By interfering with the normal sequence of mechanisms serving the brain maturation, premature birth and related stress can alter perinatal experiences, with potential long-term consequences on a child's neurodevelopment. The early characterization of brain functioning and maturational changes is thus of critical interest in premature infants who are at high risk of atypical outcomes and could benefit from early diagnosis and dedicated interventions. Using high-density electroencephalography (HD-EEG), we recorded resting-state brain activity in extreme and very preterm infants at the equivalent age of pregnancy term (n=43), and longitudinally 2-months later (n=33), compared with full-term born infants (n=14). We characterized the maturation of brain activity by using microstate analysis (a method to quantify the spatiotemporal dynamics of the spontaneous transient network activity) while controlling for vigilance states. The comparison of premature and full-term infants first showed slower dynamics as well as altered spatio-temporal properties of resting-state activity in preterm infants. Maturation of functional networks between term-equivalent age and 2 months later in preterms was translated by the emergence of richer dynamics, manifested in part by faster temporal activity (shorter duration of microstates) as well as an evolution in the spatial organization of the dominant microstates. The inter-individual differences in the temporal dynamics of brain activity at term-equivalent age were further impacted by gestational age at birth and sex (with slower microstate dynamics in infants with lower birth age and in boys) but not by other considered risk factors. This study highlights the potential of the microstate approach to reveal maturational properties of the emerging resting-state network activity in premature infants.

Abstract The sensorimotor (SM) network is crucial for optimal neurodevelopment. However, undergoing rapid maturation during the perinatal period, it is particularly vulnerable to preterm birth. Our work explores the prematurity impact on the microstructure and maturation of primary SM white matter (WM) tracts at term-equivalent age (TEA) and evaluates the relationships between these alterations and neurodevelopmental outcome. We analyzed diffusion MRI data from the developing Human Connectome Project (dHCP) database: 59 preterm (PT) low-risk infants scanned near TEA, compared to a control group of full-term (FT) neonates paired for age at MRI and sex. We dissected pairwise connections between primary SM cortices and subcortical structures using probabilistic tractography and evaluated their microstructure with diffusion tensor imaging (DTI) and neurite orientation dispersion and density imaging (NODDI) models. In addition to tract- specific univariate analyses of diffusion metrics, we computed a maturational distance related to prematurity based on a multi-parametric Mahalanobis distance of each PT infant relative to the FT group. Finally, we evaluated the relationships between this distance and Bayley Scales of Infant and Toddler Development (BSID-III) scaled scores at 18 months corrected age. Our results confirm important microstructural differences in SM tracts between PT and FT infants, with effects increasing with lower gestational age at birth. Additionally, comparisons of maturational distances highlight that prematurity has a differential effect on SM tracts which follows the established WM caudo-rostral developmental pattern. Our results suggest a particular vulnerability of projections involving the primary sensorimotor cortices (S1) and of the most rostral tracts, with cortico-cortical and S1-Lenticular tracts presenting the highest alterations at TEA. Finally, NODDI-derived maturational distances of specific tracts seem related to fine motor and cognitive scores. This study expands the understanding of the impact of early WM alterations in the emerging SM network on long-term neurodevelopment. In the future, related approaches have potential to lead to the development of neuroimaging markers for neurodevelopmental disorders, with special interest for subtle neuromotor impairments frequently observed in preterm-born children.

Functional networks characterised by synchronous neural activity across distributed brain regions have been observed to emerge early in neurodevelopment. However, how the maturation of regional specialization and functional organization relates to developmental changes in structure is poorly understood. The covariation of regional microstructural properties, or microstructural connectivity (MC), could partially reflect synchronized maturation across regions that relate to functional connectivity (FC) during the early neurodevelopmental period. In this study, we investigated the evolution of MC and FC postnatally across a set of cortical and subcortical regions, focusing on 45 preterm infants scanned longitudinally, and compared to 45 matched full-term neonates as part of the developing Human Connectome Project (dHCP). Our findings revealed a global reinforcement of both MC and FC with age, with connection-specific variability dependent on the connection maturational stage and confirmed the impact of prematurity at term-equivalent age. We also reported a significant relationship between MC and FC during the preterm period. This relationship seemed to decrease with development when directly comparing the two modalities. However, evaluation of overlaps between MC- and FC-derived networks suggested increasing relationships with age, potentially due to a shared network structure underlying changes of microstructural and functional properties. Thus, our study offers novel insights on the complex interplay of functional and microstructural development and highlights the potential utility of MC as a complementary descriptor for characterizing the brain network development and alterations due to perinatal insults such as premature birth.

Abstract Despite growing evidence of links between sulcation and function in the adult brain, the folding dynamics, occurring mostly before normal-term-birth, is vastly unknown. Looking into the development of cortical sulci in babies can give us keys to address fundamental questions: what is the sulcal shape variability in the developing brain? When are the shape features encoded? How are these morphological parameters related to further functional development? In this study, we aimed to investigate the shape variability of the developing central sulcus, which is the frontier between the primary somatosensory and motor cortices. We studied a cohort of 71 extremely preterm infants scanned twice using MRI – once around 30 weeks post-menstrual age (w PMA) and once at term-equivalent age, around 40w PMA –, in order to quantify the sulcus’s shape variability using manifold learning, regardless of age-group or hemisphere. We then used these shape descriptors to evaluate the sulcus’s variability at both ages and to assess hemispheric and age- group specificities. This led us to propose a description of ten shape features capturing the variability in the central sulcus of preterm infants. Our results suggested that most of these features (8/10) are encoded as early as 30w PMA. We unprecedentedly observed hemispheric asymmetries at both ages, and the one captured at term-equivalent age seems to correspond with the asymmetry pattern previously reported in adults. We further trained classifiers in order to explore the predictive value of these shape features on manual performance at 5 years of age (handedness and fine motor outcome). The central sulcus’s shape alone showed a limited but relevant predictive capacity in both cases. The study of sulcal shape features during early neurodevelopment may participate to a better comprehension of the complex links between morphological and functional organization of the developing brain. Highlights - Shape features can be isolated to describe quantitatively the development of the central sulcus. - Most shape characteristics of the central sulcus are already encoded at 30 weeks of post-menstrual age (w PMA) in preterm newborns. - The central sulcus shows subtle hemispheric asymmetries as soon as 30w PMA. - The early shape of the central sulcus can help predicting handedness and fine motor outcome at 5 years of age.