The elaboration of the myelinated white matter is essential for normal neurodevelopment, establishing and mediating rapid communication pathways throughout the brain. These pathways facilitate the synchronized communication required for higher order behavioral and cognitive functioning. Altered neural messaging (or ‘disconnectivity’) arising from abnormal white matter and myelin development may underlie a number of neurodevelopmental psychiatric disorders. Despite the vital role myelin plays, few imaging studies have specifically examined its maturation throughout early infancy and childhood. Thus, direct investigations of the relationship(s) between evolving behavioral and cognitive functions and the myelination of the supporting neural systems have been sparse. Further, without knowledge of the ‘normative’ developmental time-course, identification of early abnormalities associated with developmental disorders remains challenging. In this work, we examined the use of longitudinal (T1) and transverse (T2) relaxation time mapping, and myelin water fraction (MWF) imaging to investigate white matter and myelin development in 153 healthy male and female children, 3 months through 60 months in age. Optimized age-specific acquisition protocols were developed using the DESPOT and mcDESPOT imaging techniques; and mean T1, T2 and MWF trajectories were determined for frontal, temporal, occipital, parietal and cerebellar white matter, and genu, body and splenium of the corpus callosum. MWF results provided a spatio-temporal pattern in-line with prior histological studies of myelination. Comparison of T1, T2 and MWF measurements demonstrates dissimilar sensitivity to tissue changes associated with neurodevelopment, with each providing differential but complementary information.

Does breastfeeding alter early brain development? The prevailing consensus from large epidemiological studies posits that early exclusive breastfeeding is associated with improved measures of IQ and cognitive functioning in later childhood and adolescence. Prior morphometric brain imaging studies support these findings, revealing increased white matter and sub-cortical gray matter volume, and parietal lobe cortical thickness, associated with IQ, in adolescents who were breastfed as infants compared to those who were exclusively formula-fed. Yet it remains unknown when these structural differences first manifest and when developmental differences that predict later performance improvements can be detected. In this study, we used quiet magnetic resonance imaging (MRI) scans to compare measures of white matter microstructure (mcDESPOT measures of myelin water fraction) in 133 healthy children from 10 months through 4 years of age, who were either exclusively breastfed a minimum of 3 months; exclusively formula-fed; or received a mixture of breast milk and formula. We also examined the relationship between breastfeeding duration and white matter microstructure. Breastfed children exhibited increased white matter development in later maturing frontal and association brain regions. Positive relationships between white matter microstructure and breastfeeding duration are also exhibited in several brain regions, that are anatomically consistent with observed improvements in cognitive and behavioral performance measures. While the mechanisms underlying these structural differences remains unclear, our findings provide new insight into the earliest developmental advantages associated with breastfeeding, and support the hypothesis that breast milk constituents promote healthy neural growth and white matter development.

Converging evidence suggests brain structure alterations may precede overt cognitive impairment in Alzheimer disease by several decades. Early detection of these alterations holds inherent value for the development and evaluation of preventive treatment therapies.To compare magnetic resonance imaging measurements of white matter myelin water fraction (MWF) and gray matter volume (GMV) in healthy infant carriers and noncarriers of the apolipoprotein E (APOE) ε4 allele, the major susceptibility gene for late-onset AD.Quiet magnetic resonance imaging was performed at an academic research imaging center on 162 healthy, typically developing 2- to 25-month-old infants with no family history of Alzheimer disease or other neurological or psychiatric disorders. Cross-sectional measurements were compared in the APOE ε4 carrier and noncarrier groups. White matter MWF was compared in one hundred sixty-two 2- to 25-month-old sleeping infants (60 ε4 carriers and 102 noncarriers). Gray matter volume was compared in a subset of fifty-nine 6- to 25-month-old infants (23 ε4 carriers and 36 noncarriers), who remained asleep during the scanning session. The carrier and noncarrier groups were matched for age, gestational duration, birth weight, sex ratio, maternal age, education, and socioeconomic status.Automated algorithms compared regional white matter MWF and GMV in the carrier and noncarrier groups and characterized their associations with age.Infant ε4 carriers had lower MWF and GMV measurements than noncarriers in precuneus, posterior/middle cingulate, lateral temporal, and medial occipitotemporal regions, areas preferentially affected by AD, and greater MWF and GMV measurements in extensive frontal regions and measurements were also significant in the subset of 2- to 6-month-old infants (MWF differences, P < .05, after correction for multiple comparisons; GMV differences, P < .001, uncorrected for multiple comparisons). Infant ε4 carriers also exhibited an attenuated relationship between MWF and age in posterior white matter regions.While our findings should be considered preliminary, this study demonstrates some of the earliest brain changes associated with the genetic predisposition to AD. It raises new questions about the role of APOE in normal human brain development, the extent to which these processes are related to subsequent AD pathology, and whether they could be targeted by AD prevention therapies.

The maturation of cortical structures, and the establishment of their connectivity, are critical neurodevelopmental processes that support and enable cognitive and behavioral functioning. Measures of cortical development, including thickness, curvature, and gyrification have been extensively studied in older children, adolescents, and adults, revealing regional associations with cognitive performance, and alterations with disease or pathology. In addition to these gross morphometric measures, increased attention has recently focused on quantifying more specific indices of cortical structure, in particular intracortical myelination, and their relationship to cognitive skills, including IQ, executive functioning, and language performance. Here we analyze the progression of cortical myelination across early childhood, from 1 to 6 years of age, in vivo for the first time. Using two quantitative imaging techniques, namely T1 relaxation time and myelin water fraction (MWF) imaging, we characterize myelination throughout the cortex, examine developmental trends, and investigate hemispheric and gender-based differences. We present a pattern of cortical myelination that broadly mirrors established histological timelines, with somatosensory, motor and visual cortices myelinating by 1 year of age; and frontal and temporal cortices exhibiting more protracted myelination. Developmental trajectories, defined by logarithmic functions (increasing for MWF, decreasing for T1), were characterized for each of 68 cortical regions. Comparisons of trajectories between hemispheres and gender revealed no significant differences. Results illustrate the ability to quantitatively map cortical myelination throughout early neurodevelopment, and may provide an important new tool for investigating typical and atypical development.

Abstract The Developing Human Connectome Project (dHCP) is an Open Science project which provides the first large sample of neonatal functional MRI (fMRI) data with high temporal and spatial resolution. This data enables mapping of intrinsic functional connectivity between spatially distributed brain regions under normal and adverse perinatal circumstances, offering a framework to study the ontogeny of large-scale brain organisation in humans. Here, we characterise in unprecedented detail the maturation and integrity of resting-state networks (RSNs) at normal term age in 337 infants (including 65 born preterm). First, we applied group independent component analysis (ICA) to define 11 RSNs in term-born infants scanned at 43.5-44.5 weeks postmenstrual age (PMA). Adult-like topography was observed in RSNs encompassing primary sensorimotor, visual and auditory cortices. Among six higher-order, association RSNs, analogues of the adult networks for language and ocular control were identified, but a complete default mode network precursor was not. Next, we regressed the subject-level datasets from an independent cohort of infants scanned at 37-43.5 weeks PMA against the group-level RSNs to test for the effects of age, sex and preterm birth. Brain mapping in term-born infants revealed areas of positive association with age across four of six association RSNs, indicating active maturation in functional connectivity from 37 to 43.5 weeks PMA. Female infants showed increased connectivity in inferotemporal regions of the visual association network. Preterm birth was associated with striking impairments of functional connectivity across all RSNs in a dose-dependent manner; conversely, connectivity of the superior parietal lobules within the lateral motor network was abnormally increased in preterm infants, suggesting a possible mechanism for specific difficulties such as developmental coordination disorder which occur frequently in preterm children. Overall, we find a robust, modular, symmetrical functional brain organisation at normal term age. A complete set of adult-equivalent primary RSNs is already instated, alongside emerging connectivity in immature association RSNs, consistent with a primary-to-higher-order ontogenetic sequence of brain development. The early developmental disruption imposed by preterm birth is associated with extensive alterations in functional connectivity.

Abstract The developing Human Connectome Project (dHCP) aims to create a detailed 4-dimensional connectome of early life spanning 20 to 45 weeks post-menstrual age. This is being achieved through the acquisition of multi-modal MRI data from over 1000 in- and ex-utero subjects combined with the development of optimised pre-processing pipelines. In this paper we present an automated and robust pipeline to minimally pre-process highly confounded neonatal resting-state fMRI data, robustly, with low failure rates and high quality-assurance. The pipeline has been designed to specifically address the challenges that neonatal data presents including low and variable contrast and high levels of head motion. We provide a detailed description and evaluation of the pipeline which includes integrated slice-to-volume motion correction and dynamic susceptibility distortion correction, a robust multimodal registration approach, bespoke ICA-based denoising, and an automated QC framework. We assess these components on a large cohort of dHCP subjects and demonstrate that processing refinements integrated into the pipeline provide substantial reduction in movement related distortions, resulting in significant improvements in SNR, and detection of high quality RSNs from neonates. Highlights An automated and robust pipeline to minimally pre-process highly confounded neonatal fMRI data Includes integrated dynamic distortion and slice-to-volume motion correction A robust multimodal registration approach which includes custom neonatal templates Incorporates an automated and self-reporting QC framework to quantify data quality and identify issues for further inspection Data analysis of 538 infants imaged at 26-45 weeks post-menstrual age

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 A key feature of the fetal period is the rapid emergence of organised patterns of spontaneous brain activity. However, characterising this process in utero using functional MRI is inherently challenging and requires analytical methods which can capture the constituent developmental transformations. Here, we introduce a novel analytical framework, termed “maturational networks” (matnets), that achieves this by modelling functional networks as an emerging property of the developing brain. Compared to standard network analysis methods that assume consistent patterns of connectivity across development, our method incorporates age-related changes in connectivity directly into network estimation. We test its performance in a large neonatal sample, finding that the matnets approach characterises adult-like features of functional network architecture with a greater specificity than a standard group-ICA approach; for example, our approach is able to identify a nearly complete default mode network. In the in-utero brain, matnets enables us to reveal the richness of emerging functional connections and the hierarchy of their maturational relationships with remarkable anatomical specificity. We show that the associative areas play a central role within prenatal functional architecture, therefore indicating that functional connections of high-level associative areas start emerging prior to exposure to the extra-utero environment.