Purpose To assess multiple sclerosis (MS) lesions at various ages by using quantitative susceptibility mapping (QSM) and conventional magnetic resonance (MR) imaging. Materials and Methods Retrospectively selected were 32 clinically confirmed MS patients (nine men and 23 women; 39.3 years ± 10.9) who underwent two MR examinations (interval, 0.43 years ± 0.16) with three-dimensional gradient-echo sequence from August 2011 to August 2012. To estimate the ages of MS lesions, MR examinations performed 0.3–10.6 years before study examinations were studied. Hyperintensity on T2-weighted images was used to define MS lesions. QSM images were reconstructed from gradient-echo data. Susceptibility of MS lesions and temporal rates of change were obtained from QSM images. Lesion susceptibilities were analyzed by t test with intracluster correlation adjustment and Bonferroni correction in multiple comparisons. Results MR imaging of 32 patients depicted 598 MS lesions, of which 162 lesions (27.1%) in 23 patients were age measurable and six (1.0%) were only visible at QSM. The susceptibilities relative to normal-appearing white matter (NAWM) were 0.53 ppb ± 3.34 for acute enhanced lesions, 38.43 ppb ± 13.0 (positive; P < .01) for early to intermediately aged nonenhanced lesions, and 4.67 ppb ± 3.18 for chronic nonenhanced lesions. Temporal rates of susceptibility changes relative to cerebrospinal fluid were 12.49 ppb/month ± 3.15 for acute enhanced lesions, 1.27 ppb/month ± 2.31 for early to intermediately aged nonenhanced lesions, and −0.004 ppb/month ± 0 for chronic nonenhanced lesions. Conclusion Magnetic susceptibility of MS lesions increased rapidly as it changed from enhanced to nonenhanced, it attained a high susceptibility value relative to NAWM during its initial few years (approximately 4 years), and it gradually dissipated back to susceptibility similar to that of NAWM as it aged, which may provide new insight into pathophysiologic features of MS lesions. © RSNA, 2013 Online supplemental material is available for this article.

Abstract Functional magnetic resonance imaging (fMRI) has been increasingly utilized in mice. Due to the non-negligible effects of anesthetics on mouse fMRI, it is becoming more common to perform fMRI in the awake mice. However, high stress level and head motion in awake mouse fMRI remain to be fully addressed, which limits its practical applications. Therefore, here we presented a systematically optimized awake mouse fMRI paradigm as a practical and open-source solution. First, we designed a soundproof habituation chamber in which multiple mice can be habituated simultaneously and independently. Then, combining corticosterone, body weight and behavioral measurements, we systematically evaluated the potential factors that may contribute to animals’ stress level for awake imaging. Among many factors, we found that the restraining setup allowing forelimbs freely moving and head tilted at 30-degree was optimal for minimizing stress level. Importantly, we implemented multiband simultaneous multi-slice imaging to enable ultrafast fMRI acquisition in awake mice. Compared to conventional single-band EPI, faster acquisition enabled by multiband imaging were more robust to head motion and yielded higher statistical power. Thus, more robust resting-state functional connectivity was detected using multiband acquisition in awake mouse fMRI, compared to conventional single-band acquisition. In conclusion, we presented an awake mouse fMRI paradigm that is highly optimized in both awake mice habituation and fMRI acquisition, and such paradigm minimized animals’ stress level and provided more resistance to head motion and higher statistical power.

Summary The basal forebrain (BF) is a complex structure that plays key roles in regulating various brain functions. However, it remains unclear how cholinergic and non-cholinergic BF neurons modulate large-scale functional networks and their relevance in intrinsic and extrinsic behaviors. With optimized awake mouse optogenetic fMRI approach, we revealed optogenetic stimulations of four BF neuron types evoked distinct cell-type specific whole-brain BOLD activations, which could attribute to BF-originated low dimensional structural networks. Additionally, optogenetic activation of VGLUT2, ChAT and PV neurons in BF modulated the preference of locomotion, exploration and grooming, respectively. Furthermore, we uncovered the functional network basis of the above BF-modulated behavioral preference, through a decoding model linking the BF-modulated BOLD activations, low dimensional structural networks, and behavioral preference. To summarize, we decoded functional network basis of differential behavioral preference with cell-type specific optogenetic fMRI on BF, and provided an avenue for investigating mouse behaviors from a whole-brain view.

The glymphatic system facilitates waste removal via cerebrospinal fluid (CSF) influx alongside perivascular spaces throughout the brain. Vasomotion, the slow motion of blood vessel (0.1-0.3 Hz), has been found to be one of the driving forces for perivascular clearance, but it is not clear whether more chronical change of vessel diameter, as reflected by macroscopic cerebral blood volume (CBV), has any impact on glymphatic function. Combining multimodal mouse MRI techniques, we investigated the relationship among glymphatic influx, CBV, CSF volume and EEG power under six different conditions (awake, dexmedetomidine, isoflurane, isoflurane/dexmedetomidine, ketamine/xylazine and awake with caffeine). We found dexmedetomidine and caffeine enhanced glymphatic influx, while isoflurane reduced it compared with awake condition. Quantitative CBV imaging revealed that glymphatic influx was negatively correlated to CBV across the above conditions. Furthermore, such negative correlation was found to be mediated in part by changes of extra-ventricular CSF volume, which was quantified using T1 MRI. Taken together, our results suggest that CBV is a consciousness independent modulator of glymphatic function and modulates glymphatic influx through extra-ventricular CSF volume. This new finding opens potential avenues to enhance brain waste clearance by regulating CBV, which could be beneficial for protein deposition related neurological diseases.

Abstract Roles of Cerebrospinal fluid (CSF) in brain waste clearance and homeostasis has been increasingly recognized, thus measuring its flow dynamics could provide important information about its function and perturbance. While phase-contrast MRI can be used for non-invasive flow mapping, so far its mapping of low velocity flow (such as mouse brain CSF) is not possible. Here we developed a novel generalized Hadamard encoding based multi-band acceleration scheme dubbed HEAP-METRIC ( H adamard E ncoding AP proach of M ulti-band E xcitation for short TR I maging a C celerating), and with significantly increased SNR per time, HEAP-METRIC phase-contrast MRI achieved fast and accurate mapping of slow (~10 2 micron/s) flow. Utilizing this novel method, we revealed a heterogeneous global pattern of CSF flow in the awake mouse brain with a averaged flow of ~200 micron/s, and further found isoflurane anesthesia reduced CSF flow that was accompanied by reduction of glymphatic function. Therefore, we developed the novel HEAP-METRIC phase-contrast MRI for mapping low velocity flow, and demonstrated its capability for global mapping of mouse CSF flow and its potential alterations related to various physiological or pathological conditions.

Motivation: To bring awareness on the heterogeneity in awake rodent functional imaging. We aim to identify protocol differences that optimize awake functional connectivity, reproducibility and collaboration. Goal(s): To aggregate awake rodent functional datasets, establish population parameters, provide evidence-based recommendations, compare functional Magnetic Resonance Imaging and functional Ultrasound, foster collaborations. Approach: We collect datasets from mice and rats, preprocess and run a seed-based analysis at the individual-level using RABIES. Group-level analysis is performed in Python, resulting in functional connectivity specificity maps. Results: We have gathered 5 mice-datasets and 4 rat-datasets totaling 122 scans with great variability in rodent characteristics, imaging methods, and experimental designs. Impact: Findings will empower researchers to refine awake rodent functional imaging, enhancing investigations into cognitive and behavioral processes, without the anesthesia confounds. This approach closely parallels human brain imaging, enhancing translational relevance and providing an accurate representation of conscious brain function.