High-resolution awake mouse fMRI remains challenging despite extensive efforts to address motion-induced artifacts and stress. This study introduces an implantable radiofrequency (RF) surface coil design that minimizes image distortion caused by the air/tissue interface of mouse brains while simultaneously serving as a headpost for fixation during scanning. Using a 14T scanner, high-resolution fMRI enabled brain-wide functional mapping of visual and vibrissa stimulation at 100x100x200μm resolution with a 2s per frame sampling rate. Besides activated ascending visual and vibrissa pathways, robust BOLD responses were detected in the anterior cingulate cortex upon visual stimulation and spread through the ventral retrosplenial area (VRA) with vibrissa air-puff stimulation, demonstrating higher-order sensory processing in association cortices of awake mice. In particular, the rapid hemodynamic responses in VRA upon vibrissa stimulation showed a strong correlation with the hippocampus, thalamus, and prefrontal cortical areas. Cross-correlation analysis with designated VRA responses revealed early positive BOLD signals at the contralateral barrel cortex (BC) occurring 2 seconds prior to the air-puff in awake mice with repetitive stimulation, which was not detectable with the randomized stimulation paradigm. This early BC activation indicated learned anticipation through the vibrissa system and association cortices in awake mice under continuous training of repetitive air-puff stimulation. This work establishes a high-resolution awake mouse fMRI platform, enabling brain-wide functional mapping of sensory signal processing in higher association cortical areas.

Abstract To measure the brain-wide vascular density (VD) alteration in degenerated brains with Alzheimer’s Disease (AD), deep learning-based super-resolution approach was developed to assist the segmentation of micro-vessels from the Monocrystalline Iron Oxide Nanoparticle (MION)-based CBV MRI images of transgenic mouse brains. Iron-induced T2* amplification effect well separated micro-vessels with tens of microns from capillary-enriched parenchyma voxels, enabling vascular compartment-specific VD differential analysis between AD and wildtype control mice. The differential maps based on segmented micro-vessels identified decreased VD in the anterior cingulate cortex (ACC) and medial entorhinal cortex (mEC) and increased VD in several highlighted brain regions, including dentate gyrus (DG) of the hippocampus, central and geniculate thalamus, medial septal area (MS), ventral tegmental area (VTA), and lateral entorhinal cortex (lEC). In contrast, the T2*-weighted capillary density mapping from parenchyma voxels showed increased VD in several cortical regions, including somatosensory and visual cortex, retrosplenial cortex, as well as piriform area and lEC in AD brains. However, dramatic capillary VD decrease was observed in the subcortical areas including hippocampus, thalamus, hypothalamus, and pontine areas. These high-resolution MION-based CBV MRI elucidates altered vascular compartments in degenerated AD brains, reconciling the various region-specific vascular impairment and angiogenesis in functional areas critical for cognitive decline of AD.

Abstract Pupil dynamics has emerged as a critical non-invasive indicator of brain state changes. In particular, pupillary-light-responses (PLR) in Alzheimer’s disease (AD) patients may be used as biomarkers of brain degeneration. To characterize AD-specific PLR and its underlying neuromodulatory sources, we combined high-resolution awake mouse fMRI with real-time pupillometry to map brain-wide event-related correlation patterns based on illumination-driven pupil constriction ( P c ) and post-illumination pupil dilation recovery (amplitude, P d , and time, T ). The P c -driven differential analysis revealed altered visual signal processing coupled with reduced thalamocortical activation in AD mice compared with the wild-type normal mice. In contrast, the post-illumination pupil dilation recovery-based fMRI highlighted multiple brain areas related to AD brain degeneration, including the cingulate cortex, hippocampus, septal area of the basal forebrain, medial raphe nucleus, and pontine reticular nuclei (PRN). Also, brain-wide functional connectivity analysis highlighted the most significant changes in PRN of AD mice, which serves as the major subcortical relay nuclei underlying oculomotor function. This work combined non-invasive pupil-fMRI measurements in preclinical models to identify pupillary biomarkers based on neuromodulatory dysfunction coupled with AD brain degeneration.