124 research outputs found

    Mapping cortical brain development, early life exposures and neural correlates of language skills: findings from the FinnBrain Birth Cohort Study

    Get PDF
    Human brain starts to develop in utero during the first trimester of pregnancy, and the rapid structural growth continues postnatally during the first years of life. This suggests the early childhood as a critical period for various neurodevelopmental disorders, but also an ideal time point for interventions to have a great positive effect on later neurodevelopment. Recent evidence suggests that many environmental factors and parental health profiles associate with child’s brain development already in the prenatal period. Despite the increasing knowledge about structural brain development collected from magnetic resonance imaging (MRI) studies, there are still significant gaps of knowledge about the structural mechanisms and timing of the brain maturation during the first five years of life. In this thesis, we assess modern segmentation tools and present the semiautomated segmentation protocol that we have applied in the FinnBrain Birth Cohort Study. Second, we study early cortical brain development, and how it associates with changing perinatal factors and environmental variables at five years of age. Third, we review the latest findings of language-related structural MRI studies carried out with children aged from birth to two years. While presenting our segmentation protocol we discovered that with appropriate quality assessments, the FreeSurfer segmentation tool can be reliably used to analyse cortical metrics of T1 -weighted images of the five-year-olds. We found that sex, obstetric variables and maternal perinatal health profile were associated with cortical development in five-year olds. Different environmental variables modulated cortical development in 5-year-olds in comparison with infant MRI studies, carried out with similar analyses. During the first two years of age, the implicated cerebral areas included many established components of the language networks; including frontal and temporal regions. These regions associated with language skills. This thesis confirms that early exposures affect the brain development through the early childhood, and that we have created segmentation protocol that can be implemented with the structural MRI data. Language development is associated with school performance, and this thesis lays foundations to the future studies, that will continue during the school age also in the FinnBrain Birth Cohort Study.Varhaiset altisteet, lapsen rakenteellinen aivojen kehitys ja kielelliset taidot: kuvantamistutkimus FinnBrain syntymäkohorttitutkimuksessa Ihmisaivot alkavat kehittyä kohdussa jo äidin ensimmäisen raskauskolmanneksen aikana, ja aivojen rakenteellinen kehitys jatkuu vauhdikkaana syntymän jälkeen ensimmäisen kahden vuoden ajan. Varhaislapsuus on siten keskeinen ajanjakso neurokognitiivisten häiriöiden synnylle, ja siten myös myöhempää neurokognitiivista kehitystä tukevien hoitomuotojen tarjoamiselle. Lisäksi monet ympäristötekijät ja vanhempien hyvinvointi vaikuttavat lapsen aivojen kehitykseen jo ennen syntymää. Vaikka magneettikuvantamistutkimusten ansiosta tiedämme aivojen varhaisvaiheen rakenteellisesta kehityksestä jo suhteellisen paljon, on tietämys aivojen kehityksestä erityisesti viiden ensimmäisen ikävuoden ajalta vielä pitkälti puutteellista. Tutkimustyömme on osa FinnBrain syntymäkohorttitutkimusta. Arvioimme yleisesti käytössä olevia aivojen segmentaatiotyökaluja ja esittelemme laadunvarmistusprotokollan, jonka mukaan olemme käsitelleet keräämämme 5-vuotiaiden magneettikuvantamisaineiston. Toiseksi tutkimme, kuinka raskausajan muuttuvat olosuhteet sekä varhaisiän ympäristötekijät vaikuttavat aivojen rakenteelliseen kortikaaliseen kehitykseen viiden vuoden iässä. Kolmannen osatyön systemaattisessa katsausartikkelissa keräämme yhteen tuoreimmat tulokset kielen kehitystä tarkastelevista kuvantamistutkimuksista ensimmäisen kahden ikävuoden ajalta. Asianmukaisella laaduntarkkailulla FreeSurfer-segmentaatiotyökalu soveltuu 5-vuotiaiden magneettikuvantamisaineiston käsittelyyn hyvin. Toiseksi havaitsimme, että sukupuolella, äidin terveydellä sekä synnytykseen liittyvillä muuttujilla havaittiin yhteyksiä aivojen kortikaalirakenteiden kehitykseen 5-vuotiailla. Aikuisilla havaitut perinteisesti kielellisistä toiminnoista vastaavat aivoalueet, kuten ohimo- ja otsalohkon alueet, olivat havaittavissa ja yhdistettävissä kielellisiin taitoihin jo alle kahden vuoden iässä. Tämä väitöskirja vahvistaa, että varhaiset altisteet vaikuttavat aivojen kehitykseen yli varhaislapsuuden sekä sen, että olemme luoneet rakenteellisen MRI-aineistoon soveltuvat käytänteet. Kielenkehitys liittyy muun muassa koulumenestykseen ja väitöskirja luo vahvan pohjan tulevalle tutkimukselle, joka tulee jatkumaan kouluiässä FinnBrain-tutkimuksessa

    Altered morphology of white and grey matter in patients with Alzheimer disease and Schizophrenia on MRI

    Get PDF
    Velikost a tvar závitů (gyri) a žlábků (sulci) v oblasti přední cingulární kůry (ACC), zejména sulcus cinguli (CS) a sulcus paracingularis (PCS), představuje anatomický marker vývoje nervového systému. Odchylky ve vývoji in utero u schizofrenie lze sledovat pomocí morfometrie CS a PCS. V této studii jsme měřili délku CS, PCS a jejich segmentů na snímcích T1 MRI u 93 pacientů s první epizodou schizofrenie a u 42 zdravých kontrol. Kromě délky sulci byla u pacientů a kontrol porovnávána také frekvence výskytu a levopravá asymetrie CS/PCS. Distribuce morfotypů CS a PCS u pacientů se lišila od kontrol. Parcelovaný typ CS3a v levé hemisféře byl u pacientů delší (53,8 ± 25,7 mm oproti 32,7 ± 19,4 mm u kontrol, p < 0,05), zatímco u CS3c byl u kontrol naopak dlouhý (52,5 ± 22,5 mm oproti 36,2 ± 12,9 mm, n.s. u pacientů). Neparcelovaný PCS v pravé hemisféře byl delší u pacientů ve srovnání s kontrolami (19,4 ± 10,2 mm oproti 12,1 ± 12,4 mm, p < 0,001). Současná přítomnost PCS1 a CS1 v levé hemisféře a do jisté míry i v pravé hemisféře tedy může svědčit o vyšší pravděpodobnosti schizofrenie. Měření plochy nebo objemu hipokampu je v klinické praxi užitečné jako podpůrná pomůcka pro diagnostiku Alzheimerovy choroby. Vzhledem k tomu, že je časově náročné a není jednoduché, využívá se nepříliš často. Předkládáme...Cortical folding of the anterior cingulate cortex (ACC), particularly the cingulate (CS) and the paracingulate (PCS) sulci, represents a neurodevelopmental marker. Deviations in in utero development in schizophrenia can be traced using CS and PCS morphometry. In the present study, we measured the length of CS, PCS, and their segments on T1 MRI scans in 93 patients with first episode schizophrenia and 42 healthy controls. Besides the length, the frequency and the left-right asymmetry of CS/PCS were compared in patients and controls. Distribution of the CS and PCS morphotypes in patients was different from controls. Parcellated sulcal pattern CS3a in the left hemisphere was longer in patients (53.8 ± 25.7 mm vs. 32.7 ± 19.4 mm in controls, p < 0.05), while in CS3c it was reversed-longer in controls (52.5 ± 22.5 mm as opposed to 36.2 ± 12.9 mm, n.s. in patients). Non parcellated PCS in the right hemisphere were longer in patients compared to controls (19.4 ± 10.2 mm vs. 12.1 ± 12.4 mm, p < 0.001). Therefore, concurrent presence of PCS1 and CS1 in the left hemisphere and to some extent in the right hemisphere may be suggestive of a higher probability of schizophrenia. Measurement of an hippocampal area or volume is useful in clinical practice as a supportive aid for diagnosis of Alzheimer's disease....Ústav anatomie 3. LF UKDepartment of Anatomy 3FM CU3. lékařská fakultaThird Faculty of Medicin

    Prenatal maternal health and child brain structure: Implications for non-verbal ability and optimizing subcortical segmentation

    Get PDF
    Brain development starts in utero, and the fetal brain can already be affected by the environment, including chemical exposures and maternal health characteristics. These factors range from exposures to large quantities of teratogens (such as alcohol) to variations in the behaviors and characteristics of healthy individuals (such as age, diet, and subclinical levels of depressive and anxiety symptoms), which can nonetheless have long-lasting adverse effects. In this thesis, we reviewed the literature on the effects of prenatal exposures on human neurodevelopment, as well as cognitive, behavioral, and health outcomes. In Study I we found that prenatal exposures are often reported poorly in infant neuroimaging studies and gave recommendations for reporting in future studies. In Study II, we examined which early life factors predicted cortical structure in 5-year-olds. The results from Study II were utilized to make an informed decision regarding confounders in future studies in the 5-year-old neuroimaging sample of the FinnBrain Birth Cohort study. In Study III, we explored the cortical structural correlates of non-verbal ability in 5-year-olds. The findings were generally in line with prior results from adult and adolescent studies, with the important addition of a positive association between gray matter volume and surface area in the right medial occipital region and non-verbal ability as well as visual abstract reasoning ability. Finally, in Study IV, we compared the results from two common segmentation tools, FSL-FIRST and FreeSurfer, against manual segmentation in the hippocampus and subcortical structures. Overall, the agreement with manual segmentation was good, although results were suboptimal for the hippocampus, amygdala, and nucleus accumbens, and careful visual quality control is still recommended. This thesis summarized different perinatal factors affecting the developing brain, and ensured the high quality of our neuroimaging data. This foundational work, together with the multidisciplinary, longitudinal data collection in the FinnBrain Birth Cohort study, can be used to discover how environmental factors affect brain development.Äidin raskausajan terveys ja lapsen aivojen rakenne: yhteydet ei-kielellisiin taitoihin ja subkortikaalisen segmentaation optimointi Aivojen kehitys alkaa kohdussa ja jatkuu läpi elämän. Jo sikiöaikana aivot ovat alttiina ympäristön vaikutuksille, ml. kemialliset altisteet sekä äidin terveyteen liittyvät tekijät. Nämä altisteet vaihtelevat suurista annoksista teratogeeneille (esim. alkoholille) eroihin terveiden yksilöiden ominaisuuksissa ja toiminnassa (esim. ikä, ruokavalio sekä vähäiset masennus- ja ahdistusoireet ilman mielenterveyshäiriön diagnoosia), joilla voi kuitenkin olla kauaskantoisia seuraamuksia. Tässä väitöskirjassa teemme katsauksen raskaudenaikaisten altisteiden vaikutuksista yksilön kehitykseen sekä siihen liittyviin muutoksiin aivoissa. Tutkimuksessa I toteamme, että raskaudenaikaiset altisteet kuvataan usein puutteellisesti vauvojen aivokuvantamista koskevissa tutkimuksissa ja annamme suosituksia raportoinnista. Tutkimuksessa II tutkimme varhaisten altisteiden yhteyksiä 5-vuotiaiden aivojen rakenteeseen. Tämän tutkimuksen tulokset ohjasivat kontrolloitavien muuttujien valintaa. Tutkimuksessa III tutkimme aivokuoren rakenteen yhteyksiä ei-kielelliseen kognitiiviseen kyvykkyyteen 5-vuotiailla. Tulokset olivat pitkälti linjassa aiempien, vanhemmilla osallistujilla tehtyjen tutkimusten kanssa. Uutena tuloksena löysimme yhteyden oikean takaraivolohkon mediaalisen osan tilavuuden ja pinta-alan olevan yhteydessä ei-kielelliseen kyvykkyyteen sekä erityisesti näönvaraiseen päättelyyn. Tutkimuksessa IV vertailimme kahta yleistä segmentointityökalua (FreeSurfer ja FSL-FIRST) käsin tehtyyn segmentaatioon hippokampuksessa ja aivokuoren alaisissa tumakkeissa. Tulokset vaihtelivat paljon rakenteesta riippuen. Huolellista laadunvarmistusta aivoalueiden koon määrityksen yhteydessä suositellaan vahvasti. Tämä väitöskirja antaa kokonaisvaltaisen ymmärryksen aivoihin vaikuttavista varhaisen elämän altisteista. Yhdessä korkealaatuisen aivokuvantamisdatamme sekä muun FinnBrain-syntymäkohortissa kerättävän aineiston kanssa tätä tietoa voidaan hyödyntää useissa tulevissa aivojen kehitystä selvittävissä tutkimuksissa
    corecore