Abstract A comprehensive characterization of the brain’s white matter is critical for improving our understanding of healthy and diseased aging. Here we used diffusion-weighted magnetic resonance imaging (dMRI) to estimate age and sex effects on white matter microstructure in a cross-sectional sample of 15,628 adults aged 45-80 years old (47.6% male, 52.4% female). Microstructure was assessed using the following four models: a conventional single-shell model, diffusion tensor imaging (DTI); a more advanced single-shell model, the tensor distribution function (TDF); an advanced multi-shell model, neurite orientation dispersion and density imaging (NODDI); and another advanced multi-shell model, mean apparent propagator MRI (MAPMRI). Age was modeled using a data-driven statistical approach, and normative centile curves were created to provide sex-stratified white matter reference charts. Participant age and sex substantially impacted many aspects of white matter microstructure across the brain, with the advanced dMRI models TDF and NODDI detecting such effects the most sensitively. These findings and the normative reference curves provide an important foundation for the study of healthy and diseased brain aging.

Abstract Converging evidence implicates disrupted brain connectivity in autism spectrum disorder (ASD); however, the mechanisms linking altered connectivity early in development to the emergence of ASD symptomatology remain poorly understood. Here we examined whether atypicalities in the Salience Network (SN) – an early-emerging neural network involved in orienting attention to the most salient aspects of one’s internal and external environment – may predict the development of ASD markers such as reduced social attention and atypical sensory processing. Six-week-old infants at high-risk for ASD exhibited stronger SN connectivity with sensorimotor regions; low-risk infants demonstrated stronger SN connectivity with prefrontal regions involved in social attention. Infants with higher connectivity with sensorimotor regions had lower connectivity with prefrontal regions, suggesting a direct tradeoff between attention to basic sensory versus socially-relevant information. Early alterations in SN connectivity predicted subsequent ASD symptomatology, providing a plausible mechanistic account for the unfolding of atypical developmental trajectories associated with ASD risk.

Abstract Changes in estrogen levels in women have been associated with increased risk for age-related neurodegenerative diseases, including Alzheimer’s disease, but the impact of exogenous estrogen exposure on the brain is poorly understood. Oral contraceptives (OC) and hormone therapy (HT) and are both common sources of exogenous estrogen for women in reproductive and post-menopausal years, respectively. Here we examined the association of exogenous sex hormone exposure with the brain’s white matter (WM) aging trajectories in postmenopausal women using and not using OC and HT (HT users: n=3,033, non-users n=5,093; OC users: n=6,964; non-users n=1,156), while also investigating multiple dMRI models. Cross-sectional brain dMRI data was analyzed from the UK Biobank using conventional diffusion tensor imaging (DTI), the tensor distribution function (TDF), and neurite orientation dispersion and density imaging (NODDI). Mean skeletonized diffusivity measures were extracted across the whole brain, and fractional polynomial regressions were used to characterize age-related trajectories for WM microstructural measures. Advanced dMRI model NODDI revealed a steeper WM aging trajectory in HT users relative to non-users, and for those using unopposed estrogens relative to combined estrogens treatment. By contrast, no interaction was detected between OC status and age effects on the diffusivity measures we examined. Exogenous sex hormone exposure may negatively impact WM microstructure aging in postmenopausal women. We also present normative reference curves for white matter microarchitectural parameters in women, to help identify individuals with microstructural anomalies.

Sex differences in white matter microstructure have been robustly demonstrated in the adult brain using both conventional and advanced diffusion-weighted magnetic resonance imaging (dMRI) approaches. However, sex differences in white matter microstructure prior to adulthood remain poorly understood; previous developmental work focused on conventional microstructure metrics and yielded mixed results. Here we rigorously characterized sex differences in white matter microstructure among over 6,000 children from the Adolescent Brain Cognitive Development (ABCD) Study who were between 9 and 10 years old. Microstructure was quantified using both the conventional model - diffusion tensor imaging (DTI) - and an advanced model, restriction spectrum imaging (RSI). DTI metrics included fractional anisotropy (FA) and mean, axial, and radial diffusivity (MD, AD, RD). RSI metrics included normalized isotropic, directional, and total intracellular diffusion (N0, ND, NT). We found significant and replicable sex differences in DTI or RSI microstructure metrics in every white matter region examined across the brain. Sex differences in FA were regionally specific. Across white matter regions, boys exhibited greater MD, AD, and RD than girls, on average. Girls displayed increased N0, ND, and NT compared to boys, on average, suggesting greater cell and neurite density in girls. Together, these robust and replicable findings provide an important foundation for understanding sex differences in health and disease.

The progression of Parkinson's disease (PD) is associated with microstructural alterations in neural pathways, contributing to both motor and cognitive decline. However, conflicting findings have emerged due to the use of heterogeneous methods in small studies. Here we performed a large diffusion MRI study in PD, integrating data from 17 cohorts worldwide, to identify stage-specific profiles of white matter differences. Diffusion-weighted MRI data from 1654 participants diagnosed with PD (age: 20–89 years; 33% female) and 885 controls (age: 19–84 years; 47% female) were analyzed using the ENIGMA-DTI protocol to evaluate white matter microstructure. Skeletonized maps of fractional anisotropy (FA) and mean diffusivity (MD) were compared across Hoehn and Yahr (HY) disease groups and controls to reveal the profile of white matter alterations at different stages. We found an enhanced, more widespread pattern of microstructural alterations with each stage of PD, with eventually lower FA and higher MD in almost all regions of interest: Cohen's d effect sizes reached d = −1.01 for FA differences in the fornix at PD HY Stage 4/5. The early PD signature in HY stage 1 included higher FA and lower MD across the entire white matter skeleton, in a direction opposite to that typical of other neurodegenerative diseases. FA and MD were associated with motor and non-motor clinical dysfunction. While overridden by degenerative changes in the later stages of PD, early PD is associated with paradoxically higher FA and lower MD in PD, consistent with early compensatory changes associated with the disorder.

Abstract Typical sex differences in white matter (WM) microstructure during development are incompletely understood. Here we evaluated sex differences in WM microstructure during typical brain development using a sample of neurotypical individuals across a wide developmental age (N=239, aged 5-22 years). We used the conventional diffusion-weighted MRI (dMRI) model, diffusion tensor imaging (DTI), and two advanced dMRI models, the tensor distribution function (TDF) and neurite orientation dispersion density imaging (NODDI) to assess WM microstructure. WM microstructure exhibited significant, regionally consistent sex differences across the brain during typical development. Additionally, the TDF model was most sensitive in detecting sex differences. These findings highlight the importance of considering sex in neurodevelopmental research and underscore the value of the advanced TDF model.