the neural mechanisms that underlie cognitive development.

Abstract Cortical thinning is an important hallmark of the maturation of brain morphology during childhood and adolescence. However, the connectome-based wiring mechanism that underlies cortical maturation remains unclear. Using neuroimaging, connectome, transcriptome, and computational modeling, we mapped cortical thinning patterns primarily located in lateral frontal and parietal heteromodal nodes during childhood and adolescence, which is structurally constrained by white matter network architecture and is particularly represented using a network-based diffusion model. Furthermore, connectome-based constraints are regionally heterogeneous, with the largest constraints residing in frontoparietal nodes, and are associated with gene expression signatures of microstructural neurodevelopmental events. These results are highly reproducible while using another independent dataset. Our findings advance our understanding of network-level mechanisms and the associated genetic basis that underlies the maturational process of cortical morphology during childhood and adolescence.

Abstract The functional connectome of the human brain comprises time-varying network structure that facilitates efficient inter-module communication and support flexible cognitive functions. However, little is known about how the connectome dynamics of the brain emerges and develops at very early stages of human life and whether this dynamics is predictive of neurocognitive outcomes later in life. Here, we employed resting-state functional MRI data from 39 infants (31 to 42 postmenstrual weeks) and a multilayer network model to characterize the development of connectome dynamics during the third trimester and its critical role in predicting future neurocognitive outcomes at 2 years of age. We observed that the modular architecture of baby functional connectomes spontaneously reconfigures over time, with lower network module switching across time primarily in the primary regions and higher module switching mainly in the association areas. With development, the dynamic switching between the brain modules was significantly decreased, primarily located in the lateral precentral gyrus, medial temporal lobe, and subcortical areas. The clustering analysis further revealed that the primary areas displayed a higher developmental rate than the higher-order systems. Using the support vector regression approach, we found that brain connectome dynamics at birth significantly predicted cognitive and language performance at 2 years of age. Our findings highlight the emergence and spatially inhomogeneous maturation of the neonate connectome dynamics, laying a critical neural foundation for the development of cognitive and language skills later in life.

From childhood to adolescence, the structural organization of the human brain undergoes dynamic and regionally heterogeneous changes across multiple scales, from synaptic pruning to the reorganization of large-scale anatomical wiring. However, during this period, the developmental process of multiscale structural architecture, its association with cortical morphological changes, and its role in the maturation of functional organization remain largely unknown. Here, we utilized a longitudinal multimodal imaging dataset including 276 children aged 6 to 14 years to investigate the developmental process of multiscale cortical wiring. We used an in vivo model of cortical wiring that combines features of white matter tractography, cortico-cortical proximity, and microstructural similarity to construct a multiscale brain structural connectome. By employing the gradient mapping method, the gradient space derived from the multiscale structural connectome effectively recapitulated the sensory-association axis and anterior-posterior axis. Our findings revealed a continuous expansion of the multiscale structural gradient space during development, with the principal gradient increasingly distinguishing between primary and transmodal regions. This age-related differentiation coincided with regionally heterogeneous changes in cortical morphology. Furthermore, our study revealed that developmental changes in coupling between multiscale structural and functional connectivity were correlated with functional specialization refinement, as evidenced by changes in the participation coefficient. We also found that the differentiation of the principal multiscale structural gradient was associated with improved cognitive abilities, such as enhanced working memory and attention performance, and potentially supported by molecular processes related to synaptic functions. These findings advance our understanding of the intricate maturation process of brain structural organization and its implications for cognitive performance.

Developmental connectomic studies have shown that the modular organization of functional networks in the human brain undergoes substantial reorganization with age to support cognitive growth. However, these studies implicitly assume that each brain region belongs to one and only one specific network module, ignoring the potential spatial overlap between functional modules. How the overlapping functional modular architecture develops and whether this development is related to structural signatures remain unknown. Using longitudinal multimodal structural, functional, and diffusion MRI data from 305 children (aged 6–14 years), we investigated the development of the overlapping modular architecture of functional networks, and further explored their structural associations. Specifically, an edge-centric network model was used to identify the overlapping functional modules, and the nodal overlap in module affiliations was quantified using the entropy measure. We showed a remarkable regional inhomogeneity in module overlap in children, with higher entropy in the ventral attention, somatomotor, and subcortical networks and lower entropy in the visual and default-mode networks. Furthermore, the overlapping modules developed in a linear, spatially dissociable manner from childhood to adolescence, with significantly reduced entropy in the prefrontal cortex and putamen and increased entropy in the parietal lobules. Personalized overlapping modular patterns capture individual brain maturity as characterized by brain age. Finally, the overlapping functional modules can be significantly predicted by integrating gray matter morphology and white matter network properties. Our findings highlight the maturation of overlapping network modules and their structural substrates, thereby advancing our understanding of the principles of connectome development.

The reorganization of human hippocampus, especially its interaction with cortex, remains largely undefined in youth. The organization of a single hippocampal long-axis has been predominantly characterized as monotonic (1-6), despite recent indications of nonmonotonic features in neuron density (7) and geometric eigenmodes (8). While the human cortical hierarchy has been well recognized for significant developmental and evolutionary advantages (9-12), hippocampus has been typically considered an evolutionarily conserved brain structure1 (13,14), and overlooked regarding its integrative role of cortical hierarchical processing during development. Here, we corroborated the presence and significance of a dual long-axis representation of the hippocampal connectome and geometry including both linear and quadratic gradients along its long-axis in youth. This finding was robust across two independent large-scale developmental cohorts. Charting development of the dual long-axis gradients underscored their specific contributions to the cortical hierarchy maturation from the frontoparietal and salience/ventral attention networks. The observed developmental variability in spontaneous brain activities in youth parallels the gradients of myelin content. During childhood through adolescence to early adulthood, the hippocampus reorganized the dual long-axis by gradually relaxing its geometric constraints on the intrinsic network organization of cortical spontaneous activity for refined executive functions. Molecular processes underlying such reorganization of the dual long-axis in hippocampus are linked to neural growth, stress hormone regulation, and neuroactive signaling. Our findings enrich the understanding of hippocampal-cortical reorganizational principles across structural, functional, and molecular dimensions as well as its maturation, and define the plasticity distribution within the human hippocampus at systems level, holding potentials to enhance and translate neurodevelopment and neuropsychiatric healthcare.

BACKGROUND Tourette syndrome (TS) is recognized as a neurodevelopmental disorder profoundly influenced by familial factors, particularly family functioning. However, the relationship among family functioning, tic severity, and quality of life in individuals with TS during childhood and adolescence remains unclear. We hypothesized that family functioning plays a role in the association between the severity of TS and quality of life in children. AIM To determine the role of family functioning in the relationship between TS severity and quality of life. METHODS This study enrolled 139 children (male/female = 113/26) with TS. We assessed tic severity using the Yale Global Tic Severity Scale, quality of life via the Tourette Syndrome Quality of Life Scale, and family functioning through the Family Assessment Device. Our analysis focused on correlating these measures and exploring the mediating role of family functioning in the relationship between tic severity and quality of life. Additionally, we examined if this mediating effect varied by gender or the presence of comorbidity. RESULTS We found that family communication dysfunction had a significant mediating effect between tic severity and both psychological symptoms (indirect effect: Β = 0.0038, 95% confidence interval: 0.0006-0.0082) as well as physical and activities of daily living impairment (indirect effect: Β = 0.0029, 95% confidence interval: 0.0004-0.0065). For vocal tic severity, this mediation was found to be even more pronounced. Additionally, in male participants and those without attention deficit hyperactivity disorder, the mediating effect of family communication dysfunction was still evident. CONCLUSION Our study highlights the impact of family functioning on the tic severity and the quality of life in children. This relationship is influenced by gender and comorbid conditions like attention deficit hyperactivity disorder.