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

Background: Transcutaneous spinal direct current stimulation (tsDCS) is a relatively recent method for non-invasively modulating neuronal activity in the human spinal cord. Despite its growing prominence, comprehensive studies addressing its potential adverse effects (AEs) and unspecific effects (UEs) are lacking. Objective: In this study, we conducted a systematic investigation into the potential AEs and UEs of tsDCS in healthy volunteers. Methods: We used a randomized double-blind within-participant design, employing anodal, cathodal and sham tsDCS of the thoracolumbar spinal cord. Our approach involved a newly-developed structured questionnaire (to assess subjectively-reported AEs) in combination with tsDCS-concurrent recording of skin conductance, cardiac and respiratory activity (to assess UEs in bodily state). Results: The most frequently participant-reported AEs were sensations of burning, tingling, and itching, although they were largely described as mild; skin redness (experimenter-reported) occurred even more frequently. Importantly, when comparing AEs between active and sham tsDCS via frequentist and Bayesian analysis approaches, the results were largely in favour of no difference between conditions (with the exception of skin redness). A similar picture emerged for most UE metrics, suggesting that tsDCS does not induce changes in bodily state, at least as measured by our autonomic nervous system metrics. Conclusion: We believe that the strategy employed here could serve as a starting point for a systematic AE and UE assessment in clinical populations, longitudinal designs and when stimulating different spinal sites. Taken together, our results contribute to assessing the tolerability, safety and specificity of tsDCS, in order to further the investigation of spinal cord function in health and disease.

Because the motives behind goal-directed behaviors are often complex, most behaviors result from the interplay between different motives. However, it is unclear how this interplay between multiple motives affects the neural computation of goal-directed behaviors. Using a combination of drift-diffusion modeling and fMRI, we show that the interplay between different social motives changes initial preferences for prosocial behavior before a person makes a behavioral choice. This increase in preferences for the prosocial choice option was tracked by neural responses in the bilateral dorsal striatum, which in turn lowered the amount of information necessary for choosing prosocial behavior. We obtained these results using a paradigm in which each participant performed the same behavior based on different, simultaneously activated motives, or based on each of the motives separately. Thus, our findings provide a model of behavioral choice computation in complex motivational states, i.e., the motivational setting that drives most goal-directed human behaviors.