Various magnetic resonance (MR) techniques are used to study the pathological evolution of demyelinating diseases, such as multiple sclerosis (MS). However, few studies have validated MR derived measurements with histopathology. Here, we determine the correlation of myelin water imaging, an MR measure of myelin content, with quantitative histopathologic measures of myelin density. The multi-component T 2 distribution of water was determined from 25 formalin-fixed MS brain samples using a multi-echo T 2 relaxation MR experiment. The myelin water fraction (MWF), defined as T 2 signal below 30 milliseconds divided by the total signal, was determined for various regions of interest and compared to Luxol fast blue (myelin stain) mean optical density (OD) for each sample. MWF had a strong correlation with myelin stain [mean (range) R 2 -/0.67 (0.45+ 0.92)], validating MWF as a measure of myelin density. This quantitative technique has many practical applications for the in vivo monitoring of demyelination and remyelination in a variety of disorders of myelin.

Myelin water imaging (MWI) promises to be invaluable in understanding neurological diseases like MS. However, a limitation of MWI is signal to noise ratio. Recently, a number of investigators have performed MWI at field strengths higher than 1.5 T. Our goal was to determine if myelin water imaging at increased SNR, arising from the use of a small bore 7 T MR system with optimized coil geometry, enables the production of superior myelin water maps with increased spatial detail and enables better correlations with histology. Ten formalin-fixed MS brain samples underwent a 32-echo T2 relaxation experiment which measured myelin water fraction (MWF) on a 7-T animal MRI scanner. MWF correlated strongly qualitatively and quantitatively with luxol fast blue staining for myelin [mean (range): R2 = 0.78 (0.56–0.95), p < 0.0001]. The quality and detail of 7 T myelin water maps were far superior to that previously seen at 1.5 T, allowing for visualization of fine structures such as the normal prominent myelination of the deeper cortical layers, the alveus of the hippocampus and rings of preserved myelin in a concentric Balo's lesion. 7 T imaging will allow detailed assessment of myelin pathology to a degree not possible with lower field strengths.

T2 weighting is particularly sensitive, but notoriously unspecific, to a wide range of brain pathologies. However, careful measurement and analysis of the T2 decay curve from brain tissue promise to provide much improved pathological specificity. In vivo T2 measurement requires accurate 180 pulses and appropriate manipulation of stimulated echoes; the most common approach is to acquire multiple echoes from a single slice. The T2 distribution, a plot of component amplitude as a function of T2, can be estimated using an algorithm capable of fitting a multi-exponential T2 decay with no a priori assumptions about the number of exponential components. T2 distributions from normal brain show peaks from myelin water, intra/extracellular water and cerebral spinal fluid; they can be used to provide estimates of total water content (total area under the T2 distribution) and myelin water fraction (MWF, fractional area under the myelin water peak), a measure believed to be related to myelin content. Experiments on bovine brain suggest that magnetization exchange between water pools plays a minor role in the T2 distribution. Different white matter structures have different MWFs. In normal white matter (NWM), MWF is not correlated with the magnetization transfer ratio (MTR) or the diffusion tensor fractional anisotropy (FA); hence it provides unique information about brain microstructure. Normal-appearing white matter (NAWM) in multiple sclerosis (MS) brain possesses a higher water content and lower MWF than controls, consistent with histopathological findings. Multiple sclerosis lesions demonstrate great heterogeneity in MWF, presumably due to varying myelin contents of these focal regions of pathology. Subjects with schizophrenia were found to have significantly reduced MWF in the minor forceps and genu of the corpus callosum when compared to controls, suggesting that reduced frontal lobe myelination plays a role in schizophrenia. In normal controls, frontal lobe myelination was positively correlated with both age and education; this result was not observed in subjects with schizophrenia. A strong correlation between MWF and the optical density from the luxol fast blue histological stain for myelin was observed in formalin-fixed brain, supporting the use of the MWF as an in vivo myelin marker.

Abstract Background Injury to brain myelin disrupts motor performance and learning, however it is not clear if myelination is modulated by skilled motor practice or by recovery after stroke. Multi-component relaxation imaging can be used to measure water trapped between myelin bilayers which is expressed as myelin water fraction. The purpose of this study was to examine the effect of experience-dependent learning on myelin plasticity using multi-component relaxation imaging in individuals with stroke. Methods Thirty-two individuals with chronic stroke (>6 months) and twenty-seven healthy controls completed 4 weeks of skilled motor practice using a complex, gamified reaching task. Multi-component relaxation imaging-derived myelin water fraction was obtained before and after training. Seven brain regions associated with motor learning and sensorimotor function were investigated. Results All participants improved task-specific reaching movements after training. In individuals with stroke: 1) pre-training myelin water fraction was lower in motor brain regions but higher in the cingulum compared to controls, 2) pre-training myelin water fraction in motor and sensorimotor regions was positively associated with learning rate, and 3) myelin water fraction was increased in the ipsilesional (contralateral to the trained arm) superior longitudinal fasciculus following skilled motor practice. Conclusions Findings indicate that after stroke, myelin water fraction is related to measures of motor learning and modulated by 4 weeks of skilled motor practice with the paretic limb. Myelin water fraction can be enhanced in the chronic stage of stroke and may be an important target for upper-limb motor recovery.

Motivation: Improved sensitivity to changes in myelin membranes may be achieved by phosphorous (31P) solid-state NMR (ssNMR), enabling more direct evaluation of neurodegeneration. Goal(s): To demonstrate how ssNMR proton cross-polarization (CP) may be more sensitive to membrane morphology than 31P alone. Approach: Using porcine neural tissue, we conducted a series of 31P ssNMR experiments that characterize the myelin phospholipid involvement in 31P-CP and CP&rsquo;s sensitivity to variations in membrane composition, orientation, and dynamics. Results: The CP signal is highly sensitive to the amount and orientation of myelin between grey and white matter samples across neural regions, and may better detect changes in membrane structure. Impact: Improved sensitivity to subtle variations in myelin membrane morphology using the 31P ssNMR method of CP has the potential for in vivo MRI use, and could lead to earlier diagnosis, as well as enhanced disease and treatment monitoring.

Motivation: Progression in neurodegenerative diseases such as multiple sclerosis (MS) involves tissue damage invisible on conventional MRI scans. Quantitative measures of tissue microstructure may be more informative. Goal(s): To segment MS brain MRI data based on quantitative microstructural MRI measures without spatial input. Approach: 23 MS brain scans were segmented based on clustering healthy quantitative data using an unsupervised Clustering for Anatomical Quantification and Evaluation (CAQE) framework. Classifications of lesions and normal appearing tissue were compared to a healthy atlas segmentation. Results: MS brains showed several differences from healthy classification in normal-appearing regions on conventional MRIs. Periventricular lesions were generally classified consistently. Impact: Using only microstructural features, the CAQE framework can classify diseased tissue in more detail than conventional segmentation algorithms based on qualitative MRI scans, and provide useful information for improved diagnosis, follow-up and more personalized care.

Motivation: A short TR is often used in clinical MRS brain studies, leading to T1-weighting of metabolites and inaccurate T1 correction. Goal(s): To determine the optimal balance between scan time and TR that minimizes T1-weighting effects when using semi-LASER MRS. Approach: SNR and metabolite concentrations were compared for TRs of 2, 5 and 8s using FSL-MRS. Results: A TR of 5s provides a good balance of scan time, SNR and signal recovery. For a similar scan time, TR of 2s leads to incomplete signal recovery and thus heavy T1 weighting, while a TR of 8s results in complete signal recovery but reduced SNR. Impact: For MRS studies using semi-LASER, our work informs scientists and clinicians on the issues of using a short TR, and recommends the optimal scan parameters to use while implementing the newly available FSL-MRS analysis package.

Motivation: The potential of phosphorous MRI to enhance in vivo myelin detection and improve neurodegenerative disease diagnosis inspired our project. However, the challenge lies in transferring the solid phosphorus signal to aqueous protons for MRI measurement. Goal(s): To demonstrate the feasibility of detecting an aqueous proton signal originating from myelin phosphorous, providing a proof of principle result. Approach: We employed gradients in solid-state NMR experiments to investigate signal transfer between aqueous proton signal originating from myelin phosphorous, incorporating encoding and decoding gradients. Results: While individual transfer steps were successful, the complete transfer experiment yielded an unexpected negative result, indicating that further investigation is needed. Impact: The successful transfer of signal from phosphorous in myelin to aqueous hydrogen would lead to a new method for direct myelin detection. This could potentially offer earlier and more direct measurements of demyelination, benefiting those with neurodegenerative diseases.

Motivation: Following spinal cord injury (SCI) changes in tissue microstructure occur throughout the length of the cord which are not detectable with conventional MRI. Goal(s): To characterize whole cord diffusion MRI metrics in human SCI post-mortem tissue, including the effect of injury-to-death interval on diffusion MRI metrics. Approach: Two full-length spinal cords were imaged at 7T. DTI and ActiveAx metrics were extracted from white matter tracts. Results: Changes in fractional anisotropy, axon density, and axon diameter were observed downstream of the injury epicentre in the case with a longer injury-to-death interval. Transience in diffusion metrics may indicate the extent of axonal degeneration and swelling. Impact: Diffusion MRI may be a useful tool in understanding the extent and progression of spinal cord injury. Insight into axonal swelling and degeneration following spinal cord injury could aid clinicians in predicting patient prognosis.