Background. Long-term studies of the outcome of very prematurely born infants have clearly documented that the majority of such infants have significant motor, cognitive, and behavioral deficits. However, there is a limited understanding of the nature of the cerebral abnormality underlying these adverse neurologic outcomes. Aim. The overall aim of this study was to define quantitatively the alterations in cerebral tissue volumes at term equivalent in a large longitudinal cohort study of very low birth weight premature infants in comparison to term-born infants by using advanced volumetric 3-dimensional magnetic resonance imaging (MRI) techniques. We also aimed to define any relationship of such perinatal lesions as white matter (WM) injury or other potentially adverse factors to the quantitative structural alterations. Additionally, we wished to identify the relationship of the structural alterations to short-term neurodevelopmental outcome. Methods. From November 1998 to December 2000, 119 consecutive premature infants admitted to the neonatal intensive care units at Christchurch Women’s Hospital (Christchurch, New Zealand) and the Royal Women’s Hospital (Melbourne, Australia) were recruited (88% of eligible) after informed parental consent to undergo an MRI scan at term equivalent. Twenty-one term-born infants across both sites were recruited also. Postacquisition advanced 3-dimensional tissue segmentation with 3-dimensional reconstruction was undertaken to estimate volumes of cerebral tissues: gray matter (GM; cortical and deep nuclear structures), WM (myelinated and unmyelinated), and cerebrospinal fluid (CSF). Results. In comparison to the term-born infants, the premature infants at term demonstrated prominent reductions in cerebral cortical GM volume (premature infants [mean ± SD]: 178 ± 41 mL; term infants: 227 ± 26 mL) and in deep nuclear GM volume (premature infants: 10.8 ± 4.1 mL; term infants: 13.8 ± 5.2 mL) and an increase in CSF volume (premature infants: 45.6 ± 22.1 mL; term infants: 28.9 ± 16 mL). The major predictors of altered cerebral volumes were gestational age at birth and the presence of cerebral WM injury. Infants with significantly reduced cortical GM and deep nuclear GM volumes and increased CSF volume volumes exhibited moderate to severe neurodevelopmental disability at 1 year of age. Conclusions. This MRI study of prematurely born infants further defines the nature of quantitative cerebral structural abnormalities present as early as term equivalent. The abnormalities particularly involve cerebral neuronal regions including both cortex and deep nuclear structures. The pattern of cerebral alterations is related most significantly to the degree of immaturity at birth and to concomitant WM injury. The alterations are followed by abnormal short-term neurodevelopmental outcome.

To investigate the effects of early experience on brain function and structure.A randomized clinical trial tested the neurodevelopmental effectiveness of the Newborn Individualized Developmental Care and Assessment Program (NIDCAP). Thirty preterm infants, 28 to 33 weeks' gestational age (GA) at birth and free of known developmental risk factors, participated in the trial. NIDCAP was initiated within 72 hours of intensive care unit admission and continued to the age of 2 weeks, corrected for prematurity. Control (14) and experimental (16) infants were assessed at 2 weeks' and 9 months' corrected age on health status, growth, and neurobehavior, and at 2 weeks' corrected age additionally on electroencephalogram spectral coherence, magnetic resonance diffusion tensor imaging, and measurements of transverse relaxation time.The groups were medically and demographically comparable before as well as after the treatment. However, the experimental group showed significantly better neurobehavioral functioning, increased coherence between frontal and a broad spectrum of mainly occipital brain regions, and higher relative anisotropy in left internal capsule, with a trend for right internal capsule and frontal white matter. Transverse relaxation time showed no difference. Behavioral function was improved also at 9 months' corrected age. The relationship among the 3 neurodevelopmental domains was significant. The results indicated consistently better function and more mature fiber structure for experimental infants compared with their controls.This is the first in vivo evidence of enhanced brain function and structure due to the NIDCAP. The study demonstrates that quality of experience before term may influence brain development significantly.

Alterations of the architecture of cerebral white matter in the developing human brain can affect cortical development and result in functional disabilities. A line scan diffusion-weighted magnetic resonance imaging (MRI) sequence with diffusion tensor analysis was applied to measure the apparent diffusion coefficient, to calculate relative anisotropy, and to delineate three-dimensional fiber architecture in cerebral white matter in preterm (n = 17) and full-term infants (n = 7). To assess effects of prematurity on cerebral white matter development, early gestation preterm infants (n = 10) were studied a second time at term. In the central white matter the mean apparent diffusion coefficient at 28 wk was high, 1.8 microm2/ms, and decreased toward term to 1.2 microm2/ms. In the posterior limb of the internal capsule, the mean apparent diffusion coefficients at both times were similar (1.2 versus 1.1 microm2/ms). Relative anisotropy was higher the closer birth was to term with greater absolute values in the internal capsule than in the central white matter. Preterm infants at term showed higher mean diffusion coefficients in the central white matter (1.4 +/- 0.24 versus 1.15 +/- 0.09 microm2/ms, p = 0.016) and lower relative anisotropy in both areas compared with full-term infants (white matter, 10.9 +/- 0.6 versus 22.9 +/- 3.0%, p = 0.001; internal capsule, 24.0 +/- 4.44 versus 33.1 +/- 0.6% p = 0.006). Nonmyelinated fibers in the corpus callosum were visible by diffusion tensor MRI as early as 28 wk; full-term and preterm infants at term showed marked differences in white matter fiber organization. The data indicate that quantitative assessment of water diffusion by diffusion tensor MRI provides insight into microstructural development in cerebral white matter in living infants.

Abstract Definition in the living premature infant of the anatomical and temporal characteristics of development of critical brain structures is crucial for insight into the time of greatest vulnerability of such brain structures. We used three‐dimensional magnetic resonance imaging (3D MRI) and image‐processing algorithms to quantitate total brain volume and total volumes of cerebral gray matter (GM), unmyelinated white matter (WM), myelinated WM, and cerebrospinal fluid (CSF) in 78 premature and mature newborns (postconceptional age, 29–41 weeks). Total brain tissue volume was shown to increase linearly at a rate of 22 ml/wk. Total GM showed a linear increase in relative intracranial volume of approxi mately 1.4% or 15 ml in absolute volume per week. The pronounced increase in total GM reflected primarily a fourfold increase in cortical GM. Unmyelinated WM was found to be the most prominent brain tissue class in the preterm infant younger than 36 weeks of postconceptional age. Although minimal myelinated WM was present in the preterm infant at 29 weeks, between 35 and 41 weeks an abrupt fivefold increase in absolute volume of myelinated WM was documented. Extracerebral and intraventricular CSF was readily quantitated by this technique and found to change minimally. The application of 3D MRI and tissue segmentation to the study of human infant brain from 29 to 41 weeks of postconceptional age has provided new insights into cerebral cortical development and myelination and has for the first time provided means of quantitative assessment in vivo of early human brain development.

Annals of NeurologyVolume 46, Issue 5 p. 755-760 Original Article Periventricular white matter injury in the premature infant is followed by reduced cerebral cortical gray matter volume at term Terrie E. Inder MD, Terrie E. Inder MD Department of Neurology, Children's Hospital and Harvard Medical School, Boston, MASearch for more papers by this authorPetra S. Huppi MD, Petra S. Huppi MD Joint Program in Neonatology, Harvard Medical School, Boston, MA Department of Pediatrics, University of Geneva, Geneva, SwitzerlandSearch for more papers by this authorSimon Warfield PhD, Simon Warfield PhD Department of Radiology and MRI Division, Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, Boston, MASearch for more papers by this authorRon Kikinis MD, Ron Kikinis MD Department of Radiology and MRI Division, Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, Boston, MASearch for more papers by this authorGary P. Zientara PhD, Gary P. Zientara PhD Department of Radiology and MRI Division, Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, Boston, MASearch for more papers by this authorPatrick D. Barnes MD, Patrick D. Barnes MD Division of Neuroradiology, Department of Radiology, Children's Hospital and Harvard Medical School, Boston, MASearch for more papers by this authorFerenc Jolesz MD, Ferenc Jolesz MD Department of Radiology and MRI Division, Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, Boston, MASearch for more papers by this authorJoseph J. Volpe MD, Corresponding Author Joseph J. Volpe MD Department of Neurology, Children's Hospital and Harvard Medical School, Boston, MADepartment of Neurology, Children's Hospital, 300 Longwood Avenue, Boston, MA 02115Search for more papers by this author Terrie E. Inder MD, Terrie E. Inder MD Department of Neurology, Children's Hospital and Harvard Medical School, Boston, MASearch for more papers by this authorPetra S. Huppi MD, Petra S. Huppi MD Joint Program in Neonatology, Harvard Medical School, Boston, MA Department of Pediatrics, University of Geneva, Geneva, SwitzerlandSearch for more papers by this authorSimon Warfield PhD, Simon Warfield PhD Department of Radiology and MRI Division, Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, Boston, MASearch for more papers by this authorRon Kikinis MD, Ron Kikinis MD Department of Radiology and MRI Division, Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, Boston, MASearch for more papers by this authorGary P. Zientara PhD, Gary P. Zientara PhD Department of Radiology and MRI Division, Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, Boston, MASearch for more papers by this authorPatrick D. Barnes MD, Patrick D. Barnes MD Division of Neuroradiology, Department of Radiology, Children's Hospital and Harvard Medical School, Boston, MASearch for more papers by this authorFerenc Jolesz MD, Ferenc Jolesz MD Department of Radiology and MRI Division, Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, Boston, MASearch for more papers by this authorJoseph J. Volpe MD, Corresponding Author Joseph J. Volpe MD Department of Neurology, Children's Hospital and Harvard Medical School, Boston, MADepartment of Neurology, Children's Hospital, 300 Longwood Avenue, Boston, MA 02115Search for more papers by this author First published: 17 May 2001 https://doi.org/10.1002/1531-8249(199911)46:5<755::AID-ANA11>3.0.CO;2-0Citations: 413AboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Abstract Periventricular white matter injury, that is, periventricular leukomalacia (PVL), the dominant form of brain injury in the premature infant, is the major neuropathological substrate associated with the motor and cognitive deficits observed later in such infants. The nature of the relationship of this lesion to the subsequent cognitive deficits is unclear, but such deficits raise the possibility of cerebral cortical neuronal dysfunction. Although cortical neuronal necrosis is not a prominent feature of brain injury in premature infants, the possibility of a deleterious effect of PVL on subsequent cerebral cortical development has not been investigated. An advanced quantitative volumetric three-dimensional magnetic resonance imaging technique was used to measure brain tissue volumes at term in premature infants with earlier ultrasonographic and magnetic resonance imaging evidence of PVL (mean gestational age at birth, 28.7 ± 2.0 weeks; n = 10), in premature infants with normal imaging studies (mean gestational age at birth, 29.0 ± 2.1 weeks; n = 10), and in control term infants (n = 14). Premature infants with PVL had a marked reduction in cerebral cortical gray matter at term compared with either premature infants without PVL or normal term infants (mean ± SD: PVL, 157.5 ± 41.5 ml; no PVL, 211.7 ± 25.4 ml; normal term, 218.8 ± 21.3 ml). As expected, a reduction in the volume of total brain myelinated white matter was also noted (mean ± SD: PVL, 14.5 ± 4.6 ml; no PVL, 23.1 ± 6.9 ml; normal term, 27.6 ± 10.3 ml). An apparent compensatory increase in total cerebrospinal fluid volume also was found (mean ± SD: PVL, 64.5 ± 15.2 ml; no PVL, 52.0 ± 24.1 ml; normal term, 32.9 ± 13.5 ml). PVL in the premature infant is shown for the first time to be followed by impaired cerebral cortical development. These findings may provide insight into the anatomical correlate for the intellectual deficits associated with PVL in the premature infant. Citing Literature Volume46, Issue5November 1999Pages 755-760 RelatedInformation

Placental insufficiency with fetal intrauterine growth restriction (IUGR) is an important cause of perinatal mortality and morbidity and is subsequently associated with significant neurodevelopmental impairment in cognitive function, attention capacity, and school performance. The underlying biologic cause for this association is unclear. Twenty-eight preterm infants (gestational age 32.5 +/- 1.9 wk) were studied by early and term magnetic resonance imaging (MRI). An advanced quantitative volumetric three-dimensional MRI technique was used to measure brain tissue volumes in 14 premature infants with placental insufficiency, defined by abnormal antenatal Doppler measurements and mean birth weights <10(th) percentile (1246 +/- 299 g) (IUGR) and in 14 preterm infants matched for gestational age with normal mean birth weights 1843 +/- 246 g (control). Functional outcome was measured at term in all infants by a specialized assessment scale of preterm infant behavior. Premature infants with IUGR had a significant reduction in intracranial volume (mean +/- SD: 253.7 +/- 29.9 versus 300.5 +/- 43.5 mL, p < 0.01) and in cerebral cortical gray matter (mean +/- SD: 77.2 +/- 16.3 versus 106.8 +/- 24.6 mL, p < 0.01) when measured within the first 2 wk of life compared with control premature infants. These findings persisted at term with intracranial volume (mean +/- SD: 429.3 +/- 47.9 versus 475.9 +/- 53.4 mL, p < 0.05) and cerebral cortical gray matter (mean +/- SD: 149.3 +/- 29.2 versus 189 +/- 34.2 mL, p < 0.01). Behavioral assessment at term showed a significantly less mature score in the subsystem of attention-interaction availability in IUGR infants (p < 0.01). Cerebral cortical gray matter volume at term correlated with attention-interaction capacity measured at term (r = 0.45, p < 0.05). These results suggest that placental insufficiency with IUGR have specific structural and functional consequences on cerebral cortical brain development. These findings may provide insight into the structural-functional correlate for the developmental deficits associated with IUGR.

In the human brain, the morphology of cortical gyri and sulci is complex and variable among individuals, and it may reflect pathological functioning with specific abnormalities observed in certain developmental and neuropsychiatric disorders. Since cortical folding occurs early during brain development, these structural abnormalities might be present long before the appearance of functional symptoms. So far, the precise mechanisms responsible for such alteration in the convolution pattern during intra-uterine or post-natal development are still poorly understood. Here we compared anatomical and functional brain development in vivo among 45 premature newborns who experienced different intra-uterine environments: 22 normal singletons, 12 twins and 11 newborns with intrauterine growth restriction (IUGR). Using magnetic resonance imaging (MRI) and dedicated post-processing tools, we investigated early disturbances in cortical formation at birth, over the developmental period critical for the emergence of convolutions (26–36 weeks of gestational age), and defined early 'endophenotypes' of sulcal development. We demonstrated that twins have a delayed but harmonious maturation, with reduced surface and sulcation index compared to singletons, whereas the gyrification of IUGR newborns is discordant to the normal developmental trajectory, with a more pronounced reduction of surface in relation to the sulcation index compared to normal newborns. Furthermore, we showed that these structural measurements of the brain at birth are predictors of infants' outcome at term equivalent age, for MRI-based cerebral volumes and neurobehavioural development evaluated with the assessment of preterm infant's behaviour (APIB).

BackgroundThe causes of the current obesity pandemic have not been fully elucidated. Implication of environmental endocrine disruptors such as bisphenol A (BPA) on adipose tissue development has been poorly investigated.ObjectivesThe aim of the present study was to evaluate the effects of perinatal exposure to BPA on early adipose storage at weaning.MethodsPregnant Sprague-Dawley rats had access to drinking water containing 1 mg/L BPA from day 6 of gestation through the end of lactation. Pups were weaned on postnatal day (PND) 21. At that time, we investigated perigonadal adipose tissue of pups (weight, histology, gene expression). For the remaining animals, we recorded body weight and food intake for animals on either standard chow or a high-fat diet.ResultsGestational exposure to BPA did not alter the sex ratio or litter size at birth. On PND1, the weight of male and female BPA-exposed pups was increased. On PND21, body weight was increased only in females, in which parametrial white adipose tissue (pWAT) weight was increased about 3-fold. This excess of pWAT was associated with adipocyte hypertrophy and overexpression of lipogenic genes such as C/EBP-α (CAAT enhancer binding protein alpha), PPAR-γ (peroxisome proliferator-activated receptor gamma), SREBP-1C (sterol regulatory element binding protein-1C), LPL (lipoprotein lipase), FAS (fatty acid synthase), and SCD-1 (stearoyl-CoA desaturase 1). In addition, gene expression of SREBP-1C, FAS, and ACC (acetyl-CoA carboxylase) was also increased in liver from BPA-exposed females at PND21, without a change in circulating lipids and glucose. After weaning, perinatal BPA exposure predisposed to overweight in a sex- and diet-dependent manner. We observed no change in food intake due to perinatal BPA exposure in rats on either standard chow or a high-fat diet.ConclusionsPerinatal exposure to a low dose of BPA increased adipogenesis in females at weaning. Adult body weight may be programmed during early life, leading to changes dependent on the sex and the nutritional status. Although further studies are required to understand the mechanisms of BPA action in early life, these results are particularly important with regard to the increasing prevalence of childhood obesity and the context-dependent action of endocrine disruptors.

In the developing human brain, the cortical sulci formation is a complex process starting from 14 weeks of gestation onward. The potential influence of underlying mechanisms (genetic, epigenetic, mechanical or environmental) is still poorly understood, because reliable quantification in vivo of the early folding is lacking. In this study, we investigate the sulcal emergence noninvasively in 35 preterm newborns, by applying dedicated postprocessing tools to magnetic resonance images acquired shortly after birth over a developmental period critical for the human cortex maturation (26–36 weeks of age). Through the original three-dimensional reconstruction of the interface between developing cortex and white matter and correlation with volumetric measurements, we document early sulcation in vivo, and quantify changes with age, gender, and the presence of small white matter lesions. We observe a trend towards lower cortical surface, smaller cortex, and white matter volumes, but equivalent sulcation in females compared with males. By precisely mapping the sulci, we highlight interindividual variability in time appearance and interhemispherical asymmetries, with a larger right superior temporal sulcus than the left. Thus, such an approach, included in a longitudinal follow-up, may provide early indicators on the structural basis of cortical functional specialization and abnormalities induced by genetic and environmental factors.