Functional brain networks at the age of 5 years: Associations with maternal perinatal psychological distress and mother-child interaction

Abstract

The development of the human brain begins at the first trimester of pregnancy and continues with rapid growth, especially during the first years of life. During the period of rapid development, the brain is particularly susceptible to environmental influences, both adverse and protective. Maternal perinatal distress has been linked to detrimental effects on the child's later development and health, whereas positive social interactions may serve as a protective factor that supports healthy development. It has been suggested that these effects are partly mediated through structural and functional brain changes, although the exact mechanisms remain unclear. Understanding the normal variation in functional brain development is crucial to identifying early environmental effects and their potential long-term programming effects on child development. Magnetic resonance imaging provides an excellent tool for studying the brain, although imaging children presents challenges that must be addressed to ensure the acquisition of high-quality imaging data and the achievement of sufficient sample sizes.

The objectives of this dissertation were: 1) to present the methods used for magnetic resonance imaging without anaesthesia in young children; 2) to examine the normative features of intrinsic connectivity networks in 5-year-old children; 3) to investigate the associations between maternal perinatal distress and brain functional connectivity at the age of 5 years; and 4) to investigate the associations between mother–child interaction at 8 and 30 months of age and brain functional connectivity at age 5.

Magnetic resonance imaging of children aged 0–6 years can be achieved without anaesthesia, using age-appropriate methods. The functional networks in 5-year-olds closely resemble those seen in adults. Maternal perinatal depression was associated with local connectivity in the left amygdala, and maternal sensitivity was associated with local connectivity in the prefrontal cortex of 5-year-olds. This dissertation confirms that early exposures influence brain development beyond early childhood, demonstrating that early postnatal maternal distress and early mother–infant interaction are associated with local synchrony of brain regions involved in emotion regulation and executive function.

Ihmisaivojen kehitys alkaa ensimmäisen raskauskolmanneksen aikana ja on nopeaa erityisesti ensimmäisten elinvuosien aikana. Alun nopean kehityksen aikana aivot ovat erityisen alttiit ympäristön haitallisille mutta myös suojaaville vaikutuksille. Äidin perinataalinen psyykkinen stressi on yhdistetty haitallisiin vaikutuksiin lapsen myöhemmässä kehityksessä ja terveydessä, kun taas positiiviset vuorovaikutussuhteet voivat toimia suojaavana tekijänä ja tukea tervettä kehitystä. On arvioitu, että nämä vaikutukset välittyvät osittain aivojen rakenteellisten ja toiminnallisten muutosten kautta, mutta mekanismien yksityiskohdat ovat osittain epäselviä. Kehittyvien aivojen rakenteen normaalivaihtelun ymmärtäminen on oleellista, jotta voidaan tunnistaa varhaisten ympäristövaikutusten aiheuttamia muutoksia sekä niiden mahdollisia pitkäaikaisia ohjelmoivia vaikutuksia. Magneettikuvantaminen mahdollistaa aivojen tutkimisen, mutta lasten kuvantaminen tuo mukanaan haasteita, jotka täytyy tuntea laadukkaan kuvantamisaineiston saavuttamiseksi.

Tämän väitöskirjan tavoitteena oli 1) kartoittaa alle kouluikäisille lapsille ilman anestesiaa toteutettavan magneettikuvantamisen menetelmiä; 2) tarkastella 5-vuotiaiden lasten aivojen toiminnallisia verkostoja; 3) tutkia äidin perinataalisesti esiintyvän psykologisen stressin yhteyksiä lapsen aivojen toiminnallisiin yhteyksiin 5 vuoden iässä; sekä 4) tutkia äidin ja lapsen vuorovaikutuksen (8 ja 30 kuukauden iässä) yhteyksiä lapsen aivojen toiminnallisiin yhteyksiin 5 vuoden iässä.

Alle kouluikäisten lasten laadukas magneettikuvantaminen on toteutettavissa ilman anestesiaa oikeanlaisilla, lapsen ikään sopivilla menetelmillä. 5-vuotiaiden lasten toiminnalliset verkostot olivat osittain aikuisten verkostoja vastaavat. Äidin perinataaliajan masennusoireet olivat yhteydessä mantelitumakkeen paikallisiin toiminnallisiin yhteyksiin ja äidin sensitiivisyys etuotsalohkon toiminnallisiin yhte-yksiin 5 vuoden iässä. Tämä väitöskirja vahvistaa, että varhaiset altisteet vaikuttavat aivojen kehitykseen yli varhaislapsuuden. Vaikutukset ovat merkitseviä erityisesti tunnesäätelyn ja toiminnanohjauksen kannalta tärkeillä aivoalueilla.