Tasks that demand externalized attention reliably suppress default network activity while activating the dorsal attention network. These networks have an intrinsic competitive relationship; activation of one suppresses activity of the other. Consequently, many assume that default network activity is suppressed during goal-directed cognition. We challenge this assumption in an fMRI study of planning. Recent studies link default network activity with internally focused cognition, such as imagining personal future events, suggesting a role in autobiographical planning. However, it is unclear how goal-directed cognition with an internal focus is mediated by these opposing networks. A third anatomically interposed 'frontoparietal control network' might mediate planning across domains, flexibly coupling with either the default or dorsal attention network in support of internally versus externally focused goal-directed cognition, respectively. We tested this hypothesis by analyzing brain activity during autobiographical versus visuospatial planning. Autobiographical planning engaged the default network, whereas visuospatial planning engaged the dorsal attention network, consistent with the anti-correlated domains of internalized and externalized cognition. Critically, both planning tasks engaged the frontoparietal control network. Task-related activation of these three networks was anatomically consistent with independently defined resting-state functional connectivity MRI maps. Task-related functional connectivity analyses demonstrate that the default network can be involved in goal-directed cognition when its activity is coupled with the frontoparietal control network. Additionally, the frontoparietal control network may flexibly couple with the default and dorsal attention networks according to task domain, serving as a cortical mediator linking the two networks in support of goal-directed cognitive processes.

Human cognition is increasingly characterized as an emergent property of interactions among distributed, functionally specialized brain networks. We recently demonstrated that the antagonistic "default" and "dorsal attention" networks--subserving internally and externally directed cognition, respectively--are modulated by a third "frontoparietal control" network that flexibly couples with either network depending on task domain. However, little is known about the intrinsic functional architecture underlying this relationship. We used graph theory to analyze network properties of intrinsic functional connectivity within and between these three large-scale networks. Task-based activation from three independent studies were used to identify reliable brain regions ("nodes") of each network. We then examined pairwise connections ("edges") between nodes, as defined by resting-state functional connectivity MRI. Importantly, we used a novel bootstrap resampling procedure to determine the reliability of graph edges. Furthermore, we examined both full and partial correlations. As predicted, there was a higher degree of integration within each network than between networks. Critically, whereas the default and dorsal attention networks shared little positive connectivity with one another, the frontoparietal control network showed a high degree of between-network interconnectivity with each of these networks. Furthermore, we identified nodes within the frontoparietal control network of three different types--default-aligned, dorsal attention-aligned, and dual-aligned--that we propose play dissociable roles in mediating internetwork communication. The results provide evidence consistent with the idea that the frontoparietal control network plays a pivotal gate-keeping role in goal-directed cognition, mediating the dynamic balance between default and dorsal attention networks.

Abstract The intrinsic functional organization of the brain changes into older adulthood. Age differences are observed at multiple spatial scales, from global reductions in modularity and segregation of distributed brain systems, to network-specific patterns of dedifferentiation. Whether dedifferentiation reflects an inevitable, global shift in brain function with age, circumscribed, experience dependent changes, or both, is uncertain. We employed a multi-method strategy to interrogate dedifferentiation at multiple spatial scales. Multi-echo (ME) resting-state fMRI was collected in younger (n=181) and older (n=120) healthy adults. Cortical parcellation sensitive to individual variation was implemented for precision functional mapping of each participant, while preserving group-level parcel and network labels. ME-fMRI processing and gradient mapping identified global and macroscale network differences. Multivariate functional connectivity methods tested for microscale, edge-level differences. Older adults had lower BOLD signal dimensionality, consistent with global network dedifferentiation. Gradients were largely age-invariant. Edge-level analyses revealed discrete, network-specific dedifferentiation patterns in older adults. Visual and somatosensory regions were more integrated within the functional connectome; default and frontoparietal control network regions showed greater connectivity; and the dorsal attention network was more integrated with heteromodal regions. These findings highlight the importance of multi-scale, multi-method approaches to characterize the architecture of functional brain aging.

Abstract Cognitive Reserve (CR) refers to the preservation of cognitive function in the face of age-or disease-related neuroanatomical decline. While bilingualism is known to contribute to CR, the extent to which, and what particular aspect of, second language experience contributes to CR are debated, and the underlying neural mechanism(s) unknown. Intrinsic functional connectivity reflects experience-dependent neuroplasticity that occurs across timescales ranging from minutes to decades, and may be a neural mechanism underlying CR. To test this hypothesis, we used voxel-based morphometry and resting-state functional connectivity analyses of MRI data to compare structural and functional brain integrity between bilingual and monolingual older adults, matched on cognitive performance using a rigorous propensity score matching technique, and across levels of second language proficiency measured as a continuous variable. Bilingualism, and degree of second language proficiency in particular, were associated with lower grey matter integrity in a hub of the default mode network – a region that is particularly vulnerable to decline in aging and dementia – but preserved functional network organization that resembled the young adult brain. Our findings confirm that lifelong bilingualism contributes to CR through experience-dependent maintenance of optimal functional network structure of the domain-general attentional control network across the lifespan.

Abstract Background Thalamus-hippocampus-putamen and thalamus-cerebellar interconnections are dense. The extent this connectivity is paralleled by each structure’s volume impact on another is unquantified in Alzheimer’s disease (AD). Mixed model quantification of annual volume change in AD is scarce and absent inclusive of the cerebellum, hippocampus, putamen and lateral ventricles and thalamus. Among these structures, autopsy evidence of early-stage AD seems largely but not entirely restricted to the hippocampus and thalamus. Objective Variation in annual volume related to time and baseline age was assessed for the hippocampus, putamen, cerebellum, lateral ventricles and thalamus. Which subcortical structure’s volume had the largest explanatory effect of volume variation in other subcortical structures was also determined. Method The intraclass correlation coefficient was used to assess test-retest reliability of structure automated segmentation. Linear regression ( N = 45) determined which structure’s volume most impacted volume of other structures. Finally, mixed models ( N = 36; 108 data points) quantified annual structure volume change from baseline to 24-months. Results High test-retest reliability was indicated by a mean ICC score of .989 ( SD = .012). Thalamic volume consistently had the greatest explanatory effect of hippocampal, putamen, cerebellar and lateral ventricular volume. The group variable proxy for AD significantly contributed to the best-fitting hippocampal linear regression model, hippocampal and thalamic longitudinal mixed models, and approached significance in the longitudinal lateral ventricular mixed model. Mixed models determined time (1 year) had a negative effect on hippocampal, cerebellar and thalamic volume, no effect on putamen volume, and a positive effect on lateral ventricular volume. Baseline age had a negative effect on hippocampal and thalamic volume, no effect on cerebellar or putamen volume and a positive effect on lateral ventricular volume. Interpretation Linear regression determined thalamic volume as a virtual centralized index of hippocampal, cerebellar, putamen, and lateral ventricular volume. Relative to linear regression, longitudinal mixed models had greater sensitivity to detect contribution of early AD, or potential AD pathology (MCI), via the group variable not just to volume reduction in the hippocampus but also in the thalamus.

Abstract Posterior parietal cortex (PPC), specifically right supramarginal gyrus, is involved in transsaccadic memory of object orientation for both perception and action. Here, we investigated whether PPC is involved in transsaccadic memory of other features, namely spatial frequency. We employed a functional magnetic resonance imaging paradigm where participants briefly viewed a grating stimulus with a specific spatial frequency that later reappeared with the same or different frequency, after a saccade or continuous fixation. Post-saccadic frequency modulation activated a region in the right hemisphere spanning medial PPC (ventral precuneus) and posterior cingulate cortex. Importantly, the site of peak precuneus activation showed saccade-specific feature modulation (compared to fixation) and task-specific saccade modulation (compared to a saccade localizer task). Psychophysiological interaction analysis revealed functional connectivity between this precuneus site and the precentral gyrus (M1), lingual gyrus (V1/V2), and medial occipitotemporal sulcus. This differed from the transsaccadic orientation network, perhaps because spatial frequency signaled changes in object identity . Overall, this experiment supports a general role for PPC in transsaccadic vision, but suggests that different networks are employed for specific features.

Abstract Saccades change eye position and interrupt vision several times per second, necessitating neural mechanisms for continuous perception of object identity, orientation, and location. Neuroimaging studies suggest that occipital and parietal cortex play complementary roles for transsaccadic perception of intrinsic versus extrinsic spatial properties, e.g., dorsomedial occipital cortex (cuneus) is sensitive to changes in spatial frequency, whereas the supramarginal gyrus (SMG) is modulated by changes in object orientation. Based on this, we hypothesized that both structures would be recruited to simultaneously monitor identity and orientation across saccades. To test this, we merged two previous neuroimaging protocols: 21 participants viewed a 2D object and then, after sustained fixation or a saccade, judged whether the shape or orientation of the represented object changed. We, then, performed a bilateral region-of-interest analysis on identified cuneus and SMG sites. As hypothesized, cuneus showed both saccade and feature (i.e., orientation vs. shape change) modulations, and right SMG showed saccade-feature interactions. Further, the cuneus activity time course correlated with several other cortical saccade / visual areas, suggesting a ‘functional network’ for feature discrimination. These results confirm the involvement of occipital / parietal cortex in transsaccadic vision and support complementary roles in spatial versus identity updating.