University of Oulu

Early predictors of white matter microstructure in the adult brain

Saved in:
Author: Björnholm, Lassi1,2,3,4
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Medicine
3University of Oulu, Faculty of Medicine, Medicine, Medical Research Center Oulu
4Oulu University Hospital
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526232775
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2022
Publish Date: 2022-04-22
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Health and Biosciences of the University of Oulu for public defence in Auditorium 1, Building PT1 of the Department of Psychiatry (Peltolantie 17), on 29 April 2022, at 12 noon
Tutor: Docent Juha Nikkinen
Professor Juha Veijola
Professor Tomáš Paus
Reviewer: Docent Jaana Perkola
Docent Henry Karlsson
Opponent: Professor Jay Giedd
Description:

Abstract

The foundations for the brain’s structural organisation are laid already during prenatal life. External and internal signals interact to guide brain development in axonal growth, myelination and pruning, but also seem to programme long-term epigenetic effects which may only appear later in life. Altered neurodevelopment has been linked with psychiatric conditions and other states of compromised health. This work focuses on white matter, a brain structure that has received relatively little attention in research on typical and altered neurodevelopment. White matter constitutes about half of the human brain’s volume, and its axonal pathways provide conduction and modulation of signals across brain regions. The variation in the structural features of white matter in association with early-life factors is, however, far from resolved.

This work studies associations between prenatal factors and brain white matter structural features from childhood to early adulthood. White matter structural correlates of sex, prenatal maternal BMI and cigarette smoking are studied in five cohort samples from different countries. Statistical models are adjusted for important prenatal and later-life covariates. The structural features of main white matter tracts, including the corpus callosum (CC), are studied using mutually complementary metrics of multimodal brain magnetic resonance imaging (MRI).

The findings in the CC showed, first, a correlation between MRI relaxometry measures and small-calibre axons and second, sexual dimorphism in microstructural features in the midsagittal CC. Prenatal maternal BMI and cigarette smoking were observed to be associated with structural alterations of white matter tracts in adolescence and early adulthood, but with inconclusive replication across cohorts at different ages. These findings indicate that early-life factors are associated with alterations of white matter structure in offspring during the first decades of life, and thus pinpoint the importance of health support during pregnancy. The findings also emphasise the importance of considering participant age as well as prenatal and later-life covariates when planning research. Future research would benefit from longitudinal and genetically informed study designs.

see all

Tiivistelmä

Aivojen rakenteen kehityskulut alkavat hahmottua jo ennen syntymää. Ulkoisten ja sisäisten tekijöiden vuorovaikutus ohjaa hermosyiden kasvua, myelinisaatiota ja hermoyhteyksien karsiutumista, mutta näyttöä on myös pitkäaikaisista vaikutuksista perimän luentaan, jolloin vaikutukset saattavat olla havaittavissa vasta myöhemmin elämässä. Hermoston kehityksellisten poikkeavuuksien on havaittu liittyvän psykiatrisiin sairauksiin ja muihin epäedullisiin terveydentiloihin. Tämän työn kohteena on aivojen valkoinen aine, jonka poikkeavan ja normaalin kehityksen piirteisiin on aiemmin kohdistunut verrattain niukasti tutkimusta. Valkoinen aine kattaa noin puolet ihmisen aivojen tilavuudesta, ja sen aksoniyhteydet välittävät ja muokkaavat aivoalueiden välisiä viestejä. Valkoisen aineen rakenteen yhteydet varhaisiin ennustaviin tekijöihin vaativat kuitenkin lisää tutkimusta.

Työssä tutkitaan raskaudenaikaisten tekijöiden yhteyksiä aivojen valkoisen aineen rakenteeseen lapsuudesta nuoreen aikuisuuteen. Valkoisen aineen ominaisuuksia suhteessa sukupuoleen sekä äidin raskaudenaikaiseen painoindeksiin ja tupakointiin tutkitaan hyödyntäen viittä erimaalaista kohorttia. Tilastollisissa malleissa huomioidaan useita raskaudenaikaisia ja myöhempiä sekoittavia muuttujia. Valkoisen aineen ratojen, mukaan lukien aivokurkiaisen (corpus callosum), rakenteellisia piirteitä tutkitaan toisiaan täydentävillä magneettikuvantamisen menetelmillä.

Tutkimuksessa havaittiin, että tutkitussa osassa aivokurkiaista magneettikuvantamisen relaksaatioajat ovat yhteydessä ohuiden hermosyiden tiheyteen ja että miesten ja naisten välillä on huomattavia eroja aivokurkiaisen valkoisen aineen mikrorakenteessa. Äidin raskaudenaikaisen painoindeksin ja tupakoinnin osoitettiin olevan yhteydessä lapsen valkoisen aineen ratojen rakenteen poikkeavuuksiin nuoruusiässä ja varhaisessa aikuisuudessa, mutta tulos ei ollut täysin toistettavissa eri-ikäisillä henkilöillä. Tulokset osoittavat, että varhaiset tekijät ovat yhteydessä valkoisen aineen rakenteen ominaisuuksiin elämän ensimmäisten vuosikymmenten aikana, ja tukevat näin raskaudenaikaisen terveystyön merkitystä. Tulokset myös korostavat tutkittavien iän sekä raskaudenaikaisten ja myöhempien tekijöiden huomioinnin tärkeyttä tutkimusta suunniteltaessa. Tulevat tutkimukset hyötyisivät pitkittäisestä sekä yksilöiden sukulaisuusuhteita hyödyntävästä tutkimusasetelmasta.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Björnholm, L., Nikkinen, J., Kiviniemi, V., Nordström, T., Niemelä, S., Drakesmith, M., Evans, J. C., Pike, G. B., Veijola, J., & Paus, T. (2017). Structural properties of the human corpus callosum: Multimodal assessment and sex differences. NeuroImage, 152, 108–118. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2017.02.056

  2. Björnholm, L., Nikkinen, J., Kiviniemi, V., Niemelä, S., Drakesmith, M., Evans, J. C., Pike, G. B., Richer, L., Pausova, Z., Veijola, J., & Paus, T. (2020). Prenatal exposure to maternal cigarette smoking and structural properties of the human corpus callosum. NeuroImage, 209, 116477. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2019.116477

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Verdejo-Román, J., Björnholm, L., Muetzel, R. L., Torres-Espínola, F. J., Lieslehto, J., Jaddoe, V., Campos, D., Veijola, J., White, T., Catena, A., Nikkinen, J., Kiviniemi, V., Järvelin, M.-R., Tiemeier, H., Campoy, C., Sebert, S., & El Marroun, H. (2019). Maternal prepregnancy body mass index and offspring white matter microstructure: Results from three birth cohorts. International Journal of Obesity, 43(10), 1995–2006. https://doi.org/10.1038/s41366-018-0268-x

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-952-62-3277-5
ISBN Print: 978-952-62-3276-8
Issue: 1669
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 3124 Neurology and psychiatry
Subjects:
Funding: This work was financially supported by The Academy of Finland, Finnish Cultural Foundation: The North Ostrobothnia Regional Fund, The Finnish Foundation for Psychiatric Research, The Finnish Medical Foundation, the Instrumentarium Science Foundation, the Jenny and Antti Wihuri Foundation, the Päivikki and Sakari Sohlberg Foundation, the Juho Vainio Foundation, the Yrjö Jahnsson Foundation, the Medical Research Center Oulu and the University of Oulu Graduate School.
Copyright information: © University of Oulu, 2022. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.