Abstract The representations of the articulators involved in human speech production are organized somatotopically in primary motor cortex. The neural representation of the larynx, however, remains debated. Both a dorsal and a ventral larynx representation have been previously described. It is unknown, however, whether both representations are located in primary motor cortex. Here, we mapped the motor representations of the human larynx using fMRI and characterized the cortical microstructure underlying the activated regions. We isolated brain activity related to laryngeal activity during vocalization while controlling for breathing. We also mapped the articulators (the lips and tongue) and the hand area. We found two separate activations during vocalization – a dorsal and a ventral larynx representation. Structural and quantitative neuroimaging revealed that myelin content and cortical thickness underlying the dorsal, but not the ventral larynx representation, are similar to those of other primary motor representations. This finding confirms that the dorsal larynx representation is located in primary motor cortex and that the ventral one is not. We further speculate that the location of the ventral larynx representation is in premotor cortex, as seen in other primates. It remains unclear, however, whether and how these two representations differentially contribute to laryngeal motor control.

Abstract Several studies have established specific relationships between White Matter (WM) and behaviour. However, these studies have typically focussed on fractional anisotropy (FA), a neuroimaging metric that is sensitive to multiple tissue properties, making it difficult to identify what biological aspects of WM may drive such relationships. Here, we carry out a pre-registered assessment of WM-behaviour relationships in 50 healthy individuals across multiple behavioural and anatomical domains, and complementing FA with myelin-sensitive quantitative MR modalities (MT, R1, R2*). Surprisingly, we only find support for predicted relationships between FA and behaviour in one of three pre-registered tests. For one behavioural domain, where we failed to detect an FA-behaviour correlation, we instead find evidence for a correlation between behaviour and R1. This hints that multimodal approaches are able to identify a wider range of WM-behaviour relationships than focusing on FA alone. To test whether a common biological substrate such as myelin underlies WM-behaviour relationships, we then ran joint multimodal analyses, combining across all MRI parameters considered. No significant multimodal signatures were found and power analyses suggested that sample sizes of 40 to 200 may be required to detect such joint multimodal effects, depending on the task being considered. These results demonstrate that FA-behaviour relationships from the literature can be replicated, but may not be easily generalisable across domains. Instead, multimodal microstructural imaging may be best placed to detect a wider range of WM-behaviour relationships, as different MRI modalities provide distinct biological sensitivities. Our findings highlight a broad heterogeneity in WM’s relationship with behaviour, suggesting that variable biological effects may be shaping their interaction. Highlights Pre-registered testing of microstructural imaging across modalities (FA, MT, R1, R2*) to test WM-behaviour relationships. Partial support for FA-behaviour relationships hypothesised based on previous literature. Multimodal approaches can help detect WM-behaviour relationships that are not detected with FA alone. Sample sizes of 40 to 200 may be needed to detect myelin-behaviour relationships in joint multimodal analyses. Variable biological effects may be shaping WM-behaviour relationships.

Abstract Diffusion MRI of the neonatal brain allows investigation of the organisational structure of maturing fibres during brain development. Post-mortem imaging has the potential to achieve high resolution by using long scan times, enabling precise assessment of small structures. The Forget-Me-Not study, part of the Developing Human Connectome Project (dHCP), aims to acquire and publicly distribute high-resolution diffusion MRI data for unfixed post-mortem neonatal brain at 7T with a custom-built head coil. This paper describes how the study addressed logistical, technical and ethical challenges relating to recruitment pipeline, care pathway, tissue preservation, scan setup and protocol optimisation. Results from the first subject recruited to the study demonstrate high-quality diffusion MRI data. Preliminary voxel-wise and tractography-based analyses are presented for the cortical plate, subplate and white matter pathways, with comparison to age-matched in vivo dHCP data. These results demonstrate that high quality post-mortem data can be acquired and provide a sensitive means to explore the developing human brain, as well as altered diffusion properties consistent with post-mortem changes, at high resolution.

Abstract The World Health Organization (WHO) promotes physical exercise and a healthy lifestyle as means to improve youth development. However, relationships between physical lifestyle and brain development are not fully understood. Here, we asked whether a brain – physical latent mode of covariation underpins the relationship between physical activity, fitness, and physical health measures with multimodal neuroimaging markers. In 50 12-year old school pupils (26 females), we acquired multimodal whole-brain MRI, characterizing brain structure, microstructure, function, myelin content, and blood perfusion. We also acquired physical variables measuring objective fitness levels, 7-days physical activity, body-mass index, heart rate, and blood pressure. Using canonical correlation analysis we unravel a latent mode of brain – physical covariation, independent of demographics, school, or socioeconomic status. We show that MRI metrics with greater involvement in this mode also showed spatially extended patterns across the brain. Specifically, global patterns of greater grey matter perfusion, volume, cortical surface area, greater white matter extra-neurite density, and resting state networks activity, covaried positively with measures reflecting a physically active phenotype (high fit, low sedentary individuals). Showing that a physically active lifestyle is linked with systems-level brain MRI metrics, these results suggest widespread associations relating to several biological processes. These results support the notion of close brain-body relationships and underline the importance of investigating modifiable lifestyle factors not only for physical health but also for brain health early in adolescence. Significance statement An active lifestyle is key for healthy development. In this work, we answer the following question: How do brain neuroimaging markers relate with young adolescents’ level of physical activity, fitness, and physical health? Combining advanced whole-brain multimodal MRI metrics with computational approaches, we show a robust relationship between physically active lifestyles and spatially extended, multimodal brain imaging derived phenotypes. Suggesting a wider effect on brain neuroimaging metrics than previously thought, this work underlies the importance of studying physical lifestyle, as well as other brain – body relationships in an effort to foster brain health at this crucial stage in development.

Abstract Purpose To estimate dynamic off-resonance due to vigorous body motion in accelerated fMRI of awake behaving non-human primates (NHPs) using the standard EPI 3-line navigator, in order to attenuate the effects of time-varying off-resonance on the reconstruction. Methods In NHP fMRI the animal’s head is usually head-posted, and the dynamic off-resonance is mainly caused by motion in body parts that are distant from the brain and have low spatial frequency. Hence, off-resonance at each frame can be approximated as a spatially linear perturbation of the off-resonance at a reference frame, and is manifested as a relative linear shift in k-space. Using GRAPPA operators, we estimated these shifts by comparing the 3-line navigator at each time frame with that at the reference frame. Estimated shifts were then used to correct the data at each frame. The proposed method was evaluated in phantom scans, simulations, and in vivo data. Results The proposed method is shown to successfully estimate low-spatial order dynamic off-resonance perturbations, including induced linear off-resonance perturbations in phantoms, and is able to correct retrospectively corrupted data in simulations. Finally, it is shown to reduce ghosting artifacts and geometric distortions by up to 20% in simultaneous multi-slice in vivo acquisitions in awake-behaving NHPs. Conclusion A method is proposed that does not need any sequence modification or extra acquisitions and makes accelerated awake behaving NHP imaging more robust and reliable, reducing the gap between what is possible with NHP protocols and state-of-the-art human imaging.

Abstract Developmental Language Disorder (DLD) is a common neurodevelopmental disorder characterised by receptive or expressive language difficulties or both. While theoretical frameworks and empirical studies support the idea that there may be neural correlates of DLD in frontostriatal loops, findings are inconsistent across studies. Here, we use a novel semiquantitative imaging protocol – multiparameter mapping (MPM) – to investigate microstructural neural differences in children with DLD. The MPM protocol allows us to reproducibly map specific indices of tissue microstructure. In 56 typically developing children and 33 children with DLD, we derived maps of: 1) longitudinal relaxation rate R1 (1/T1); 2) the transverse relaxation rate R2* (1/T2*); and 3) Magnetization Transfer Saturation (MTsat). R1 and MTsat predominantly index myelin, while R2* is sensitive to iron content. Children with DLD showed reductions in MTsat values in the caudate nucleus bilaterally, as well as in the left ventral sensorimotor cortex and Heschl’s gyrus. They also had globally lower R1 values. No group differences were noted in R2* maps. Differences in MTsat and R1 were coincident in the caudate nucleus bilaterally. These findings support our hypothesis of corticostriatal abnormalities in DLD and indicate abnormal levels of myelin in the dorsal striatum in children with DLD.

Abstract The quality of cervical spinal cord images can be improved by the use of tailored radiofrequency coil solutions for ultra-high field imaging; however, very few commercial and research 7 Tesla radiofrequency coils currently exist for the spinal cord, and in particular those with parallel transmit capabilities. This work presents the design, testing and validation of a pTx/Rx coil for the human neck and cervical/upper-thoracic spinal cord. The pTx portion is composed of 8 dipoles to ensure high homogeneity over this large region of the spinal cord. The Rx portion is made of 20 semi-adaptable overlapping loops to produce high Signal-to-noise ratio (SNR) across the patient population. The coil housing is designed to facilitate patient positioning and comfort, while being tight fitting to ensure high sensitivity. We demonstrate RF shimming capabilities to optimize B 1 + uniformity, power efficiency and/or specific absorption rate (SAR) efficiency. B 1 + homogeneity, SNR and g-factor was evaluated in adult volunteers and demonstrated excellent performance from the occipital lobe down to the T4-T5 level. We compared the proposed coil with two state-of-the-art head and head/neck coils, confirming its superiority in the cervical and upper-thoracic regions of the spinal cord. This coil solution therefore provides a convincing platform for producing the high image quality necessary for clinical and research scanning of the upper spinal cord.

Synaptic plasticity is required for learning and follows Hebb’s Rule, the com-putational principle underpinning associative learning. In recent years, a complementary type of brain plasticity has been identified in myelinated axons, which make up the majority of brain’s white matter. Like synaptic plasticity, myelin plasticity is required for learning, but it is unclear whether it is Hebbian or whether it follows different rules. Here, we provide evidence that white matter plasticity operates following Hebb’s Rule in humans. Across two experiments, we find that co-stimulating cortical areas to induce Hebbian plasticity leads to relative increases in cortical excitability and associated increases in a myelin marker within the stimulated fiber bundle. We conclude that Hebbian plasticity extends beyond synaptic changes, and can be observed in human white matter fibers.