Human Fetal Brain Connectome: Structural Network Development from Middle Fetal Stage to Birth

Abstract

Complicated molecular and cellular processes take place in a spatiotemporally heterogeneous and precisely regulated pattern in the human fetal brain, yielding not only dramatic morphological and microstructural changes, but also macroscale connectomic transitions. As the underlying substrate of the fetal brain structural network, both dynamic neuronal migration pathways and rapid developing fetal white matter (WM) fibers could fundamentally reshape early fetal brain connectome. Quantifying structural connectome development can not only shed light on the brain reconfiguration in this critical yet rarely studied developmental period, but also reveal alterations of the connectome under neuropathological conditions. However, transition of the structural connectome from the mid-fetal stage to birth is not yet known. The contribution of different types of neural fibers to the structural network in the mid-fetal brain is not known, either. In this study, diffusion tensor magnetic resonance imaging (DT-MRI or DTI) of 10 fetal brain specimens at the age of 20 postmenstrual weeks (PMW), 12 in vivo brains at 35 PMW, and 12 in vivo brains at term (40 PMW) were acquired. The structural connectome of each brain was established with evenly parcellated cortical regions as network nodes and traced fiber pathways based on DTI tractography as network edges. Two groups of fibers were categorized based on the fiber terminal locations in the cerebral wall in the 20 PMW fetal brains. We found that fetal brain networks become stronger and more efficient during 20–40 PMW. Furthermore, network strength and global efficiency increase more rapidly during 20–35 PMW than during 35–40 PMW. Visualization of the whole brain fiber distribution by the lengths suggested that the network reconfiguration in this developmental period could be associated with a significant increase of major long association WM fibers. In addition, non-WM neural fibers could be a major contributor to the structural network configuration at 20 PMW and small-world network organization could exist as early as 20 PMW. These findings offer a preliminary record of the fetal brain structural connectome maturation from the middle fetal stage to birth and reveal the critical role of non-WM neural fibers in structural network configuration in the middle fetal stage.

Diffusion-Tensor Magnetic Resonance Imaging of the Fetal Brain. The Literature Review and Own Data

“…С 20-й по 35-ю недели гестации созревание проводящих путей более выражено, чем с 35-й по 40-ю недели беременности [3]. этом с 20-й по 35-ю недели беременности эти процессы происходят выраженнее, чем на 35-40 неделях, что авторы связывают с медленным ростом более длинных ассоциативных волокон (рис.…”

“…этом с 20-й по 35-ю недели беременности эти процессы происходят выраженнее, чем на 35-40 неделях, что авторы связывают с медленным ростом более длинных ассоциативных волокон (рис. 11) [3]. Следует отметить ряд посмертных DTI-исследований головного мозга плода, однако, необходимо понимать, что после смерти проис-ходят выраженные необратимые микрострук-турные изменения такие, как клеточный лизис, отек головного мозга, и данные таких исследо-ваний могут существенно отличаться от прена-тальной ДТ МРТ in vivo [32 -35].…”

“…Метод позволяет оце-нить проводящую систему нейрональных со-единений и микроструктуру головного мозга, общно именуемую коннектомом, и может быть использован на самых ранних этапах развития человека. Коннектом играет жизненно важную роль в структурной интеграции и функцио-нальной спецификации мозговых систем [3]. В пренатальном периоде вследствие сложной мо-лекулярной и клеточной пролиферации, нейро-нальной миграции, формирования сети нерв-ных волокон и процесса миелинизации изменя-ется микроструктурная организация головного мозга [4].…”

“…В пренатальном периоде вследствие сложной мо-лекулярной и клеточной пролиферации, нейро-нальной миграции, формирования сети нерв-ных волокон и процесса миелинизации изменя-ется микроструктурная организация головного мозга [4]. Сбой в этой точно запрограммиро-ванной последовательности нередко приводит к драматическим морфологическим и структур-ным нарушениям [3]. Диффузионно-тензорная МРТ отображает процессы миелинизации белого вещества головного мозга плода, информативна в выявлении его патологии [5].…”

“…Диффузионно-тензорная МРТ отображает процессы миелинизации белого вещества головного мозга плода, информативна в выявлении его патологии [5]. Возможность контролировать процесс миелинизации белого вещества имеет решающее значение для пони-мания и диагностики заболеваний, влияющих на развитие мозга [3,4].…”