Tractography based on non-invasive diffusion imaging is central to the study of human brain connectivity. To date, the approach has not been systematically validated in ground truth studies. Based on a simulated human brain data set with ground truth tracts, we organized an open international tractography challenge, which resulted in 96 distinct submissions from 20 research groups. Here, we report the encouraging finding that most state-of-the-art algorithms produce tractograms containing 90% of the ground truth bundles (to at least some extent). However, the same tractograms contain many more invalid than valid bundles, and half of these invalid bundles occur systematically across research groups. Taken together, our results demonstrate and confirm fundamental ambiguities inherent in tract reconstruction based on orientation information alone, which need to be considered when interpreting tractography and connectivity results. Our approach provides a novel framework for estimating reliability of tractography and encourages innovation to address its current limitations.

Abstract Previously, researchers used functional MRI to identify regional brain activations associated with sensory processing sensitivity (SPS), a proposed normal phenotype trait. To further validate SPS as a behavioral entity, to characterize it anatomically, and to test the usefulness in psychology of methodologies that assess axonal properties, the present study correlated SPS proxy questionnaire scores (adjusted for neuroticism) with diffusion tensor imaging measures. Participants (n=408) from the Young Adult Human Connectome Project that are free of neurologic and psychiatric disorders were investigated. We computed mean diffusivity (MD), radial diffusivity (RD), axial diffusivity (AD) and fractional anisotropy (FA). A voxelwise, exploratory analysis showed that MD and RD correlated positively with SPS proxy scores in the right and left subcallosal and anterior ventral cingulum bundle, and the right forceps minor of the corpus callosum (peak Cohen’s D effect size = 0.269). Further analyses showed correlations throughout the entire right and left ventromedial prefrontal cortex, including the superior longitudinal fasciculus, inferior fronto-occipital fasciculus, uncinate and arcuate fasciculus. These prefrontal regions are generally involved in emotion, reward and social processing. FA was negatively correlated with SPS proxy scores in white matter of the right premotor/motor/somatosensory/supramarginal gyrus regions, which are associated with empathy, theory of mind, primary and secondary somatosensory processing. Region of interest (ROI) analysis, based-on previous fMRI results and Freesurfer atlas-defined areas, showed small effect sizes, (+0.151 to -0.165) in white matter of the precuneus and inferior frontal gyrus. Other ROI effects were found in regions of the dorsal and ventral visual pathways and primary auditory cortex. The results reveal that in a large, diverse group of participants axonal microarchitectural differences can be identified with SPS traits that are subtle and in the range of typical behavior. The results suggest that the heightened sensory processing in people who show SPS may be influenced by the microstructure of white matter in specific neocortical regions. Although previous fMRI studies had identified most of these general neocortical regions, the DTI results put a new focus on brain areas related to attention and cognitive flexibility, empathy, emotion and low-level sensory processing, as in the primary sensory cortex. Psychological trait characterization may benefit from diffusion tensor imaging methodology by identifying influential brain systems for traits.

Diffusion MRI of the brain enables to quantify white matter fiber orientations noninvasively. Several approaches have been proposed to estimate such characteristics from diffusion MRI data with spherical deconvolution being one of the most widely used methods. Constrained spherical deconvolution requires to define – or derive from the data – a response function, which is used to compute the fiber orientation distribution (FOD). This definition or derivation is not unequivocal and can thus result in different characteristics of the response function which are expected to affect the FOD computation and the subsequent fiber tracking. In this work, we explored the effects of inaccuracies in the shape and scaling factors of the response function on the FOD characteristics. With simulations, we show that underestimation of the shape factor in the response functions has a larger effect on the FOD peaks than overestimation of the shape factor, whereas the latter will cause more spurious peaks. Moreover, crossing fiber populations with a smaller separation angle were more sensitive to the response function inaccuracy than fiber populations with more orthogonal separation angles. Furthermore, the FOD characteristics show deviations as a result of modified shape and scaling factors of the response function. Results with the in vivo data demonstrate that the deviations of the FODs and spurious peaks can further deviate the termination of propagation in fiber tracking. This work highlights the importance of proper definition of the response function and how specific calibration factors can affect the FOD and fiber tractography results.

Substantial progress in acquisition, processing, and analysis boosted the reliability of diffusion-weighted MRI and increased the accuracy of mapping white matter pathways with fiber tractography. Since the introduction of 'region of interest' (ROI) based virtual dissection by Conturo et al. in 1999, researchers have used tractography to identify white matter pathways, which faithfully represented previously known structures revealed by dyeing studies or post-mortem descriptions. The reconstructed streamlines are subjects of bundle-specific in vivo investigations to show differences between groups (e.g., comparing fractional anisotropy (FA) between patients and healthy controls) or to describe the relation between diffusion scalars and metrics of interest (e.g.: normal aging or changes due to learning). By applying a reverse strategy in using diffusion-weighted MRI tractography first, then supporting the findings with other techniques, we have identified a bilateral tract in the frontal cortex - the superoanterior fasciculus (SAF). The tract resembles the anterior shape of the cingulum bundle, but is located more frontally. To erase the chance that our findings are confounded by acquisition, processing or modeling artifacts, we analyzed a total of 421 subjects from four cohorts with different acquisition schemes and diverse processing pipelines. The findings were also completed with other non-MRI techniques, such as polarized light microscopy and dissection. Tractography results demonstrate a long pathway and are consistent among cohorts, while dissection indicates a series of U-shaped fibers connecting adjacent gyri. In conclusion, we hypothesize that these consecutive U-shaped fibers emerge to form a pathway, thereby resulting in a multicomponent bundle.

Fiber tractography based on non-invasive diffusion imaging is at the heart of connectivity studies of the human brain. To date, the approach has not been systematically validated in ground truth studies. Based on a simulated human brain dataset with ground truth white matter tracts, we organized an open international tractography challenge, which resulted in 96 distinct submissions from 20 research groups. While most state-of-the-art algorithms reconstructed 90% of ground truth bundles to at least some extent, on average they produced four times more invalid than valid bundles. About half of the invalid bundles occurred systematically in the majority of submissions. Our results demonstrate fundamental ambiguities inherent to tract reconstruction methods based on diffusion orientation information, with critical consequences for the approach of diffusion tractography in particular and human connectivity studies in general.