Abstract Brain water proton ( 1 H 2 O) longitudinal relaxation time constants ( T 1 ) were obtained from three healthy individuals at magnetic field strengths ( B 0 ) of 0.2 Tesla (T), 1.0T, 1.5T, 4.0T, and 7.0T. A 5‐mm midventricular axial slice was sampled using a modified Look‐Locker technique with 1.5 mm in‐plane resolution, and 32 time points post‐adiabatic inversion. The results confirmed that for most brain tissues, T 1 values increased by more than a factor of 3 between 0.2T and 7T, and over this range were well fitted by T 1 (s) = 0.583( B 0 ) 0.382 , T 1 (s) = 0.857( B 0 ) 0.376 , and T 1 (s) = 1.35( B 0 ) 0.340 for white matter (WM), internal GM, and blood 1 H 2 O, respectively. The ventricular cerebrospinal fluid (CSF) 1 H 2 O T 1 value did not change with B 0 , and its average value (standard deviation (SD)) across subjects and magnetic fields was 4.3 (±0.2) s. The tissue 1/ T 1 values at each field were well correlated with the macromolecular mass fraction, and to a lesser extent tissue iron content. The field‐dependent increases in 1 H 2 O T 1 values more than offset the well‐known decrease in typical MRI contrast reagent (CR) relaxivity, and simulations predict that this leads to lower CR concentration detection thresholds with increased magnetic field. Magn Reson Med 57:308–318, 2007. © 2007 Wiley‐Liss, Inc.

The bulk magnetic susceptibility (BMS) shift of a nuclear resonance frequency caused by a paramagnetic compound is of importance in vivo NMR, both magnetic resonance spectroscopy and magnetic resonance imaging. However, since it is a rather complicated phenomenon, it has been the source of many misinterpretations in the literature. We have reworked and organized the theory of the BMS shift. This includes accounting for the important effects of local susceptibility. We have conducted experiments on phantom samples in order to illustrate the principles involved. Our phantoms consist of capillaries and coaxial cylinders. They simulate the situations of blood vessels oriented parallel and perpendicular to the magnetic field and the interstitial spaces surrounding them. In most of our experiments, the paramagnetic compound was one of several different hyperfine shift reagents for cation resonances. These were chosen to cover a range of potencies, in both magnitude and sign, of the shifts they produce. However, we also used a reagent which was incapable of inducing a hyperfine shift and thus could cause only a BMS shift. Although we report only 23Na spectra in this paper, the latter samples simulate the cases where one observes the water 1H resonance in experiments employing hyperfine shift reagents for cations. There have been a number of such investigations recently reported in the literature. The principles considered in this paper allow us to offer new interpretations for the results of several experiments published in the last few years.

The phenomenon of active trans-membrane water cycling (AWC) has emerged in little over a decade. Here, we consider H2O transport across cell membranes from the origins of its study. Historically, trans-membrane water transport processes were classified into: A) compensating bidirectional fluxes (exchange), and B) unidirectional flux (net flow) categories. Recent literature molecular structure determinations and molecular dynamic (MD) simulations indicate probably all the many different hydrophilic substrate membrane co-transporters have membrane-spanning hydrophilic pathways and co-transport water along with their substrates, and that they individually catalyze category A and/or B water flux processes, although usually not simultaneously. The AWC name signifies that, integrated over the all the cell co-transporters, the rate of homeostatic, bidirectional trans cytolemmal water exchange (category A) is synchronized with the metabolic rate of the crucial Na+,K+ ATPase (NKA) enzyme. A literature survey indicates the stoichiometric (category B) water/substrate ratios of individual co transporters are often very large. The MD simulations also suggest how different co-transporter reactions can be kinetically coupled molecularly. Is this (Na+,K+-ATPase rate-synchronized) cycling futile, or is it consequential? Conservatively representative literature metabolomic and proteinomic results enable comprehensive free energy analyses of the many transport reactions with known water stoichiometries. Free energy calculations, using literature intracellular pressure (Pi) values reveals there is an outward trans membrane H2O barochemical gradient of magnitude comparable to that of the well known inward Na+ electrochemical gradient. For most co-influxers, these gradients are finely balanced to maintain intracellular metabolite concentration values near their consuming enzyme Michaelis constants. The thermodynamic analyses include glucose, glutamate- , gamma-aminobutyric acid (GABA), and lactate- transporters. 2%-4% Pi alterations can lead to disastrous concentration levels. For the neurotransmitters glutamate- and GABA, very small astrocytic Pi changes can allow/disallow synaptic transmission. Unlike the Na+ and K+ electrochemical steady states, the H2O barochemical steady-state is in (or near) chemical equilibrium. The analyses show why the presence of aquaporins (AQPs) does not dissipate the trans-membrane pressure gradient. A feedback loop inherent in the opposing Na+ electrochemical and H2O barochemical gradients regulates AQP-catalyzed water flux as an integral AWC aspect. These results also require a re-consideration of the underlying nature of Pi. Active trans membrane water cycling is not futile, but is inherent to the cell NKA system - a new, fundamental aspect of biology.