Early-life stress is known to impair neurodevelopment. Prior work from our group showed that prolonged physical and emotional separation necessitated by the medical needs of preterm infants (born <37 weeks) is associated with lower electroencephalogram (EEG) power in frontal areas, and that trend can be reversed by an intervention that enhances the physical and emotional contact between preterm infant and mother. Here we sought to model the changes in preterm infant frontal EEG power in a rodent model. We examined effects of daily maternal separation (MS) on frontal cortex electrophysiological (electrocorticography [EcoG]) activity in neonatal rats. We also explored the effects of dam-pup behavioral interactions on EcoG activity. From postnatal days (P) 2-10, rat pups were separated daily from their dam and isolated from their littermates for 3 hours. Control rats were normally reared. On P10, pups were implanted with telemetry devices and an electrode placed on the left frontal dura. EcoG activity was recorded during daily sessions over the next four days while pups remained in the home cage, as well as in response to a pup-dam isolation-reunion paradigm at P12. EcoG power was computed in 1 Hz frequency bins between 1-100 Hz. Dam and pup behavioral interactions during recording sessions were coded and synchronized to EcoG data. MS pups showed lower EcoG power during dam-pup interactions. These data parallel human and provide evidence of lower fronto-cortical activity as an early marker of early-life stress and possible mechanism for long-term effects of maternal separation on neurobehavioral development.

Abstract The human brain is a complex organ comprising billions of interconnected neurons which enables interaction with both physical and social environments. Neural dynamics of the whole brain go far beyond just the sum of its individual elements; a property known as “synergy”. Previously it has been shown that synergy is crucial for many complex brain functions and cognition, however, it remains unknown how and when the large number of discrete neurons evolve into the unified system able to support synergistic interactions. Here we analysed high-density electroencephalography data from late fetal to early postnatal period. We found that the human brain transitions from redundancy-dominated to synergy-dominated system around birth. Frontal regions lead the emergence of a synergistic scaffold comprised of overlapping subsystems, while the integration of sensory areas developed gradually, from occipital to central regions. Strikingly, early developmental trajectories of brain synergy were modulated by environmental enrichment associated with enhanced mother-infant interactions, and the level of synergy near term equivalent age was associated with later neurocognitive development.

Maternal separation (MS), a type of early life stress, has been associated with adverse socioemotional and behavioral outcomes throughout the lifespan across multiple species. Comprehensive longitudinal biobehavioral characterization of MS in rats is sparse and conflicting, warranting more studies. We conducted an MS paradigm involving 6-hour daily separation at unpredictable start times from P2 to P21. We hypothesized this severe form of MS would lead to developmentally emerging maladaptive biobehavioral consequences from juvenile through adult periods compared to Controls (C), especially in social behaviors. We tested: (1) own dam odor preference shortly after weaning; (2) juvenile and adult anxiety-like, sociability, and play behaviors using the light-dark test, three-chambered social interaction test, and video-coded juvenile play behavior; and (3) adult coping behaviors and neuroendocrine response using the forced swim test and blood corticosterone responses. Our results show minimal effects on biobehavioral outcomes across the lifespan. Recently weaned MS male rats had a stronger preference for their dam’s odor. Juvenile MS females spent more time in rough-and-tumble play than C female rats. No differences in sociability were found in the juvenile or adult periods. MS promoted a decrease in anxiety-like behavior that persisted from juvenile to adult periods. Finally, MS led to deficits in coping behavior in male adults, but basal and reactive corticosterone levels were unaltered by MS. More studies are needed to validate our surprising findings and probe the neural mechanisms underlying some of the observed protective effects. Significance Statement Maternal separation (MS), a type of early life stress, has been shown to lead to short and long-term adverse socioemotional consequences in humans and biobehavioral outcomes in rodents. Available data on MS exposed rats are sparse, conflicting, and often lack longitudinal outcomes. We designed a 6-hour unpredictable daily MS paradigm from postnatal day (P2) to P21 to severely disrupt normal dam-pup interactions. Our results show MS leads to increased preference for own dam odor, persisting reductions in anxiety-like behaviors from juvenile to adulthood, and no effects on sociability. Adverse effects on coping behaviors were uniquely identified in males. The present study warrants reevaluation of the central dogma that MS leads to maladaptive biobehavioral outcomes.

Aim We review extensive results from two randomized controlled trials conducted over 9 years, comparing standard care (SC) in level-4 neonatal intensive care units (NICUs) with SC plus Family Nurture Intervention (FNI). Methods FNI included ~six weeks of facilitated mother-infant interactions aimed at achieving mother-infant ‘autonomic emotional connection’, a novel construct that describes the emotional mother-baby relationship at the level of the autonomic nervous system. Results and conclusion Thus far, 18 peer-reviewed publications documented significant positive short-and long-term effects of FNI on infant neurobehavioral functioning, developmental trajectories and both mother and child autonomic health through five years. The observed profound effects of FNI on central and autonomic nervous system function following a relatively short intervention support a novel autonomic theory of emotions . We discuss the theoretical and clinical advances that grew out of the trials and speculate on how FNI changes the mother-infant relationship from ‘dysregulation’ to autonomic emotional co-regulation. We review new constructs and tools that can be used to view and measure the mother-infant autonomic emotional relationship. We present a simple blueprint to improve preterm birth outcomes. Finally, we discuss the significance of our findings and possible impact on the future of preterm infant care worldwide.