Abstract The spinal cord is of fundamental importance for integrative processing in brain-body communication, yet routine non-invasive recordings in humans are hindered by vast methodological challenges. Here we overcome these challenges by developing an easy-to-use electrophysiological approach based on high-density multi-channel spinal recordings combined with multivariate spatial-filtering analyses. These advances enable a spatiotemporal characterization of spinal cord responses and demonstrate a sensitivity that permits assessing even single-trial responses. To furthermore enable the study of integrative processing along the neural processing hierarchy in somatosensation, we expand this approach by simultaneous peripheral, spinal and cortical recordings and provide direct evidence that bottom-up integrative processing occurs already within the spinal cord and thus after the first synaptic relay in the central nervous system. Finally, we demonstrate the versatility of this approach by providing non-invasive recordings of nociceptive spinal cord responses during heat-pain stimulation. Beyond establishing a new window on human spinal cord function at millisecond timescale, this work provides the foundation to study brain-body communication in its entirety in health and disease.

Abstract The investigation of spontaneous fluctuations of the blood-oxygen-level-dependent (BOLD) signal has recently been extended from the brain to the spinal cord, where it has stimulated interest from a clinical perspective. A number of resting-state functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies have demonstrated robust functional connectivity between the time series of BOLD fluctuations in bilateral dorsal horns and between those in bilateral ventral horns, in line with the functional neuroanatomy of the spinal cord. A necessary step prior to extension to clinical studies is assessing the reliability of such resting-state signals, which we aimed to do here in a group of 45 healthy young adults at the clinically prevalent field strength of 3T. When investigating connectivity in the entire cervical spinal cord, we observed fair to good reliability for dorsal-dorsal and ventral-ventral connectivity, whereas reliability was poor for within- and between-hemicord dorsal-ventral connectivity. Considering how prone spinal cord fMRI is to noise, we extensively investigated the impact of distinct noise sources and made two crucial observations: removal of physiological noise led to a reduction in functional connectivity strength and reliability – due to the removal of stable and participant-specific noise patterns – whereas removal of thermal noise considerably increased the detectability of functional connectivity without a clear influence on reliability. Finally, we also assessed connectivity within spinal cord segments and observed that while the pattern of connectivity was similar to that of whole cervical cord, reliability at the level of single segments was consistently poor. Taken together, our results demonstrate the presence of reliable resting-state functional connectivity in the human spinal cord even after thoroughly accounting for physiological and thermal noise, but at the same time urge caution if focal changes in connectivity (e.g. due to segmental lesions) are to be studied, especially in a longitudinal manner.

Abstract Functional magnetic resonance imaging (fMRI) of the human spinal cord faces many challenges, such as signal loss due to local magnetic field inhomogeneities. This issue can be addressed with slice-specific z-shimming, which compensates for the dephasing effect of the inhomogeneities using a slice-specific gradient pulse. Here, we aim to address outstanding issues regarding this technique by evaluating its effects on several aspects that are directly relevant for spinal fMRI and by developing two automated procedures in order to improve upon the time-consuming and subjective nature of manual selection of z-shims: one procedure finds the z-shim that maximizes signal intensity in each slice of an EPI reference-scan and the other finds the through-slice field inhomogeneity for each EPI-slice in field map data and calculates the required compensation gradient moment. We demonstrate that the beneficial effects of z-shimming are apparent across different echo times, hold true for both the dorsal and ventral horn, and are also apparent in the temporal signal-to-noise ratio (tSNR) of EPI time-series data. Both of our automated approaches were faster than the manual approach, lead to significant improvements in gray matter tSNR compared to no z-shimming and resulted in beneficial effects that were stable across time. While the field-map-based approach performed slightly worse than the manual approach, the EPI-based approach performed as well as the manual one and was furthermore validated on an external corticospinal data-set (N>100). Together, automated z-shimming may improve the data quality of future spinal fMRI studies and lead to increased reproducibility in longitudinal studies.

The application of functional magnetic resonance imaging (fMRI) to the human spinal cord is still a relatively small field of research and faces many challenges. Here we aimed to probe the limitations of task-based spinal fMRI at 3T by investigating the reliability of spinal cord blood oxygen level dependent (BOLD) responses to repeated nociceptive stimulation across two consecutive days in 40 healthy volunteers. We assessed the test-retest reliability of subjective ratings, autonomic responses, and spinal cord BOLD responses to short heat pain stimuli (1s duration) using the intraclass correlation coefficient (ICC). At the group level, we observed robust autonomic responses as well as spatially specific spinal cord BOLD responses at the expected location, but no spatial overlap in BOLD response patterns across days. While autonomic indicators of pain processing showed good-to-excellent reliability, both