Abstract Across the lifespan, curiosity motivates us to learn, yet curiosity varies strikingly between individuals. Such individual differences have been shown for two distinct dimensions of curiosity: epistemic curiosity (EC), the desire to acquire conceptual knowledge, and perceptual curiosity (PC), the desire for sensory information. It is not known, however, whether both dimensions of curiosity depend on different brain networks and whether inter-individual differences in curiosity depend on variation in anatomical connectivity within these networks. Here, we investigated the neuroanatomical connections underpinning individual variation in trait curiosity. Fifty-one female participants underwent a two-shell diffusion MRI sequence and completed questionnaires measuring EC and PC. Using deterministic spherical deconvolution tractography we extracted microstructural metrics (fractional anisotropy (FA) and mean diffusivity (MD)) from two key white matter tracts: the fornix (implicated in novelty processing, exploration, information seeking and episodic memory) and the inferior longitudinal fasciculus (ILF) (implicated in semantic learning and memory). In line with our predictions, we found that EC – but not PC – correlated with ILF microstructure. Fornix microstructure, in contrast, correlated with both EC and PC, with posterior hippocampal fornix fibres - associated with posterior hippocampal network connectivity - linked to PC specifically. These findings suggest that differences in distinct dimensions of curiosity map systematically onto specific white matter tracts underlying well characterized brain networks. Furthermore, the results pave the way to study the anatomical substrates of inter-individual differences in dimensions of trait curiosity that motivate the learning of distinct forms of knowledge and skills.

Prospection (mentally simulating future events) generates emotionally charged mental images that guide social decision-making. Positive and negative social expectancies - imagining new social interactions to be rewarding vs. threatening - are core components of social approach and avoidance motivation, respectively. Stable individual differences in such positive and negative future-related cognitions may be underpinned by distinct neuroanatomical substrates. Here, we asked 100 healthy adults to vividly imagine themselves in a novel self-relevant social scenario that was ambiguous with regards to possible social acceptance or rejection. During this task we measured their expectancies for social reward (e.g. anticipated feelings of social connection) or threat (e.g. anticipated feelings of rejection). On a separate day they underwent structural MRI; voxel-based morphometry (VBM) was used to explore the relation between their social reward and threat expectancies and regional grey matter volumes (rGMV). Increased rGMV in key regions involved in prospection, subjective valuation and emotion regulation (including ventromedial prefrontal cortex), correlated with both higher social reward and lower social threat expectancies. In contrast, social threat expectancies were uniquely linked with rGMV of regions involved in social attention (posterior superior temporal sulcus) and interoception (somatosensory cortex). These findings provide novel insight into the neurobiology of future-oriented cognitive-affective processes critical to adaptive social functioning.

Precuneus/posterior cingulate cortex (PCu/PCC) are key components of a midline network, activated during rest but also in tasks that involve construction of scene or situation models. Despite growing interest in PCu/PCC functional alterations in disease, the underlying neurochemical modulators of PCu/PCCs task-induced activity are largely unstudied. Here, a multimodal imaging approach was applied to investigate whether inter-individual differences in PCu/PCC fMRI activity, elicited during perceptual discrimination of scene stimuli, were correlated with local brain metabolite levels, measured during resting-state 1H-MRS. Forty healthy young adult participants (12 male) completed an fMRI perceptual odd-one-out task for scenes, objects and faces. 1H-MRS metabolites N-acetyl-aspartate (tNAA), glutamate (Glx) and γ-amino-butyric acid (GABA+) were quantified via PRESS and MEGA-PRESS scans in a PCu/PCC voxel and an occipital (OCC) control voxel. Whole brain fMRI revealed a cluster in right dorsal PCu/PCC that showed a greater BOLD response to scenes versus faces and objects. When extracted from an independently defined PCu/PCC region of interest, scene activity (versus faces and objects and also versus baseline) was positively correlated with PCu/PCC, but not OCC, tNAA. A complementary fMRI analysis restricted to the PCu/PCC MRS voxel area identified a significant PCu/PCC cluster, confirming the positive correlation between scene-related BOLD activity and PCu/PCC tNAA. There were no correlations between PCu/PCC fMRI activity and Glx or GABA+ levels. These results demonstrate, for the first time, that scene activity in PCu/PCC is linked to local tNAA levels, identifying a neurochemical influence on inter-individual differences in the task-driven activity of a key brain hub.

The speed of voluntary reaction to an external stimulus varies substantially between individuals and is impaired in ageing. However, the neuroanatomical origins of inter-individual variability in reaction time (RT) remain largely unknown. Here, we combined a cognitive model of RT and a biophysical compartmental model of diffusion-weighted MRI (DWI) to characterize the relationship between RT and microstructure of the corticospinal tract (CST) and the optic radiation (OR), the primary motor output and visual input pathways associated with visual-motor responses. We fitted an accumulator model of RT to 46 female participants' behavioral performance in a simple reaction time task. The non-decision time parameter (Ter) derived from the model was used to account for the latencies of stimulus encoding and action initiation. From multi-shell DWI data, we quantified tissue microstructure of the CST and OR with the neurite orientation dispersion and density imaging (NODDI) model as well as the conventional diffusion tensor imaging (DTI) model. Using novel skeletonization and segmentation approaches, we showed that DWI-based microstructure metrics varied substantially along CST and OR. The Ter of individual participants was negatively correlated with the NODDI measure of the neurite density in the bilateral superior CST. At an uncorrected threshold, the Ter positively correlated with the DTI measure of fractional anisotropy in an anterior segment of left OR. Further, we found no significant correlation between the microstructural measures and mean RT. Thus, our findings suggest a link between the inter-individual variability of sensorimotor speed and selective microstructural properties in white matter tracts.

Abstract The parahippocampal cingulum bundle (PHCB) connects regions known to be vulnerable to early Alzheimer’s disease (AD) pathology, such as posteromedial cortex and medial temporal lobe. While AD-related pathology has been robustly associated with alterations in PHCB microstructure, specifically lower fractional anisotropy (FA) and higher mean diffusivity (MD), emerging evidence indicates that the reverse pattern is evident in younger adults at-risk of AD. In one such study, Hodgetts et al. (2019) reported that healthy young adult carriers of the apolipoprotein-E ( APOE ) ε4 allele – the strongest common genetic risk factor for AD – showed higher FA and lower MD in the PHCB but not the inferior longitudinal fasciculus (ILF). These results are consistent with proposals claiming that heightened neural activity and connectivity have a significant role in posteromedial cortex vulnerability to amyloid-β and tau spread beyond the medial temporal lobe. Given the implications for understanding AD risk, here we sought to replicate Hodgetts et al.’s finding in a larger sample ( N = 128; 40 APOE ε4 carriers, 88 APOE ε4 non-carriers) of young adults (age range: 19-33). Extending this work further, we also conducted exploratory analyses using a more advanced measure of microstructure: hindrance modulated orientational anisotropy (HMOA). These analyses included an investigation of hemispheric asymmetry in PHCB and ILF HMOA. Contrary to the original study, we observed no difference in PHCB microstructure between APOE ε4 carriers and non-carriers. Bayes factors (BFs) further revealed moderate-to-strong evidence in support of these null findings. APOE ε4-related differences in ILF HMOA asymmetry were evident, however, with carriers demonstrating lower leftward asymmetry. Our findings indicate that young adult APOE ε4 carriers do not show alterations in PHCB microstructure, as observed by Hodgetts et al., but may show altered asymmetry in ILF microstructure.

Abstract BOLD fMRI studies have provided compelling evidence that the human brain demonstrates substantial moment-to-moment fluctuations in both activity and functional connectivity patterns. While the role of brain signal variability in fostering cognitive adaptation to ongoing environmental demands is well-documented, the relevance of moment-to-moment changes in functional brain architecture is still debated. To probe the role of architectural variability in naturalistic information processing, we used neuroimaging and behavioural data collected during movie watching by the Cambridge Centre for Ageing and Neuroscience (N = 642, 326 women) and the Human Connectome Project (N = 176, 106 women). Both moment-to-moment and contextual change-evoked architectural variability increased from young to older adulthood. However, coupling between moment-to-moment changes in functional brain architecture and concrete environmental features was stronger at younger ages. Architectural variability (both momentary and context-evoked) was associated with age-distinct profiles of network communication, specifically, greater functional integration of the default mode network in older adulthood, but greater informational flow across neural networks implicated in environmentally driven attention and control (cingulo-opercular, salience, ventral attention) in younger adulthood. Whole-brain communication pathways anchored in default mode regions relevant to episodic and semantic context creation (i.e., angular and middle temporal gyri) contributed to greater brain reconfiguration in response to narrative context changes, as well as stronger coupling between moment-to-moment changes in functional brain architecture and changes in concrete environmental features. Cognitive adaptation was directly linked to levels of brain-environment alignment, but only indirectly associated with levels of architectural variability. Specifically, stronger coupling between moment-to-moment variability in brain architecture and concrete environmental features predicted poorer cognitive adaptation (i.e., fluid IQ) and greater affectively driven environmental vigilance. Complementarily, across the adult lifespan, higher fluid (but not crystallized) IQ was related to stronger expression of the network communication profile underlying momentary and context-based architectural variability during youth. Our results indicate that the adaptiveness of dynamic brain reconfiguration during naturalistic information processing changes across the lifespan due to the associated network communication profiles. Moreover, our findings on brain-environment alignment complement the existing literature on the beneficial consequences of modulating brain signal variability in response to environmental complexity. Specifically, they imply that coupling between moment-to-moment variability in functional brain architecture and concrete environmental features may index a bias towards perceptually-bound, rather than conceptual processing, which hinders affective functioning and strategic engagement with the external environment.

Abstract Invasive tract-tracing studies in rodents implicate a direct connection between the subiculum and bed nucleus of the stria terminalis (BNST) as a key component of neural pathways mediating hippocampal regulation of the Hypothalamic-Pituitary-Adrenal (HPA) axis. A clear characterisation of the connections linking the subiculum and BNST in humans and non-human primates is lacking. To address this, we first delineated the projections from the subiculum to the BNST using anterograde tracers injected into macaque monkeys, revealing evidence for a monosynaptic subiculum-BNST projection involving the fornix. Second, we used in vivo diffusion MRI tractography in macaques and humans to demonstrate substantial subiculum complex connectivity to the BNST in both species. This connection was primarily mediated through the fornix, with additional connectivity via the amygdala, consistent with rodent anatomy. Third, utilising the twin-based nature of our human sample, we found that microstructural properties of these tracts are moderately heritable (h 2 ∼ 0.5). In a final analysis, we found no evidence of any significant association between subiculum complex-BNST tract microstructure and indices of perceived stress/dispositional negativity and alcohol use, derived from principal component analysis decomposition of self-report data. We did, however, find subiculum complex-BNST tract microstructure associations with BMI, age, and sex. Our findings address a key translational gap in our knowledge of the neurocircuitry regulating stress.