Abstract The hubs of the intra-grey matter (GM) network were sensitive to anatomical distance and susceptible to neuropathological damage. However, few studies examined the hubs of cross-tissue distance-dependent networks and their changes in Alzheimer’s disease (AD). Using resting-state fMRI data of 30 AD patients and 37 normal older adults (NC), we constructed the cross-tissue networks based on functional connectivity (FC) between GM and white matter (WM) voxels. In the full-ranged and distance-dependent networks (characterized by gradually increased Euclidean distances between GM and WM voxels), their hubs were identified with weight degree metrics (frWD and ddWD). We compared these WD metrics between AD and NC; using the resultant abnormal WDs as the seeds, we performed seed-based FC analysis. With increasing distance, the GM hubs of distance-dependent networks moved from the medial to lateral cortices, and the WM hubs spread from the projection fibers to longitudinal fascicles. Abnormal ddWD metrics in AD were primarily located in the hubs of distance-dependent networks around 20-100mm. Decreased ddWDs were located in the left corona radiation (CR), which had decreased FCs with the executive network’s GM regions in AD. Increased ddWDs were located in the posterior thalamic radiation (PTR) and the temporal-parietal-occipital junction (TPO), and their FCs were larger in AD. Increased ddWDs were shown in the sagittal striatum, which had larger FCs with the salience network’s GM regions in AD. The reconfiguration of cross-tissue distance-dependent networks possibly reflected the disruption in the neural circuit of executive function and the compensatory changes in the neural circuits of visuospatial and social-emotional functions in AD.

Non-invasive neuroimaging has revealed specific network-based resting-state dynamics in the human brain, yet the underlying neurophysiological mechanism remains unclear. We employed intracranial electroencephalography to characterize local field potentials within the default mode network (DMN), frontoparietal network (FPN), and salience network (SN) in 42 participants. We identified stronger within-network phase coherence at low frequencies (θ and α band) within the DMN, and at high frequencies (γ band) within the FPN. Hidden Markov modeling indicated that the DMN exhibited preferential low frequency phase coupling. Phase-amplitude coupling (PAC) analysis revealed that the low-frequency phase in the DMN modulated the high-frequency amplitude envelopes of the FPN, suggesting frequency-dependent characterizations of intrinsic brain networks at rest. These findings provide intracranial electrophysiological evidence in support of the network model for intrinsic organization of human brain and shed light on the way brain networks communicate at rest.

Abstract Neuroimaging studies of hemodynamic fluctuations have shown specific network-based organization of the brain at rest, yet the neurophysiological underpinning of these networks in human brain remain unclear. Here, we recorded resting-state activities of neuronal populations in the key regions of default mode network (DMN, posterior cingulate cortex and medial prefrontal cortex), frontoparietal network (FPN, dorsolateral prefrontal cortex and inferior parietal lobule), and salience network (SN, anterior insula and dorsal anterior cingulate cortex) from 42 human participants using intracranial electroencephalogram (iEEG). We observed stronger within-network connectivity of the DMN, FPN and SN in broadband iEEG power, stronger phase synchronization within the DMN across theta and alpha bands, and weaker phase synchronization within the FPN in delta, theta and alpha band. We also found positive power correlations in high frequency band (70-170Hz) and negative power correlations in alpha and beta band for FPN-DMN and FPN-SN. Robust negative correlations in DMN-SN were found in alpha, beta and gamma band. These findings provide intracranial electrophysiological evidence in support of the network model for intrinsic organization of human brain and shed light on the way how the brain networks communicate at rest.

Abstract The temporal synchronization of BOLD signals within white matter (WM) and between WM and grey matter (GM) exhibited intrinsic architecture and cognitive relevance. However, few studies examined the network property within- and between-tissue in Alzheimer’s disease (AD). The hub regions with high weighted degree (WD) were prone to the neuropathological damage of AD. To systematically investigate the changes of hubs within- and between-tissue functional networks in AD patients, we used the resting-state fMRI data of 30 AD patients and 37 normal older adults (NC) from the ADNI open database, and obtained four types of voxel-based WD metrics and four types of distant-dependent WD metrics (ddWD) based on a series of Euclidean distance ranges with a 20mm increment. We found that AD patients showed decreased within-tissue ddWD in the thalamic nucleus and increased between-tissue ddWD in the occipito-temporal cortex, posterior thalamic radiation, and sagittal stratum, compared to NC. We also found that AD patients showed the increased between-tissue FCs between the posterior thalamic radiation and occipito-temporal cortex, and between the sagittal stratum and the salience and executive networks. The dichotomy of decreased and increased ddWD metrics and their locations were consistent with previous studies on the neurodegnerative and compensatory mechanisms of AD, indicating that despite the disruptions, the brain still strived to compensate for the neural inefficiency by reorganizing functional circuits. Our findings also suggested the short-to-medium ranged ddWD metrics between WM and GM as useful biomarker to detect the compensatory changes of functional networks in AD.