Features of brain asymmetry have been implicated in a broad range of cognitive processes; however, their origins are still poorly understood. Using a new left-right symmetric, spatiotemporal cortical surface atlas, we investigated cortical asymmetries in 442 healthy term-born neonates using structural and functional magnetic resonance images from the Developing Human Connectome Project. Cortical asymmetries observed in the term cohort were contextualised in two ways: by comparing them against cortical asymmetries observed in 103 preterm neonates scanned at term-equivalent age, and by comparing structural asymmetries against those observed in 1110 healthy young adults from the Human Connectome Project. Our results demonstrate that the neonatal cortex is markedly asymmetric in both structure and function, and while associations with preterm birth and biological sex were minimal, significant differences exist between birth and adulthood. Although these changes may represent experience-dependent developmental milestones, longitudinal studies across the lifespan are required to fully address these hypotheses.

Abstract Introduction The dynamic nature and complexity of the cellular events that take place during the last trimester of pregnancy make the developing cortex particularly vulnerable to perturbations. Abrupt interruption to normal gestation can lead to significant deviations to many of these processes, resulting in atypical trajectory of cortical maturation in preterm birth survivors. Methods We sought to first map typical cortical micro and macrostructure development using invivo MRI in a large sample of healthy term-born infants scanned after birth (n=270). Then we offer a comprehensive characterisation of the cortical consequences of preterm birth in 78 preterm infants scanned at term-equivalent age (37-44 weeks postmenstrual age). We describe the group-average atypicality, the heterogeneity across individual preterm infants, and relate individual deviations from normative development to age at birth and neurodevelopment at 18 months. Results In the term-born neonatal brain, we observed regionally specific age-associated changes in cortical morphology and microstructure, including rapid surface expansion, cortical thickness increase, reduction in cortical anisotropy and increase in neurite orientation dispersion. By term-equivalent age, preterm infants had on average increased cortical tissue water content and reduced neurite density index in the posterior parts of the cortex, and greater cortical thickness anteriorly compared to term-born infants. While individual preterm infants were more likely to show extreme deviations (over 3.1 standard deviations) from normative cortical maturation compared to term-born infants, these extreme deviations were highly variable and showed very little spatial overlap between individuals. Measures of regional cortical development were associated with age at birth, but not with neurodevelopment at 18 months. Conclusion We showed that preterm birth alters cortical micro and macrostructural maturation near the time of fullterm birth. Deviations from normative development were highly variable between individual preterm infants.

ABSTRACT Structural and diffusion MRI provide complimentary anatomical and microstructural characterization of early brain maturation. The existing models of the developing brain in time include only either structural or diffusion channels. Furthermore, there is a lack of tools for combined analysis of structural and diffusion MRI in the same reference space. In this work we propose methodology to generate multi-channel (MC) continuous spatio-temporal parametrized atlas of brain development based on MC registration driven by both T2-weighted and orientation distribution functions (ODF) channels along with the Gompertz model (GM) fitting of the signals and spatial transformations in time. We construct a 4D MC atlas of neonatal brain development during 38 to 44 week PMA range from 170 normal term subjects from developing Human Connectomme Project. The resulting atlas consists of fourteen spatio-temporal microstructural indices and two parcellation maps delineating white matter tracts and neonatal transient structures. We demonstrate applicability of the atlas for quantitative region-specific comparison of 140 term and 40 preterm subjects scanned at the term-equivalent age. We show multi-parametric microstructural differences in multiple white matter regions, including the transient compartments. The atlas and software will be available after publication of the article.

Abstract Formation of the functional connectome in early life underpins future learning and behaviour. However, our understanding of how the functional organisation of brain regions into interconnected hubs (centrality) matures in the early postnatal period is limited, especially in response to factors associated with adverse neurodevelopmental outcomes such as preterm birth. We characterised voxel-wise functional centrality (weighted degree) in 366 neonates from the Developing Human Connectome Project. We tested the hypothesis that functional centrality matures with age at scan in term-born babies and is disrupted by preterm birth. Finally, we asked whether neonatal functional centrality predicts general neurodevelopmental outcomes at 18 months. We report an age-related increase in functional centrality predominantly within visual regions and decrease within motor and auditory regions in term-born infants. Preterm-born infants scanned at term equivalent age had higher functional centrality predominantly within visual regions and lower measures in motor regions. Functional centrality was not related to outcome at 18 months old. Thus, preterm birth appears to affect functional centrality in regions undergoing substantial development during the perinatal period. Our work raises the question of whether these alterations are adaptive or disruptive, and whether they predict neurodevelopmental characteristics that are more subtle or emerge later in life.

Abstract Diffusion MRI of the neonatal brain allows investigation of the organisational structure of maturing fibres during brain development. Post-mortem imaging has the potential to achieve high resolution by using long scan times, enabling precise assessment of small structures. The Forget-Me-Not study, part of the Developing Human Connectome Project (dHCP), aims to acquire and publicly distribute high-resolution diffusion MRI data for unfixed post-mortem neonatal brain at 7T with a custom-built head coil. This paper describes how the study addressed logistical, technical and ethical challenges relating to recruitment pipeline, care pathway, tissue preservation, scan setup and protocol optimisation. Results from the first subject recruited to the study demonstrate high-quality diffusion MRI data. Preliminary voxel-wise and tractography-based analyses are presented for the cortical plate, subplate and white matter pathways, with comparison to age-matched in vivo dHCP data. These results demonstrate that high quality post-mortem data can be acquired and provide a sensitive means to explore the developing human brain, as well as altered diffusion properties consistent with post-mortem changes, at high resolution.

ABSTRACT Slice-to-volume registration (SVR) methods allow reconstruction of high-resolution 3D images from multiple motion-corrupted stacks. SVR-based pipelines have been increasingly used for motion correction for T2-weighted fetal MRI since they allow more informed and detailed diagnosis of brain and body anomalies including congenital heart defects (Lloyd et al., 2019). Recently, fully automated rigid SVR reconstruction of the fetal brain in the atlas space was achieved in (Salehi et al., 2019) that used convolutional neural networks (CNNs) for segmentation and pose estimation. However, these CNN-based methods have not yet been applied to the fetal trunk region. Meanwhile, the existing rigid and deformable SVR (DSVR) solutions (Uus et al., 2020) for the fetal trunk region are limited by the requirement of manual input as well the narrow capture range of the classical gradient descent based registration methods that cannot resolve severe fetal motion frequently occurring at the early gestational age (GA). Furthermore, in our experience, the conventional 2D slice-wise CNN-based brain masking solutions are reportedly prone to errors that require manual corrections when applied on a wide range of acquisition protocols or abnormal cases in clinical setting. In this work, we propose a fully automated pipeline for reconstruction of the fetal thorax region for 21-36 weeks GA range T2-weighted MRI datasets. It includes 3D CNN-based intra-uterine localisation of the fetal trunk and landmark-guided pose estimation steps that allow automated DSVR reconstruction in the standard radiological space irrespective of the fetal trunk position or the regional stack coverage. The additional step for generation of the common template space and rejection of outliers provides the means for automated exclusion of stacks affected by low image quality or extreme motion. The pipeline was evaluated on a series of experiments including fetal MRI datasets and simulated rotation motion. Furthermore, we performed a qualitative assessment of the image reconstruction quality in terms of the definition of vascular structures on 100 early (median 23.14 weeks) and late (median 31.79 weeks) GA group MRI datasets covering 21 to 36 weeks GA range.

Abstract Multiple studies have demonstrated less favourable childhood outcomes in infants born in early term (37-38 weeks gestation) compared to those born at full term (40-41 weeks gestation). While this could be due to higher perinatal morbidity, gestational age at birth may also have a direct effect on the brain and subsequent neurodevelopment in term-born babies. Here we characterise structural brain correlates of gestational age at birth in healthy term-born neonates and their relationship to later neurodevelopmental outcome. We used T2 and diffusion weighted Magnetic Resonance Images acquired in the neonatal period from a cohort (n=454) of healthy babies born at term age (>37 weeks gestation) and scanned between 1 and 41 days after birth. Images were analysed using tensor based morphometry (TBM) and tract based spatial statistics (TBSS). Neurodevelopment was subsequently assessed at age 18 months using the Bayley-III Scales of Infant and Toddler Development, and the effects of gestational age at birth and related neuroimaging findings on outcome were analysed with linear regression. Infants born earlier had areas of higher relative ventricular volume, and lower relative brain volume in the basal ganglia, cerebellum and brainstem. Earlier birth was also associated with lower fractional anisotropy, higher mean, axial and radial diffusivity in major white matter tracts. Gestational age at birth was positively associated with all Bayley-III subscales at age 18 months. Linear regression models predicting outcome from gestational age at birth were significantly improved by adding neuroimaging features associated with gestational age at birth. This work adds to the growing body of evidence of the impact of early term birth and highlights the importance of considering the effect of gestational age at birth in future neuroimaging studies including term-born babies.

Abstract Background 3D image-domain reconstruction of black blood contrast T2w SSTSE fetal MRI datasets using slice-to-volume registration methods showed to provide high-resolution 3D images of the heart with superior visualisation of fetal aortic arch anomalies [1]. However, there is a lack of formalisation of the MRI appearance of fetal cardiovascular anatomy and standardisation of vessel segmentation protocols. Methods In this work, we present the first set of 3D fetal MRI atlases defining normal and abnormal fetal aortic arch anatomy created from 3D reconstructed images from 87 subjects scanned between 29-34 weeks of gestation with postnatally confirmed outcomes. We also implement and evaluate atlas-guided registration and deep learning (UNETR) methods for automated 3D multi-label fetal heart vessel segmentation. Results We created four atlases representing the average anatomy of the normal fetal heart, coarctation of the aorta, right aortic arch and suspected double aortic arch. Inspection of atlases confirmed the expected pronounced differences in the anatomy of the aortic arch. The results of the multi-label heart vessel UNETR segmentation showed 100% per-vessel detection rate for both normal and abnormal aortic arch anatomy. Conclusions This work introduces the first set of 3D black blood T2w MRI atlases of the normal and abnormal fetal cardiovascular anatomy along with detailed segmentation of the major cardiovascular structures. We also demonstrated the feasibility of using deep learning for multi-label vessel segmentation.

Abstract The development of connectivity between the thalamus and maturing cortex is a fundamental process in the second half of human gestation, establishing the neural circuits that are the basis for several important brain functions. In this study, we acquired high-resolution in utero diffusion MRI from 140 fetuses as part of the Developing Human Connectome Project, to examine the emergence of thalamocortical white matter over the second to third trimester. We delineate developing thalamocortical pathways and parcellate the fetal thalamus according to its cortical connectivity using diffusion tractography. We then quantify microstructural tissue components along the tracts in the fetal compartments that are critical substrates for white matter maturation, such as the subplate and intermediate zone. We identify patterns of change in the diffusion metrics that reflect critical neurobiological transitions occurring in the second to third trimester, such as the disassembly of radial glial scaffolding and the lamination of the cortical plate. These maturational trajectories of MR signal in transient fetal compartments provide a normative reference to complement histological knowledge, facilitating future studies to establish how developmental disruptions in these regions contribute to pathophysiology.

Purpose: To develop an MRI framework for reconstruction of 4D velocity vector blood flow volumes for visualisation and quantification of circulation in the fetal heart and major vessels. Methods: A novel method of velocity-encoding using multiple non-coplanar stacks of bSSFP phase images was combined with a previous framework for reconstruction of motion-corrected 4D magnitude cine volumes to generate spatiotemporally-paired 4D flow cine volumes of the fetal circulatory system. The multiple stack velocity-encoding scheme was validated in a simulated flow phantom and compared with a gold-standard method for velocity-encoding in a physical flow phantom. The 4D flow cine framework was evaluated in seven fetal subjects. Reconstructed 4D flow volumes were evaluated by an expert fetal cardiologist and preliminary flow measurements were taken in various major vessels of the heart. Results: Phantom experiments showed that the multiple non-coplanar stack velocity-encoding scheme was accurate. The 4D flow cine reconstruction framework was robust in fetal subjects and generated multi-dimensional velocity vector maps of blood flow through the cardiac cycle. Directionality of blood flow was consistent with expected fetal circulatory hemodynamics. Relative blood flow rates in the major vessels were in line with previous observations, although absolute values were underestimated by a factor of approximately two due to limitations of spatial and temporal resolution. Conclusion: 4D flow cine volumes can be reconstructed from multiple non-coplanar stacks of slices. The proposed framework was used to visualise and quantify flow through the whole fetal heart and great vessels, but is applicable to any imaging scenario where motion is a major challenge.