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 Introduction Associations between breastfeeding and brain development, in the context of child, perinatal, and sociodemographic variables, remain unclear. This study investigates whether exclusive breastfeeding for the first 6 months and total duration of any breastfeeding are associated with brain white matter microstructure in young children. Methods This study included a sample of 83 mothers and 85 typically developing children (42 males). Children underwent their first diffusion tensor imaging scan between ages 2.34-6.97 years; some children returned multiple times, providing a total of 331 datasets. Feeding information was collected from the mothers at 3, 6, and 12 months postpartum and at their child’s scan to calculate breastfeeding status at 6 months (exclusive or not) as well as total duration of any breastfeeding. Linear regression was used to investigate associations between breastfeeding exclusivity/duration and fractional anisotropy (FA, a measure sensitive to myelination/axonal packing/fibre coherence) for the whole brain and 10 individual white matter tracts. Results Breastfeeding exclusivity and duration were associated with global and regional white matter microstructure, even after controlling for perinatal and sociodemographic factors. Greater exclusivity was associated with higher FA in females and lower FA in males. Conclusions These findings suggest white matter differences associated with breastfeeding that differ by sex. These may stem from different trajectories in white matter development between males and females in early childhood and suggest possible long-term white matter differences associated with breastfeeding.

Abstract Pre-reading language skills develop rapidly in early childhood and are related to brain structure and function in young children prior to formal education. However, the early neurobiological development that support these skills is not well understood and has not been assessed longitudinally using multiple imaging approaches. Here we acquired anatomical, diffusion tensor imaging (DTI) and resting state functional MRI (rs-fMRI) from 35 children at 3.5 years of age. Children were assessed for pre-reading abilities using the NEPSY-II subtests one year later (4.5 years). We applied a data-driven linked independent component analysis to explore the shared co-variation of grey and white matter measures. Two sources of structural variation at 3.5 years of age demonstrated a weak relationship with Speeded Naming scores at 4.5 years of age. The first imaging component involved volumetric variability in reading-related cortical regions alongside microstructural features of the superior longitudinal fasciculus. The second component was dominated by cortical volumetric variations within the cerebellum and visual association area. In a subset of children with rs-fMRI data, we evaluated the inter-network functional connectivity of the left-lateralized fronto-parietal language (FPL) network and its relationship with pre-reading measures. Higher functional connectivity between the FPL functional network and the default mode and visual networks at 3.5 years predicted better Phonological Processing scores at 4.5 years. Together, these results suggest that the integration of functional networks, as well as the co-development of white and grey matter brain structures in early childhood, may support the emergence of pre-reading measures in preschool children.

Prenatal depression is a common, underrecognized, and undertreated condition with negative consequences on child behaviour and brain development. Neurological dysfunction of the amygdala, cingulate cortex and hippocampus are associated with the development of depression and stress disorders in youth and adults. Although prenatal depression is associated with both child behaviour and neurological dysfunction, the relationship between these variables remains unclear. In this study, fifty-four mothers completed the Edinburgh Depression Scale (EDS) during the second and third trimester of pregnancy and 3 months postpartum. The behaviour of their children was assessed using the Child Behaviour Checklist (CBCL), and the children had diffusion magnetic resonance imaging (MRI) at age 4.1 +/- 0.8 years. Associations between prenatal depressive symptoms, child behaviour, and child brain structure were investigated. Third trimester EDS scores were associated with altered white matter in the amygdala-frontal tract and the cingulum, controlling for postpartum depression. Externalizing behaviour was sexually differentiated in the amygdala-frontal pathway. Altered structural connectivity between the amygdala and frontal cortex mediated the relationship between third trimester maternal depressive symptoms and child externalizing behaviour in males, but not females. These findings suggest that altered brain structure is a possible mechanism via which prenatal depressive symptoms can impact child behaviour, highlighting the importance of both recognition and intervention in prenatal depression.

White matter development continues throughout childhood and into early adulthood, but few studies have examined early childhood, and the specific trajectories and regional variation in this age range remain unclear. The aim of this study was to characterize developmental trajectories and sex differences of white matter in typically developing young children. Three hundred and ninety-six diffusion tensor imaging datasets from 120 children (57 male) aged 2-8 years were analyzed using tractography. Fractional anisotropy (FA) increased and mean diffusivity (MD) decreased in all white matter tracts by 5-15% over the 6-year period, likely reflecting increases in myelination and axonal packing. Males showed steeper slopes in a number of brain areas. Overall, early childhood is associated with substantial development of all white matter and appears to be an important period for the development of occipital and limbic connections, which showed the largest changes. This study provides a detailed characterization of age-related white matter changes in early childhood, offering baseline data that can be used to understand cognitive and behavioural development, as well as to identify deviations from normal development in children with various diseases, disorders, or brain injuries.

Abstract Prenatal alcohol exposure (PAE) can lead to cognitive, behavioural, and social-emotional challenges. Previous neuroimaging research has identified alterations to brain structure in newborns, older children, adolescents, and adults with PAE; however, little is known about brain structure in young children. Extensive brain development takes place during early childhood; therefore, understanding the neurological profiles of young children with PAE is critical for early identification and effective intervention. We studied 54 children (5.21±1.11 years; 27 males) with confirmed PAE compared to 54 age- and sex-matched children without PAE. Children underwent diffusion tensor imaging between 2 and 7 years of age. Mean fractional anisotropy (FA) and mean diffusivity (MD) were obtained for 10 major white matter tracts, along with tract volume, axial and radial diffusivity (AD, RD). A univariate analysis of covariance was conducted to test for group differences (PAE vs. control) controlling for age, sex and tract volume. Our results reveal white matter microstructural differences between young children with PAE and unexposed controls. The PAE group had higher FA and/or lower MD (as well as lower AD and RD) in the genu and the body of the corpus callosum, as well as the bilateral uncinate fasciculus and pyramidal tracts. Our findings align with studies of newborns with PAE finding lower AD, but contrast those in older populations with PAE, which consistently report lower FA and higher MD. These findings may reflect premature development of white matter that may then plateau too early, leading to the lower FA/higher MD observed at older ages.