Abstract Resting-state functional MRI (rs-fMRI) allows estimation of individual-specific cortical parcellations. We have previously developed a multi-session hierarchical Bayesian model (MS-HBM) for estimating high-quality individual-specific network-level parcellations. Here, we extend the model to estimate individual-specific areal-level parcellations. While network-level parcellations comprise spatially distributed networks spanning the cortex, the consensus is that areal-level parcels should be spatially localized, i.e., should not span multiple lobes. There is disagreement about whether areal-level parcels should be strictly contiguous or comprise multiple non-contiguous components, therefore we considered three areal-level MS-HBM variants spanning these range of possibilities. Individual-specific MS-HBM parcellations estimated using 10min of data generalized better than other approaches using 150min of data to out-of-sample rs-fMRI and task-fMRI from the same individuals. Resting-state functional connectivity (RSFC) derived from MS-HBM parcellations also achieved the best behavioral prediction performance. Among the three MS-HBM variants, the strictly contiguous MS-HBM (cMS-HBM) exhibited the best resting-state homogeneity and most uniform within-parcel task activation. In terms of behavioral prediction, the gradient-infused MS-HBM (gMS-HBM) was numerically the best, but differences among MS-HBM variants were not statistically significant. Overall, these results suggest that areal-level MS-HBMs can capture behaviorally meaningful individual-specific parcellation features beyond group-level parcellations. Multi-resolution trained models and parcellations are publicly available ( https://github.com/ThomasYeoLab/CBIG/tree/master/stable_projects/brain_parcellation/Kong2022_ArealMSHBM ).

A balanced excitation-inhibition ratio (E/I ratio) is critical for healthy brain function. Normative development of cortex-wide E/I ratio remains unknown. Here, we noninvasively estimate a putative marker of whole-cortex E/I ratio by fitting a large-scale biophysically plausible circuit model to resting-state functional MRI (fMRI) data. We first confirm that our model generates realistic brain dynamics in the Human Connectome Project. Next, we show that the estimated E/I ratio marker is sensitive to the gamma-aminobutyric acid (GABA) agonist benzodiazepine alprazolam during fMRI. Alprazolam-induced E/I changes are spatially consistent with positron emission tomography measurement of benzodiazepine receptor density. We then investigate the relationship between the E/I ratio marker and neurodevelopment. We find that the E/I ratio marker declines heterogeneously across the cerebral cortex during youth, with the greatest reduction occurring in sensorimotor systems relative to association systems. Importantly, among children with the same chronological age, a lower E/I ratio marker (especially in the association cortex) is linked to better cognitive performance. This result is replicated across North American (8.2 to 23.0 y old) and Asian (7.2 to 7.9 y old) cohorts, suggesting that a more mature E/I ratio indexes improved cognition during normative development. Overall, our findings open the door to studying how disrupted E/I trajectories may lead to cognitive dysfunction in psychopathology that emerges during youth.

A balanced excitation-inhibition ratio (E/I ratio) is critical for healthy brain function. Normative development of cortex-wide E/I ratio remains unknown. Here we non-invasively estimate a putative marker of whole-cortex E/I ratio by fitting a large-scale biophysically-plausible circuit model to resting-state functional MRI (fMRI) data. We first confirm that our model generates realistic brain dynamics in the Human Connectome Project. Next, we show that the estimated E/I ratio marker is sensitive to the GABA-agonist benzodiazepine alprazolam during fMRI. Alprazolam-induced E/I changes are spatially consistent with positron emission tomography measurement of benzodiazepine receptor density. We then investigate the relationship between the E/I ratio marker and neurodevelopment. We find that the E/I ratio marker declines heterogeneously across the cerebral cortex during youth, with the greatest reduction occurring in sensorimotor systems relative to association systems. Importantly, among children with the same chronological age, a lower E/I ratio marker (especially in association cortex) is linked to better cognitive performance. This result is replicated across North American (8.2 to 23.0 years old) and Asian (7.2 to 7.9 years old) cohorts, suggesting that a more mature E/I ratio indexes improved cognition during normative development. Overall, our findings open the door to studying how disrupted E/I trajectories may lead to cognitive dysfunction in psychopathology that emerges during youth.

Abstract Resting-state fMRI is commonly used to derive brain parcellations, which are widely used for dimensionality reduction and interpreting human neuroscience studies. We previously developed a model that integrates local and global approaches for estimating areal-level cortical parcellations. The resulting local-global parcellations are often referred to as the Schaefer parcellations. However, the lack of homotopic correspondence between left and right Schaefer parcels has limited their use for brain lateralization studies. Here, we extend our previous model to derive homotopic areal-level parcellations. Using resting-fMRI and task-fMRI across diverse scanners, acquisition protocols, preprocessing and demographics, we show that the resulting homotopic parcellations are as homogeneous as the Schaefer parcellations, while being more homogeneous than five publicly available parcellations. Furthermore, weaker correlations between homotopic parcels are associated with greater lateralization in resting network organization, as well as lateralization in language and motor task activation. Finally, the homotopic parcellations agree with the boundaries of a number of cortical areas estimated from histology and visuotopic fMRI, while capturing sub-areal (e.g., somatotopic and visuotopic) features. Overall, these results suggest that the homotopic local- global parcellations represent neurobiologically meaningful subdivisions of the human cerebral cortex and will be a useful resource for future studies. Multi-resolution parcellations estimated from 1479 participants are publicly available (GITHUB_LINK).