Abstract Magnetic resonance imaging (MRI) is the standard tool to image the human brain in vivo . In this domain, digital brain atlases are essential for subject-specific segmentation of anatomical regions of interest (ROIs) and spatial comparison of neuroanatomy from different subjects in a common coordinate frame. High-resolution, digital atlases derived from histology (e.g., Allen atlas [3], BigBrain [4], Julich [5]), are currently the state of the art and provide exquisite 3D cytoarchitectural maps, but lack probabilistic labels throughout the whole brain. Here we present NextBrain , a next-generation probabilistic atlas of human brain anatomy built from serial 3D histology and corresponding highly granular delineations of five whole brain hemispheres. We developed AI techniques to align and reconstruct ∼10,000 histological sections into coherent 3D volumes, as well as to semi-automatically trace the boundaries of 333 distinct anatomical ROIs on all these sections. Comprehensive delineation on multiple cases enabled us to build an atlas with probabilistic labels throughout the whole brain. Further, we created a companion Bayesian tool for automated segmentation of the 333 ROIs in any in vivo or ex vivo brain MRI scan using the NextBrain atlas. We showcase two applications of the atlas: automated segmentation of ultra-high-resolution ex vivo MRI and volumetric analysis of brain ageing based on ∼4,000 publicly available in vivo MRI scans. We publicly release the raw and aligned data (including an online visualisation tool), probabilistic atlas, and segmentation tool. By enabling researchers worldwide to analyse brain MRI scans at a superior level of granularity without manual effort or highly specific neuroanatomical knowledge, NextBrain will accelerate our quest to understand the human brain in health and disease.

Ex vivo imaging enables analysis of the human brain at a level of detail that is not possible in vivo with MRI. In particular, histology can be used to study brain tissue at the microscopic level, using a wide array of different stains that highlight different microanatomical features. Complementing MRI with histology has important applications in ex vivo atlas building and in modeling the link between microstructure and macroscopic MR signal. However, histology requires sectioning tissue, hence distorting its 3D structure, particularly in larger human samples. Here, we present an open-source computational pipeline to produce 3D consistent histology reconstructions of the human brain. The pipeline relies on a volumetric MRI scan that serves as undistorted reference, and on an intermediate imaging modality (blockface photography) that bridges the gap between MRI and histology. We present results on 3D histology reconstruction of a whole human hemisphere.

We present open-source tools for 3D analysis of photographs of dissected slices of human brains, which are routinely acquired in brain banks but seldom used for quantitative analysis. Our tools can: (i) 3D reconstruct a volume from the photographs and, optionally, a surface scan; and (ii) produce a high-resolution 3D segmentation into 11 brain regions, independently of the slice thickness. Our tools can be used as a substitute for ex vivo magnetic resonance imaging (MRI), which requires access to an MRI scanner, ex vivo scanning expertise, and considerable financial resources. We tested our tools on synthetic and real data from two NIH Alzheimer's Disease Research Centers. The results show that our methodology yields accurate 3D reconstructions, segmentations, and volumetric measurements that are highly correlated to those from MRI. Our method also detects expected differences between post mortem confirmed Alzheimer's disease cases and controls. The tools are available in our widespread neuroimaging suite "FreeSurfer" ( https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/PhotoTools ).