Cognitive control, which continues to mature throughout adolescence, is supported by the ability for well-defined organized brain networks to flexibly integrate information. However, the development of intrinsic brain network organization and its relationship to observed improvements in cognitive control are not well understood. In the present study, we used resting state functional magnetic resonance imaging (RS-fMRI), graph theory, the antisaccade task, and rigorous head motion control to characterize and relate developmental changes in network organization, connectivity strength, and integration to inhibitory control development. Subjects were 192 10–26-y-olds who were imaged during 5 min of rest. In contrast to initial studies, our results indicate that network organization is stable throughout adolescence. However, cross-network integration, predominantly of the cingulo-opercular/salience network, increased with age. Importantly, this increased integration of the cingulo-opercular/salience network significantly moderated the robust effect of age on the latency to initiate a correct inhibitory control response. These results provide compelling evidence that the transition to adult-level inhibitory control is dependent upon the refinement and strengthening of integration between specialized networks. Our findings support a novel, two-stage model of neural development, in which networks stabilize prior to adolescence and subsequently increase their integration to support the cross-domain incorporation of information processing critical for mature cognitive control.

ABSTRACT Diffusion-weighted magnetic resonance imaging (dMRI) has become the primary method for non-invasively studying the organization of white matter in the human brain. While many dMRI acquisition sequences have been developed, they all sample q-space in order to characterize water diffusion. Numerous software platforms have been developed for processing dMRI data, but most work on only a subset of sampling schemes or implement only parts of the processing workflow. Reproducible research and comparisons across dMRI methods are hindered by incompatible software, diverse file formats, and inconsistent naming conventions. Here we introduce QSIPrep, an integrative software platform for the processing of diffusion images that is compatible with nearly all dMRI sampling schemes. Drawing upon a diverse set of software suites to capitalize upon their complementary strengths, QSIPrep automatically applies best practices for dMRI preprocessing, including denoising, distortion correction, head motion correction, coregistration, and spatial normalization. Throughout, QSIPrep provides both visual and quantitative measures of data quality as well as “glass-box” methods reporting. Taken together, these features facilitate easy implementation of best practices for processing of diffusion images while simultaneously ensuring reproducibility.

Abstract Adolescence is defined by puberty and represents a period characterized by neural circuitry maturation (e.g., fronto-striatal systems) facilitating cognitive improvements. Though studies have characterized age-related changes, the extent to which puberty influences maturation of fronto-striatal networks is less known. Here, we combine two longitudinal datasets to characterize the role of puberty in the development of fronto-striatal resting-state functional connectivity (rsFC) and its relationship to inhibitory control in 106 10-18-year-olds. Beyond age effects, we found that puberty was related to decreases in rsFC between the caudate and the anterior vmPFC, rostral and ventral ACC, and v/dlPFC, as well as with rsFC increases between the dlPFC and nucleus accumbens (NAcc) across males and females. Stronger caudate rsFC with the dlPFC and vlPFC during early puberty was associated with worse inhibitory control and slower correct responses, respectively, whereas by late puberty, stronger vlPFC rsFC with the dorsal striatum was associated with faster correct responses. Taken together, our findings suggest that certain fronto-striatal connections are associated with pubertal maturation beyond age effects, which, in turn are related to inhibitory control. We discuss implications of puberty-related fronto-striatal maturation to further our understanding of pubertal effects related to adolescent cognitive and affective neurodevelopment.

Abstract Animal and human postmortem studies provide evidence for changes in gamma-aminobutyric acid (GABA) and glutamate in prefrontal cortex (PFC) during adolescence, suggesting shifts in excitation and inhibition balance consistent with critical period plasticity. However, how GABA and glutamate change through adolescence and how the balance of these inhibitory and excitatory neurotransmitters changes is not well understood in vivo in humans. High field (7 Tesla) Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging was used to investigate age-related changes in the balance of GABA/creatine (Cr) and glutamate/Cr in multiple developmentally-relevant regions of PFC in 144 10 to 30-year-olds. Results indicated a homogenous pattern of age-related Glu/Cr decreases across PFC regions, while age-related changes in GABA/Cr were heterogenous, with a mix of stable and decreasing age effects. Importantly, balance between glutamate/Cr and GABA/Cr in areas of prefrontal cortex increased through adolescence, suggesting the presence of critical period plasticity in PFC at this significant time of development when adult trajectories are established.

ABSTRACT Adolescence is a stage of development characterized by neurodevelopmental specialization of cognitive processes. In particular, working memory continues to improve through adolescence, with increases in response accuracy and decreases in response latency continuing well into the twenties. Human electroencephalogram (EEG) studies indicate that gamma oscillations (35-65 Hz) during the working memory delay period support the maintenance of mnemonic information guiding subsequent goal-driven behavior, which decrease in power with development. Importantly, recent electrophysiological studies have shown that gamma events, more so than sustained activity, may underlie working memory maintenance during the delay period. However, developmental differences in gamma events during working memory have not been studied. Here, we used EEG in conjunction with a novel spectral event processing approach to investigate age-related differences in transient gamma band activity during a memory guided saccade (MGS) task in 164 10- to 30-year-olds. Total gamma power was found to significantly decrease through adolescence, replicating prior findings. Results from the spectral event pipeline showed age-related decreases in the mean power of gamma events and trial-by-trial power variability across both the delay period and fixation epochs of the MGS task. In addition, we found that while event number decreased with age during the fixation period, it did not appear to change during the delay period resulting in an increasing difference between the number of events during fixation and delay period with development, suggesting that as working memory develops there is greater specificity for gamma events supporting working memory. While average power of the transient gamma events was found to mediate age-related changes in total gamma power, the number of gamma events was unrelated to total power, suggesting that the power of gamma events may underlie the sustained gamma activity seen in EEG literature while the number of events may directly support age-related improvements in working memory maintenance. Our findings provide compelling new evidence for mechanistic changes in neural processing characterized by refinements in neural function as behavior becomes optimized in adulthood.

Summary Characterizing developmental changes in frontostriatal circuitry is critical to our understanding of adolescent development and can clarify neurobiological mechanisms underlying increased reward sensitivity and sensation seeking, and the emergence of psychopathology during this period. However, the role of striatal neurobiology in the development of frontostriatal circuitry through human adolescence remains largely unknown. We combine longitudinal MR-based assessments of striatal tissue-iron as a correlate of dopamine-related neurobiology with functional magnetic resonance imaging indices of resting-state and reward-state connectivity to investigate the contribution of dopaminergic processes to developmental changes in frontostriatal circuitry. Connectivity between the nucleus accumbens and ventral anterior cingulate, subgenual cingulate, and orbitofrontal cortices decreased through adolescence into adulthood. Nucleus accumbens tissue-iron mediated age-related changes and was associated with variability in connectivity. Our results provide evidence that developmental changes in dopamine-related striatal properties contribute to specialization of frontostriatal circuitry, potentially underlying changes in sensation seeking and reward sensitivity into adulthood.

ABSTRACT Postmortem animal and human models suggest changes through adolescence in aspects of excitatory glutamatergic and inhibitory GABAergic function (E/I) in prefrontal cortex (PFC) suggestive of critical period plasticity at a time of significant cognitive development. Recently, using high field 7T Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging (MRSI), we found in vivo evidence for increases in PFC glutamate/GABA balance through adolescence into adulthood. We now extend these MRSI findings by investigating, in the same 164 10– 32-year-old participants, its correspondence with EEG aperiodic activity, an independent measure of E/I balance elucidating changes in neural activity. Results showed decreases in PFC aperiodic activity from adolescence to adulthood, that were associated with MRSI measures of glutamate/GABA balance as well as mediating the association between age and EEG aperiodic activity. Further, changes in aperiodic activity predicted performance on a working memory task, indicating a role for E/I based changes in PFC signaling mechanisms in supporting maturation of cognitive control. Taken together, these results suggest that PFC is undergoing critical period plasticity through adolescence evident in both neurotransmitter and neural function that supports cognitive development.

Striatal development is crucial for later motor, cognitive, and reward behavior, but age-related change in striatal physiology during the neonatal period remains understudied. An MRI-based measure of tissue iron deposition, T2*, is a non-invasive way to probe striatal physiology neonatally, linked to dopaminergic processing and cognition in children and adults. Striatal subregions have distinct functions that may come online at different time periods in early life. To identify if there are critical periods before or after birth, we measured if striatal iron accrued with gestational age at birth [range=34.57-41.85 weeks] or postnatal age at scan [range=5-64 days], using MRI to probe the T2* signal in N=83 neonates in three striatal subregions. We found iron increased with postnatal age in the pallidum and putamen but not the caudate. No significant relationship between iron and gestational age was observed. Using a subset of infants scanned at preschool age (N=26), we show distributions of iron shift between timepoints. In infants, the pallidum had the least iron of the three regions but had the most by preschool age. Together, this provides evidence of distinct change for striatal subregions, a possible differentiation between motor and cognitive systems, identifying a mechanism that may impact future trajectories.Neonatal striatal tissue iron can be measured using the T2* signal from rsfMRInT2* changed with postnatal age in the pallidum and putamen but not in the caudatenT2* did not change with gestational age in any of the three regionsPatterns of iron deposition (nT2*) among regions shift from infancy to preschool.

ABSTRACT The development and refinement of neuronal circuitry allow for stabilized and efficient neural recruitment, supporting adult-like behavioral performance. During adolescence, the maturation of PFC is proposed to be a critical period (CP) for executive function, driven by a break in balance between glutamatergic excitation and GABAergic inhibition (E/I) neurotransmission. During CPs, cortical circuitry fine-tunes to improve information processing and reliable responses to stimuli, shifting from spontaneous to evoked activity, enhancing the SNR, and promoting neural synchronization. Harnessing 7T MR spectroscopy and EEG in a longitudinal cohort (N = 164, ages 10-32 years, 283 neuroimaging sessions), we outline associations between age-related changes in glutamate and GABA neurotransmitters and EEG measures of cortical SNR. We find developmental decreases in spontaneous activity and increases in cortical SNR during our auditory steady state task using 40 Hz stimuli. Decreases in spontaneous activity were associated with glutamate levels in DLPFC, while increases in cortical SNR were associated with more balanced Glu and GABA levels. These changes were associated with improvements in working memory performance. This study provides evidence of CP plasticity in the human PFC during adolescence, leading to stabilized circuitry that allows for the optimal recruitment and integration of multisensory input, resulting in improved executive function.