Although it is being successfully implemented for exploration of the genome, discovery science has eluded the functional neuroimaging community. The core challenge remains the development of common paradigms for interrogating the myriad functional systems in the brain without the constraints of a priori hypotheses. Resting-state functional MRI (R-fMRI) constitutes a candidate approach capable of addressing this challenge. Imaging the brain during rest reveals large-amplitude spontaneous low-frequency (<0.1 Hz) fluctuations in the fMRI signal that are temporally correlated across functionally related areas. Referred to as functional connectivity, these correlations yield detailed maps of complex neural systems, collectively constituting an individual's “functional connectome.” Reproducibility across datasets and individuals suggests the functional connectome has a common architecture, yet each individual's functional connectome exhibits unique features, with stable, meaningful interindividual differences in connectivity patterns and strengths. Comprehensive mapping of the functional connectome, and its subsequent exploitation to discern genetic influences and brain–behavior relationships, will require multicenter collaborative datasets. Here we initiate this endeavor by gathering R-fMRI data from 1,414 volunteers collected independently at 35 international centers. We demonstrate a universal architecture of positive and negative functional connections, as well as consistent loci of inter-individual variability. Age and sex emerged as significant determinants. These results demonstrate that independent R-fMRI datasets can be aggregated and shared. High-throughput R-fMRI can provide quantitative phenotypes for molecular genetic studies and biomarkers of developmental and pathological processes in the brain. To initiate discovery science of brain function, the 1000 Functional Connectomes Project dataset is freely accessible at www.nitrc.org/projects/fcon_1000/ .

Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disorder that prominently affects cerebral connectivity. Assessing the functional connectivity at rest, recent functional MRI (fMRI) studies reported on the existence of resting-state networks (RSNs). RSNs are characterized by spatially coherent, spontaneous fluctuations in the blood oxygen level-dependent signal and are made up of regional patterns commonly involved in functions such as sensory, attention, or default mode processing. In AD, the default mode network (DMN) is affected by reduced functional connectivity and atrophy. In this work, we analyzed functional and structural MRI data from healthy elderly ( n = 16) and patients with amnestic mild cognitive impairment (aMCI) ( n = 24), a syndrome of high risk for developing AD. Two questions were addressed: ( i ) Are any RSNs altered in aMCI? ( ii ) Do changes in functional connectivity relate to possible structural changes? Independent component analysis of resting-state fMRI data identified eight spatially consistent RSNs. Only selected areas of the DMN and the executive attention network demonstrated reduced network-related activity in the patient group. Voxel-based morphometry revealed atrophy in both medial temporal lobes (MTL) of the patients. The functional connectivity between both hippocampi in the MTLs and the posterior cingulate of the DMN was present in healthy controls but absent in patients. We conclude that in individuals at risk for AD, a specific subset of RSNs is altered, likely representing effects of ongoing early neurodegeneration. We interpret our finding as a proof of principle, demonstrating that functional brain disorders can be characterized by functional-disconnectivity profiles of RSNs.

Major depressive disorder (MDD) is characterized by altered intrinsic functional connectivity within (intra-iFC) intrinsic connectivity networks (ICNs), such as the Default Mode- (DMN), Salience- (SN) and Central Executive Network (CEN). It has been proposed that aberrant switching between DMN-mediated self-referential and CEN-mediated goal-directed cognitive processes might contribute to MDD, possibly explaining patients' difficulties to disengage the processing of self-focused, often negatively biased thoughts. Recently, it has been shown that the right anterior insula (rAI) within the SN is modulating DMN/CEN interactions. Since structural and functional alterations within the AI have been frequently reported in MDD, we hypothesized that aberrant intra-iFC in the SN's rAI is associated with both aberrant iFC between DMN and CEN (inter-iFC) and severity of symptoms in MDD. Twenty-five patients with MDD and 25 healthy controls were assessed using resting-state fMRI (rs-fMRI) and psychometric examination. High-model-order independent component analysis (ICA) of rs-fMRI data was performed to identify ICNs including DMN, SN, and CEN. Intra-iFC within and inter-iFC between distinct subsystems of the DMN, SN, and CEN were calculated, compared between groups and correlated with the severity of symptoms. Patients with MDD showed (1) decreased intra-iFC within the SN's rAI, (2) decreased inter-iFC between the DMN and CEN, and (3) increased inter-iFC between the SN and DMN. Moreover, decreased intra-iFC in the SN's rAI was associated with severity of symptoms and aberrant DMN/CEN interactions, with the latter losing significance after correction for multiple comparisons. Our results provide evidence for a relationship between aberrant intra-iFC in the salience network's rAI, aberrant DMN/CEN interactions and severity of symptoms, suggesting a link between aberrant salience mapping, abnormal coordination of DMN/CEN based cognitive processes and psychopathology in MDD.

In schizophrenia, consistent structural and functional changes have been demonstrated for the insula including aberrant salience processing, which is critical for psychosis. Interactions within and across default mode and central executive network (DMN, CEN) are impaired in schizophrenia. The question arises whether these 2 types of changes are related. Recently, the anterior insula has been demonstrated to control DMN/CEN interactions. We hypothesized that aberrant insula and DMN/CEN activity in schizophrenia is associated with an impaired dependence of DMN/CEN interactions on anterior insular salience network (SN) activity. Eighteen patients with schizophrenia during psychosis and 20 healthy controls were studied by resting-state-fMRI and psychometric examination. High-model-order independent component analysis of fMRI data revealed spatiotemporal patterns of synchronized ongoing blood-oxygenation-level-dependent (BOLD) activity including SN, DMN, and CEN. Scores of functional and time-lagged connectivity across networks’ time courses were calculated. Connectivity scores and spatial network maps were compared between groups and related with patients’ hallucination and delusion severity. Spatial BOLD-synchronicity was altered in patients’ SN, DMN, and CEN, including decreased activity in the right anterior insula (rAI). Patients’ functional connectivity between DMN and CEN was increased and related with hallucinations severity. Importantly, patients’ time-lagged connectivity between SN and DMN/CEN was reduced, and decreased rAI activity of the SN was associated with both hallucinations and increased functional connectivity between DMN and CEN. Data provide evidence for an aberrant dependence of DMN/CEN interactions on anterior insular SN activity, linking impaired insula, DMN, CEN activity, and psychosis in schizophrenia.

Lasting thalamus volume reduction after preterm birth is a prominent finding. However, whether thalamic nuclei volumes are affected differentially by preterm birth and whether nuclei aberrations are relevant for cognitive functioning remains unknown. Using T1-weighted MR-images of 83 adults born very preterm (≤ 32 weeks' gestation; VP) and/or with very low body weight (≤ 1,500 g; VLBW) as well as of 92 full-term born (≥ 37 weeks' gestation) controls, we compared thalamic nuclei volumes of six subregions (anterior, lateral, ventral, intralaminar, medial, and pulvinar) across groups at the age of 26 years. To characterize the functional relevance of volume aberrations, cognitive performance was assessed by full-scale intelligence quotient using the Wechsler Adult Intelligence Scale and linked to volume reductions using multiple linear regression analyses. Thalamic volumes were significantly lower across all examined nuclei in VP/VLBW adults compared to controls, suggesting an overall rather than focal impairment. Lower nuclei volumes were linked to higher intensity of neonatal treatment, indicating vulnerability to stress exposure after birth. Furthermore, we found that single results for lateral, medial, and pulvinar nuclei volumes were associated with full-scale intelligence quotient in preterm adults, albeit not surviving correction for multiple hypotheses testing. These findings provide evidence that lower thalamic volume in preterm adults is observable across all subregions rather than focused on single nuclei. Data suggest the same mechanisms of aberrant thalamus development across all nuclei after premature birth.

In schizophrenia, among the most consistent brain changes are both aberrant dopamine function in the dorsal striatum and aberrant intrinsic functional connectivity (iFC) between distinct cortical networks and thalamic nuclei; however, it is unknown whether these changes are pathophysiologically related. Such a relationship is expected because cortico-thalamic-connectivity is modulated by striatal dopamine within topographically distinct, parallel but interacting cortico-basal-ganglia-thalamic circuits. We hypothesized: (1) Within-circuits, aberrant striatal dopamine contributes to aberrant cortico-thalamic-iFC; specifically, associative-striatum dopamine contributes to salience-network-thalamic-iFC, and sensorimotor-striatum dopamine to auditory-sensorimotor-network-thalamic-iFC. (2) Due to between-circuits interactions following an anterior-to-posterior gradient, salience-network-centered-system changes contribute to auditory-sensorimotor-network-centered-system changes. To test these hypotheses, 19 patients with schizophrenia during symptomatic remission of positive symptoms and 19 age- and sex-comparable controls underwent simultaneous fluorodihydroxyphenyl-L-alanine positron emission tomography (18F-DOPA-PET) and resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI). The influx constant kicer based on 18F-DOPA-PET was used to measure dopamine synthesis capacity (DSC), indicating striatal dopamine function; correlation coefficients between rs-fMRI time-series of cortical networks and thalamic regions-of-interest were used to measure iFC. In the salience-network(SAL)-centered-system, patients had reduced associative-striatum-DSC, which correlated positively with SAL-mediodorsal-thalamus-iFC and mediated the reduction of SAL-thalamic-iFC in patients. In the auditory-sensorimotor-network(ASM)-centered-system, patients had reduced sensorimotor-striatum-DSC, which correlated positively with ASM-ventrolateral-thalamus-iFC, but did not mediate increased ASM-thalamic-iFC in patients. Finally, aberrant DSC and iFC of the SAL-centered-system mediated corresponding changes in the ASM-centered-system. Results demonstrate that cortico-thalamic-dysconnectivity links with aberrant striatal dopamine in schizophrenia - in a topographically distinct way, with an anterior-to-posterior gradient, and primary changes in the SAL-centered system.

Younger adults are able to shield attentional selection against distractors when they have pre-knowledge about the upcoming distractor location. For older adults, who suffer from an overall decrease in attentional capacity and who are, in addition, particularly prone to attentional capture, such an adaptive shielding ability would be of particular importance. However, it is an open question whether healthy older adults can utilise the predictability of distractor locations to improve top-down controlled selection to the same degree as younger adults. The theory of visual attention (TVA) framework provides a systematic way to measure an individual's efficiency of top-down control. The present study combined a TVA-based partial-report paradigm with abrupt-onset cues rendering the indicated location highly salient in a bottom-up fashion. Experiment 1, in which (on cued trials) the cue was invariably followed by a distractor at the cued location, showed that the cueing increased the weight of the distractor in the competition for selection compared to uncued distractors (on trials without a cue). In Experiment 2, the probability with which the abrupt-onset cue indicated the upcoming distractor location (1/3 vs. 2/3 of trials) was manipulated between experimental blocks. Participants were able to learn these statistical contingencies and exert top-down control more efficiently in blocks with highly valid distractor location cues, as compared to low-validity blocks. This finding suggests that, even though abrupt-onset spatial cues increase the attentional weights of distractors, participants can acquire and use pre-knowledge about the likelihood that a distractor will appear at an indicated location to down-weight the bottom-up attentional-capture signal. This ability turned out to be comparable across age groups, suggesting that efficient use of predictive information to shield against distracting information is preserved in normal ageing.

Phasic alerting cues temporarily increase the brain's arousal state. In younger and older participants, visual processing speed in a whole report task, estimated based on the theory of visual attention (TVA), is increased in cue compared to no-cue conditions. The present study assessed whether older participants' ability to profit from warning cues is related to iFC in the cingulo-opercular and/or right fronto-parietal network. We obtained resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) data from 31 older participants. By combining an independent component analysis and dual regression, we investigated iFC in both networks. A voxel-wise multiple regression in older participants revealed that higher phasic alerting effects on visual processing speed were significantly associated with lower right fronto-parietal network iFC. We then compared healthy older participants to a previously reported sample of healthy younger participants to assess whether behaviour-iFC relationships are age group specific. The comparison revealed that the association between phasic alerting and cingulo-opercular network iFC is significantly lower in older than in younger adults. Additionally, it yielded a stronger association between phasic alerting and right fronto-parietal network iFC in older versus younger participants. The results support a particular role of the right fronto-parietal network in maintaining phasic alerting capabilities in aging.

Abstract Visual information processing requires an efficient visual attention system. The neural theory of visual attention (TVA) proposes that visual processing speed depends on the coordinated activity between frontoparietal and occipital brain areas. Previous research has shown that the coordinated activity between (i.e., functional connectivity, ‘inter-FC’) cingulo-opercular (COn) and right-frontoparietal (RFPn) networks is linked to visual processing speed. However, evidence for how inter-FC of COn and RFPn with visual networks links to visual processing speed is still missing. Forty-eight healthy human adult participants (27 females) underwent resting-state (rs-)fMRI and performed a whole-report psychophysical task. To obtain inter-FC, we analyzed the entire frequency range available in our rs-fMRI data (i.e., 0.01-0.4 Hz) to avoid discarding neural information. Following previous approaches, we analyzed the data across frequency bins (Hz): Slow-5 (0.01-0.027), Slow-4 (0.027-0.073), Slow-3 (0.073-0.198), and Slow-2 (0.198-0.4). We used the mathematical TVA framework to estimate an individual, latent-level visual processing speed parameter. We found that visual processing speed was negatively associated with inter-FC between RFPn and visual networks in Slow-5 and Slow-2, with no corresponding significant association for inter-FC between COn and visual networks. These results provide first empirical evidence that links inter-FC between RFPn and visual networks with the visual processing speed parameter. These findings suggest a direct connectivity between occipital and right frontoparietal, but not frontoinsular, regions, to support visual processing speed. Significance statement An efficient visual processing is at the core of visual cognition. Here, we provide evidence for a brain correlate of how fast individuals process visual stimuli. We used mathematical modeling of performance in a visual report task to estimate visual processing speed. A frequency-based analysis of resting-state fMRI signals revealed that functional connectivity between the right frontoparietal network and primary and dorsal occipital networks is linked to visual processing speed. This link was present in the slowest, typical frequency of the fMRI signal but also in the higher frequencies that are routinely discarded. These findings imply that the coordinated spontaneous activity between right frontoparietal and occipital regions supports the individual potential of the visual system for efficient processing.

Alzheimer disease (AD) and mild cognitive impairment (MCI) are characterized by aberrant regional neural activity and disrupted inter-regional functional connectivity (FC). It is, however, poorly understood how changes in regional neural activity and inter-regional FC interact in AD and MCI. Here, we investigated the link between regional neural activity and nodal topological measures of FC through simultaneous PET/MR measurement in 20 patients with MCI, 33 patients with AD, and 26 healthy individuals. First, we assessed regional glucose metabolism identified through FDG-PET (rFDG) (as a proxy of regional neural activity), and regional FC topology through clustering coefficient (CC) and degree centrality (DC) (as surrogates of local segregation and global connectivity, respectively). Next, we examined the potential moderating effect of disease status (AD or MCI) on the link between rFDG and FC topology using hierarchical moderated multiple regression analysis. Alterations in rFDG, CC, and DC were widespread in patients, and AD alters physiological coupling between regional metabolism and functional connectivity particularly in the inferior temporal gyus and supplementary motor areas. While rFDG correlated with CC in healthy subjects, this correlation was lost in AD patients. We suggest that AD pathology decouples the normal association between regional neural activity and functional segregation.