Abstract Functional magnetic resonance imaging (fMRI) of the human spinal cord faces many challenges, such as signal loss due to local magnetic field inhomogeneities. This issue can be addressed with slice-specific z-shimming, which compensates for the dephasing effect of the inhomogeneities using a slice-specific gradient pulse. Here, we aim to address outstanding issues regarding this technique by evaluating its effects on several aspects that are directly relevant for spinal fMRI and by developing two automated procedures in order to improve upon the time-consuming and subjective nature of manual selection of z-shims: one procedure finds the z-shim that maximizes signal intensity in each slice of an EPI reference-scan and the other finds the through-slice field inhomogeneity for each EPI-slice in field map data and calculates the required compensation gradient moment. We demonstrate that the beneficial effects of z-shimming are apparent across different echo times, hold true for both the dorsal and ventral horn, and are also apparent in the temporal signal-to-noise ratio (tSNR) of EPI time-series data. Both of our automated approaches were faster than the manual approach, lead to significant improvements in gray matter tSNR compared to no z-shimming and resulted in beneficial effects that were stable across time. While the field-map-based approach performed slightly worse than the manual approach, the EPI-based approach performed as well as the manual one and was furthermore validated on an external corticospinal data-set (N>100). Together, automated z-shimming may improve the data quality of future spinal fMRI studies and lead to increased reproducibility in longitudinal studies.

Abstract Resting fMRI studies have identified intrinsic spinal cord activity, which forms organised motor (ventral) and sensory (dorsal) resting-state networks. However, to facilitate the use of spinal fMRI in, for example, clinical studies, it is crucial to first assess the reliability of the method, particularly given the unique anatomical, physiological, and methodological challenges associated with acquiring the data. Here we demonstrate a novel implementation for acquiring BOLD-sensitive resting-state spinal fMRI, which was used to characterise functional connectivity relationships in the cervical cord and assess their test-retest reliability in 23 young healthy volunteers. Resting-state networks were estimated in two ways: (1) by extracting the mean timeseries from anatomically constrained seed masks and estimating voxelwise connectivity maps and (2) by calculating seed-to-seed correlations between extracted mean timeseries. Seed regions corresponded to the four grey matter horns (ventral/dorsal and left/right) of C5-C8 segmental levels. Test-retest reliability was assessed using the intraclass correlation coefficient (ICC) in the following ways: for each voxel in the cervical spine; each voxel within an activated cluster; the mean signal as a summary estimate within an activated cluster; and correlation strength in the seed-to-seed analysis. Spatial overlap of clusters derived from voxelwise analysis between sessions was examined using Dice coefficients. Following voxelwise analysis, we observed distinct unilateral dorsal and ventral organisation of cervical spinal resting-state networks that was largely confined in the rostro-caudal extent to each spinal segmental level, with more sparse connections observed between segments (Bonferroni corrected p < 0.003, threshold-free cluster enhancement with 5000 permutations). Additionally, strongest correlations were observed between within-segment ipsilateral dorso-ventral connections, followed by within-segment dorso-dorsal and ventro-ventral connections. Test-retest reliability of these networks was mixed. Reliability was poor when assessed on a voxelwise level, with more promising indications of reliability when examining the average signal within clusters. Reliability of correlation strength between seeds was highly variable, with highest reliability achieved in ipsilateral dorso-ventral and dorso-dorsal/ventro-ventral connectivity. However, the spatial overlap of networks between sessions was excellent. We demonstrate that while test-retest reliability of cervical spinal resting-state networks is mixed, their spatial extent is similar across sessions, suggesting that these networks are characterised by a consistent spatial representation over time.

Summary Pain perception is decreased by shifting attentional focus away from a threatening event. This attentional analgesia engages parallel descending control pathways from anterior cingulate (ACC) to locus coeruleus, and ACC to periaqueductal grey (PAG) – rostral ventromedial medulla (RVM), indicating possible roles for noradrenergic or opioidergic neuromodulators. To determine which pathway modulates nociceptive activity in humans we used simultaneous whole brain-spinal cord pharmacological-fMRI (N=39) across three sessions. Noxious thermal forearm stimulation generated somatotopic-activation of dorsal horn (DH, C6 segment) whose activity mirrored attentional pain modulation. Activity in an adjacent cluster reported the interaction between task and noxious stimulus. Effective connectivity analysis revealed that ACC recruits PAG and RVM to modulate spinal cord activity. Blocking endogenous opioids with Naltrexone impairs attentional analgesia and disrupts RVM-DH and ACC-PAG connectivity. Noradrenergic augmentation with Reboxetine did not alter attentional analgesia. Cognitive pain modulation is mediated by opioidergic ACC-PAG-RVM descending control which supresses spinal nociceptive activity.

Abstract The investigation of spontaneous fluctuations of the blood-oxygen-level-dependent (BOLD) signal has recently been extended from the brain to the spinal cord, where it has stimulated interest from a clinical perspective. A number of resting-state functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies have demonstrated robust functional connectivity between the time series of BOLD fluctuations in bilateral dorsal horns and between those in bilateral ventral horns, in line with the functional neuroanatomy of the spinal cord. A necessary step prior to extension to clinical studies is assessing the reliability of such resting-state signals, which we aimed to do here in a group of 45 healthy young adults at the clinically prevalent field strength of 3T. When investigating connectivity in the entire cervical spinal cord, we observed fair to good reliability for dorsal-dorsal and ventral-ventral connectivity, whereas reliability was poor for within- and between-hemicord dorsal-ventral connectivity. Considering how prone spinal cord fMRI is to noise, we extensively investigated the impact of distinct noise sources and made two crucial observations: removal of physiological noise led to a reduction in functional connectivity strength and reliability – due to the removal of stable and participant-specific noise patterns – whereas removal of thermal noise considerably increased the detectability of functional connectivity without a clear influence on reliability. Finally, we also assessed connectivity within spinal cord segments and observed that while the pattern of connectivity was similar to that of whole cervical cord, reliability at the level of single segments was consistently poor. Taken together, our results demonstrate the presence of reliable resting-state functional connectivity in the human spinal cord even after thoroughly accounting for physiological and thermal noise, but at the same time urge caution if focal changes in connectivity (e.g. due to segmental lesions) are to be studied, especially in a longitudinal manner.

The application of functional magnetic resonance imaging (fMRI) to the human spinal cord is still a relatively small field of research and faces many challenges. Here we aimed to probe the limitations of task-based spinal fMRI at 3T by investigating the reliability of spinal cord blood oxygen level dependent (BOLD) responses to repeated nociceptive stimulation across two consecutive days in 40 healthy volunteers. We assessed the test-retest reliability of subjective ratings, autonomic responses, and spinal cord BOLD responses to short heat pain stimuli (1s duration) using the intraclass correlation coefficient (ICC). At the group level, we observed robust autonomic responses as well as spatially specific spinal cord BOLD responses at the expected location, but no spatial overlap in BOLD response patterns across days. While autonomic indicators of pain processing showed good-to-excellent reliability, both

Abstract Nociceptive acute and chronic pain significantly impact the quality of life and create tremendous societal burdens. Given the side effects associated with pharmacological analgesia, noninvasive periphery neuromodulation techniques, like Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation (TENS), have emerged as promising approaches for pain relief. Current human research, focusing partly on cerebral, brainstem, or peripheral mechanisms of neuromodulation, lacks comprehensive understanding from the perspective of the entire central nervous system. This study utilized a three-way mixed experimental design, combining cutting-edge cortico-spinal fMRI with thermal stimuli, to systematically explore the central analgesic mechanisms of two typical TENS modes: Conventional (high frequency, low intensity) and Acupuncture-Like (low frequency, high intensity). Behavioral and fMRI analysis revealed that, the direct spinal inhibition (PAG-spinal connectivity) partially mediated by PAG-vmPFC connectivity leads to local analgesic effects in Conventional TENS; a top-down diffuse noxious inhibition (PAG-S1 connectivity) fully mediated through PAG-spinal connectivity leads to diffuse analgesic effects in Acupuncture-Like TENS. Employing advanced cortico-spinal fMRI technique, our findings provide systematic neural evidence of the analgesic mechanisms induced by TENS and shed new light on future neuromodulation approaches.

Abstract Diffusion MRI allows non-invasive assessment of white matter maturation in typical development and of white matter damage due to brain injury or pathology. Probabilistic white matter atlases provide delineation of white matter tracts, allowing diffusion metrics to be measured in specific white matter pathways. However, given the known age-dependency of developmental change in white matter it may not be optimal to use an adult template when assessing data acquired from children. This study develops an age-specific probabilistic white matter atlas for delineation of 12 major white matter tracts in children aged 6-8 years. By comparing to subject-specific tract tracing in two validation cohorts, we demonstrate that this age-specific atlas gives better overall performance than simply registering to the Johns Hopkins University adult white matter template. Specifically, when normalising diffusion data acquired from children to an adult template, estimates of fractional anisotropy (FA) values for corticospinal tract, uncinate fasciculus, forceps minor, cingulate gyrus part of the cingulum and anterior thalamic radiation were all less accurate than those obtained when using an age-specific atlas, potentially leading to false negatives when performing group comparisons. We then applied the newly developed atlas to compare FA between children treated with therapeutic hypothermia for neonatal encephalopathy and age-matched controls, which revealed significant reductions in the fornix, the left superior longitudinal fasciculus, and both the hippocampal and cingulum parts of the left cingulate gyrus. To our knowledge, this is the first publicly available probabilistic atlas of white matter tracts for this age group.

The study of spontaneous fluctuations in the blood-oxygen-level-dependent (BOLD) signal has recently been extended from the brain to the spinal cord. Two ultra-high field functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies in humans have provided evidence for reproducible resting-state connectivity between the dorsal horns as well as between the ventral horns, and a study in non-human primates has shown that these resting-state signals are impacted by spinal cord injury. As these studies were carried out at ultra-high field strengths using region-of-interest (ROI) based analyses, we investigated whether such resting-state signals could also be observed at the clinically more prevalent field strength of 3T. In a reanalysis of a sample of 20 healthy human participants who underwent a resting-state fMRI acquisition of the cervical spinal cord, we were able to observe significant dorsal horn connectivity as well as ventral horn connectivity, but no consistent effects for connectivity between dorsal and ventral horns, thus replicating the human 7T results. These effects were not only observable when averaging along the acquired length of the spinal cord, but also when we examined each of the acquired spinal segments separately, which showed similar patterns of connectivity. Finally, we investigated the robustness of these resting-state signals against variations in the analysis pipeline by varying the type of ROI creation, temporal filtering, nuisance regression and connectivity metric. We observed that - apart from the effects of band-pass filtering - ventral horn connectivity showed excellent robustness, whereas dorsal horn connectivity showed moderate robustness. Together, our results provide evidence that spinal cord resting-state connectivity is a robust and spatially consistent phenomenon that could be a valuable tool for investigating the effects of pathology, disease progression, and treatment response in neurological conditions with a spinal component, such as spinal cord injury.

Pain perception is diminished when attention is diverted. Our previous human fMRI study, using a 2x2 factorial design with thermal stimuli and concurrent visual attention task, linked the brainstem triad of locus coeruleus (LC), rostroventromedial medulla (RVM) and periaqueductal grey (PAG) to attentional analgesia. This study was repeated with a larger cohort, replicating our earlier findings. Pain intensity was encoded by the RVM, whilst activity in the contralateral LC correlated with the magnitude of attentional analgesia. Psycho-Physiological Interaction analysis informed subsequent Dynamic Causal Modelling and identified two parallel paths between forebrain and the brainstem regions involved in analgesia. These cortico-brainstem connections were modulated by attentional demand: a bidirectional anterior cingulate cortex (ACC) – right-LC loop, and a top-down influence of task on ACC-PAG-RVM. Under conditions of competing attentional demands the ACC recruits discrete brainstem circuits to modulate nociceptive input.

Abstract Non-painful tactile sensory stimuli are processed in the cortex, subcortex, and brainstem. Recent functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies have highlighted the value of whole-brain, systems-level investigation for examining pain processing. However, whole-brain fMRI studies are uncommon, in part due to challenges with signal to noise when studying the brainstem. Furthermore, the differentiation of small sensory brainstem structures such as the cuneate and gracile nuclei necessitates high resolution imaging. To address this gap in systems-level sensory investigation, we employed a whole-brain, multi-echo fMRI acquisition at 3T with multi-echo independent component analysis (ME-ICA) denoising and brainstem-specific modeling to enable detection of activation across the entire sensory system. In healthy participants, we examined patterns of activity in response to non-painful brushing of the right hand, left hand, and right foot, and found the expected lateralization, with distinct cortical and subcortical responses for upper and lower limb stimulation. At the brainstem level, we were able to differentiate the small, adjacent cuneate and gracile nuclei, corresponding to hand and foot stimulation respectively. Our findings demonstrate that simultaneous cortical, subcortical, and brainstem mapping at 3T could be a key tool to understand the sensory system in both healthy individuals and clinical cohorts with sensory deficits.