Abstract Complex cognitive functions such as working memory and decision-making require information maintenance over many timescales, from transient sensory stimuli to long-term contextual cues. While theoretical accounts predict the emergence of a corresponding hierarchy of neuronal timescales, direct electrophysiological evidence across the human cortex is lacking. Here, we infer neuronal timescales from invasive intracranial recordings. Timescales increase along the principal sensorimotor-to-association axis across the entire human cortex, and scale with single-unit timescales within macaques. Cortex-wide transcriptomic analysis shows direct alignment between timescales and expression of excitation- and inhibition-related genes, as well as genes specific to voltage-gated transmembrane ion transporters. Finally, neuronal timescales are functionally dynamic: prefrontal cortex timescales expand during working memory maintenance and predict individual performance, while cortex-wide timescales compress with aging. Thus, neuronal timescales follow cytoarchitectonic gradients across the human cortex, and are relevant for cognition in both short- and long-terms, bridging microcircuit physiology with macroscale dynamics and behavior.

Summary Humans and non-human primates can flexibly switch between different arbitrary mappings from sensation to action to solve a cognitive task. It has remained unknown how the brain implements such flexible sensory-motor mapping rules. Here, we uncovered a dynamic reconfiguration of task-specific correlated variability between sensory and motor brain regions. Human participants switched between two rules for reporting visual orientation judgments during fMRI recordings. Rule switches were either signaled explicitly or inferred by the participants from ambiguous cues. We used behavioral modeling to reconstruct the time course of their belief about the active rule. In both contexts, the patterns of correlations between ongoing fluctuations in stimulus- and action-selective activity across visual and action-related brain regions tracked participants’ belief about the active rule. The rule-specific correlation patterns broke down around the time of behavioral errors. We conclude that internal beliefs about task state are instantiated in brain-wide, selective patterns of correlated variability.

The ability to predict the timing of forthcoming events, known as temporal expectation, has a strong impact on human information processing. Although there is growing consensus that temporal expectations enhance perception, it remains unclear whether they affect the decision process itself, or non-decisional (sensory / motor) processes. Here, participants used predictive auditory cues to anticipate the timing of low-contrast visual imperative stimuli. Modelling of the behavioral data indicated that temporal expectations speeded up non-decisional processes but had no effect on decision formation. Electrophysiological recordings confirmed and extended this result: temporal expectations hastened the onset of a neural signature of decision formation, consistent with faster sensory encoding, but had no effect on its build-up rate. Anticipatory alpha-band power was modulated by temporal expectation, and co-varied with intrinsic trial-by-trial variability in behavioral and neural signatures of sensory encoding speed. These findings highlight how temporal predictions optimize our interaction with unfolding sensory events.

The widely projecting catecholaminergic (norepinephrine and dopamine) neurotransmitter systems profoundly shape the state of neuronal networks in the forebrain. Current models posit that the effects of catecholaminergic modulation on network dynamics are homogenous across the brain. However, the brain is equipped with a variety of catecholamine receptors with distinct functional effects and heterogeneous density across brain regions. Consequently, catecholaminergic effects on brain-wide network dynamics might be more spatially specific than assumed. We tested this idea through the analysis of functional magnetic resonance imaging (fMRI) measurements performed in humans (19 females, 5 males) at 'rest' under pharmacological (atomoxetine-induced) elevation of catecholamine levels. We used a linear decomposition technique to identify spatial patterns of correlated fMRI signal fluctuations that were either increased or decreased by atomoxetine. This yielded two distinct spatial patterns, each expressing reliable and specific drug effects. The spatial structure of both fluctuation patterns resembled the spatial distribution of the expression of catecholamine receptor genes: α1 norepinephrine receptors (for the fluctuation pattern: placebo > atomoxetine), 'D2-like' dopamine receptors (pattern: atomoxetine > placebo), and β norepinephrine receptors (for both patterns, with correlations of opposite sign). We conclude that catecholaminergic effects on the forebrain are spatially more structured than traditionally assumed and at least in part explained by the heterogeneous distribution of various catecholamine receptors. Our findings link catecholaminergic effects on large-scale brain networks to low-level characteristics of the underlying neurotransmitter systems. They also provide key constraints for the development of realistic models of neuromodulatory effects on large-scale brain network dynamics.

Our ability to stay focused is limited: prolonged performance of a task typically results in mental fatigue and decrements in performance over time. This so-called vigilance decrement has been attributed to depletion of attentional resources, though other factors such as reductions in motivation likely also play a role. In this study, we examined three EEG markers of attentional control, to elucidate which stage of attentional processing is most affected by time-on-task and motivation. To elicit the vigilance decrement, participants performed a sustained attention task for 80 minutes without breaks. After 60 minutes, participants were motivated by an unexpected monetary incentive to increase performance in the final 20 minutes. We found that task performance and self-reported motivation declined rapidly, reaching a stable levels well before the motivation manipulation was introduced. Thereafter, motivation increased back up to the initial level, and remained there for the final 20 minutes. While task performance also increased, it did not return to the initial level, and fell to the lowest level overall during the final 10 minutes. This pattern of performance changes was mirrored by the trial-to-trial consistency of the phase of theta (3-7 Hz) oscillations, an index of the variability in timing of the neural response to the stimulus. As task performance decreased, temporal variability increased, suggesting that attentional stability is crucial for sustained attention performance. The effects of attention on our two other EEG measures-early P1/N1 event-related potentials and pre-stimulus alpha (9-14 Hz) power-did not change with time-on-task or motivation. In sum, these findings show that the vigilance decrement is accompanied by a decline in only some facets of attentional control, which cannot be fully brought back online by increases in motivation. The vigilance decrement might thus not occur due to a single cause, but is likely multifactorial in origin.

Many cognitive tasks require a flexible mapping from specific features of sensory input to motor output. Such flexible input-output mapping is reflected in intrinsic correlated variability of activity within the cortical network that implements the decision process, and might rely on rapid plasticity mechanisms that are under neuromodulatory control. Here, we test for a role of neuromodulators in flexible decision-making by combining brainstem fMRI and pupillometry with time-resolved tracking of feature-specific intrinsic correlations within the human sensory-motor network. Human participants reported visual orientation judgments where the correct responses were contingent upon an active rule that could switch unpredictably. Rule switches evoked brainstem and pupil responses and changes in latent variables of behavior that were quantified with a computational model. Behavioral variables in turn were encoded in pupil dynamics. Brainstem activity and pupil dilation preceded fluctuations of stimulus-action coupling strength within the cortical network that implemented the decision. Brainstem arousal systems may thus instigate a context-dependent reorganization of selective cortical pathways for flexible decision-making.

The human brain is able to flexibly adapt its information processing capacity to meet a variety of cognitive challenges. Recent evidence suggests that this flexibility is reflected in the dynamic reorganization of the functional connectome. The ascending catecholaminergic arousal systems of the brain are a plausible candidate mechanism for driving alterations in network architecture, enabling efficient deployment of cognitive resources when the environment demands them. We tested this hypothesis by analyzing both task-free and task-based fMRI data following the administration of atomoxetine, a noradrenaline reuptake inhibitor, compared to placebo, in two separate human fMRI studies. Our results demonstrate that the manipulation of central catecholamine levels leads to a reorganization of the functional connectome in a manner that is sensitive to ongoing cognitive demands.

Abstract Influential accounts postulate distinct roles of the catecholamine and acetylcholine neuromodulatory systems in cognition and behavior. But previous work found similar effects of these modulators on the response properties of individual cortical neurons. Here, we report a double dissociation between catecholamine and acetylcholine effects at the level of cortex-wide network interactions in humans. A pharmacological boost of catecholamine levels increased cortex-wide interactions during a visual task, but not rest. Conversely, an acetylcholine-boost decreased correlations during rest, but not task. Cortical circuit modeling explained this dissociation by differential changes in two circuit properties: the local excitation-inhibition balance (more strongly altered by catecholamines) and intracortical transmission (more strongly reduced by acetylcholine). The inferred catecholaminergic mechanism also predicted increased behavioral exploration, which we confirmed in human behavior during both a perceptual and value-based choice task. In sum, we identified specific circuit mechanisms for shaping cortex-wide network interactions and behavior by key neuromodulatory systems.