The ability to detect brain anatomy and pathophysiology with MRI is limited by the contrast-to-noise ratio (CNR), which depends on the contrast mechanism used and the spatial resolution. In this work, we show that in MRI of the human brain, large improvements in contrast to noise in high-resolution images are possible by exploiting the MRI signal phase at high magnetic field strength. Using gradient-echo MRI at 7.0 tesla and a multichannel detector, a nominal voxel size of 0.24 × 0.24 × 1.0 mm 3 (58 nl) was achieved. At this resolution, a strong phase contrast was observed both between as well as within gray matter (GM) and white matter (WM). In gradient-echo phase images obtained on normal volunteers at this high resolution, the CNR between GM and WM ranged from 3:1 to 20:1 over the cortex. This CNR is an almost 10-fold improvement over conventional MRI techniques that do not use image phase, and it is an ≈100-fold improvement when including the gains in resolution from high-field and multichannel detection. Within WM, phase contrast appeared to be associated with the major fiber bundles, whereas contrast within GM was suggestive of the underlying layer structure. The observed phase contrast is attributed to local variations in magnetic susceptibility, which, at least in part, appeared to originate from iron stores. The ability to detect cortical substructure from MRI phase contrast at high field is expected to greatly enhance the study of human brain anatomy in vivo .

Imagining motor acts is a cognitive task that engages parts of the executive motor system. While motor imagery has been intensively studied using neuroimaging techniques, most studies lack behavioral observations. Here, we used functional MRI to compare the functional neuroanatomy of motor execution and imagery using a task that objectively assesses imagery performance. With surface electromyographic monitoring within a scanner, 10 healthy subjects performed sequential finger-tapping movements according to visually presented number stimuli in either a movement or an imagery mode of performance. We also examined effects of varied and fixed stimulus types that differ in stimulus dependency of the task. Statistical parametric mapping revealed movement-predominant activity, imagery-predominant activity, and activity common to both movement and imagery modes of performance (movement-and-imagery activity). The movement-predominant activity included the primary sensory and motor areas, parietal operculum, and anterior cerebellum that had little imagery-related activity (−0.1 ∼ 0.1%), and the caudal premotor areas and area 5 that had mild-to-moderate imagery-related activity (0.2 ∼ 0.7%). Many frontoparietal areas and posterior cerebellum demonstrated movement-and-imagery activity. Imagery-predominant areas included the precentral sulcus at the level of middle frontal gyrus and the posterior superior parietal cortex/precuneus. Moreover, activity of the superior precentral sulcus and intraparietal sulcus areas, predominantly on the left, was associated with accuracy of the imagery task performance. Activity of the inferior precentral sulcus (area 6/44) showed stimulus-type effect particularly for the imagery mode. A time-course analysis of activity suggested a functional gradient, which was characterized by a more “executive” or more “imaginative” property in many areas related to movement and/or imagery. The results from the present study provide new insights into the functional neuroanatomy of motor imagery, including the effects of imagery performance and stimulus-dependency on brain activity.

Abstract Recent blood oxygenation level dependent functional MRI (BOLD fMRI) studies of the human brain have shown that in the absence of external stimuli, activity persists in the form of distinct patterns of temporally correlated signal fluctuations. In this work, we investigated the spontaneous BOLD signal fluctuations during states of reduced consciousness such as drowsiness and sleep. For this purpose, we performed BOLD fMRI on normal subjects during varying levels of consciousness, from resting wakefulness to light (non‐slow wave) sleep. Depth of sleep was determined based on concurrently acquired EEG data. During light sleep, significant increases in the fluctuation level of the BOLD signal were observed in several cortical areas, among which visual cortex was the most significant. Correlations among brain regions involved with the default‐mode network persisted during light sleep. These results suggest that activity in areas such as the default‐mode network and primary sensory cortex, as measured from BOLD fMRI fluctuations, does not require a level of consciousness typical of wakefulness. Hum Brain Mapp, 2008. © 2007 Wiley‐Liss, Inc.

Demyelination is a common pathological finding in human neurological diseases and frequently persists as a result of failure of endogenous repair. Transplanted oligodendrocytes and their precursor cells can (re)myelinate axons, raising the possibility of therapeutic intervention. The migratory capacity of transplanted cells is of key importance in determining the extent of (re)myelination and can, at present, be evaluated only by using invasive and irreversible procedures. We have exploited the transferrin receptor as an efficient intracellular delivery device for magnetic nanoparticles, and transplanted tagged oligodendrocyte progenitor cells into the spinal cord of myelin-deficient rats. Cell migration could be easily detected by using three-dimensional magnetic resonance microscopy, with a close correlation between the areas of contrast enhancement and the achieved extent of myelination. The present results demonstrate that magnetic resonance tracking of transplanted oligodendrocyte progenitors is feasible; this technique has the potential to be easily extended to other neurotransplantation studies involving different precursor cell types.

Heart rate fluctuations occur in the low-frequency range (< 0.1 Hz) probed in functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies of resting-state functional connectivity and most fMRI block paradigms and may be related to low-frequency blood-oxygenation-level-dependent (BOLD) signal fluctuations. To investigate this hypothesis, temporal correlations between cardiac rate and resting-state fMRI signal timecourses were assessed at 3 T. Resting-state BOLD fMRI and accompanying physiological data were acquired and analyzed using cross-correlation and regression. Time-shifted cardiac rate timecourses were included as regressors in addition to established physiological regressors (RETROICOR (Glover, G.H., Li, T.Q., Ress, D., 2000. Image-based method for retrospective correction of physiological motion effects in fMRI: RETROICOR. Magn Reson Med 44, 162–167) and respiration volume per unit time (Birn, R.M., Diamond, J.B., Smith, M.A., Bandettini, P.A., 2006b. Separating respiratory-variation-related fluctuations from neuronal-activity-related fluctuations in fMRI. NeuroImage 31, 1536–1548). Significant correlations between the cardiac rate and BOLD signal timecourses were revealed, particularly negative correlations in gray matter at time shifts of 6–12 s and positive correlations at time shifts of 30–42 s (TR = 6 s). Regressors consisting of cardiac rate timecourses shifted by delays of between 0 and 24 s explained an additional 1% of the BOLD signal variance on average over the whole brain across 9 subjects, a similar additional variance to that explained by respiration volume per unit time and RETROICOR regressors, even when used in combination with these other physiological regressors. This suggests that including such time-shifted cardiac rate regressors will be beneficial for explaining physiological noise variance and will thereby improve the statistical power in future task-based and resting-state fMRI studies.

Abstract Phase images in susceptibility‐weighted MRI of brain provide excellent contrast. However, the phase is affected by tissue geometry and orientation relative to the main magnetic field ( B 0 ), and phase changes extend beyond areas of altered susceptibility. Magnetic susceptibility, on the other hand, is an intrinsic tissue property, closely reflecting tissue composition. Therefore, recently developed inverse Fourier‐based methods were applied to calculate susceptibility maps from high‐resolution phase images acquired at a single orientation at 7 T in the human brain (in vivo and fixed) and at 11.7 T in fixed marmoset brain. In susceptibility images, the contrast of cortical layers was more consistent than in phase images and was independent of the structures' orientation relative to B 0 . The contrast of iron‐rich deep‐brain structures (red nucleus and substantia nigra) in susceptibility images agreed more closely with iron‐dominated R images than the phase image contrast, which extended outside the structures. The mean susceptibility in these regions was significantly correlated with their estimated iron content. Susceptibility maps calculated using this method overcome the orientation‐dependence and non‐locality of phase image contrast and seem to reflect underlying tissue composition. Susceptibility images should be easier to interpret than phase images and could improve our understanding of the sources of susceptibility contrast. Magn Reson Med, 2009. © 2009 Wiley‐Liss, Inc.

The occlusion of the middle cerebral artery was used as an experimental acute stroke model in 30 cats. The diffusion of water was followed by diffusion-sensitized MRI between 1 and 15 h after induction of stroke. It is demonstrated that images representing the trace of the diffusion tensor provide a much more accurate delineation of affected area than images representing the diffusion in one direction only. The reason is that the strong contrast caused by the anisotropy and orientation of myelin fibers is completely removed in the trace of the diffusion tensor. The trace images show a small contrast between white and gray matter. The diffusion coefficient of white matter is decreased in acute stroke to approximately the same extent as gray matter. It is further shown that the average lifetime of water in extra and intracellular space is shorter than 20 ms both for healthy and ischemic tissue indicating that myelin fibers are permeable to water. The anisotropy contrast did not change before or after induction of stroke, nor after sacrifice. Together, these observations are consistent with the view that the changes in water diffusion during acute stroke are directly related to cytotoxic oedema, i.e., to the change in relative volume of intra- and extracellular spaces. Changes in membrane permeability do not appear to contribute significantly to the changes in diffusion.

Recent advances in high-field MRI have dramatically improved the visualization of human brain anatomy in vivo. Most notably, in cortical gray matter, strong contrast variations have been observed that appear to reflect the local laminar architecture. This contrast has been attributed to subtle variations in the magnetic properties of brain tissue, possibly reflecting varying iron and myelin content. To establish the origin of this contrast, MRI data from postmortem brain samples were compared with electron microscopy and histological staining for iron and myelin. The results show that iron is distributed over laminae in a pattern that is suggestive of each region’s myeloarchitecture and forms the dominant source of the observed MRI contrast.

A number of recent studies of human brain activity using blood-oxygen-level-dependent (BOLD) fMRI and EEG have reported the presence of spatiotemporal patterns of correlated activity in the absence of external stimuli. Although these patterns have been hypothesized to contain important information about brain architecture, little is known about their origin or about their relationship to active cognitive processes such as conscious awareness and monitoring of the environment. In this study, we have investigated the amplitude and spatiotemporal characteristics of resting-state activity patterns and their dependence on the subjects' alertness. For this purpose, BOLD fMRI was performed at 3.0 T on 12 normal subjects using a visual stimulation protocol, followed by a 27 min rest period, during which subjects were allowed to fall asleep. In subjects who were asleep at the end of the scan, we found (a) a higher amplitude of BOLD signal fluctuation during rest compared with subjects who were awake at the end of the scan; (b) spatially independent patterns of correlated activity that involve all of gray matter, including deep brain nuclei; (c) many patterns that were consistent across subjects; (d) that average percentage levels of fluctuation in visual cortex (VC) and whole brain were higher in subjects who were asleep (up to 1.71% and 1.16%, respectively) than in those who were awake (up to 1.15% and 0.96%) at the end of the scan and were comparable with those levels evoked by intense visual stimulation (up to 1.85% and 0.76% for two subject groups); (e) no confirmation of correlation, positive or negative, between thalamus and VC found in earlier studies. These findings suggest that resting-state activity continues during sleep and does not require active cognitive processes or conscious awareness.