Abstract The Adolescent Brain Cognitive Development (ABCD) Study is the largest single-cohort prospective longitudinal study of neurodevelopment and children’s health in the United States. A cohort of n= 11,880 children aged 9-10 years (and their parents/guardians) were recruited across 22 sites and are being followed with in-person visits on an annual basis for at least 10 years. The study approximates the US population on several key sociodemographic variables, including sex, race, ethnicity, household income, and parental education. Data collected include assessments of health, mental health, substance use, culture and environment and neurocognition, as well as geocoded exposures, structural and functional magnetic resonance imaging (MRI), and whole-genome genotyping. Here, we describe the ABCD Study aims and design, as well as issues surrounding estimation of meaningful associations using its data, including population inferences, hypothesis testing, power and precision, control of covariates, interpretation of associations, and recommended best practices for reproducible research, analytical procedures and reporting of results.

Abstract The Pavlovian-instrumental transfer (PIT) paradigm is widely used to assay the motivational influence of reward-predictive cues, reflected by their ability to invigorate instrumental behavior. Leading theories assume that a cue’s motivational properties are tied to predicted reward value. We outline an alternative view which recognizes that reward-predictive cues may suppress rather than motivate instrumental behavior under certain conditions, an effect termed positive conditioned suppression. We posit that cues signaling imminent reward delivery tend to inhibit instrumental behavior, which is exploratory by nature, in order to facilitate efficient retrieval of the expected reward. According to this view, the motivation to engage in instrumental behavior during a cue should be inversely related to the value of the predicted reward, since there is more to lose by failing to secure a high-value reward than a low-value reward. We tested this hypothesis in rats using a PIT protocol known to induce positive conditioned suppression. In Experiment 1, cues signaling different reward magnitudes elicited distinct response patterns. Whereas the 1-pellet cue increased instrumental behavior, cues signaling 3 or 9 pellets suppressed instrumental behavior and elicited high levels of food-port activity. Experiment 2 found that reward-predictive cues suppressed instrumental behavior and increased food-port activity in a flexible manner that was disrupted by post-training reward devaluation. Further analyses suggest that these findings were not driven by overt competition between the instrumental and food-port responses. We discuss how the PIT task may provide a useful tool for studying cognitive control over cue-motivated behavior in rodents.

Abstract Objective We evaluated whether the relationships between area deprivation (ADI), body mass index (BMI) and brain structure (e.g., cortical thickness, subcortical volume) during pre-adolescence supported the neuroinflammation (NI) and/or neuronal stress (NS) theories of overeating. The NI theory proposes that ADI causes structural alteration in the brain due to the neuroinflammatory effects of overeating unhealthy foods. The NS theory proposes that ADI-related stress negatively impacts brain structure, which causes stress-related overeating and subsequent obesity. Methods Data were gathered from the Adolescent Brain Cognitive Development SM Study ® (9-12-years-old; n=2872, 51.3% female). Linear mixed-effects models identified brain regions that were associated with both ADI and BMI; longitudinal mediation models assessed potential causal pathways. The NI model included ADI and BMI at 9/10-years-old and brain data at 11/12-years-old. The NS model included ADI and brain data at 9/10-years-old and BMI at 11/12-years-old. Results In the NI model, BMI at 9/10-years-old positively mediated the relationship between AD and cortical thinning in the cuneus, lingual, and paracentral gyrus and larger volume of the Ventral DC at 11/12-years-old. In the NS model, cortical thinning in the lateral orbitofrontal cortex, lingual gyrus and larger volume of the Ventral DC at 9/10-years-old partially mediated the relationship between ADI and BMI at 11/12-years-old. Conclusion Greater area deprivation may indicate fewer access to resources that support healthy development, like nutritious food and non-stressful environments. Our findings provide evidence in support of the neuroinflammation and stress theories of overeating, specifically, with greater ADI influencing health outcomes of obesity via brain structure alterations.

Abstract Physical health in childhood is crucial for neurobiological as well as overall development, and can shape long-term outcomes into adulthood. The landmark, longitudinal Adolescent Brain Cognitive Development Study SM (ABCD study®), was designed to investigate brain development and health in almost 12,000 youth who were recruited when they were 9-10 years old and will be followed through adolescence and early adulthood. The overall goal of this paper is to provide descriptive analyses of physical health measures in the ABCD study at baseline, including but not limited to sleep, physical activity and sports involvement, and body mass index, and how these measures vary across demographic groups. This paper outlines how the physical health of the ABCD sample corresponds with that of the US population and highlights important avenues for health disparity research. This manuscript will provide important information for ABCD users and help guide analyses investigating physical health as it pertains to adolescent and young adult development.

Abstract Human neural stem cells (hNSCs) have potential as a cell therapy following traumatic brain injury (TBI). While various studies have demonstrated the efficacy of NSCs from on-going culture, there is a significant gap in our understanding of freshly thawed cells from cryobanked stocks – a more clinically-relevant source. To address these shortfalls, the therapeutic potential of our previously validated Shef-6.0 human embryonic stem cell (hESC)-derived hNSC line was tested following long-term cryostorage and thawing prior to transplant. Immunodeficient athymic nude rats received a moderate unilateral controlled cortical impact (CCI) injury. At 4-weeks post-injury, 6×10 5 freshly thawed hNSCs were transplanted into six injection sites (2 ipsi- and 4 contra-lateral) with 53.4% of cells surviving three months post-transplant. Interestingly, most hNSCs were engrafted in the meninges and the lining of lateral ventricles, associated with high CXCR4 expression and a chemotactic response to SDF1alpha (CXCL12). While some expressed markers of neuron, astrocyte, and oligodendrocyte lineages, the majority remained progenitors, identified through doublecortin expression (78.1%). Importantly, transplantation resulted in improved spatial learning and memory in Morris water maze navigation and reduced risk-taking behavior in an elevated plus maze. Investigating potential mechanisms of action, we identified an increase in ipsilateral host hippocampus cornu ammonis (CA) neuron survival, contralateral dentate gyrus (DG) volume and DG neural progenitor morphology as well as a reduction in neuroinflammation. Together, these findings validate the potential of hNSCs to restore function after TBI and demonstrate that long-term bio-banking of cells and thawing aliquots prior to use may be suitable for clinical deployment. Significance Statement There is no cure for chronic traumatic brain injury (TBI). While human neural stem cells (hNSCs) offer a potential treatment, no one has demonstrated efficacy of thawed hNSCs from long-term cryobanked stocks. Frozen aliquots are critical for multisite clinical trials, as this omission impacted the use of MSCs for graft versus host disease. This is the first study to demonstrate the efficacy of thawed hNSCs, while also providing support for novel mechanisms of action – linking meningeal and ventricular engraftment to reduced neuroinflammation and improved hippocampal neurogenesis. Importantly, these changes also led to clinically relevant effects on spatial learning/memory and risk-taking behavior. Together, this new understanding of hNSCs lays a foundation for future work and improved opportunities for patient care.

Abstract Impulsive behavior during adolescence may stem from a developmental imbalance between motivational and impulse control systems, producing greater urges to pursue reward and weakened capacities to inhibit such actions. Here, we developed a Pavlovian-instrumental transfer (PIT) protocol to assay rats’ ability to suppress cue-motivated reward seeking based on changes in reward expectancy. Traditionally, PIT studies focus on how reward-predictive cues motivate instrumental reward-seeking behavior (lever pressing). However, cues signaling imminent reward delivery also elicit countervailing focal-search responses (food-cup approach). We first examined how reward expectancy (cue-reward probability) influences expression of these competing behaviors. Adult male rats increased rates of lever pressing when presented with cues signaling lower probabilities of reward but focused their activity at the food cup on trials with cues that signaled higher probabilities of reward. We then compared adolescent and adult male rats in their responsivity to cues signaling different reward probabilities. In contrast to adults, adolescent rats did not flexibly adjust their pattern of responding based on the expected likelihood of reward delivery but increased their rate of lever pressing for both weak and strong cues. These findings indicate that impulse control over cue-motivated behavior is fundamentally dysregulated during adolescence, providing a model for studying neurobiological mechanisms of adolescent impulsivity.

To investigate relationships among different physical health problems in a large, sociodemographically diverse sample of 9-to-10-year-old children and determine the extent to which perinatal health factors are associated with childhood physical health problems.

Efficient foraging requires an ability to coordinate discrete reward-seeking and reward-retrieval behaviors. We used pathway-specific chemogenetic inhibition to investigate how mesolimbic and mesocortical dopamine circuits contribute to the expression and modulation of reward seeking and retrieval. Inhibiting ventral tegmental area dopamine neurons disrupted the tendency for reward-paired cues to motivate reward seeking, but spared their ability to increase attempts to retrieve reward. Similar effects were produced by inhibiting dopamine inputs to nucleus accumbens, but not medial prefrontal cortex. Inhibiting dopamine neurons spared the suppressive effect of reward devaluation on reward seeking, an assay of goal-directed behavior. Attempts to retrieve reward persisted after devaluation, indicating they were habitually performed as part of a fixed action sequence. Our findings show that complete bouts of reward seeking and retrieval are behaviorally and neurally dissociable from bouts of reward seeking without retrieval. This dichotomy may prove useful for uncovering mechanisms of maladaptive behavior.

The effects of prenatal alcohol (PAE) and tobacco exposure (PTE) on adolescent neuroanatomical development are typically evaluated cross-sectionally. It is unclear if observed effects persist throughout life or reflect different developmental trajectories.

Abstract Objective Independent of weight status, rapid weight gain has been associated with underlying brain structure variation in regions associated with food intake and impulsivity among pre-adolescents. Yet, we lack clarity on how developmental maturation coincides with rapid weight gain and weight stability. Methods We identified brain predictors of two-year rapid weight gain and its longitudinal effects on brain structure and impulsivity in the Adolescent Brain Cognitive Development SM Study®. Youth were categorized as Healthy Weight/Weight Stable (WS HW , n =225) or Weight Gainers (WG, n =221, >38lbs); 63% of the WG group were healthy weight at 9-to-10-years-old. Results A five-fold cross-validated logistic elastic-net regression revealed that rapid weight gain was associated with structural variation amongst 39 brain features at 9-to-10-years-old in regions involved with executive functioning, appetitive control, and reward sensitivity. Two years later, WG youth showed differences in change over time in several of these regions and performed worse on measures of impulsivity. Conclusions These findings suggest that brain structure in pre-adolescence may predispose some to rapid weight gain and that weight gain itself may alter maturational brain change in regions important for food intake and impulsivity. Behavioral interventions that target inhibitory control may improve trajectories of brain maturation and facilitate healthier behaviors.