Detailed knowledge of the anatomy and connectivity pattern of cortico-basal ganglia circuits is essential to an understanding of abnormal cortical function and pathophysiology associated with a wide range of neurological and neuropsychiatric diseases. We aim to study the spatial extent and topography of human basal ganglia connectivity in vivo . Additionally, we explore at an anatomical level the hypothesis of coexistent segregated and integrative cortico-basal ganglia loops. We use probabilistic tractography on magnetic resonance diffusion weighted imaging data to segment basal ganglia and thalamus in 30 healthy subjects based on their cortical and subcortical projections. We introduce a novel method to define voxel-based connectivity profiles that allow representation of projections from a source to more than one target region. Using this method, we localize specific relay nuclei within predefined functional circuits. We find strong correlation between tractography-based basal ganglia parcellation and anatomical data from previously reported invasive tracing studies in nonhuman primates. Additionally, we show in vivo the anatomical basis of segregated loops and the extent of their overlap in prefrontal, premotor, and motor networks. Our findings in healthy humans support the notion that probabilistic diffusion tractography can be used to parcellate subcortical gray matter structures on the basis of their connectivity patterns. The coexistence of clearly segregated and also overlapping connections from cortical sites to basal ganglia subregions is a neuroanatomical correlate of both parallel and integrative networks within them. We believe that this method can be used to examine pathophysiological concepts in a number of basal ganglia-related disorders.

This paper proposes and tests a technique for imaging orientationally invariant indices of axon diameter and density in white matter using diffusion magnetic resonance imaging. Such indices potentially provide more specific markers of white matter microstructure than standard indices from diffusion tensor imaging. Orientational invariance allows for combination with tractography and presents new opportunities for mapping brain connectivity and quantifying disease processes. The technique uses a four-compartment tissue model combined with an optimized multishell high-angular-resolution pulsed-gradient-spin-echo acquisition. We test the method in simulation, on fixed monkey brains using a preclinical scanner and on live human brains using a clinical 3 T scanner. The human data take about one hour to acquire. The simulation experiments show that both monkey and human protocols distinguish distributions of axon diameters that occur naturally in white matter. We compare the axon diameter index with the mean axon diameter weighted by axon volume. The index differs from this mean and is protocol dependent, but correlation is good for the monkey protocol and weaker, but discernible, for the human protocol where greater diffusivity and lower gradient strength limit sensitivity to only the largest axons. Maps of axon diameter and density indices from the monkey and human data in the corpus callosum and corticospinal tract reflect known trends from histology. The results show orientationally invariant sensitivity to natural axon diameter distributions for the first time with both specialist and clinical hardware. This demonstration motivates further refinement, validation, and evaluation of the precise nature of the indices and the influence of potential confounds.

Abstract Rapid T 1 ‐weighted 3D spoiled gradient‐echo (GRE) data sets were acquired in the abdomen of 23 cancer patients during a total of 113 separate visits to allow dynamic contrast‐enhanced MRI (DCE‐MRI) analysis of tumor microvasculature. The arterial input function (AIF) was measured in each patient at each visit using an automated AIF extraction method following a standardized bolus administration of gadodiamide. The AIFs for each patient were combined to obtain a mean AIF that is representative for any individual. The functional form of this general AIF may be useful for studies in which AIF measurements are not possible. Improvements in the reproducibility of DCE‐MRI model parameters ( K trans , v e , and v p ) were observed when this new, high‐temporal‐resolution population AIF was used, indicating the potential for increased sensitivity to therapy‐induced change. Magn Reson Med, 2006. © 2006 Wiley‐Liss, Inc.

Abstract Purpose: To establish a general methodology for quantifying streamline‐based diffusion fiber tracking methods in terms of probability of connection between points and/or regions. Materials and Methods: The commonly used streamline approach is adapted to exploit the uncertainty in the orientation of the principal direction of diffusion defined for each image voxel. Running the streamline process repeatedly using Monte Carlo methods to exploit this inherent uncertainty generates maps of connection probability. Uncertainty is defined by interpreting the shape of the diffusion orientation profile provided by the diffusion tensor in terms of the underlying microstructure. Results: Two candidates for describing the uncertainty in the diffusion tensor are proposed and maps of probability of connection to chosen start points or regions are generated in a number of major tracts. Conclusion: The methods presented provide a generic framework for utilizing streamline methods to generate probabilistic maps of connectivity. J. Magn. Reson. Imaging 2003;18:242–254. © 2003 Wiley‐Liss, Inc.

Photonic crystals are attracting current interest for a variety of reasons, such as their ability to inhibit the spontaneous emission of light. This and related properties arise from the formation of photonic bandgaps, whereby multiple scattering of photons by lattices of periodically varying refractive indices acts to prevent the propagation of electromagnetic waves having certain wavelengths. One route to forming photonic crystals is to etch two-dimensional periodic lattices of vertical air holes into dielectric slab waveguides. Such structures can show complete photonic bandgaps, but only for large-diameter air holes in materials of high refractive index (such as gallium arsenide, n = 3.69), which unfortunately leads to significantly reduced optical transmission when combined with optical fibres of low refractive index. It has been suggested that quasicrystalline (rather than periodic) lattices can also possess photonic bandgaps. Here we demonstrate this concept experimentally and show that it enables complete photonic bandgaps--non-directional and for any polarization--to be realized with small air holes in silicon nitride (n = 2.02), and even glass (n = 1.45). These properties make photonic quasicrystals promising for application in a range of optical devices.

Recent electrophysiological investigations of the auditory system in primates along with functional neuroimaging studies of auditory perception in humans have suggested there are two pathways arising from the primary auditory cortex. In the primate brain, a 'ventral' pathway is thought to project anteriorly from the primary auditory cortex to prefrontal areas along the superior temporal gyrus while a separate 'dorsal' route connects these areas posteriorly via the inferior parietal lobe. We use diffusion MRI tractography, a noninvasive technique based on diffusion-weighted MRI, to investigate the possibility of a similar pattern of connectivity in the human brain for the first time. The dorsal pathway from Wernicke's area to Broca's area is shown to include the arcuate fasciculus and connectivity to Brodmann area 40, lateral superior temporal gyrus (LSTG), and lateral middle temporal gyrus. A ventral route between Wernicke's area and Broca's area is demonstrated that connects via the external capsule/uncinate fasciculus and the medial superior temporal gyrus. Ventral connections are also observed in the lateral superior and middle temporal gyri. The connections are stronger in the dominant hemisphere, in agreement with previous studies of functional lateralization of auditory-language processing.

Brain atrophy measured by MRI is a potentially useful tool for monitoring disease progression in multiple sclerosis. The location, extent and mechanisms of brain atrophy in early disease are not well documented. Using quantitative MRI, this study investigated whole brain, grey and white matter atrophy in clinically early relapsing–remitting multiple sclerosis and its relationship to lesion measures. Data came from 27 normal control subjects (14 females and 13 males, mean age 36.1 years) and 26 subjects with clinically definite multiple sclerosis (18 females and eight males, mean age 35.1 years, mean delay from first symptom to scan 1.8 years, median Expanded Disability Status Scale score 1.0). All had three‐dimensional fast spoiled gradient recall (3D FSPGR), T1‐weighted pre‐ and post‐gadolinium‐enhanced and T2‐weighted scans. The 3D FSPGR images were automatically segmented into grey and white matter and cerebrospinal fluid using SPM99. 3D FSPGR hypo‐intense, T2 hyper‐intense, T1 hypo‐intense and T1 post‐gadolinium‐enhancing lesion volumes were determined by semi‐automatic lesion segmentation. The SPM99 output was combined with the 3D FSPGR lesion segmentations to quantify tissue volumes as fractions of total intracranial volumes, producing values for the brain parenchymal fraction (BPF), white matter fraction (WMF) and grey matter fraction (GMF). Comparing multiple sclerosis with control subjects, BPF, GMF and WMF were significantly reduced (P < 0.001 for all tissue fractions). Using Pearson correlations, T2 hyper‐intense and T1 hypo‐intense lesion volumes were inversely related to BPF (T2r = –0.78, P < 0.001; T1r = –0.59, P = 0.002) and GMF (T2r = –0.73, P < 0.001; T1 r = –0.53, P = 0.006), but not WMF (T2r = –0.30, P = 0.134; T1r = –0.26, P = 0.199). T1 post‐gadolinium‐enhancing lesion volumes were not correlated with any fractional volumes. These results indicate that significant brain atrophy, affecting both grey and white matter, occurs early in the clinical course of multiple sclerosis. The lack of correlation between lesion load measures and WMF suggests that pathological changes in white matter may occur by mechanisms which are at least partly independent from overt lesion genesis in early multiple sclerosis.

Although there is an emerging consensus that the anterior temporal lobes (ATLs) are involved in semantic memory, it is currently unclear which specific parts of this region are implicated in semantic representation. Answers to this question are difficult to glean from the existing literature for 3 reasons: 1) lesions of relevant patient groups tend to encompass the whole ATL region; 2) while local effects of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) are spatially more specific, only the lateral aspects of the ATL are available to stimulation; and 3) until recently, functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies were hindered by technical limitations such as signal distortion and dropout due to magnetic inhomogeneities and also, in some cases, by methodological factors, including a restricted field of view and the choice of baseline contrast for subtraction analysis. By utilizing the same semantic task across semantic dementia, rTMS, and distortion-corrected fMRI in normal participants, we directly compared the results across the 3 methods for the first time. The findings were highly convergent and indicated that crucial regions within the ATL for semantic representation include the anterior inferior temporal gyrus, anterior fusiform gyrus, and the anterior superior temporal sulcus.

Functional lateralization is a feature of human brain function, most apparent in the typical left-hemisphere specialization for language. A number of anatomical and imaging studies have examined whether structural asymmetries underlie this functional lateralization. We combined functional MRI (fMRI) and diffusion-weighted imaging (DWI) with tractography to study 10 healthy right-handed subjects. Three language fMRI paradigms were used to define language-related regions in inferior frontal and superior temporal regions. A probabilistic tractography technique was then employed to delineate the connections of these functionally defined regions. We demonstrated consistent connections between Broca's and Wernicke's areas along the superior longitudinal fasciculus bilaterally but more extensive fronto-temporal connectivity on the left than the right. Both tract volumes and mean fractional anisotropy (FA) were significantly greater on the left than the right. We also demonstrated a correlation between measures of structure and function, with subjects with more lateralized fMRI activation having a more highly lateralized mean FA of their connections. These structural asymmetries are in keeping with the lateralization of language function and indicate the major structural connections underlying this function.

Background— Extracellular matrix expansion is a key element of ventricular remodeling and a potential therapeutic target. Cardiovascular magnetic resonance (CMR) T 1 -mapping techniques are increasingly used to evaluate myocardial extracellular volume (ECV); however, the most widely applied methods are without histological validation. Our aim was to perform comprehensive validation of (1) dynamic-equilibrium CMR (DynEq-CMR), where ECV is quantified using hematocrit-adjusted myocardial and blood T 1 values measured before and after gadolinium bolus; and (2) isolated measurement of myocardial T 1 , used as an ECV surrogate. Methods and Results— Whole-heart histological validation was performed using 96 tissue samples, analyzed for picrosirius red collagen volume fraction, obtained from each of 16 segments of the explanted hearts of 6 patients undergoing heart transplantation who had prospectively undergone CMR before transplantation (median interval between CMR and transplantation, 29 days). DynEq-CMR–derived ECV was calculated from T 1 measurements made using a modified Look-Locker inversion recovery sequence before and 10 and 15 minutes post contrast. In addition, ECV was measured 2 to 20 minutes post contrast in 30 healthy volunteers. There was a strong linear relationship between DynEq-CMR–derived ECV and histological collagen volume fraction ( P <0.001; within-subject: r =0.745; P <0.001; r 2 =0.555 and between-subject: r =0.945; P <0.01; r 2 =0.893; for ECV calculated using 15-minute postcontrast T 1 ). Correlation was maintained throughout the entire heart. Isolated postcontrast T 1 measurement showed significant within-subject correlation with histological collagen volume fraction ( r =−0.741; P <0.001; r 2 =0.550 for 15-minute postcontrast T 1 ), but between-subject correlations were not significant. DynEq-CMR–derived ECV varied significantly according to contrast dose, myocardial region, and sex. Conclusions— DynEq-CMR–derived ECV shows a good correlation with histological collagen volume fraction throughout the whole heart. Isolated postcontrast T 1 measurement is insufficient for ECV assessment.