Abstract The development of the ventral visual stream is shaped both by an innate proto-organization and by experience. The fusiform face area (FFA), for example, has stronger connectivity to early visual regions representing the fovea and lower spatial frequencies. In adults, category-selective regions in the ventral stream (e.g. the FFA) also have distinct signatures of connectivity to widely distributed brain regions, which are thought to encode rich cross-modal, motoric, and affective associations (e.g., tool regions to the motor cortex). It is unclear whether this long-range connectivity is also innate, or if it develops with experience. We used MRI diffusion-weighted imaging with tractography to characterize the connectivity of face, place, and tool category-selective regions in neonates (N=445), 1-9 month old infants (N=11), and adults (N=14). Using a set of linear-discriminant classifiers, category-selective connectivity was found to be both innate and shaped by experience. Connectivity for faces was the most developed, with no evidence of significant change in the time period studied. Place and tool networks were present at birth but also demonstrated evidence of development with experience, with tool connectivity developing over a more protracted period (9 months). Taken together, the results support an extended proto-organizon to include long-range connectivity that could provide additional constraints on experience dependent development.

Abstract Aim Head motion has a profound effect on MRI, and will contaminate comparisons of function or structure between groups that move differently. This work compares adults and infants. Infants might move differently for physical, physiological and cognitive reasons, but so far these differences have not been quantified. Methods The spatial modes and total magnitude of motion in the MRI scanner were measured (N=211). The effects of group (infant vs. adult) and stimulation paradigm (auditory vs. visual) were evaluated. Results Spatial modes of motion were found to be distinct between infant and adult groups. Infants had less anterior-posterior translational motion, but greater motion in other dimensions, often with complex multi-axis patterns. In magnitude distribution, sleeping infants often remained more still than adults, but when movement did occur it was more extreme and abrupt. Two groups of adults presented with different stimulation showed similar shapes of motion. Conclusion The spatial modes and magnitude distribution of motion differed substantially between groups, and must be considered carefully as a confound in comparisons of structure or function. The abruptness and magnitude of movement suggests that for infants relative to adults post-processing strategies such as de-noising are likely to be more effective than prospective motion correction. Key notes Quantified the spatial and temporal distribution of motion during MRI in 211 adults and neonates The different spatial modes in adults and infants were visualized and statistically contrasted The magnitude of motion had “heavier tails” in infants, with more still periods, and more large movements, than adults.

Abstract Maintaining cognitive health across the lifespan has been the focus of a multi-billion-dollar industry. In order to guide treatment and interventions, a clear understanding of the way that proficiency in different cognitive domains develops and declines across the lifespan is necessary. Additionally, there are gender differences in a range of other factors, such as anxiety and substance use, that are also known to affect cognition, although the scale of this interaction is unknown. Our objective was to assess differences in cognitive function across the lifespan in men and women in a large, representative sample. Leveraging online cognitive testing, a sample of 18,902 men and women ranging in age from 12-69 matched on socio-demographic factors were studied. Segmented regression was used to model three cognitive domains – short-term memory, verbal abilities, and reasoning. Gender differences in all three domains were minimal; however, after broadening the sample in terms of socio-demographic factors, gender differences appeared. These results suggest that cognition across the lifespan differs for men and women, but is greatly influenced by environmental factors. We discuss these findings within a framework that describes gender differences in cognition as likely guided by a complex interplay between biology and environment.

Objective: Functional connectivity magnetic resonance imaging (fcMRI) of neonates with perinatal brain injury could improve prediction of motor impairment before symptoms manifest, and establish how early brain organization relates to subsequent development. Methods: This cohort study is the first to describe and quantitatively assess functional brain networks and their relation to later motor skills in neonates with a diverse range of perinatal brain injuries. Infants (n=65, included in final analyses: n=53) were recruited from the neonatal intensive care unit (NICU) and were stratified based on their age at birth (premature vs. term), and on whether neuropathology was diagnosed from structural MRI. Functional brain networks and a measure of disruption to functional connectivity were obtained from 14 minutes of fcMRI acquired during natural sleep at term-equivalent age. Results: Disruption to connectivity of the somatomotor and frontoparietal executive networks predicted motor impairment at 4 and 8 months. This disruption in functional connectivity was not found to be driven by differences between clinical groups, or by any of the specific measures we captured to describe the clinical course. Conclusion: fcMRI was predictive over and above other clinical measures available at discharge from the NICU, including structural MRI. Motor learning was affected by disruption to somatomotor networks, but also frontoparietal executive networks, which supports the functional importance of these networks in early development. Disruption to these two networks might be best addressed by distinct intervention strategies.

Comprehension of degraded speech requires higher-order expectations informed by prior-knowledge. Accurate top-down expectations of incoming degraded speech cause a subjective semantic 'pop-out' or conscious breakthrough experience. Indeed, the same stimulus can be perceived as meaningless when no expectations are made in advance. We investigated the ERP correlates of these top-down expectations, their error signals, and the subjective pop-out experience in healthy participants. We manipulated expectations in a word-pair priming noise-vocoded speech task and investigated the role of top-down expectation with a between-groups attention manipulation. Consistent with the role of expectations in comprehension, repetition priming significantly enhanced perceptual intelligibility of the noise-vocoded degraded targets for attentive participants. An early ERP was larger for mismatched (i.e. unexpected) targets than matched targets, indicative of an initial error signal not reliant on top-down expectations. Subsequently, a P3a-like ERP was larger to matched targets than mismatched targets only for attending participants - i.e. a pop-out effect. Rather than relying on complex post hoc interactions between prediction error and precision to explain this apredictive pattern, we consider our data to be consistent with prediction error minimisation accounts for early stages of processing followed by Global Neuronal Workspace-like breakthrough and processing in service of task goals.

Abstract Speech is often degraded by environmental noise or hearing impairment. People can compensate for degradation, but this requires cognitive effort. Previous research has identified frontotemporal networks involved in effortful perception, but materials in these works were also less intelligible, and so it is not clear whether activity reflected effort or intelligibility differences. We used functional magnetic resonance imaging to assess the degree to which spoken sentences were processed under distraction, and whether this depended on speech quality even when intelligibility of degraded speech was matched to that of clear speech (i.e., 100%). On each trial, participants either attended to a sentence, or to a concurrent multiple object tracking (MOT) task that imposed parametric cognitive load. Activity in bilateral anterior insula reflected task demands: during the MOT task, activity increased as cognitive load increased, and during speech listening, activity increased as speech became more degraded. In marked contrast, activity in bilateral anterior temporal cortex was speech-selective, and gated by attention when speech was degraded. In this region, performance of the MOT task with a trivial load blocked processing of degraded speech whereas processing of clear speech was unaffected. As load increased, responses to clear speech in these areas declined, consistent with reduced capacity to process it. This result dissociates cognitive control from speech processing: substantially less cognitive control is required to process clear speech than is required to understand even very mildly degraded, 100% intelligible, speech. Perceptual and control systems clearly interact dynamically during real-world speech comprehension. Significance Statement Speech is often perfectly intelligible even when degraded, e.g., by background sound, phone transmission, or hearing loss. How does degradation alter cognitive demands? Here, we use fMRI to demonstrate a novel and critical role for cognitive control in the processing of mildly degraded but perfectly intelligible speech. We compare speech that is matched for intelligibility but differs in putative control demands, dissociating cognitive control from speech processing. We also impose a parametric cognitive load during perception, dissociating processes that depend on tasks from those that depend on available capacity. Our findings distinguish between frontal and temporal contributions to speech perception and reveal a hidden cost to processing mildly degraded speech, underscoring the importance of cognitive control for everyday speech comprehension.