Despite the success of functional imaging to map changes in brain activation patterns after stroke, spatiotemporal dynamics of cerebral reorganization in correlation with behavioral recovery remain incompletely characterized. Here, we applied resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) together with behavioral testing to longitudinally assess functional connectivity within neuronal networks, in relation to changes in associated function after unilateral stroke in rats. Our specific goals were (1) to identify temporal alterations in functional connectivity within the bilateral cortical sensorimotor system and (2) to elucidate the relationship between those alterations and changes in sensorimotor function. Our study revealed considerable loss of functional connectivity between ipsilesional and contralesional primary sensorimotor cortex regions, alongside significant sensorimotor function deficits in the first days after stroke. The interhemispheric functional connectivity restored in the following weeks, but remained significantly reduced up to 10 weeks after stroke in animals with lesions that comprised subcortical and cortical tissue, whereas transcallosal neuroanatomical connections were preserved. Intrahemispheric functional connectivity between primary somatosensory and motor cortex areas was preserved in the lesion border zone and moderately enhanced contralesionally. The temporal pattern of changes in functional connectivity between bilateral primary motor and somatosensory cortices correlated significantly with the evolution of sensorimotor function scores. Our study (1) demonstrates that poststroke loss and recovery of sensorimotor function is associated with acute deterioration and subsequent retrieval of interhemispheric functional connectivity within the sensorimotor system and (2) underscores the potential of rs-fMRI to assess spatiotemporal characteristics of functional brain reorganization that may underlie behavioral recovery after brain injury.

Remodeling of neuronal structures and networks is believed to significantly contribute to (partial) restoration of functions after stroke. However, it has been unclear to what extent the brain reorganizes and how this correlates with functional recovery in relation to stroke severity. We applied serial resting-state functional MRI and diffusion tensor imaging together with behavioral testing to relate longitudinal modifications in functional and structural connectivity of the sensorimotor neuronal network to changes in sensorimotor function after unilateral stroke in rats. We found that gradual improvement of functions is associated with wide-ranging changes in functional and structural connectivity within bilateral neuronal networks, particularly after large stroke. Both after medium and large stroke, brain reorganization eventually leads to (partial) normalization of neuronal signal synchronization within the affected sensorimotor cortical network (intraregional signal coherence), as well as between the affected and unaffected sensorimotor cortices (interhemispheric functional connectivity). Furthermore, the bilateral network configuration shifts from subacutely increased "small-worldness," possibly reflective of initial excessive neuronal clustering and wiring, toward a baseline small-world topology, optimal for global information transfer and local processing, at chronic stages. Cortical network remodeling was accompanied by recovery of initially disrupted structural integrity in corticospinal tract regions, which correlated positively with retrieval of sensorimotor functions. Our study demonstrates that the degree of functional recovery after stroke is associated with the extent of preservation or restoration of ipsilesional corticospinal tracts in combination with reinstatement of interhemispheric neuronal signal synchronization and normalization of small-world cortical network organization.

Abstract Task-free functional connectivity in animal models provides an experimental framework to examine connectivity phenomena under controlled conditions and allows comparison with invasive or terminal procedures. To date, animal acquisitions are performed with varying protocols and analyses that hamper result comparison and integration. We introduce StandardRat , a consensus rat functional MRI acquisition protocol tested across 20 centers. To develop this protocol with optimized acquisition and processing parameters, we initially aggregated 65 functional imaging datasets acquired in rats from 46 centers. We developed a reproducible pipeline for the analysis of rat data acquired with diverse protocols and determined experimental and processing parameters associated with a more robust functional connectivity detection. We show that the standardized protocol enhances biologically plausible functional connectivity patterns, relative to pre-existing acquisitions. The protocol and processing pipeline described here are openly shared with the neuroimaging community to promote interoperability and cooperation towards tackling the most important challenges in neuroscience.