Abstract Comprehensive understanding of the neural circuits involving the ventral tegmental area is essential for elucidating the anatomo-functional mechanisms governing human behaviour as well as the therapeutic and adverse effects of deep brain stimulation for neuropsychiatric diseases. While the ventral tegmental area has been successfully targeted with deep brain stimulation for different neuropsychiatric diseases, the axonal connectivity of the region has not been fully understood. Here using fiber micro-dissections in human cadaveric hemispheres, population-based high-definition fiber tractography, and previously reported deep brain stimulation hotspots, we find that the ventral tegmental area participates in an intricate network involving the serotonergic pontine nuclei, basal ganglia, limbic system, basal forebrain, and prefrontal cortex, which is implicated in the treatment of obsessive-compulsive disorder, major depressive disorder, Alzheimer’s disease, cluster headaches, and aggressive behaviors.

Abstract It has been hypothesized that the human brain has traded redundancy for efficiency, but the structural existence has not been identified to examine this claim. Here, we report three redundancy circuits of the commissural pathways in primate brains, namely the orbitofrontal, temporal, and occipital redundancy circuits of the anterior commissure and corpus callosum. Each redundancy circuit has two distinctly separated routes connecting a common pair of cortical regions. We mapped their trajectories in human and rhesus macaque brains using individual and population-averaged tractography. The dissection results confirmed the existence of these redundancy circuits connecting the orbitofrontal lobe, amygdala, and visual cortex. The volume analysis showed a significant reduction in the orbitofrontal and occipital redundancy circuits of the human brain, whereas the temporal redundancy circuit had a substantial organizational difference between the human and rhesus macaque. Our overall findings suggest that the human brain is more efficient in the commissural pathway, as shown by the significantly reduced volume of the anterior commissure which serves as the backup connections for the corpus callosum. This reduction of the redundancy circuit may explain why humans are more vulnerable to psychiatric brain disorders stemming from the corpus callosum compared to non-human primates. Significance We report and describe the connection routes of three redundancy circuits of the commissural pathways in human and rhesus macaque brains and compare their volumes. Our tractography and dissection studies confirmed that the human brain has smaller redundancy circuits. This is the first time such redundancy circuits of the commissural pathways have been identified, and their differences quantified in human and rhesus macaque to verify the redundancy-efficiency tradeoff hypothesis. The findings provide new insight into the topological organization of the human brain and may help understand the circuit mechanism of brain disorders involving these pathways.

Summary The frontal aslant tract (FAT) is a crucial neural pathway of language and speech, but little is known about its connectivity and segmentation differences across populations. In this study, we utilized diffusion MRI automatic tractography to investigate the probabilistic coverage of the FAT in a large sample of 1065 young adults. Our primary goal was to reveal individual variability and lateralization of FAT and its structure-function correlations in language processing. Our results showed that the left anterior FAT exhibited the most substantial individual differences, particularly in the superior and middle frontal gyrus, with greater variability in the superior than the inferior region. Furthermore, we found significant left lateralization in FAT, with a greater difference in innervation coverage in the inferior and posterior portions. Additionally, our analysis revealed a significant correlation between the size of left FAT inferior innervation areas and Picture Vocabulary function, highlighting the structural and functional importance of the left FAT in language processing. In comparison, the anisotropy of FAT did not show significant correlation. Overall, our study provides valuable insights into individual and population differences in FAT connectivity and segmentation and sheds light on its critical role in language functions.

Diffusion MRI tractography has been used to map the axonal structure of human brain, but its ability to detect neuronal injury is yet to be explored. Here we report differential tractography, a new type of tractography that utilizes repeat MRI scans and a novel tracking strategy to map the exact segment of fiber pathways with a neuronal injury. We examined differential tractography on multiple sclerosis, Huntington disease, amyotrophic lateral sclerosis, and epileptic patients. The results showed that the affected pathways shown by differential tractography matched well with the unique clinical symptoms of the patients, and the false discovery rate of the findings could be estimated using a sham setting to provide a reliability measurement. This novel approach enables a quantitative and objective method to monitor neuronal injury in individuals, allowing for diagnostic and prognostic evaluation of brain diseases.

Diffusion MRI fiber tracking provides a non-invasive method for mapping the trajectories of human brain connections, but its false connection problem has been a major challenge. This study introduces topology-informed pruning (TIP), a method that improves the tractography of a target fiber bundle using its own topology information. TIP identifies singular tracts and eliminates them to improve the tracking accuracy. This method was applied to a tractography study with diffusion MRI data collected using two different diffusion sampling schemes (single-shell and grid). The accuracy of the tractography was evaluated by a team of 6 neuroanatomists in a blinded setting to examine whether TIP could improve the accuracy of tractography. The results showed that TIP achieved an average accuracy improvement of 11.93% in the single-shell scheme and 3.47% in the grid scheme. The improvement is significantly different from a random pruning (p-value < 0.001). The diagnostic agreement between TIP and neuroanatomists was comparable to the agreement between neuroanatomists. The proposed TIP algorithm can be used to automatically clean up noisy fibers in deterministic tractography, with a potential to confirm the existence of a fiber connection in basic neuroanatomical studies or clinical neurosurgical planning.

Abstract Objective Epilepsy is recognized increasingly as a network disease, with changes extending beyond the epileptogenic zone (EZ). However, more studies of structural connectivity are needed to better understand the behavior and nature of this condition. Methods In this study, we applied differential tractography, a novel technique that measures changes in anisotropic diffusion, to assess widespread structural connectivity alterations in a total of 42 patients diagnosed with medically refractory epilepsy (MRE), including 27 patients with focal epilepsy and 15 patients with multifocal epilepsy that were included to validate our hypothesis. All patients were compared individually to an averaged database constructed from 19 normal controls regressed by age and sex. Results Statistical analyses revealed specific distribution patterns of tracts with increased connectivity that were located in multiple subcortical structures across all patients including the arcuate fasciculus, inferior fronto‐occipital fasciculus, inferior longitudinal fasciculus, uncinate fasciculus, fornix, and short U fibers. Conversely, pathways with a significant decrease in connectivity ( p < .05) exhibited a more central distribution near mesial structures across all patients (corpus callosum, cingulum, corticospinal tract, and sensory fibers). Significance Our findings add to the growing evidence that focal epilepsy is not solely anatomically confined, but is rather a network disorder that extends beyond the EZ, and differential tractography shows strong potential as a clinical biomarker for assessing structural connectivity alterations in patients with epilepsy.