Abstract Human childhood is characterized by dramatic changes in the mind and brain. However, little is known about the large-scale intrinsic cortical network changes that occur during childhood due to methodological challenges in scanning young children. Here, we overcome this barrier by using sophisticated acquisition and analysis tools to investigate functional network development in children between the ages of 4 and 10 years ( n = 92). At multiple spatial scales, age is positively associated with brain network segregation. At the system level, age was associated with segregation of systems involved in attention from those involved in abstract cognition, and with integration among attentional and perceptual systems. Associations between age and functional connectivity are most pronounced in visual and medial prefrontal cortex, the two ends of a gradient from perceptual, externally oriented cortex to abstract, internally oriented cortex. These findings suggest that both ends of the sensory-association gradient may develop early, in contrast to the classical theories that cortical maturation proceeds from back to front, with sensory areas developing first and association areas developing last. More mature patterns of brain network architecture, controlling for age, were associated with better visuospatial reasoning abilities. Our results suggest that as cortical architecture becomes more specialized, children become more able to reason about the world and their place in it. Significance Anthropologists have called the transition from early to middle childhood the “age of reason”, when children across cultures become more independent. We employ cutting-edge neuroimaging acquisition and analysis approaches to investigate associations between age and functional brain architecture in childhood. Age was positively associated with segregation between cortical systems that process the external world, and those that process abstract phenomena like the past, future, and minds of others. Surprisingly, we observed pronounced development at both ends of the sensory-association gradient, challenging the theory that sensory areas develop first and association areas develop last. Our results open new directions for research into how brains reorganize to support rapid gains in cognitive and socioemotional skills as children reach the age of reason.

Abstract Sex chromosome aneuploidy (SCA) enhances risk for several psychiatric disorders associated with the limbic system, including mood and autism spectrum disorders. These patients provide a powerful genetics-first model for understanding the biological basis of psychopathology. Additionally, these disorders are frequently sex-biased in prevalence, further suggesting an etiological role for sex chromosomes. To clarify how limbic anatomy varies across sex and sex chromosome complement, we characterized amygdala and hippocampus structure in a uniquely large sample of patients carrying supernumerary sex chromosomes (n = 132) and typically developing controls (n=166). After correction for sex-differences in brain size, karyotypically normal males (XY) and females (XX) did not differ in volume or shape of either structure. In contrast, all SCAs were associated with lowered amygdala volume relative to gonadally-matched controls. This effect was robust to three different methods for total brain volume correction, including an allometric analysis that derived normative scaling rules for these structures in a separate, typically developing population (n = 79). Hippocampal volume was insensitive to SCA after correction for total brain volume. However, surface-based analysis revealed that SCA, regardless of specific karyotype, was consistently associated with a spatially specific pattern of shape change in both amygdala and hippocampus. In particular, SCA was accompanied by contraction around the basomedial nucleus of the amygdala and an area within the hippocampal surface that cuts across hippocampal subfields. These results demonstrate the power of SCA as a model to understand how copy number variation can precipitate changes in brain systems relevant to psychiatric disease.

Childhood socioeconomic status (SES) impacts cognitive development and mental health, but its association with structural brain development is not yet well-characterized. Here, we analyzed 1243 longitudinally-acquired structural MRI scans from 623 youth to investigate the relation between SES and cortical and subcortical morphology between ages 5 and 25 years. We found positive associations between SES and total volumes of the brain, cortical sheet, and four separate subcortical structures. These associations were developmentally fixed rather than age-dependent. Surface-based shape analysis revealed that higher SES is associated with areal expansion of (i) lateral prefrontal, anterior cingulate, lateral temporal, and superior parietal cortices and (ii) ventrolateral thalamic, and medial amygdalo-hippocampal sub-regions. Meta-analyses of functional imaging data indicate that cortical correlates of SES are centered on brain systems subserving sensorimotor functions, language, memory, and emotional processing. We further show that anatomical variation within a subset of these cortical regions partially mediates the positive association between SES and IQ. Finally, we identify neuroanatomical correlates of SES that exist above and beyond accompanying variation in IQ. Our findings clarify the spatiotemporal patterning of SES-related neuroanatomical variation and inform ongoing efforts to dissect the causal pathways underpinning observed associations between childhood SES and regional brain anatomy.

ABSTRACT Klinefelter syndrome (47, XXY; Henceforth: XXY syndrome) is a high impact but poorly understood genetic risk factor for neuropsychiatric impairment. Here, we provide the first neuroimaging study to map resting-state functional connectivity (rsFC) changes in XXY syndrome and ask how these might relate to brain anatomy and psychopathology. We collected resting state functional magnetic resonance imaging data from 75 individuals with XXY and 84 healthy XY males. We implemented a brain-wide screen to identify regions with altered global rsFC in XXY vs. XY males, and then used seed-based analysis to decompose these alterations. We further compared rsFC changes with regional changes in brain volume from voxel-based morphometry and tested for correlations between rsFC and symptom variation within XXY syndrome. We found that XXY syndrome was characterized by increased global rsFC in the left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), associated with overconnectivity with diverse rsFC networks. Regional rsFC changes were partly coupled to regional volumetric changes in XXY syndrome. Within the precuneus, variation in DLPFC rsFC within XXY syndrome was correlated with the severity of psychopathology in XXY individuals. Our findings provide the first view of altered functional brain connectivity in XXY syndrome and delineate links between these alterations and those relating to both brain anatomy and psychopathology. Taken together, these insights advance biological understanding of XXY syndrome as a disorder in its own right, and as a model of genetic risk for psychopathology more broadly.

Abstract Exposure to adversity can accelerate biological aging. However, existing biomarkers of early aging are either difficult to detect in individuals at scale, like epigenetic signatures, or cannot be detected until late childhood, like pubertal onset. We evaluated the hypothesis that early adversity is associated with earlier molar eruption, an easily assessed measure that has been used to track the length of childhood across primates. In a pre-registered analysis ( N = 117, ages 4-7), we demonstrate that lower family income and exposure to adverse childhood experiences (ACEs) are significantly associated with earlier eruption of the first permanent molars, as rated in T2-weighted magnetic resonance images (MRI). We replicate relationships between income and molar eruption in a population-representative dataset (NHANES; N = 1,973). These findings suggest that the impact of stress on the pace of biological development is evident in early childhood, and detectable in the timing of molar eruption.

Growing up in a high poverty neighborhood is associated with elevated risk for academic challenges and health problems. Here, we take a data-driven approach to exploring how measures of children9s environments relate to the development of their brain structure and function in a community sample of children between the ages of 4 and 10 years. We constructed exposomes including measures of family socioeconomic status, children9s exposure to adversity, and geocoded measures of neighborhood socioeconomic status, crime, and environmental toxins. We connected the exposome to two structural measures (cortical thickness and surface area, n = 170) and two functional measures (participation coefficient and clustering coefficient, n = 130). We found dense connections within exposome and brain layers and sparse connections between exposome and brain layers. Lower family income was associated with thinner visual cortex, consistent with the theory that accelerated development is detectable in early-developing regions. Greater neighborhood incidence of high blood lead levels was associated with greater segregation of the default mode network, consistent with evidence that toxins are deposited into the brain along the midline. Our study demonstrates the utility of multilayer network analysis to bridge environmental and neural explanatory levels to better understand the complexity of child development.

The amygdala and hippocampus are two adjacent allocortical structures implicated in sex-biased and developmentally-emergent psychopathology. However, the spatiotemporal dynamics of amygdalo-hippocampal development remain poorly understood in healthy humans. The current study defined trajectories of volume and shape change for the amygdala and hippocampus by applying a multi-atlas segmentation pipeline (MAGeT-Brain) and semi-parametric mixed-effects spline modeling to 1,529 longitudinally-acquired structural MRI brain scans from a large, single-center cohort of 792 youth (403 males, 389 females) between the ages of 5 and 25 years old. We found that amygdala and hippocampus volumes both follow curvilinear and sexually dimorphic growth trajectories. These sex-biases were particularly striking in the amygdala: males showed a significantly later and slower adolescent deceleration in volume expansion (at age 20 years) than females (age 13 years). Shape analysis localized significant hot-spots of sex-biased anatomical development in sub-regional territories overlying rostral and caudal extremes of the CA1/2 in the hippocampus, and the centromedial nuclear group of the amygdala. In both sexes, principal components analysis revealed close integration of amygdala and hippocampus shape change along two main topographically-organized axes - low vs. high areal expansion, and early vs. late growth deceleration. These results bring greater resolution to our spatiotemporal understanding of amygdalo-hippocampal development in healthy males and females and discover focal sex-differences in the structural maturation of the brain components that may contribute to differences in behavior and psychopathology that emerge during adolescence.