The role of structural connectivity gradients in cortical wave direction and frequency gradients

Abstract

Large-scale cortical gradients – spatially and gradually varying cortical features – have been suggested as a fundamental principle of brain organization. I identified a cortical gradient of structural connectivity (SC) instrength – sum of connection strengths reaching a cortical region – in humans and tested its role in cortical wave direction and frequency gradients. Cortical traveling waves are systematic propagations of neural oscillations through space and time. They are prevalent across the cortex, serve various cognitive functions, and appear in distinct neuroimaging modalities, spatial scales, and frequency bands. Here, I investigated whether SC instrength gradients direct traveling waves in a cortical network model and found that simulated traveling waves indeed propagated from low- to high-instrength regions. I further investigated whether SC instrength gradients could shape neural oscillation frequency gradients emerging in a cortical network model and found that frequency decreased from low- to high-instrength regions. Resting-state alpha and beta band frequency gradients have been shown to oppose each other along the anterior- posterior axis. I used non-negative matrix factorization to decompose the full SC into subnetworks with opposing instrength gradients that explained resting-state alpha and beta band frequency gradients. Together, I showed that instrength gradients exist in the human connectome and shape wave direction and frequency gradients in a cortical network model consistent with empirical observations. Thus, my work advances the rapidly evolving fields of cortical gradients and traveling waves.

Globale kortikale Gradienten – räumlich und graduell variierende kortikale Eigenschaften – etablieren sich als fundamentales Organisationsprinzip des Gehirns. In dieser Arbeit habe ich einen kortikalen Gradienten der strukturellen Verbindungsstärke – die aufsummierte Stärke afferenter Verbindungen – zwischen Gehirnregionen des Menschen identifiziert und seine Auswirkungen auf die Richtung von kortikalen Wellen und Frequenzgradienten getestet. Kortikale Wanderwellen sind neuronale Oszillationen, die sich systematisch, räumlich und zeitlich ausbreiten. Sie sind im Kortex allgegenwärtig, dienen unterschiedlichsten kognitiven Funktionen und sind in verschiedenen Neuroimaging- Verfahren, räumlichen Skalen und Frequenzbändern nachweisbar. In dieser Arbeit habe ich untersucht, ob Gradienten der Verbindungsstärke die Ausbreitungsrichtung von Wellen in einem kortikalen Netzwerkmodell vorgeben. Tatsächlich breiteten sich simulierte Wellen von kortikalen Regionen mit niedriger zu Regionen mit hoher Verbindungsstärke aus. Ich habe auch untersucht, ob Gradienten der Verbindungsstärke eine Rolle in der Erzeugung von kortikalen Frequenzgradienten spielen. Simulationen des kortikalen Netzwerkmodells zeigten, dass die Oszillationsfrequenz von Regionen mit niedriger zu Regionen mit hoher Verbindungsstärke abfällt. Empirische Beobachtungen im Ruhezustand haben ergeben, dass Alpha- und Beta-Frequenzgradienten in entgegengesetzter Richtung entlang der anterior-posterior Achse existieren. Ich habe Nichtnegative Matrix Faktorisierung genutzt, um das vollständige strukturelle Konnektom in Subnetzwerke mit entgegengesetzten Verbindungsstärkegradienten zu zerlegen, die Alpha- und Beta-Frequenzgradienten im Ruhezustand erklären konnten. Zusammenfassend habe ich gezeigt, dass Gradienten der Verbindungsstärke im menschlichen Konnektom existieren und dass diese die Wellenrichtung und Frequenzgradienten in einem kortikalen Netzwerkmodell beeinflussen. Daher trägt meine Arbeit zur Entwicklung der aufkommenden Felder von kortikalen Gradienten und Wellen bei.