Diffusion tensor imaging (DTI) is an exciting new MRI modality that can reveal detailed anatomy of the white matter. DTI also allows us to approximate the 3D trajectories of major white matter bundles. By combining the identified tract coordinates with various types of MR parameter maps, such as T2 and diffusion properties, we can perform tract-specific analysis of these parameters. Unfortunately, 3D tract reconstruction is marred by noise, partial volume effects, and complicated axonal structures. Furthermore, changes in diffusion anisotropy under pathological conditions could alter the results of 3D tract reconstruction. In this study, we created a white matter parcellation atlas based on probabilistic maps of 11 major white matter tracts derived from the DTI data from 28 normal subjects. Using these probabilistic maps, automated tract-specific quantification of fractional anisotropy and mean diffusivity were performed. Excellent correlation was found between the automated and the individual tractography-based results. This tool allows efficient initial screening of the status of multiple white matter tracts.

Here, we report the existence of meningeal lymphatic vessels in human and nonhuman primates (common marmoset monkeys) and the feasibility of noninvasively imaging and mapping them in vivo with high-resolution, clinical MRI. On T2-FLAIR and T1-weighted black-blood imaging, lymphatic vessels enhance with gadobutrol, a gadolinium-based contrast agent with high propensity to extravasate across a permeable capillary endothelial barrier, but not with gadofosveset, a blood-pool contrast agent. The topography of these vessels, running alongside dural venous sinuses, recapitulates the meningeal lymphatic system of rodents. In primates, meningeal lymphatics display a typical panel of lymphatic endothelial markers by immunohistochemistry. This discovery holds promise for better understanding the normal physiology of lymphatic drainage from the central nervous system and potential aberrations in neurological diseases.

Multiple sclerosis (MS) lesions that do not resolve in the months after they form harbour ongoing demyelination and axon degeneration, and are identifiable in vivo by their paramagnetic rims on MRI scans1–3. Here, to define mechanisms underlying this disabling, progressive neurodegenerative state4–6 and foster development of new therapeutic agents, we used MRI-informed single-nucleus RNA sequencing to profile the edge of demyelinated white matter lesions at various stages of inflammation. We uncovered notable glial and immune cell diversity, especially at the chronically inflamed lesion edge. We define ‘microglia inflamed in MS’ (MIMS) and ‘astrocytes inflamed in MS’, glial phenotypes that demonstrate neurodegenerative programming. The MIMS transcriptional profile overlaps with that of microglia in other neurodegenerative diseases, suggesting that primary and secondary neurodegeneration share common mechanisms and could benefit from similar therapeutic approaches. We identify complement component 1q (C1q) as a critical mediator of MIMS activation, validated immunohistochemically in MS tissue, genetically by microglia-specific C1q ablation in mice with experimental autoimmune encephalomyelitis, and therapeutically by treating chronic experimental autoimmune encephalomyelitis with C1q blockade. C1q inhibition is a potential therapeutic avenue to address chronic white matter inflammation, which could be monitored by longitudinal assessment of its dynamic biomarker, paramagnetic rim lesions, using advanced MRI methods. Single-nucleus transcriptomics defines a diverse set of immune and glial cells at the chronically inflamed leading edge of demyelinated white matter lesions in patients with multiple sclerosis.

Objective:  Optical coherence tomography (OCT) noninvasively quantifies retinal nerve fiber layer (RNFL) thickness. Studies show RNFL thinning in multiple sclerosis (MS), and we assessed its association with brain atrophy. Methods:  RNFL thickness was measured in 40 patients with MS and 15 controls. Brain parenchymal fraction (BPF) and partial brain volumes were estimated from cranial MRI scans using SIENA-X. Multiple linear regression modeling assessed the association between OCT and MRI measures of atrophy. Results:  Minimum RNFL thickness and subject age together predict 21% (p = 0.005) of the variance in BPF in all patients with MS and 43% (p = 0.003) of the variance in BPF in the subgroup with relapsing remitting MS (RRMS; n = 20). The partial correlation coefficient between BPF and minimum RNFL thickness, controlling for age, is 0.46 (p = 0.003) in all patients with MS and 0.69 (p = 0.001) in patients with RRMS. These associations are driven by CSF volume but not by gray or white matter volume. There is no significant association of these variables among controls. Conclusions:  In multiple sclerosis (MS), retinal nerve fiber layer thickness is associated with brain parenchymal fraction and CSF volume. These data suggest that quantification of axonal thickness in the retina by optical coherence tomography (OCT) provides concurrent information about MRI brain abnormality in MS. OCT should be examined in longitudinal studies to determine if it could be used as an outcome measure in clinical trials of neuroprotective drugs. GLOSSARY: BPF = brain parenchymal fraction; EDSS = Expanded Disability Status Scale; KKI = Kennedy Krieger Institute; MNI = Montreal Neurological Institute; MPRAGE = magnetization-prepared rapid gradient echo; MS = multiple sclerosis; OCT = optical coherence tomography; PPMS = primary progressive MS; RNFL = retinal nerve fiber layer; RRMS = relapsing remitting MS; SPMS = secondary progressive MS; TMV = total macular volume.

Importance

 In multiple sclerosis (MS), chronic active lesions, which previously could only be detected at autopsy, can now be identified on susceptibility-based magnetic resonance imaging (MRI) in vivo as non–gadolinium-enhancing lesions with paramagnetic rims. Pathologically, they feature smoldering inflammatory demyelination at the edge, remyelination failure, and axonal degeneration. To our knowledge, the prospect of long-term in vivo monitoring makes it possible for the first time to determine their contribution to disability and value as a treatment target. 

Objective

 To assess whether rim lesions are associated with patient disability and long-term lesion outcomes. 

Design, Setting, Participants

 We performed 3 studies at the National Institutes of Health Clinical Center: (1) a prospective clinical/radiological cohort of 209 patients with MS (diagnosis according to the 2010 McDonald revised MS criteria, age ≥18 years, with 7-T or 3-T susceptibility-based brain MRI results) who were enrolled from January 2012 to March 2018 (of 209, 17 patients [8%] were excluded because of uninterpretable MRI scans); (2) a radiological/pathological analysis of expanding lesions featuring rims; and (3) a retrospective longitudinal radiological study assessing long-term lesion evolution in 23 patients with MS with yearly MRI scans for 10 years or more (earliest scan, 1992). 

Main Outcomes and Measures

 (1) Identification of chronic rim lesions on 7-T or 3-T susceptibility-based brain MRI in 192 patients with MS and the association of rim counts with clinical disability (primary analysis) and brain volume changes (exploratory analysis). (2) Pathological characterization of 10 expanding lesions from an adult with progressive MS who came to autopsy after 7 years of receiving serial in vivo MRI scans. (3) Evaluation of annual lesion volume change (primary analysis) and T1 times (exploratory analysis) in 27 rim lesions vs 27 rimless lesions. 

Results

 Of 209 participants, 104 (50%) were women and 32 (15%) were African American. One hundred seventeen patients (56%) had at least 1 rim lesion regardless of prior or ongoing treatment. Further, 84 patients (40%) had no rims (mean [SD] age, 47 [14] years), 66 (32%) had 1 to 3 rims (mean [SD] age, 47 [11] years), and 42 (20%) had 4 rims or more (mean [SD] age, 44 [11] years). Individuals with 4 rim lesions or more reached motor and cognitive disability at an earlier age. Normalized volumes of brain, white matter, and basal ganglia were lower in those with rim lesions. Whereas rimless lesions shrank over time (−3.6%/year), rim lesions were stable in size or expanded (2.2%/year;P < .001). Rim lesions had longer T1 times, suggesting more tissue destruction, than rimless lesions. On histopathological analysis, all 10 rim lesions that expanded in vivo had chronic active inflammation. 

Conclusions and Relevance

 Chronic active lesions are common, are associated with more aggressive disease, exert ongoing tissue damage, and occur even in individuals treated with effective disease-modifying therapies. These results prompt the planning of MRI-based clinical trials aimed at treating perilesional chronic inflammation in MS.

While computed tomography and other imaging techniques are measured in absolute units with physical meaning, magnetic resonance images are expressed in arbitrary units that are difficult to interpret and differ between study visits and subjects. Much work in the image processing literature on intensity normalization has focused on histogram matching and other histogram mapping techniques, with little emphasis on normalizing images to have biologically interpretable units. Furthermore, there are no formalized principles or goals for the crucial comparability of image intensities within and across subjects. To address this, we propose a set of criteria necessary for the normalization of images. We further propose simple and robust biologically motivated normalization techniques for multisequence brain imaging that have the same interpretation across acquisitions and satisfy the proposed criteria. We compare the performance of different normalization methods in thousands of images of patients with Alzheimer's disease, hundreds of patients with multiple sclerosis, and hundreds of healthy subjects obtained in several different studies at dozens of imaging centers.

Objective The aim of this work was to determine whether atrophy of specific retinal layers and brain substructures are associated over time, in order to further validate the utility of optical coherence tomography (OCT) as an indicator of neuronal tissue damage in patients with multiple sclerosis (MS). Methods Cirrus high‐definition OCT (including automated macular segmentation) was performed in 107 MS patients biannually (median follow‐up: 46 months). Three‐Tesla magnetic resonance imaging brain scans (including brain‐substructure volumetrics) were performed annually. Individual‐specific rates of change in retinal and brain measures (estimated with linear regression) were correlated, adjusting for age, sex, disease duration, and optic neuritis (ON) history. Results Rates of ganglion cell + inner plexiform layer (GCIP) and whole‐brain (r = 0.45; p < 0.001), gray matter (GM; r = 0.37; p < 0.001), white matter (WM; r = 0.28; p = 0.007), and thalamic (r = 0.38; p < 0.001) atrophy were associated. GCIP and whole‐brain (as well as GM and WM) atrophy rates were more strongly associated in progressive MS (r = 0.67; p < 0.001) than relapsing‐remitting MS (RRMS; r = 0.33; p = 0.007). However, correlation between rates of GCIP and whole‐brain (and additionally GM and WM) atrophy in RRMS increased incrementally with step‐wise refinement to exclude ON effects; excluding eyes and then patients (to account for a phenotype effect), the correlation increased to 0.45 and 0.60, respectively, consistent with effect modification. In RRMS, lesion accumulation rate was associated with GCIP (r = −0.30; p = 0.02) and inner nuclear layer (r = −0.25; p = 0.04) atrophy rates. Interpretation Over time GCIP atrophy appears to mirror whole‐brain, and particularly GM, atrophy, especially in progressive MS, thereby reflecting underlying disease progression. Our findings support OCT for clinical monitoring and as an outcome in investigative trials. Ann Neurol 2015;78:Ann Neurol 2015;78:679–696

We describe a new fully automatic method for the segmentation of brain images that contain multiple sclerosis white matter lesions. Multichannel magnetic resonance images are used to delineate multiple sclerosis lesions while segmenting the brain into its major structures. The method is an atlas-based segmentation technique employing a topological atlas as well as a statistical atlas. An advantage of this approach is that all segmented structures are topologically constrained, thereby allowing subsequent processing such as cortical unfolding or diffeomorphic shape analysis techniques. Evaluation with both simulated and real data sets demonstrates that the method has an accuracy competitive with state-of-the-art MS lesion segmentation methods, while simultaneously segmenting the whole brain.

An international group of neurologists and radiologists developed revised guidelines for standardized brain and spinal cord MR imaging for the diagnosis and follow-up of MS. A brain MR imaging with gadolinium is recommended for the diagnosis of MS. A spinal cord MR imaging is recommended if the brain MR imaging is nondiagnostic or if the presenting symptoms are at the level of the spinal cord. A follow-up brain MR imaging with gadolinium is recommended to demonstrate dissemination in time and ongoing clinically silent disease activity while on treatment, to evaluate unexpected clinical worsening, to re-assess the original diagnosis, and as a new baseline before starting or modifying therapy. A routine brain MR imaging should be considered every 6 months to 2 years for all patients with relapsing MS. The brain MR imaging protocol includes 3D T1-weighted, 3D T2-FLAIR, 3D T2-weighted, post-single-dose gadolinium-enhanced T1-weighted sequences, and a DWI sequence. The progressive multifocal leukoencephalopathy surveillance protocol includes FLAIR and DWI sequences only. The spinal cord MR imaging protocol includes sagittal T1-weighted and proton attenuation, STIR or phase-sensitive inversion recovery, axial T2- or T2*-weighted imaging through suspicious lesions, and, in some cases, postcontrast gadolinium-enhanced T1-weighted imaging. The clinical question being addressed should be provided in the requisition for the MR imaging. The radiology report should be descriptive, with results referenced to previous studies. MR imaging studies should be permanently retained and available. The current revision incorporates new clinical information and imaging techniques that have become more available.

Multiple sclerosis (MS) is a demyelinating, autoimmune disease of the central nervous system. While work has focused on myelin and axon loss in MS, less is known about mechanisms underlying synaptic changes. Using postmortem human MS tissue, a preclinical nonhuman primate model of MS, and two rodent models of demyelinating disease, we investigated synapse changes in the visual system. Similar to other neurodegenerative diseases, microglial synaptic engulfment and profound synapse loss were observed. In mice, synapse loss occurred independently of local demyelination and neuronal degeneration but coincided with gliosis and increased complement component C3, but not C1q, at synapses. Viral overexpression of the complement inhibitor Crry at C3-bound synapses decreased microglial engulfment of synapses and protected visual function. These results indicate that microglia eliminate synapses through the alternative complement cascade in demyelinating disease and identify a strategy to prevent synapse loss that may be broadly applicable to other neurodegenerative diseases. VIDEO ABSTRACT.