Brain maturation is a complex process that continues well beyond infancy, and adolescence is thought to be a key period of brain rewiring. To assess structural brain maturation from childhood to adulthood, we charted brain development in subjects aged 5 to 30 years using diffusion tensor magnetic resonance imaging, a novel brain imaging technique that is sensitive to axonal packing and myelination and is particularly adept at virtually extracting white matter connections. Age-related changes were seen in major white matter tracts, deep gray matter, and subcortical white matter, in our large (n = 202), age-distributed sample. These diffusion changes followed an exponential pattern of maturation with considerable regional variation. Differences observed in developmental timing suggest a pattern of maturation in which areas with fronto-temporal connections develop more slowly than other regions. These in vivo results expand upon previous postmortem and imaging studies and provide quantitative measures indicative of the progression and magnitude of regional human brain maturation.

Healthy human brain development is a complex process that continues during childhood and adolescence, as demonstrated by many cross-sectional and several longitudinal studies. However, whether these changes end in adolescence is not clear. We examined longitudinal white matter maturation using diffusion tensor tractography in 103 healthy subjects aged 5–32 years; each volunteer was scanned at least twice, with 221 total scans. Fractional anisotropy (FA) and mean diffusivity (MD), parameters indicative of factors including myelination and axon density, were assessed in 10 major white matter tracts. All tracts showed significant nonlinear development trajectories for FA and MD. Significant within-subject changes occurred in the vast majority of children and early adolescents, and these changes were mostly complete by late adolescence for projection and commissural tracts. However, association tracts demonstrated postadolescent within-subject maturation of both FA and MD. Diffusion parameter changes were due primarily to decreasing perpendicular diffusivity, although increasing parallel diffusivity contributed to the prolonged increases of FA in association tracts. Volume increased significantly with age for most tracts, and longitudinal measures also demonstrated postadolescent volume increases in several association tracts. As volume increases were not directly associated with either elevated FA or reduced MD between scans, the observed diffusion parameter changes likely reflect microstructural maturation of brain white matter tracts rather than just gross anatomy.

The characterization of the topological architecture of complex networks underlying the structural and functional organization of the brain is a basic challenge in neuroscience. However, direct evidence for anatomical connectivity networks in the human brain remains scarce. Here, we utilized diffusion tensor imaging deterministic tractography to construct a macroscale anatomical network capturing the underlying common connectivity pattern of human cerebral cortex in a large sample of subjects (80 young adults) and further quantitatively analyzed its topological properties with graph theoretical approaches. The cerebral cortex was divided into 78 cortical regions, each representing a network node, and 2 cortical regions were considered connected if the probability of fiber connections exceeded a statistical criterion. The topological parameters of the established cortical network (binarized) resemble that of a “small-world” architecture characterized by an exponentially truncated power-law distribution. These characteristics imply high resilience to localized damage. Furthermore, this cortical network was characterized by major hub regions in association cortices that were connected by bridge connections following long-range white matter pathways. Our results are compatible with previous structural and functional brain networks studies and provide insight into the organizational principles of human brain anatomical networks that underlie functional states.

Diffusion tensor imaging (DTI) has been used widely to show structural brain changes during both development and aging. Lifespan studies are valuable because they connect these two processes, yet few DTI studies have been conducted that include both children and elderly subjects. This study used DTI tractography to investigate 12 major white matter connections in 403 healthy subjects aged 5–83 years. Poisson fits were used to model changes of fractional anisotropy (FA) and mean diffusivity (MD) across the age span, and were highly significant for all tracts. FA increased during childhood and adolescence, reached a peak between 20 and 42 years of age, and then decreased. MD showed an opposite trend, decreasing first, reaching a minimum at 18–41 years, and then increasing later in life. These trajectories demonstrate rates and timing of development and degradation that vary regionally in the brain. The corpus callosum and fornix showed early reversals of development trends, while frontal–temporal connections (cingulum, uncinate, superior longitudinal) showed more prolonged maturation and delayed declines. FA changes were driven by perpendicular diffusivity, suggesting changes of myelination and/or axonal density. Tract volume changed significantly with age for most tracts, but did not greatly influence the FA and MD trajectories. This study demonstrates clear age-related microstructural changes throughout the brain white matter, and provides normative data that will be useful for studying white matter development in a variety of diseases and abnormal conditions.

Anxiety and depression symptoms in pregnancy typically affect between 10 and 25% of pregnant individuals. Elevated symptoms of depression and anxiety are associated with increased risk of preterm birth, postpartum depression, and behavioural difficulties in children. The current COVID-19 pandemic is a unique stressor with potentially wide-ranging consequences for pregnancy and beyond. We assessed symptoms of anxiety and depression among pregnant individuals during the current COVID-19 pandemic and determined factors that were associated with psychological distress. 1987 pregnant participants in Canada were surveyed in April 2020. The assessment included questions about COVID-19-related stress and standardized measures of depression, anxiety, pregnancy-related anxiety, and social support. We found substantially elevated anxiety and depression symptoms compared to similar pre-pandemic pregnancy cohorts, with 37% reporting clinically relevant symptoms of depression and 57% reporting clinically relevant symptoms of anxiety. Higher symptoms of depression and anxiety were associated with more concern about threats of COVID-19 to the life of the mother and baby, as well as concerns about not getting the necessary prenatal care, relationship strain, and social isolation due to the COVID-19 pandemic. Higher levels of perceived social support and support effectiveness, as well as more physical activity, were associated with lower psychological symptoms. This study shows concerningly elevated symptoms of anxiety and depression among pregnant individuals during the COVID-19 pandemic, that may have long-term impacts on their children. Potential protective factors include increased social support and exercise, as these were associated with lower symptoms and thus may help mitigate long-term negative outcomes.

Abstract The arcuate fasciculus is a major white matter tract involved in language processing that has also been repeatedly implicated in intelligence and reasoning tasks. Language in the human brain is lateralized in terms of both function and structure, and while the arcuate fasciculus reflects this asymmetry, its pattern of lateralization is poorly understood in children and adolescents. We used diffusion tensor imaging (DTI) and tractography to examine arcuate fasciculus lateralization in a large ( n = 183) group of healthy right‐handed volunteers aged 5–30 years; a subset of 68 children aged 5–13 years also underwent cognitive assessments. Fractional anisotropy and number of streamlines of the arcuate fasciculus were both significantly higher in the left hemisphere than the right hemisphere in most subjects, although some subjects (10%) were right lateralized. Age and gender effects on lateralization were not significant. Children receiving cognitive assessments were divided into three groups: a “left‐only” group in whom only the left side of the arcuate fasciculus could be tracked, a left‐lateralized group, and a right‐lateralized group. Scores on the Peabody Picture Vocabulary Test (PPVT) and NEPSY Phonological Processing task differed significantly among groups, with left‐only subjects outperforming the right‐lateralized group on the PPVT, and the left‐lateralized children scoring significantly better than the right‐lateralized group on phonological processing. In summary, DTI tractography demonstrates leftward arcuate fasciculus lateralization in children, adolescents, and young adults, and reveals a relationship between structural white matter lateralization and specific cognitive abilities in children. Hum Brain Mapp, 2009. © 2009 Wiley‐Liss, Inc.

Abstract White matter bundle segmentation using diffusion MRI fiber tractography has become the method of choice to identify white matter fiber pathways in vivo in human brains. However, like other analyses of complex data, there is considerable variability in segmentation protocols and techniques. This can result in different reconstructions of the same intended white matter pathways, which directly affects tractography results, quantification, and interpretation. In this study, we aim to evaluate and quantify the variability that arises from different protocols for bundle segmentation. Through an open call to users of fiber tractography, including anatomists, clinicians, and algorithm developers, 42 independent teams were given processed sets of human whole-brain streamlines and asked to segment 14 white matter fascicles on six subjects. In total, we received 57 different bundle segmentation protocols, which enabled detailed volume-based and streamline-based analyses of agreement and disagreement among protocols for each fiber pathway. Results show that even when given the exact same sets of underlying streamlines, the variability across protocols for bundle segmentation is greater than all other sources of variability in the virtual dissection process, including variability within protocols and variability across subjects. In order to foster the use of tractography bundle dissection in routine clinical settings, and as a fundamental analytical tool, future endeavors must aim to resolve and reduce this heterogeneity. Although external validation is needed to verify the anatomical accuracy of bundle dissections, reducing heterogeneity is a step towards reproducible research and may be achieved through the use of standard nomenclature and definitions of white matter bundles and well-chosen constraints and decisions in the dissection process.

Abstract Adequate cerebral blood flow (CBF) is essential to proper brain development and function. Detailed characterization of CBF developmental trajectories will lead to better understanding of the development of cognitive, motor, and sensory functions, as well as behaviour in children. Previous studies have shown CBF increases during infancy and decreases during adolescence; however, the trajectories during childhood, and in particular the timing of peak CBF, remain unclear. Here, we used arterial spin labeling to map age-related changes of CBF across a large longitudinal sample that included 279 scans on 96 participants (46 girls and 50 boys) aged 2-7 years. CBF maps were analyzed using hierarchical linear regression for every voxel inside the grey matter mask, controlling for multiple comparisons. The results revealed a significant positive linear association between CBF and age in distributed brain regions including prefrontal, temporal, parietal, and occipital cortex, and in the cerebellum. There were no differences in developmental trajectories between males and females. Our findings suggest that CBF continues to increase at least until the age of 7 years, likely supporting the ongoing improvements in behaviour, cognition, motor, and sensory functions of the children in early childhood. Highlights * We mapped cerebral blood flow development longitudinally in 96 typically developing children aged 2-7 years * Cerebral blood flow increased over the full age range * No significant differences between males and females were found Conflicting of Interest R.M.L. is an employee of GE.