Human brain morphology undergoes complex changes over the lifespan. Despite recent progress in tracking brain development via normative models, current knowledge of underlying biological mechanisms is highly limited. We demonstrate that human cerebral cortex development unfolds along patterns of molecular and cellular brain organization, traceable from population-level to individual developmental trajectories. During childhood and adolescence, cortex-wide spatial distributions of dopaminergic receptors, inhibitory neurons, glial cell populations, and brain-metabolic features explain up to 50% of variance associated with regional cortical thickness trajectories. Adult cortical change patterns are best explained by cholinergic and glutamatergic neurotransmission. These relationships are supported by developmental gene expression trajectories and translate to longitudinal data from over 8,000 adolescents, explaining up to 59% of developmental change at population- and 18% at single-subject level. Integrating multilevel brain atlases with normative modeling and population neuroimaging provides a biologically meaningful path to understand typical and atypical brain development in living humans.

Abstract Substance use, including cigarettes and cannabis, is associated with poorer sustained attention in late adolescence and early adulthood. Previous studies were predominantly cross-sectional or under-powered and could not indicate if impairment in sustained attention was a predictor of substance-use or a marker of the inclination to engage in such behaviour. This study explored the relationship between sustained attention and substance use across a longitudinal span from ages 14 to 23 in over 1,000 participants. Behaviours and brain connectivity associated with diminished sustained attention at age 14 predicted subsequent increases in cannabis and cigarette smoking, establishing sustained attention as a robust biomarker for vulnerability to substance use. Individual differences in network strength relevant to sustained attention were preserved across developmental stages and sustained attention networks generalized to participants in an external dataset. In summary, brain networks of sustained attention are robust, consistent, and able to predict aspects of later substance use. Teaser A robust brain network for sustained attention at age 14 predicts cigarette and cannabis use from ages 14 to 23.

Abstract Anatomical brain templates are commonly used as references in neurological MRI studies, for bringing data into a common space for group-level statistics and coordinate reporting. Given the inherent variability in brain morphology across age and geography, it is important to have templates that are as representative as possible for both age and population. A representative-template increases the accuracy of alignment, decreases distortions as well as potential biases in final coordinate reports. In this study, we developed and validated a new set of T1w Indian brain templates (IBT) from a large number of brain scans (total n=466) acquired across different locations and multiple 3T MRI scanners in India. A new tool in AFNI, make_template_dask.py, was created to efficiently make five age-specific IBTs (ages 6-60 years) as well as maximum probability map (MPM) atlases for each template; for each age-group’s template-atlas pair, there is both a “population-average” and a “typical” version. Validation experiments on an independent Indian structural and functional-MRI dataset show the appropriateness of IBTs for spatial normalization of Indian brains. The results indicate significant structural differences when comparing the IBTs and MNI template, with these differences being maximal along the Anterior-Posterior and Inferior-Superior axes, but minimal Left-Right. For each age-group, the MPM brain atlases provide reasonably good representation of the native-space volumes in the IBT space, except in a few regions with high inter-subject variability. These findings provide evidence to support the use of age and population-specific templates in human brain mapping studies. This dataset is made publicly available ( https://hollabharath.github.io/IndiaBrainTemplates ). Highlights A new set of age-specific T1w Indian brain templates for ages 6-60 yr are developed and validated. A new AFNI tool, make_template_dask.py, for the creation of group-based templates. Maximum probability map atlases are also provided for each template. Results indicate the appropriateness of Indian templates for spatial normalization of Indian brains