Abstract Prenatal alcohol exposure (PAE) is the leading known cause of birth defects and cognitive disabilities, with impacts on brain development and executive functioning. Abnormalities in structural and functional brain features are well-documented in children with PAE, but the effects of PAE on brain metabolism in children have received less attention. Levels of brain metabolites can be measured non-invasively using magnetic resonance spectroscopy (MRS). Here, we present the first study of PAE-related brain metabolite differences in early childhood (ages 3-8 years) and their associations with cognitive performance, including executive functioning (EF) and pre-reading skills. We measured metabolites in two cohorts of children with PAE and unexposed children using MRS in the anterior cingulate cortex (ACC; cohort 1) and left temporo-parietal cortex (LTP; cohort 2). Total choline (tCho), a marker of membrane/myelin metabolism, was elevated in both regions in children with PAE compared to UC, and glutamate+glutamine (Glx), a marker of excitability, was elevated in the ACC. The PAE group exhibited more difficulties with EF, and higher tCho was associated with better EF in both PAE and unexposed groups. In addition, elevated Glx in the ACC was associated with poorer inhibitory control within the PAE group only. LTP metabolites were not significantly associated with pre-reading skills in PAE or unexposed groups. Together, these findings point to altered membrane metabolism and excitability in young children with PAE. These findings provide new insight to potential mechanisms by which PAE disrupts brain development and cognitive functioning in early childhood.

Abstract Metabolites play important roles in brain development and their levels change rapidly in the prenatal period and during infancy. Metabolite levels are thought to stabilize during childhood, but the development of neurochemistry across early-middle childhood remains understudied. We examined the developmental changes of key metabolites (total N-acetylaspartate, tNAA; total choline, tCho; total creatine, tCr; glutamate+glutamine, Glx; and myo-inositol, mI) using short echo-time magnetic resonance spectroscopy (MRS) in the anterior cingulate cortex (ACC) and the left temporo-parietal cortex (LTP) using a mixed cross-sectional/longitudinal design in children aged 2-11 years (ACC: N=101 children, 112 observations; LTP: N=95 children, 318 observations). We found age-related effects for all metabolites. tNAA increased with age in both regions, while tCho decreased with age in both regions. tCr increased with age in the LTP only, and mI decreased with age in the ACC only. Glx did not show linear age effects in either region, but a follow-up analysis in only participants with ≥3 datapoints in the LTP revealed a quadratic effect of age following an inverted U-shape. These substantial changes in neurochemistry throughout childhood likely underlie various processes of structural and functional brain development.

Prenatal alcohol exposure (PAE) is the leading known cause of birth defects and cognitive disabilities, with impacts on brain development and executive functioning. Abnormalities in structural and functional brain features are well-documented in children with PAE, but the effects of PAE on brain metabolism in children have received less attention. Levels of brain metabolites can be measured non-invasively using magnetic resonance spectroscopy (MRS). Here, we present the first study of PAE-related brain metabolite differences in early childhood (ages 3–8 years) and their associations with cognitive performance, including executive functioning (EF) and pre-reading skills. We measured metabolites in two cohorts of children with PAE and unexposed children using MRS in the anterior cingulate cortex (ACC; cohort 1) and left temporo-parietal cortex (LTP; cohort 2). Total choline (tCho), a marker of membrane/myelin metabolism, was elevated in both regions in children with PAE compared to unexposed children, and glutamate + glutamine (Glx), a marker of excitability, was elevated in the ACC. The PAE group exhibited more difficulties with EF, and higher tCho was associated with better EF in both PAE and unexposed groups. In addition, elevated Glx in the ACC was associated with poorer inhibitory control within the PAE group only. LTP metabolites were not significantly associated with pre-reading skills in PAE or unexposed groups. Together, these findings point to altered membrane metabolism and excitability in young children with PAE. These findings provide new insight to potential mechanisms by which PAE disrupts brain development and cognitive functioning in early childhood.