When we remember a city that we have visited, we retrieve places related to finding our goal but also non-target locations within this environment. Yet, understanding how the human brain implements the neural computations underlying holistic retrieval remains unsolved, particularly for shared aspects of environments. Here, human participants learned and retrieved details from three partially overlapping environments while undergoing high-resolution functional magnetic resonance imaging (fMRI). Our findings show reinstatement of stores even when they are not related to a specific trial probe, providing evidence for holistic environmental retrieval. For stores shared between cities, we find evidence for pattern separation (representational orthogonalization) in hippocampal subfield CA2/3/DG and repulsion in CA1 (differentiation beyond orthogonalization). Additionally, our findings demonstrate that medial prefrontal cortex (mPFC) stores representations of the common spatial structure, termed schema, across environments. Together, our findings suggest how unique and common elements of multiple spatial environments are accessed computationally and neurally.

Abstract While memory is known to play a key role in creativity, previous studies have not isolated the critical component processes and networks. We asked participants to generate links between words that ranged from strongly related to completely unrelated in long-term memory, delineating the neurocognitive processes that underpin more unique versus stereotypical patterns of retrieval. Less creative responses to strongly associated word pairs were associated with greater engagement of episodic memory: in highly familiar situations, semantic and episodic stores converge on the same information. This pattern of retrieval was associated with greater engagement of core default mode network. In contrast, more creative responses to weakly associated word pairs were associated with the controlled retrieval of less dominant semantic information and greater recruitment of the semantic control network, which overlaps with the dorsomedial subsystem of default mode network. Consequently, although both creative/controlled and stereotypical/more automatic patterns of retrieval are associated with activation within default mode network, these processes show little overlap in activation. These findings show that creativity emerges from controlled aspects of semantic cognition.

Abstract The flexible retrieval of knowledge is critical in everyday situations involving problem solving, reasoning and social interaction. Current theories emphasise the importance of a left-lateralised semantic control network (SCN) in supporting flexible semantic behaviour, while a bilateral multiple-demand network (MDN) is implicated in executive functions across domains. No study, however, has examined whether semantic and non-semantic demands are reflected in a common neural code within regions specifically implicated in semantic control. Using functional MRI and univariate parametric modulation analysis as well as multivariate pattern analysis, we found that semantic and non-semantic demands gave rise to both similar and distinct neural responses across control-related networks. Though activity patterns in SCN and MDN could decode the difficulty of both semantic and verbal working memory decisions, there was no shared common neural coding of cognitive demands in SCN regions. In contrast, regions in MDN showed common patterns across manipulations of semantic and working memory control demands, with successful cross-classification of difficulty across tasks. Therefore, SCN and MDN can be dissociated according to the information they maintain about cognitive demands.

Abstract Decomposition of whole-brain functional connectivity patterns reveals a principal gradient that captures the separation of sensorimotor cortex from heteromodal regions in the default mode network (DMN); this gradient captures the systematic order of networks on the cortical surface. Functional homotopy is strongest in sensorimotor areas, and weakest in heteromodal cortices, suggesting there may be differences between the left and right hemispheres (LH/RH) in the principal gradient, especially towards its apex. This study characterised hemispheric differences in the position of large-scale cortical networks along the principal gradient, and their functional significance. We collected resting-state fMRI and semantic and non-verbal reasoning task performance in 175+ healthy volunteers. We then extracted the principal gradient of connectivity for each participant and tested which networks showed significant hemispheric differences in gradient value. We investigated the functional associations of these differences by regressing participants’ behavioural efficiency in tasks outside the scanner against their interhemispheric gradient difference for each network. LH showed a higher overall principal gradient value, consistent with its role in heteromodal semantic cognition. One frontotemporal control subnetwork was linked to individual differences in semantic cognition: when it was nearer heteromodal DMN on the principal gradient in LH, participants showed more efficient semantic retrieval. In contrast, when a dorsal attention subnetwork was closer to the heteromodal end of the principal gradient in RH, participants showed better visual reasoning. Lateralization of function may reflect differences in connectivity between control and heteromodal regions in LH, and attention and visual regions in RH.

Older adults show declines in spatial memory, although the extent of these alterations is not uniform across the healthy older population. Here, we investigate the stability of neural representations for the same and different spatial environments in a sample of younger and older adults using high-resolution functional magnetic resonance imaging (fMRI) of the medial temporal lobe. Older adults showed, on average, less distinct neural patterns between spatial environments and more variable neural patterns within a single environment. We also found a positive association between spatial distance discrimination and the distinctiveness of neural patterns between environments. Our analyses suggested that one source for this association was the extent of informational connectivity to CA1 from other subfields, which was dependent on age, while another source was the fidelity of signals within CA1 itself, which was independent of age. Together, our findings suggest both age-dependent and independent neural contributions to spatial memory performance.

Abstract Understanding how thought emerges from the topographical structure of the cerebral cortex is a primary goal of cognitive neuroscience. Recent work has revealed a principal gradient of intrinsic connectivity capturing the separation of sensory-motor cortex from transmodal regions of the default mode network (DMN); this is thought to facilitate memory-guided cognition. However, studies have not explored how this dimension of connectivity changes when conceptual retrieval is controlled to suit the context. We used gradient decomposition of informational connectivity in a semantic association task to establish how the similarity in connectivity across brain regions changes during familiar and more original patterns of retrieval. Multivoxel activation patterns at opposite ends of the principal gradient were more divergent when participants retrieved stronger associations; therefore, when long-term semantic information is sufficient for ongoing cognition, regions supporting heteromodal memory are functionally separated from sensory-motor experience. In contrast, when less related concepts were linked, this dimension of connectivity was reduced in strength as semantic control regions separated from the DMN to generate more flexible and original responses. We also observed fewer dimensions within the neural response towards the apex of the principal gradient when strong associations were retrieved, reflecting less complex or varied neural coding across trials and participants. In this way, the principal gradient explains how semantic cognition is organised in the human cerebral cortex: the separation of DMN from sensory-motor systems is a hallmark of the retrieval of strong conceptual links that are culturally shared. Significance statement A central task in neuroscience is to understand how cognition emerges from the topographical structure of cerebral cortex. We used fMRI during a semantic task to assess informational connectivity as participants retrieved stereotypical or more unusual associations. The principal gradient of variation in informational connectivity captured the separation of heteromodal memory regions from unimodal cortex. This separation was reduced when weaker associations were retrieved; these trials also produced higher-dimensional neural responses in heteromodal regions. We conclude that the separation of DMN from sensory-motor systems is a hallmark of the retrieval of strong conceptual links that are culturally shared, while more complex and diverse cognition can be generated as this separation in connectivity is reduced.

Abstract How concepts are coded in the brain is a core issue in cognitive neuroscience. Studies have focused on how individual concepts are processed, but the way in which conceptual representation changes to suit the context is unclear. We parametrically manipulated the association strength between words, presented in pairs one word at a time using a slow event-related fMRI design. We combined representational similarity analysis and computational linguistics to probe the neurocomputational content of these trials. Individual word meaning was maintained in supramarginal gyrus (associated with verbal short-term memory) when items were judged to be unrelated, but not when a linking context was retrieved. Context-dependent meaning was instead represented in left lateral prefrontal gyrus (associated with controlled retrieval), angular gyrus and ventral temporal lobe (regions associated with integrative aspects of memory). Analyses of informational connectivity, examining the similarity of activation patterns across trials between sites, showed that control network regions had more similar multivariate responses across trials when association strength was weak, reflecting a common controlled retrieval state when the task required more unusual associations. These findings indicate that semantic control and representational sites amplify contextually-relevant meanings in trials judged to be related.

Abstract Processing pathways between sensory and default mode network (DMN) regions support recognition, navigation, and memory but their organisation is not well understood. We show that functional subdivisions of visual cortex and DMN sit at opposing ends of parallel streams of information processing that support visually-mediated semantic and spatial cognition, providing convergent evidence from univariate and multivariate task responses, intrinsic functional and structural connectivity. Participants learned virtual environments consisting of buildings populated with objects, drawn from either a single semantic category or multiple categories. Later, they made semantic and spatial context decisions about these objects and buildings during functional magnetic resonance imaging. A lateral ventral occipital to frontotemporal DMN pathway was primarily engaged by semantic judgements, while a medial visual to medial temporal DMN pathway supported spatial context judgements. These pathways had distinctive locations in functional connectivity space: the semantic pathway was both further from unimodal systems and more balanced between visual and auditory-motor regions compared with the spatial pathway. When semantic and spatial context information could be integrated (in buildings containing objects from a single category), regions at the intersection of these pathways responded, suggesting that parallel processing streams interact at multiple levels of the cortical hierarchy to produce coherent memory-guided cognition.