A balanced excitation-inhibition ratio (E/I ratio) is critical for healthy brain function. Normative development of cortex-wide E/I ratio remains unknown. Here, we noninvasively estimate a putative marker of whole-cortex E/I ratio by fitting a large-scale biophysically plausible circuit model to resting-state functional MRI (fMRI) data. We first confirm that our model generates realistic brain dynamics in the Human Connectome Project. Next, we show that the estimated E/I ratio marker is sensitive to the gamma-aminobutyric acid (GABA) agonist benzodiazepine alprazolam during fMRI. Alprazolam-induced E/I changes are spatially consistent with positron emission tomography measurement of benzodiazepine receptor density. We then investigate the relationship between the E/I ratio marker and neurodevelopment. We find that the E/I ratio marker declines heterogeneously across the cerebral cortex during youth, with the greatest reduction occurring in sensorimotor systems relative to association systems. Importantly, among children with the same chronological age, a lower E/I ratio marker (especially in the association cortex) is linked to better cognitive performance. This result is replicated across North American (8.2 to 23.0 y old) and Asian (7.2 to 7.9 y old) cohorts, suggesting that a more mature E/I ratio indexes improved cognition during normative development. Overall, our findings open the door to studying how disrupted E/I trajectories may lead to cognitive dysfunction in psychopathology that emerges during youth.

A balanced excitation-inhibition ratio (E/I ratio) is critical for healthy brain function. Normative development of cortex-wide E/I ratio remains unknown. Here we non-invasively estimate a putative marker of whole-cortex E/I ratio by fitting a large-scale biophysically-plausible circuit model to resting-state functional MRI (fMRI) data. We first confirm that our model generates realistic brain dynamics in the Human Connectome Project. Next, we show that the estimated E/I ratio marker is sensitive to the GABA-agonist benzodiazepine alprazolam during fMRI. Alprazolam-induced E/I changes are spatially consistent with positron emission tomography measurement of benzodiazepine receptor density. We then investigate the relationship between the E/I ratio marker and neurodevelopment. We find that the E/I ratio marker declines heterogeneously across the cerebral cortex during youth, with the greatest reduction occurring in sensorimotor systems relative to association systems. Importantly, among children with the same chronological age, a lower E/I ratio marker (especially in association cortex) is linked to better cognitive performance. This result is replicated across North American (8.2 to 23.0 years old) and Asian (7.2 to 7.9 years old) cohorts, suggesting that a more mature E/I ratio indexes improved cognition during normative development. Overall, our findings open the door to studying how disrupted E/I trajectories may lead to cognitive dysfunction in psychopathology that emerges during youth.

Abstract Resting-state fMRI is commonly used to derive brain parcellations, which are widely used for dimensionality reduction and interpreting human neuroscience studies. We previously developed a model that integrates local and global approaches for estimating areal-level cortical parcellations. The resulting local-global parcellations are often referred to as the Schaefer parcellations. However, the lack of homotopic correspondence between left and right Schaefer parcels has limited their use for brain lateralization studies. Here, we extend our previous model to derive homotopic areal-level parcellations. Using resting-fMRI and task-fMRI across diverse scanners, acquisition protocols, preprocessing and demographics, we show that the resulting homotopic parcellations are as homogeneous as the Schaefer parcellations, while being more homogeneous than five publicly available parcellations. Furthermore, weaker correlations between homotopic parcels are associated with greater lateralization in resting network organization, as well as lateralization in language and motor task activation. Finally, the homotopic parcellations agree with the boundaries of a number of cortical areas estimated from histology and visuotopic fMRI, while capturing sub-areal (e.g., somatotopic and visuotopic) features. Overall, these results suggest that the homotopic local- global parcellations represent neurobiologically meaningful subdivisions of the human cerebral cortex and will be a useful resource for future studies. Multi-resolution parcellations estimated from 1479 participants are publicly available (GITHUB_LINK).

Brain age has emerged as a powerful tool to understand neuroanatomical aging and its link to health outcomes like cognition. However, most brain age models are trained and tested on cross-sectional data from primarily Caucasian, adult participants. It is thus unclear how well these models generalize to non-Caucasian participants, especially children. Furthermore, there is a lack of studies investigating the longitudinal change in brain age gap and its relationship to cognition. Here, we tested a previously published deep learning model on Singaporean elderly participants (55-88 years old) and children (4-11 years old). We found that the model directly generalized to the elderly participants, but model finetuning was necessary for children. After finetuning, we found that the longitudinal change in brain age gap was associated with future executive function performance in both elderly participants and children. We further found that lateral ventricles and frontal areas contributed to brain age prediction in elderly participants, while white matter and posterior brain regions were more important in predicting brain age of children. Taken together, our results suggest that there is potential for generalizing brain age models to diverse populations. Moreover, the longitudinal change in brain age gap reflects developing and aging processes in the brain, relating to future cognitive function.

Congenital infantile brainstem high-grade gliomas (HGGs) are extremely rare. Given the limited literature characterizing this disease, management of these tumors remains challenging. Brainstem HGGs are generally associated with extremely poor prognosis. Limited reports of spontaneous regression of radiologically diagnosed infantile brainstem tumors exist in published literature. We aim to report a unique case of spontaneous regression of a rare infantile HGG brainstem glioma and to review the current literature.