The brainstem locus coeruleus (LC) influences a broad range of brain processes, including cognition. The so-called LC contrast is an accepted marker of the integrity of the LC that consists of a local hyperintensity on specific Magnetic Resonance Imaging (MRI) structural images. The small size of the LC has, however, rendered its functional characterization difficult in humans, including in aging. A full characterization of the structural and functional characteristics of the LC in healthy young and late middle-aged individuals is needed to determine the potential roles of the LC in different medical conditions. Here, we wanted to determine whether the activation of the LC in a mismatch negativity task changes in aging and whether the LC functional response was associated to the LC contrast.We used Ultra-High Field (UHF) 7-Tesla functional MRI (fMRI) to record brain response during an auditory oddball task in 53 healthy volunteers, including 34 younger (age: 22.15y ± 3.27; 29 women) and 19 late middle-aged (age: 61.05y ± 5.3; 14 women) individuals.Whole-brain analyses confirmed brain responses in the typical cortical and subcortical regions previously associated with mismatch negativity. When focusing on the brainstem, we found a significant response in the rostral part of the LC probability mask generated based on individual LC images. Although bilateral, the activation was more extensive in the left LC. Individual LC activity was not significantly different between young and late middle-aged individuals. Importantly, while the LC contrast was higher in older individuals, the functional response of the LC was not significantly associated with its contrast.These findings may suggest that the age-related alterations of the LC structural integrity may not be related to changes in its functional response. The results further suggest that LC responses may remain stable in healthy individuals aged 20 to 70.

Abstract The noradrenergic locus coeruleus (LC) in the brainstem shows early signs of protein pathologies in neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s and Parkinson’s disease. As the LC’s small size (approximately 2.5 mm in width) presents a challenge for molecular imaging, the past decade has seen a steep rise in structural and functional Magnetic Resonance (MR) studies aiming to characterise the LC’s changes in ageing and neurodegeneration. However, given its position in the brainstem and small volume, great care must be taken to yield methodologically reliable MR results as spatial deviations in transformations can greatly reduce the statistical power of the analyses at the group level. Here, we suggest a spatial transformation procedure and a set of quality assessment methods which allow LC researchers to achieve the spatial precision necessary for investigating this small but potentially impactful brain structure. Using a combination of available toolboxes (SPM12, ANTs, FSL, FreeSurfer), individual structural and functional 3T LC scans are transformed into MNI space via a study-specific anatomical template. Following this, the precision of spatial alignment in individual MNI-transformed images is quantified using in-plane distance measures based on slice-specific centroids of structural LC segmentations and based on landmarks of salient anatomical features in mean functional images, respectively. Median in-plane distance of all landmarks on the transformed structural as well as functional LC imaging data were below 2 mm, thereby falling below the typical LC width of 2.5 mm suggested by post-mortem data. With the set of spatial post-processing steps outlined in this paper and available for download, we hope to give readers interested in LC imaging a starting point for a reliable analysis of structural and functional MR data of the LC and to have also taken a first step towards establishing reporting standards of LC imaging data.

Abstract The brainstem locus coeruleus (LC) influences a broad range of brain processes, including cognition. The so-called LC contrast is an accepted marker of the integrity of the LC that consists of a local hyperintensity on specific Magnetic Resonance Imaging (MRI) structural images. The small size of the LC has, however, rendered its functional characterization difficult in humans, including in aging. A full characterization of the structural and functional characteristics of the LC in healthy young and late middle-aged individuals is needed to determine to potential roles of the LC in different medical conditions. Here, we wanted to determine whether the activation of the LC in a mismatch negativity task changes in aging and whether the LC functional response was associated to the LC contrast. We used Ultra-High Field (UHF) 7-Tesla functional MRI (fMRI) to record brain response during an auditory oddball task in 53 healthy volunteers, including 34 younger (age: 22.15y ± 3.27; 29 women) and 19 late middle-aged (age: 61.05y ± 5.3; 14 women) individuals. Whole-brain analyses confirmed brain responses in the typical cortical and subcortical regions previously associated with mismatch negativity. When focusing on the brainstem, we found a significant response in the rostral part of the LC probability mask generated based on individual LC images. Although bilateral, the activation was more extensive in the left LC. Individual LC activity was not significantly different between young and late middle-aged individuals. Critically, while the LC contrast was higher in older individuals, the functional response of the LC was not associated with its contrast. These findings show that the age-related alterations of the LC structural integrity may not necessarily be related to changes in its functional response. The results further indicate that LC responses could remain stable in healthy individuals aged 20 to 70.

The present study investigated the neuromodulatory substrates of salience processing and its impact on memory encoding and behaviour, with a specific focus on two distinct types of salience: reward and contextual unexpectedness. 46 participants performed a novel task paradigm modulating these two aspects independently and allowing for investigating their distinct and interactive effects on memory encoding while undergoing high resolution fMRI. By using advanced image processing techniques tailored to examine midbrain and brainstem nuclei with high precision, our study additionally aimed to elucidate differential activation patterns in subcortical nuclei in response to reward-associated and contextually unexpected stimuli, including distinct pathways involving in particular dopaminergic modulation. We observed a differential involvement of the ventral striatum, substantia nigra and caudate nucleus, as well as a functional specialisation within the subregions of the cingulate cortex for the two salience types. Moreover, distinct subregions within the substantia nigra in processing salience could be identified. Dorsal areas preferentially processed salience related to stimulus processing (of both reward and contextual unexpectedness) versus ventral areas were involved in salience-related memory encoding (for contextual unexpectedness only). These functional specialisations within SN are in line with different projection patterns of dorsal and ventral SN to brain areas supporting attention and memory, respectively. By disentangling stimulus processing and memory encoding related to two salience types, we hope to further consolidate our understanding of neuromodulatory structures' differential as well as interactive roles in modulating behavioural responses to salient events.

ABSTRACT The present study investigated the neuromodulatory substrates of salience processing and its impact on memory encoding and behaviour, with a specific focus on two distinct types of salience: reward and contextual unexpectedness. 46 Participants performed a novel task paradigm modulating these two aspects independently and allowing for investigating their distinct and interactive effects on memory encoding while undergoing high‐resolution fMRI. By using advanced image processing techniques tailored to examine midbrain and brainstem nuclei with high precision, our study additionally aimed to elucidate differential activation patterns in subcortical nuclei in response to reward‐associated and contextually unexpected stimuli, including distinct pathways involving in particular dopaminergic modulation. We observed a differential involvement of the ventral striatum, substantia nigra (SN) and caudate nucleus, as well as a functional specialisation within the subregions of the cingulate cortex for the two salience types. Moreover, distinct subregions within the SN in processing salience could be identified. Dorsal areas preferentially processed salience related to stimulus processing (of both reward and contextual unexpectedness), and ventral areas were involved in salience‐related memory encoding (for contextual unexpectedness only). These functional specialisations within SN are in line with different projection patterns of dorsal and ventral SN to brain areas supporting attention and memory, respectively. By disentangling stimulus processing and memory encoding related to two salience types, we hope to further consolidate our understanding of neuromodulatory structures' differential as well as interactive roles in modulating behavioural responses to salient events.