The functional architecture of the human brain has been extensively described in terms of functional connectivity networks, detected from the low-frequency coherent neuronal fluctuations that can be observed in a resting state condition. Little is known, so far, about the changes in functional connectivity and in the topological properties of functional networks, associated with different brain diseases.In this study, we investigated alterations related to mesial temporal lobe epilepsy (mTLE), using resting state functional magnetic resonance imaging on 18 mTLE patients and 27 healthy controls. Functional connectivity among 90 cortical and subcortical regions was measured by temporal correlation. The related values were analyzed to construct a set of undirected graphs. Compared to controls, mTLE patients showed significantly increased connectivity within the medial temporal lobes, but also significantly decreased connectivity within the frontal and parietal lobes, and between frontal and parietal lobes. Our findings demonstrated that a large number of areas in the default-mode network of mTLE patients showed a significantly decreased number of connections to other regions. Furthermore, we observed altered small-world properties in patients, along with smaller degree of connectivity, increased n-to-1 connectivity, smaller absolute clustering coefficients and shorter absolute path length.We suggest that the mTLE alterations observed in functional connectivity and topological properties may be used to define tentative disease markers.

Abstract Studies of in mesial temporal lobe epilepsy (mTLE) patients with hippocampal sclerosis (HS) have reported reductions in both functional and structural connectivity between hippocampal structures and adjacent brain regions. However, little is known about the connectivity among the default mode network (DMN) in mTLE. Here, we hypothesized that both functional and structural connectivity within the DMN were disturbed in mTLE. To test this hypothesis, functional magnetic resonance imaging (fMRI) and diffusion tensor imaging (DTI) were applied to examine the DMN connectivity of 20 mTLE patients, and 20 gender‐ and age‐matched healthy controls. Combining these two techniques, we explored the changes in functional (temporal correlation coefficient derived from fMRI) and structural (path length and connection density derived from DTI tractography) connectivity of the DMN. Compared to the controls, we found that both functional and structural connectivity were significantly decreased between the posterior cingulate cortex (PCC)/precuneus (PCUN) and bilateral mesial temporal lobes (mTLs) in patients. No significant between‐group difference was found between the PCC/PCUN and medial prefrontal cortex (mPFC). In addition, functional connectivity was found to be correlated with structural connectivity in two pairwise regions, namely between the PCC/PCUN and bilateral mTLs, respectively. Our results suggest that the decreased functional connectivity within the DMN in mTLE may be a consequence of the decreased connection density underpinning the degeneration of structural connectivity. Hum Brain Mapp, 2011. © 2010 Wiley‐Liss, Inc.

Dysfunctional default mode network (DMN) has been observed in various mental disorders, including epilepsy (see review Broyd et al. [2009]: Neurosci Biobehav Rev 33:279–296). Because interictal epileptic discharges may affect DMN, resting-state fMRI was used in this study to determine DMN functional connectivity in 14 healthy controls and 12 absence epilepsy patients. To avoid interictal epileptic discharge effects, testing was performed within interictal durations when there were no interictal epileptic discharges. Cross-correlation functional connectivity analysis with seed at posterior cingulate cortex, as well as region-wise calculation in DMN, revealed decreased integration within DMN in the absence epilepsy patients. Region-wise functional connectivity among the frontal, parietal, and temporal lobe was significantly decreased in the patient group. Moreover, functional connectivity between the frontal and parietal lobe revealed a significant negative correlation with epilepsy duration. These findings indicated DMN abnormalities in patients with absence epilepsy, even during resting interictal durations without interictal epileptic discharges. Abnormal functional connectivity in absence epilepsy may reflect abnormal anatomo-functional architectural integration in DMN, as a result of cognitive mental impairment and unconsciousness during absence seizure.

Abstract Speech and music have structured rhythms, but these rhythms are rarely compared empirically. This study, based on large corpora, quantitatively characterizes and compares a major acoustic correlate of spoken and musical rhythms, the slow (0.25-32 Hz) temporal modulations in sound intensity. We show that the speech modulation spectrum is highly consistent cross 9 languages (including languages with typologically different rhythmic characteristics, such as English, French, and Mandarin Chinese). A different, but similarly consistent modulation spectrum is observed for Western classical music played by 6 different instruments. Western music, including classical music played by single instruments, symphonic, jazz, and rock music, contains more energy than speech in the low modulation frequency range below 4 Hz. The temporal modulations of speech and music show broad but well-separated peaks around 5 and 2 Hz, respectively. These differences in temporal modulations alone, without any spectral details, can discriminate speech and music with high accuracy. Speech and music therefore show distinct and reliable statistical regularities in their temporal modulations that likely facilitate their perceptual analysis and its neural foundations.

Abstract High co-morbidity and substantial overlap across psychiatric disorders encourage a transition in psychiatry research from categorical to dimensional approaches that integrate neuroscience and psychopathology. Cerebellum is involved in a wide range of nonmotor cognitive functions and mental disorders. An important question thus centers on the extent to which cerebellar function can be linked to transdiagnostic dimensions of psychopathology. Here, this question is investigated using partial least squares to identify latent dimensions linking cerebellar connectome properties as assessed by macroscale spatial gradients of connectivity to a large set of clinical and behavioral measures in 198 participants across diagnostic categories. This analysis reveals significant correlated patterns of cerebellar connectivity gradients and behavioral measures that could be represented into four latent dimensions: general psychopathology, general lack of attention regulation, internalizing symptoms, and dysfunctional memory. Each dimension is associated with a distinct spatial pattern of cerebellar connectivity gradients. These findings highlight the relevance of cerebellar connectivity as a necessity for the study and classification of transdiagnostic dimensions of psychopathology.

The entorhinal cortex (EC) plays an essential role in age-related cognitive decline. However, the effect of functional connectivity (FC) changes between EC and other cerebral cortices on cognitive function remains unclear. The aim of this study was to explore the modulation of two interventions (cognitive training and aerobic exercise) on EC-FC in community-dwelling older adults. In total, 94 healthy older adults aged between 65 and 75 years were assigned to either the cognitive training or aerobic exercise group to receive 24 sessions over 12 weeks, or to a control group. Resting-state functional magnetic resonance imaging was performed at both baseline and 12-month follow-up. Compared to the cognitive training group, the aerobic exercise group showed greater EC-FC in the bilateral middle temporal gyrus, right supramarginal gyrus, left angular gyrus, and right postcentral gyrus. Compared to the control group, the cognitive training group had a decreased EC-FC in the right hippocampus, right middle temporal gyrus, left angular gyrus, and right postcentral gyrus and an increased EC-FC in the bilateral pallidum, while the aerobic exercise group showed increased EC-FC between the right medial prefrontal cortex(mPFC), bilateral pallidum, and right precuneus. Baseline EC-FC in the mPFC was positively correlated with the visuospatial/constructional index score of the Repeatable Battery for the Assessment of Neuropsychological Status. In the cognitive training group, EC-FC value changes in the right hippocampus were negatively correlated with changes in the RBANS delayed memory index score, while in the aerobic exercise group, EC-FC value changes in the left angular gyrus were positively correlated with changes in the RBANS attention index score. These findings support the hypothesis that both cognitive training and aerobic exercise can modulate EC-FC in aging populations but through different neural pathways.

Abstract Background White matter (WM) microstructure deficit may be an underlying factor in the brain dysconnectivity hypothesis of schizophrenia using diffusion tensor imaging (DTI). However, WM dysfunction is unclear in schizophrenia. This study aimed to investigate the association between structural deficits and functional disturbances in major WM tracts in schizophrenia. Methods Using functional magnetic resonance imaging (fMRI) and DTI, we developed the skeleton-based white matter functional analysis, which could achieve voxel-wise function–structure coupling by projecting the fMRI signals onto a skeleton in WM. We measured the fractional anisotropy (FA) and WM low-frequency oscillation activation and their couplings in ninety-three schizophrenia patients and 122 healthy controls (HCs). An independent open database (62 schizophrenia patients and 71 HCs) was used to test the reproducibility. Finally, associations between WM activations and five behaviour assessment categories (cognition, emotion, motor, personality and sensory) were examined. Results This study revealed a reversed pattern of structure and function in frontotemporal tracts, as follows. (1) WM hyper-activation was associated with reduced FA in schizophrenia. (2) The function–structure association was positive in healthy controls but negative in schizophrenia patients. Furthermore, function–structure dissociation was exacerbated by long illness duration and severe negative symptoms. (3) WM activations were significantly related to cognition and emotion. Conclusions This study indicated function–structure dys-coupling, with higher functional activation and reduced structural integration in frontotemporal WM, which may reflect a potential mechanism in WM neuropathologic processing of schizophrenia.

Available evidence suggests that dynamic functional connectivity can capture time-varying abnormalities in brain activity in resting-state cerebral functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) data and has a natural advantage in uncovering mechanisms of abnormal brain activity in schizophrenia (SZ) patients. Hence, an advanced dynamic brain network analysis model called the temporal brain category graph convolutional network (Temporal-BCGCN) was employed. Firstly, a unique dynamic brain network analysis module, DSF-BrainNet, was designed to construct dynamic synchronization features. Subsequently, a revolutionary graph convolution method, TemporalConv, was proposed based on the synchronous temporal properties of features. Finally, the first modular test tool for abnormal hemispherical lateralization in deep learning based on rs-fMRI data, named CategoryPool, was proposed. This study was validated on COBRE and UCLA datasets and achieved 83.62% and 89.71% average accuracies, respectively, outperforming the baseline model and other state-of-the-art methods. The ablation results also demonstrate the advantages of TemporalConv over the traditional edge feature graph convolution approach and the improvement of CategoryPool over the classical graph pooling approach. Interestingly, this study showed that the lower-order perceptual system and higher-order network regions in the left hemisphere are more severely dysfunctional than in the right hemisphere in SZ, reaffirmings the importance of the left medial superior frontal gyrus in SZ. Our code was available at: https://github.com/swfen/Temporal-BCGCN.

Depending on our goals, we pay attention to the global shape of an object or to the local shape of its parts, since it’s difficult to do both at once. This typically effortless process can be impaired in disease. However, it is not clear which cortical regions carry the information needed to constrain shape processing to a chosen global/local level. Here, novel stimuli were used to dissociate functional MRI responses to global and local shapes. This allowed identification of cortical regions containing information about level (independent from shape). Crucially, these regions overlapped part of the cortical network implicated in scene processing. As expected, shape information (independent of level) was mainly located in category-selective areas specialized for object- and face-processing. Regions with the same informational profile were strongly linked (as measured by functional connectivity), but were weak when the profiles diverged. Specifically, in the ventral-temporal-cortex (VTC) regions favoring level and shape were consistently separated by the mid-fusiform sulcus (MFS). These regions also had limited crosstalk despite their spatial proximity, thus defining two functional pathways within VTC. We hypothesize that object hierarchical level is processed by neural circuitry that also analyses spatial layout in scenes, contributing to the control of the spatial-scale used for shape recognition. Use of level information tolerant to shape changes could guide whole/part attentional selection but facilitate illusory shape/level conjunctions under impoverished vision.Significance statement One daily engages hierarchically organized objects (e.g. face-eyes-eyelashes). Their perception is commonly studied with global shapes composed by of local shapes. Seeing shape at one level is easy, but difficult for both at once. How can the brain guide attention to one level? Here using novel stimuli that dissociate different levels over time and examining local patterns of brain-activity, we found that the level and shape of visual objects were represented into segregated sets of cortical regions, each connected into their own pathway. Level information was found in part of the cortical network known to process scenes. Coding of object-level independently from shape could participate in guiding sustained attention within objects, eliminating interference from irrelevant levels. It could also help produce “illusory conjunctions” (perceptual migration of a shape to the wrong level) when attention is limited.Highlights