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Long-term effects of preterm birth on large-scale brain organization. evidence from structural and functional magnetic resonance imaging
Long-term effects of preterm birth on large-scale brain organization. evidence from structural and functional magnetic resonance imaging
Being born preterm (< 37 weeks of gestation)increases the risk for several psychiatric disorders, cognitive impairments, and academic underachievement. It is hypothesized that this is due to perinatal brain injury and subsequent alterations in brain development. Structural and functional magnetic resonance imaging allows the identification of such brain abnormalities in-vivo. Accordingly, previous MRI studies have shown that preterm Born infants, children and adolescents demonstrate both structural and functional alterations when compared to their term born peers. However, it is unclear whether such changes persist into adulthood. Therefore, the present doctoral Thesis aimed to investigate the long-term effects of preterm birth on large-scale brain organization. Study I: in 95 preterm and 83 full-term Born adults, structural and functional magnetic resonance imaging at-rest was used to analyze both voxel-based morphometry and spatial Patterns of intrinsic functional connectivity (iFC) in ongoing blood oxygenation level–dependent activity. We found widespread iFC differences that overlapped and correlated with aberrant regional gray matter volume in subcortical and temporal areas. Overlapping changes were predicted by the degree of prematurity and neonatal medical complications. The second study investigated functional brain organization in 73 adults born very preterm and/or with very low birth weight (VP/VLBW), and 73 termborn controls, while participants were involved in a verbal N-Back paradigm with varying workload. Although behavioral performance was comparable between groups, VP/VLBW adults showed significantly stronger deactivations of posterior default mode network regions during the most demanding 2-back condition. Our results suggest long-term effects of preterm birth on both structural and functional brain organization and imply compensatory brain activity as a mechanism to help overcome functional deficits., Eine Frühgeburt (d.h. Geburt vor der 37. Schwangerschaftswoche) erhöht das Risiko für psychiatrische Erkrankungen, kognitive Defizite und schwächere akademische Leistungen. Es wird vermutet, dass dies auf perinatale Hirnschädigungen und nachfolgende Veränderungen in der Gehirnentwicklung zurückzuführen ist. Die strukturelle und funktionelle Magnetresonanztomographie ermöglicht es solche Gehirnveränderungen in-vivo darzustellen. Frühere MRT-Studien haben gezeigt, dass frühgeborene Säuglinge, Kinder und Jugendliche sowohl strukturelle als auch funktionelle Unterschiede im Vergleich zu reifgeborenen Gleichaltrigen aufweisen. Jedoch ist unklar, ob solche Veränderungen bis ins Erwachsenenalter bestehen. Das Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es daher, die langfristigen Auswirkungen einer Frühgeburt auf die Gehirnorganisation im Erwachsenenalter zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden in der ersten Studie strukturelle und Ruhe-fMRT Daten von 95 frühgeborenen und 83 reifgeborenen Erwachsen erhoben und mittels Voxel-basierter Morphometrie und „Independent Component Analysis“ analysiert. Bei frühgeborenen Erwachsenen zeigten sich ausgedehnte Veränderungen in der funktionellen Konnektivität intrinsischer Hirnnetzwerke, die mit subkortikalen und temporalen Veränderungen im Volumen der grauen Substanz überlappten und korrelierten. Überlappende Veränderungen wurden durch den Grad der Frühgeburtlichkeit und das Ausmaß an perinatalen medizinischen Komplikationen vorhergesagt. Die zweite Studie untersuchte die funktionelle Gehirnorganisation von 73 Erwachsenen, die sehr frühgeboren und/oder ein sehr geringes Geburtsgewicht (SF/SGG) hatten, und 73 reifgeborenen Kontrollen, während diese ein verbales N-Back Paradigma mit variierendem Schwierigkeitsgrad absolvierten. Beide Gruppen meisterten die Aufgabe gleich gut. Jedoch zeigten die SF/SGG Erwachsenen während der schwierigsten 2-back Bedingung eine signifikant stärkere Deaktivierung von Regionen, die zum posterioren „default mode“ Netzwerk gezählt werden. Unsere Ergebnisse lassen langfristige Effekte einer Frühgeburt auf die strukturelle und funktionelle Gehirnorganisation im Erwachsenenalter vermuten und deuten an, dass kompensatorische Gehirnaktivität ein möglicher Mechanismus ist, um funktionelle Defizite auszugleichen.
Frühgeburt; preterm birth; fMRT; funktionelle Magnetresonanztomographie; fMRI; functional magnetic resonance imaging; Gehirn; brain; funktionelle Konnektivität; functional connectivity
Bäuml, Josef
2017
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Bäuml, Josef (2017): Long-term effects of preterm birth on large-scale brain organization: evidence from structural and functional magnetic resonance imaging. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Being born preterm (< 37 weeks of gestation)increases the risk for several psychiatric disorders, cognitive impairments, and academic underachievement. It is hypothesized that this is due to perinatal brain injury and subsequent alterations in brain development. Structural and functional magnetic resonance imaging allows the identification of such brain abnormalities in-vivo. Accordingly, previous MRI studies have shown that preterm Born infants, children and adolescents demonstrate both structural and functional alterations when compared to their term born peers. However, it is unclear whether such changes persist into adulthood. Therefore, the present doctoral Thesis aimed to investigate the long-term effects of preterm birth on large-scale brain organization. Study I: in 95 preterm and 83 full-term Born adults, structural and functional magnetic resonance imaging at-rest was used to analyze both voxel-based morphometry and spatial Patterns of intrinsic functional connectivity (iFC) in ongoing blood oxygenation level–dependent activity. We found widespread iFC differences that overlapped and correlated with aberrant regional gray matter volume in subcortical and temporal areas. Overlapping changes were predicted by the degree of prematurity and neonatal medical complications. The second study investigated functional brain organization in 73 adults born very preterm and/or with very low birth weight (VP/VLBW), and 73 termborn controls, while participants were involved in a verbal N-Back paradigm with varying workload. Although behavioral performance was comparable between groups, VP/VLBW adults showed significantly stronger deactivations of posterior default mode network regions during the most demanding 2-back condition. Our results suggest long-term effects of preterm birth on both structural and functional brain organization and imply compensatory brain activity as a mechanism to help overcome functional deficits.

Abstract

Eine Frühgeburt (d.h. Geburt vor der 37. Schwangerschaftswoche) erhöht das Risiko für psychiatrische Erkrankungen, kognitive Defizite und schwächere akademische Leistungen. Es wird vermutet, dass dies auf perinatale Hirnschädigungen und nachfolgende Veränderungen in der Gehirnentwicklung zurückzuführen ist. Die strukturelle und funktionelle Magnetresonanztomographie ermöglicht es solche Gehirnveränderungen in-vivo darzustellen. Frühere MRT-Studien haben gezeigt, dass frühgeborene Säuglinge, Kinder und Jugendliche sowohl strukturelle als auch funktionelle Unterschiede im Vergleich zu reifgeborenen Gleichaltrigen aufweisen. Jedoch ist unklar, ob solche Veränderungen bis ins Erwachsenenalter bestehen. Das Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es daher, die langfristigen Auswirkungen einer Frühgeburt auf die Gehirnorganisation im Erwachsenenalter zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden in der ersten Studie strukturelle und Ruhe-fMRT Daten von 95 frühgeborenen und 83 reifgeborenen Erwachsen erhoben und mittels Voxel-basierter Morphometrie und „Independent Component Analysis“ analysiert. Bei frühgeborenen Erwachsenen zeigten sich ausgedehnte Veränderungen in der funktionellen Konnektivität intrinsischer Hirnnetzwerke, die mit subkortikalen und temporalen Veränderungen im Volumen der grauen Substanz überlappten und korrelierten. Überlappende Veränderungen wurden durch den Grad der Frühgeburtlichkeit und das Ausmaß an perinatalen medizinischen Komplikationen vorhergesagt. Die zweite Studie untersuchte die funktionelle Gehirnorganisation von 73 Erwachsenen, die sehr frühgeboren und/oder ein sehr geringes Geburtsgewicht (SF/SGG) hatten, und 73 reifgeborenen Kontrollen, während diese ein verbales N-Back Paradigma mit variierendem Schwierigkeitsgrad absolvierten. Beide Gruppen meisterten die Aufgabe gleich gut. Jedoch zeigten die SF/SGG Erwachsenen während der schwierigsten 2-back Bedingung eine signifikant stärkere Deaktivierung von Regionen, die zum posterioren „default mode“ Netzwerk gezählt werden. Unsere Ergebnisse lassen langfristige Effekte einer Frühgeburt auf die strukturelle und funktionelle Gehirnorganisation im Erwachsenenalter vermuten und deuten an, dass kompensatorische Gehirnaktivität ein möglicher Mechanismus ist, um funktionelle Defizite auszugleichen.