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

Abstract

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.

<b>Äidin raskausajan terveys ja lapsen aivojen rakenne: yhteydet ei-kielellisiin taitoihin ja subkortikaalisen segmentaation optimointi</b>

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.