Architecture and Connectivity of the Cerebral Cortex

Abstract

Structural connections mediate information processing in the brain, synaptically linking neurons across a range of spatial scales. The mammalian cortex exhibits a strikingly complex organisation, both in terms of its architecture, that is, its constituent cellular elements and their arrangement, and in terms of its connectivity, which is neither random nor regular. Untangling the principles that govern the organisation of structural connectivity in the brain, and within the cortex more specifically, is a formidable challenge. One candidate organisational framework is the architectonic type principle, which links structural connections to the architecture of cortical areas. It has previously been reported that regularities of cortico-cortical connections are well captured by the architectonic type principle. We provide further support for the existence of the architectonic type principle by expanding the scope of empirical investigation. We show that the architectonic type principle is applicable to the entire cat and macaque cortex, and that laminar patterns of projection origins in the macaque cortex are captured by the architectonic type principle both in immature and adult stages. Our findings thus corroborate the architectonic type principle as a fundamental organising principle of cortical connectivity in the mammalian cortex, which is able to integrate cortical characteristics across spatial scales. This has implications for our understanding of functional interactions in the mammalian brain, which are strongly constrained by structural connectivity. Moreover, the applicability of the architectonic type principle across mammalian species enables inferences about the organisation of connectivity in species where reliable connectivity data are difficult to obtain, as for example humans. In addition, we explore the mechanistic underpinnings which have been hypothesized to result in the emergence of the architectonic type principle. Through systematic simulation experiments, we demonstrate that patterns of connection existence that are consistent with the architectonic type principle could emerge from simple spatio-temporal interactions in the developing cortex. Specifically, it appears that the time of origin prescribes both areas’ architectonic differentiation and the spatial distance between them, and hence their connection probability. Based on these two fundamental associations, time of origin could thereby mediate a secondary correlation between relative architectonic differentiation and connection probability, which can be observed empirically. However, for the characteristic, empirically observed, laminar patterns of projection origins to emerge, our in silico model of the developing cortical sheet needs to include cellular heterogeneity, where cell-intrinsic properties vary systematically along the gradient of architectonic differentiation. Our results thus suggest that spatio-temporal interactions in a homogeneous developing cortical sheet can be sufficient to shape patterns of connection existence, while more specific constraints govern the establishment of more detailed connectivity features such as laminar projection patterns.

Strukturelle Verbindungen, die Neurone über verschiedene räumliche Skalen synaptisch miteinander in Kontakt treten lassen, sind die physische Grundlage für Informationsverarbeitung im Gehirn. Der Kortex von Säugetieren bildet eine erstaunlich komplexe Organisation aus, sowohl in Bezug auf seine Architektur, also die Charakteristiken und die Anordnung seiner Zellen, als auch bezüglich seiner Konnektivität, die weder zufällig noch regelmäßig ist. Die Prinzipien aufzudecken, die die Organisation struktureller Verbindungen im Gehirn bestimmen, insbesondere im Kortex, ist eine enorme Herausforderung. Ein mögliches erklärendes Modell ist das Prinzip des architektonischen Typs, welches strukturelle Verbindungen zur architektonischen Differenzierung von Arealen in Bezug setzt. Frühere Studien haben gezeigt, dass das Prinzip des architektonischen Typs Regelmäßigkeiten in kortiko-kortikalen Verbindungen gut repräsentiert. Wir untermauern die Existenz des Prinzips des architektonischen Typs, indem wir den Umfang empirischer Studien erweitern. Wir zeigen, dass das Prinzip des architektonischen Typs auf Verbindungen im gesamten Kortex der Katze und des Makaken anwendbar ist, sowie, dass die laminaren Muster von Verbindungsursprüngen sowohl im erwachsenen als auch im sich entwickelnden Kortex des Makaken vom Prinzip des architektonischen Typs gut repräsentiert werden. Unsere Ergebnisse bestätigen daher das Prinzip des architektonischen Typs als fundamentales Organisationsprinzip kortikaler Konnektivität in Säugetieren, welches Eigenschaften des Kortex über räumliche Skalen hinweg integriert. Dies hat Auswirkungen auf unser Verständnis funktioneller Interaktionen im Säugetiergehirn, die stark von struktureller Konnektivität bestimmt werden. Außerdem ermöglicht die generelle Anwendbarkeit des Prinzips des architektonischen Typs auf das Säugetiergehirn Rückschlüsse auf die Organisation kortikaler Konnektivität in Spezies, für die zuverlässige Konnektivitätsdaten nur schwer erhoben werden können, wie zum Beispiel den Menschen. Des Weiteren untersuchen wir mögliche Mechanismen, die zum Auftreten des Prinzips des architektonischen Typs führen könnten. Anhand systematischer Simulationsexperimente demonstrieren wir, dass durch einfache raumzeitliche Interaktionen im sich entwickelnden Kortex Muster von Verbindungsexistenz entstehen können, die dem Prinzip des architektonischen Typs genügen. Aus unseren Simulationen schließen wir, dass der Zeitpunkt, zu dem ein Areal entsteht, sowohl seine architektonische Differenzierung bestimmt, als auch seine räumliche Nähe zu anderen Arealen, und damit die jeweilige Verbindungswahrscheinlichkeit. Diese beiden grundlegenden Zusammenhänge könnten sich überlagern, so dass der Entstehungszeitpunkt von Arealen eine sekundäre Korrelation zwischen relativer architektonischer Differenzierung und Verbindungswahrscheinlichkeit herbeiführt, die empirisch beobachtet werden kann. Damit jedoch die charakteristischen laminaren Muster von Verbindungsursprüngen auftreten, wie sie empirisch beobachtet werden, muss unser in silico Modell des sich entwickelnden Kortex zelluläre Heterogenität beinhalten, wobei sich den Zellen intrinsische Eigenschaften systematisch entlang des Differenzierungsgradienten verändern. Unsere Ergebnisse deuten demzufolge darauf hin, dass raumzeitliche Interaktionen in einem sich entwickelnden homogenen Kortex ausreichen können, um realistische Muster von Verbindungsexistenz zu formen, während stärkere Einschränkungen die Entstehung detaillierterer Verbindungseigenschaften, wie zum Beispiel laminarer Muster, regulieren.