A core organizing axis of the human cerebral cortex

Abstract

Classical work in neuroanatomy suggests that the spatial arrangement of cortical areas in overarching gradients is a key organizational feature of the cerebral cortex. While studies performed in experimental animals provide strong evidence for spatial gradients in cortical microstructure and connectivity, similar research in humans has been obstructed by methodological challenges. In consequence, the significance of structural gradients for human cortical function remains unaddressed. The work presented in this dissertation capitalizes on recent advances in magnetic resonance imaging and novel analytic strategies to investigate spatial gradients in the human cerebral cortex in vivo. We first introduce a set of relevant tools and proceed to demonstrate a global gradient in cortical features that spans between sensorimotor and transmodal areas. This gradient is reflected in the distribution of intracortical myelin and captures the main axis of variance in functional connectivity patterns. It is spatially embedded in the intrinsic geometry of the cortex and tracks a functional spectrum of increasing abstraction. Finally, we propose that this gradient constitutes a core organizing axis of the human cerebral cortex, and describe an intrinsic cortical coordinate system on its basis. Studying the cortex with respect to its intrinsic dimensions can inform our understanding of how the spectrum of cortical function emerges from structural constraints.

Klassische Arbeiten in der Neuroanatomie legen nahe, dass die Anordnung von Rindenfeldern in räumlichen Gradienten ein zentrales Organisationsmerkmal der Großhirnrinde darstellt. Räumliche Gradienten in kortikaler Mikrostruktur und Konnektivität konnten in Versuchstieren eindeutig nachgewiesen werden. Entsprechende Studien im menschlichen Gehirn waren hingegen bisher nicht praktikabel. Daher bleibt auch die Bedeutung struktureller Gradienten für den funktionellen Aufbau des menschlichen Kortex derzeit ungeklärt. Die vorliegende Dissertation macht sich aktuelle Fortschritte in der Magnetresonanztomographie und neue analytische Ansätze zunutze um räumliche Gradienten im menschlichen Kortex in vivo zu untersuchen. Wir führen zunächst einige sachdienliche Werkzeuge ein und weisen anschließend nach, dass verschiedene kortikale Eigenschaften in einem Gradienten zwischen sensomotorischen und transmodalen Regionen organisiert sind. Dieser Gradient findet in der Verteilung des intrakortikalen Myelingehalts Ausdruck und erfasst einen Großteil der Varianz funktioneller Konnektivitätsmuster. Er steht mit der spezifischen Geometrie des Kortex in enger Beziehung und spiegelt sich in einem funktionellen Spektrum zunehmender Abstraktion wider. Wir schlagen schließlich vor, dass dieser Gradient eine grundlegende Organisationsachse des menschlichen Kortex darstellt und arbeiten ein hierauf basierendes intrinsisches kortikales Koordinatensystem aus. Eine Erforschung des Kortex im Hinblick auf seine intrinsischen Dimensionen kann unser Verständnis davon befördern, wie die strukturellen Bedingungen des Kortex sein funktionelles Spektrum hervorbringen.