Abstract Introduction White matter hyperintensities (WMHs) are common magnetic resonance imaging (MRI) findings in the aging population in general, as well as in patients with neurodegenerative diseases. They are known to exacerbate the cognitive deficits and worsen the clinical outcomes in the patients. However, it is not well-understood whether there are disease-specific differences in prevalence and distribution of WMHs in different neurodegenerative disorders. Methods Data included 976 participants with cross-sectional T1-weighted and fluid attenuated inversion recovery (FLAIR) MRIs from the Comprehensive Assessment of Neurodegeneration and Dementia (COMPASS-ND) cohort of the Canadian Consortium on Neurodegeneration in Aging (CCNA) with eleven distinct diagnostic groups: cognitively intact elderly (CIE), subjective cognitive impairment (SCI), mild cognitive impairment (MCI), vascular MCI (V-MCI), Alzheimer’s dementia (AD), vascular AD (V-AD), frontotemporal dementia (FTD), Lewy body dementia (LBD), cognitively intact elderly with Parkinson’s disease (PD-CIE), cognitively impaired Parkinson’s disease (PD-CI), and mixed dementias. WMHs were segmented using a previously validated automated technique. WMH volumes in each lobe and hemisphere were compared against matched CIE individuals, as well as each other, and between men and women. Results All cognitively impaired diagnostic groups had significantly greater overall WMH volumes than the CIE group. Vascular groups (i.e. V-MCI, V-AD, and mixed dementia) had significantly greater WMH volumes than all other groups, except for FTD, which also had significantly greater WMH volumes than all non-vascular groups. Women tended to have lower WMH burden than men in most groups and regions, controlling for age. The left frontal lobe tended to have a lower WMH burden than the right in all groups. In contrast, the right occipital lobe tended to have greater WMH loads than the left. Conclusions There were distinct differences in WMH prevalence and distribution across diagnostic groups, sexes, and in terms of asymmetry. WMH burden was significantly greater in all neurodegenerative dementia groups, likely encompassing areas exclusively impacted by neurodegeneration as well as areas related to cerebrovascular disease pathology.

Abstract Magnetic resonance imaging (MRI) is a valuable non-invasive tool that has been widely used for in vivo investigations of brain morphometry and microstructural characteristics. Postmortem MRIs can provide complementary anatomical and microstructural information to in vivo imaging and ex vivo neuropathological assessments without compromising the sample for future investigations. We have developed a postmortem MRI protocol for the brain specimens of the Douglas-Bell Canada Brain Bank (DBCBB), the largest brain bank in Canada housing over 3000 neurotypical and diseased brain specimens, that allows for acquisition of high-resolution 3T and 7T MRIs. Our protocol can be used to scan DBCBB specimens with minimal tissue manipulation, allowing for feasibly scanning large numbers of postmortem specimens while retaining the quality of the tissue for downstream histology and immunohistochemistry assessments. We demonstrate the robustness of this protocol in spite of the dependency of image quality on fixation by acquiring data on the first day of extraction and fixation, to over twenty years post fixation. The acquired images can be used to perform volumetric segmentations, cortical thickness measurements, and quantitative analyses which can be potentially used to link MRI-derived and ex vivo histological measures, assaying both the normative organization of the brain and ex vivo measures of pathology.

Abstract Introduction Cerebral microbleeds are small perivascular haemorrhages that can occur in both grey and white matter brain regions. Microbleeds are a marker of cerebrovascular pathology, and are associated with an increased risk of cognitive decline and dementia. Microbleeds can be identified and manually segmented by expert radiologists and neurologists, usually from susceptibility-contrast MRI. The latter is hard to harmonize across scanners, while manual segmentation is laborious, time-consuming, and subject to inter- and intra-rater variabiltiy. Automated techniques so far have shown high accuracy at a neighborhood (“patch”) level at the expense of a high number of false positives voxel-wise lesions. We aimed to develop an automated, more precise microbleeds segmentation tool able to use standardizable MRI contrasts. Methods We first trained a ResNet50 network on another MRI segmentations task (cerberospinal fluid versus background segmentation) using T1-weighted, T2-weighted, and T2* MRI. We then used transfer learning to train the network for the detection of microbleeds with the same contrasts. As a final step, we employed a combination of morphological operators and rules at the local lesion level to remove false positives. Manual segmentations of microbleeds from 78 participants were used to train and validate the system. We assessed the impact of patch size, freezing weights of the initial layers, mini-batch size, learning rate, as well as data augmentation on the performance of the Microbleed ResNet50 network. Results The proposed method achieved a high performance, with a patch-level sensitivity, specificity, and accuracy of 99.57%, 99.16%, and 99.93%, respectively. At a per lesion level, sensitivity, precision, and Dice similarity index values were 89.1%, 20.1%, and 0.28 for cortical GM; 100%, 100%, and 1.0 for deep GM; and 91.1%, 44.3%, and 0.58 for WM, respectively. Discussion The proposed microbleed segmentation method is more suitable for the automated detection of microbleeds with high sensitivity.

Objectives: 1) To automatically segment focal white matter lesions (FWML) and Diffusely abnormal white matter (DAWM), i.e. regions of diffuse abnormality observed on conventional (T2-weighted) MRI and characterize their longitudinal volumetric and normalized T1-weighted (T1w) intensity evolution, 2) To assess associations of FWML and DAWM with Expanded Disability Status Scale (EDSS) and confirmed disability progression (CDP). Methods: Data includes 3951 timepoints of 589 SPMS participants followed for three years. FWML and DAWM were automatically segmented using a 2-weighted-intensity thresholding technique. Screening DAWM volumes that transformed into FWML at the last visit (DAWM-to-FWML) and normalized T1w intensities (as a marker of severity of damage) in those voxels were calculated. Results: FWML volume significantly increased and DAWM volume significantly decreased as disease duration increased (p<0.001). Global EDSS scores were positively associated with FWML volumes (p=0.002), but not with DAWM volumes. Median volume of DAWM-to-FWML was significantly higher in patients who progressed (2.75 vs 1.70 cc; p<0.0001), and represented 14% of the total DAWM volume at screening, compared to 10% in patients who did not progress (p=0.001). Normalized T1w intensity values of DAWM-to-FWML were negatively associated with CDP status (p<0.00001). Conclusion: DAWM transformed into FWML over time, and this transformation was significantly associated with clinical progression. DAWM voxels that transformed had greater normalized T1w intensity decrease over time, in keeping with relatively greater tissue damage evolution. Evaluation of DAWM in progressive MS provides a useful measure to evaluate therapies that aim to protect this at-risk tissue with the potential to slow progression.

Background: Previous histopathology and MRI studies have addressed the differences between focal white matter lesions (FWML) and diffusely abnormal white matter (DAWM) in multiple sclerosis (MS). These two categories of white matter T2-weighted (T2w) hyperintensity show different degrees of demyelination, axonal loss and immune cell density on histopathology, potentially offering distinct correlations with symptoms. Objectives: 1) To automate the separation of FWML and DAWM using T2w MRI intensity thresholds and to investigate their differences in magnetization transfer ratios (MTR), which are sensitive to myelin content; 2) to correlate MTR values in FWML and DAWM with normalized signal intensity values on fluid attenuated inversion recovery (FLAIR), T2w, and T1-weighted (T1w) contrasts, as well as with the ratio of T2w/T1w normalized values, in order to determine whether these normalized intensities can be used as myelin-sensitive markers when MTR is not available. Methods: Using similar 3T MRI protocols, 2 MS cohorts of 20 participants each were scanned in 2 centers, including: 3D T1w (MP2RAGE), 3D FLAIR, 2D T2w, and 3D magnetization-transfer (MT) contrasts. We used the first dataset to develop an automated technique to separate FWML from DAWM and the second one to validate the automation of the technique. We applied the automatic thresholds to both datasets and assessed the overlap of the manual and the automated masks using Dice kappa. We also assessed differences in mean MTR values between NAWM, DAWM and FWML, using manually and automatically derived masks in both datasets. Finally, we used the mean intensity of manually-traced areas of NAWM on T2w images as the normalization factor for each MRI contrast, and compared these with the normalized-intensity values obtained using automated NAWM (A-NAWM) masks as the normalization factor. Paired t-tests assessed the MTR differences across tissue types. Wilcoxon Signed Rank test and paired t-tests assessed FWML and DAWM differences in manual and automated derived volumes. Pearson correlations assessed the relationship between MTR and normalized intensity values in the manual and automated derived masks. Results: The mean Dice-kappa values for dataset 1 were: 0.8 for DAWM masks and 0.7 for FWML masks. In dataset 2, mean Dice-kappa values were: 0.8 for DAWM and 0.8 for FWML. Also, manual and automated DAWM and FWML volumes were not significantly different in both datasets. MTR values (expressed as mean and standard deviation, arbitrary units) were significantly lower in manually derived FWML compared with DAWM in both datasets: 1) FWML: 37.1 +/- 3.2 vs DAWM: 43.3 +/- 2.1; t=13.2; p<0.0001, and 2) FWML: 32.5 +/- 3.9 vs DAWM: 38.8 +/- 1.7; t=9.8; p<0.0001. Similar results were obtained using the automatic derived masks in both datasets: 1) FWML: 35.8 +/- 2.8 vs DAWM: 43.1 +/- 1.6; t=15.3; p<0.0001, and 2) FWML: 31.3 +/- 3.1 vs DAWM: 38.1 +/- 1.5; t=12.8; p<0.0001. MTR was also significantly lower in manually derived DAWM masks compared with normal appearing white matter (NAWM) in both datasets: 1) NAWM: 46.7 +/- 1.3; t=10.1; p<0.0001, and 2) NAWM: 39.3 +/- 0.8; t=3.1; p=0.003. Similar results were obtained using the automatic derived masks in both datasets: 1) NAWM: 46.3 +/- 1.1; t=13.7; p<0.0001, and 2) NAWM: 39.9 +/- 1.1; t=9.6; p<0.0001. In both datasets, manually derived FWML and DAWM MTR values showed significant correlations with normalized FLAIR (r=-0.35 to -0.67; p=0.06 to <0.0001), T2w (r=-0.60 to -0.72; p=0.003 to <0.0001), T1w/T2w (r=0.63 to 0.77; p=0.002 to <0.0001), and T1w (r=0.77 to 0.92; p<0.0001) intensities. Finally, normalized intensity values obtained using automatic derived masks were significantly correlated with the manually derived values in both datasets. Conclusions: The separation of FWML and DAWM on MRI scans of MS patients using automated intensity thresholds on T2w images is feasible. MTR values are significantly lower in FWML than DAWM, and DAWM values are significantly lower than NAWM, reflecting potentially greater demyelination within focal lesions. Normalized intensity values of different MRI contrasts exhibit a significant correlation with MTR values in both tissues of interest and could be used as a proxy to assess demyelination when MTR images are not available.

ABSTRACT Cortical atlases constitute a consistent division of the human cortex into areas that have common structural as well as meaningful and distinctive functional characteristics. The most widely used atlases follow the cytoarchitectonic and myeloarchitectonic characteristics of the cortex and have been combined to the standard anatomical nomenclature of gyri and sulci. More recently, common functional features depicted by resting state functional MRI have also guided the division of the cortical brain in functional regions of interest. However, to date, there are no atlases that divide the cortex considering the common evolutionary changes experienced by the mammalian cortex. Hence, the present study proposes the division of cortical areas into five main regions of interest (ROIs) following a phylogenetic approach: 1- archicortex, 2- paleocortex, 3- peri-archicortex, 4- proisocortex, 5-neocortex, and twelve neocortical sub-ROIs: 5.1.temporopolar, 5.2.post-central, 5.3.pre-central, 5.4.pericalcarine, 5.5.superior temporal, 5.6.middle temporal, 5.7.precuneus, 5.8.insular, 5.9.inferior parietal, 5.10.caudal anterior, 5.11.posterior cingulate, and 5.12.lingual gyrus. The segmentations were done using the T1-weighted MNI-ICBM152 non-linear 6th generation symmetric average brain MRI model.

Objective: White Matter Hyperintensities (WMHs) are associated with cognitive decline in normative aging and Alzheimers disease. However, the pathogenesis of cognitive decline in Parkinsons disease (PD) is not directly related to vascular causes, and therefore the role of WMHs in PD remains unclear. If WMH has a higher impact on cognitive decline in PD, vascular pathology should be assessed and treated with a higher priority in this population. Here we investigate whether WMH leads to increased cognitive decline in PD, and if these effects relate to cortical thinning. Methods: To investigate the role of WMHs in PD, it is essential to study recently-diagnosed/non-treated patients. De novo PD patients and age-matched controls (NPD=365, NControl=174) with FLAIR/T2-weighted scans at baseline were selected from Parkinsons Progression Markers Initiative (PPMI). WMHs and cortical thickness were measured to analyse the relationship between baseline WMHs and future cognitive decline (follow-up:4.09 years) and cortical thinning (follow-up:1.05 years). Results: High WMH load (WMHL) at baseline in PD was associated with increased cognitive decline, significantly more than i) PDs with low WMHL and ii) controls with high WMHL. Furthermore, PD patients with higher baseline WMHL showed more cortical thinning in right frontal lobe than subjects with low WMHL. Cortical thinning of this region also predicted decline in performance on a cognitive test. Interpretation: Presence of WMHs in de novo PD patients predicts greater future cognitive decline and cortical thinning than in normal aging. Recognizing WMHs as a potential predictor of cognitive deficit in PD provides an opportunity for timely interventions.

ABSTRACT Background Histology remains the gold standard to assess human brain biology, so ex vivo studies using tissue from brain banks are standard practice in neuroscientific research. However, a larger number of specimens could be obtained from gross anatomy laboratories. These specimens are fixed with solutions appropriate for dissections, but whether they also preserve brain tissue antigenicity is unclear. Therefore, we perfused mice brains with solutions used for human body preservation to assess and compare the tissue quality and antigenicity of the main cell populations. Methods 28 C57BL/6J mice were perfused with: 4% formaldehyde (FAS, N=9), salt-saturated solution (SSS, N=9), and alcohol-solution (AS, N=10). The brains were cut into 40μm sections for antigenicity analysis and were assessed by immunohistochemistry of four antigens: neuronal nuclei (NeuN), glial fibrillary acidic protein (GFAP-astrocytes), ionized calcium binding adaptor molecule1 (Iba1-microglia), and myelin proteolipid protein (PLP). We compared the fixatives according to multiple variables: perfusion quality, ease of manipulation, tissue quality, immunohistochemistry quality, and antigenicity preservation. Results The perfusion quality was better using FAS and worse using AS. The manipulation was very poor in SSS brains. FAS and AS fixed brains showed higher tissue and immunohistochemistry quality than the SSS brains. All antigens were readily observed in every specimen, regardless of the fixative solution. Conclusion Solutions designed to preserve specimens for human gross anatomy dissections also preserve tissue antigenicity in different brain cells. This offers opportunities for the use of human brains fixed in gross anatomy laboratories to assess normal or pathological conditions. SIGNIFICANCE STATEMENT Neuroscientists currently obtain tissue samples from brain banks. Alternatively, a much larger amount of tissue may be obtained from bodies donated to gross anatomy laboratories. However, they are preserved with different fixative solutions that are used for dissection purposes. We ignore if these solutions also preserve antigenicity of the main cell populations, essential in neuroscientific research. This work is the first to show that two solutions currently used in human gross anatomy laboratories preserve sufficient histological quality, in addition to preserve antigenicity of the main cell populations of the mice brain. This work opens the door to the use of human brain tissue obtained from anatomy laboratories in neuroscientific research.

MRI-histology correlation studies of the ex vivo brain mostly employ fresh, extracted (ex situ) specimens, aldehyde fixed by immersion. This method entails manipulation of the fresh brain during extraction, introducing several disadvantages: deformation of the specimen prior to MRI acquisition; introduction of air bubbles in the sulci, creating artifacts; and uneven or poor fixation of the deeper regions of the brain. We propose a new paradigm to scan the ex vivo brain, exploiting a technique used by anatomists: fixation by whole body perfusion, which implies fixation of the brain in situ. This allows scanning the brain surrounded by fluids, meninges, and skull, thus preserving the structural relationships of the brain in vivo and avoiding the disadvantages of ex situ scanning. Our aims were: 1) to assess whether months of in situ fixation resulted in a loss of fluid around the brain; 2) to evaluate whether in situ fixation modified antigenicity for myelin and neuron specific marker; 3) to assess whether in situ fixation improved the register of ex vivo brain images to standard neuroanatomical templates in pseudo-Talairach space for morphometry studies. Five head specimens fixed with a saturated sodium chloride solution (a non-standard fixative used in our anatomy laboratory for neurosurgical simulation) were employed. We acquired 3D T1-weighted (MPRAGE), 2D fluid-attenuated inversion recovery T2-weighted turbo spin echo (T2w-FLAIR), and 3D gradient-echo (3D-GRE) pulse sequences of all brains on a 1.5T MRI. After brain extraction, sections were processed for binding with myelin basic protein (MBP) and neuronal nuclei (NeuN) primary antibodies by immunofluorescence. This study showed that all but one specimen retained fluids in the subarachnoid and ventricular spaces. The specimen that lost fluid was the oldest one, with the longest interval between the time of death and the MRI scanning day being 403 days. All T1-weighted images were successfully processed through a validated pipeline used with in vivo MRIs. The pipeline did not require any modification to run on the ex vivo-in situ scans. All scans were successfully registered to the brain template, more accurately than an ex vivo-ex situ scan and exhibited positive antigenicity for MBP and NeuN. MRI and histology study of the ex vivo-in situ brain fixed by perfusion is feasible and allows for in situ MRI imaging for of at least 10 months post-mortem prior to histology analyses. Fluids around and inside the brain specimens and antigenicity for myelin and neurons were all well preserved.### Competing Interest Statement

Abstract Background Brain banks provide small tissue samples to researchers, while gross anatomy laboratories could provide larger samples, including complete brains to neuroscientists. However, they are preserved with solutions appropriate for gross-dissection, different from the classic neutral-buffered formalin (NBF) used in brain banks. Our previous work in mice showed that two gross-anatomy laboratory solutions, a saturated-salt-solution (SSS) and an alcohol-formaldehyde-solution (AFS), preserve antigenicity of the main cellular markers. Our goal is now to compare the quality of histology and antigenicity preservation of human brains fixed with NBF by immersion (practice of brain banks) vs. those fixed with a SSS and an AFS by whole body perfusion, practice of gross-anatomy laboratories. Methods We used a convenience sample of 42 brains (31 males, 11 females; 25-90 years old) fixed with NBF (N=12), SSS (N=13), and AFS (N=17). One cm 3 tissue blocks were cut, cryoprotected, frozen and sliced into 40 μm sections. The four cell populations were labeled using immunohistochemistry (neuronal-nuclei (NeuN), glial-fibrillary-acidic-protein (GFAP), ionized-calcium-binding-adaptor-molecule1 (Iba1) and myelin-proteolipid-protein (PLP)). We qualitatively assessed antigenicity and cell distribution, and compared the ease of manipulation of the sections, the microscopic tissue quality, and the quality of common histochemical stains (e.g., Cresyl violet, Luxol fast blue, etc.) across solutions. Results Sections of SSS-fixed brains were more difficult to manipulate and showed poorer tissue quality than those from brains fixed with the other solutions. The four antigens were preserved, and cell labeling was more often homogenous in AFS-fixed specimens. NeuN and GFAP were not always present in the NBF and SSS samples. Some antigens were heterogeneously distributed in some specimens, independently of the fixative, but an antigen retrieval protocol successfully recovered them. Finally, the histochemical stains were of sufficient quality regardless of the fixative, although neurons were more often paler in SSS-fixed specimens. Conclusion Antigenicity was preserved in human brains fixed with solutions used in human gross-anatomy (albeit the poorer quality of SSS-fixed specimens). For some specific variables, histology quality was superior in AFS-fixed brains. Furthermore, we show the feasibility of frequently used histochemical stains. These results are promising for neuroscientists interested in using brain specimens from anatomy laboratories.