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.

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.

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

Abstract Stress is an important trigger for brain plasticity: Acute stress can rapidly affect brain activity and functional connectivity, and chronic or pathological stress has been associated with structural brain changes. Measures of structural magnetic resonance imaging (MRI) can be modified by short-term motor learning or visual stimulation, suggesting that they also capture rapid brain changes. Here, we investigated volumetric brain changes (together with changes in T1 relaxation rate and cerebral blood flow) after acute stress in humans as well as their relation to psychophysiological stress measures. Sixty-seven healthy men (25.8±2.7 years) completed a standardized psychosocial laboratory stressor (Trier Social Stress Test) or a control version while blood, saliva, heart rate, and psychometrics were sampled. Structural MRI (T1 mapping / MP2RAGE sequence) at 3T was acquired 45 min before and 90 min after intervention onset. Grey matter volume (GMV) changes were analysed using voxel-based morphometry. Associations with endocrine, autonomic, and subjective stress measures were tested with linear models. We found significant group-by-time interactions in several brain clusters including anterior/mid-cingulate cortices and bilateral insula: GMV was increased in the stress group relative to the control group, in which several clusters showed a GMV decrease. We found a significant group-by-time interaction for cerebral blood flow, and a main effect of time for T1 values (longitudinal relaxation time). In addition, GMV changes were significantly associated with state anxiety and heart rate variability changes. Such rapid GMV changes assessed with VBM may be induced by local tissue adaptations to changes in energy demand following neural activity. Our findings suggest that endogenous brain changes are counteracted by acute psychosocial stress, which emphasizes the importance of considering homeodynamic processes and generally highlights the influence of stress on the brain. Highlights We investigated rapid brain changes using MRI in a stress and a control group VBM-derived GMV showed a significant group-by-time interaction in several clusters Main pattern: GMV in the stress group increased relative to the control group, in which GMV decreased GMV changes across groups were associated with state anxiety and heart rate variability Neither cerebral blood flow, nor T1 values fully account for the VBM results

Motivation: Knowledge of gradient transfer functions in situ would allow predictions about the auditory spectrum of arbitrary MRI sequences during execution, to achieve individualized assessments of potentially harmful sound levels or damaging vibrations of the gradient coil. Goal(s): Our goal was to enable the integration of appropriate sound or vibration measurements into the routine operation of a scanner. Approach: A modulator box was developed that emulates a receiver coil and permits the simultaneous digitization of variable sensor signals (e.g., microphones and accelerometers) by the scanner's ADC. Results: Realistic gradient-to-acoustic-noise and gradient-to-vibration transfer functions were determined without the need of synchronizing external devices. Impact: A versatile hardware concept has been developed that allows integration into a clinical scanner and prediction of the sound level inside the bore from the frequency spectrum of the input signal defined by the pulse sequence during scanning.

Post-mortem diffusion MRI (dMRI) enables high SNR (signal-to-noise ratio) images with high spatial resolution - at the expense of longer scanning times. The typically used segmented image acquisition leads to an incomplete signal decay before continuing the MR coding. Especially in diffusion-weighted MRI, with low signal intensities and lengthy contrast encoding, such inefficiency translates into reduced image quality and longer scanning times. This study introduces Multi Echo (ME) acquisitions to dMRI - a time-efficient approach, which increases SNR and reduces noise bias for dMRI images. The benefit of the introduced ME dMRI method were validated using Monte Carlo simulations and applied on a post mortem wild chimpanzee brain. The proposed strategy comes at a small price in scanning time (here 30% additional) and leads to increased SNR (here 1.9x) and a general reduction of the noise bias.

Abstract Unlike the positive blood oxygenation level-dependent (BOLD) response (PBR), commonly taken as an indication of an ‘activated’ brain region, the physiological origin of negative BOLD signal changes (i.e. a negative BOLD response, NBR), also referred to as ‘deactivation’ is still being debated. In this work, an attempt was made to gain a better understanding of the underlying mechanism by obtaining a comprehensive measure of the contributing cerebral blood flow (CBF) and its relationship to the NBR in the human visual cortex, in comparison to a simultaneously induced PBR in surrounding visual regions. To overcome the low signal-to-noise ratio (SNR) of CBF measurements, a newly developed multi-echo version of a center-out echo planar-imaging (EPI) readout was employed with pseudo-continuous arterial spin labeling (pCASL). It achieved very short echo and inter-echo times and facilitated a simultaneous detection of functional CBF and BOLD changes at 3 T with improved sensitivity. Evaluations of the absolute and relative changes of CBF and the effective transverse relaxation rate, , the coupling ratios, and their dependence on CBF at rest, CBF rest , indicated differences between activated and deactivated regions. Analysis of the shape of the respective functional responses also revealed faster negative responses with more pronounced post-stimulus transients. Resulting differences in the flow-metabolism coupling ratios were further examined for potential distinctions in the underlying neuronal contributions. Highlights Introduction of multi-echo center-out EPI for investigating concomitant CBF and BOLD changes in regions of positive (PBR) and negative BOLD response (NBR). ΔCBF timecourses closely follow those of with negative signals exhibiting faster responses and more pronounced post-stimulus transients. Decreases in CBF appear to warrant a larger change in NBR than CBF increases in PBR regions. Consideration of baseline CBF values is important in comparisons of relative coupling ratios (δ s BOLD /δcbf) between brain regions. Discussion of potential excitatory and inhibitory neuronal feed forward control of CBF and CMRO 2 in PBR and NBR.

Abstract Uncovering brain-tissue microstructure including axonal characteristics is a major neuroimaging research focus. Within this scope, anisotropic properties of magnetic susceptibility in white matter have been successfully employed to estimate primary axonal trajectories using mono-tensorial models. However, anisotropic susceptibility has not yet been considered for modeling more complex fiber structures within a voxel, such as intersecting bundles, or an estimation of orientation distribution functions (ODFs). This information is routinely obtained by high angular resolution diffusion imaging (HARDI) techniques. In applications to fixed tissue, however, diffusion-weighted imaging suffers from an inherently low signal-to-noise ratio and limited spatial resolution, leading to high demands on the performance of the gradient system in order to mitigate these limitations. In the current work, high angular resolution susceptibility imaging (HARSI) is proposed as a novel, phase-based methodology to estimate ODFs. A multiple gradient-echo dataset was acquired in an entire fixed chimpanzee brain at 61 orientations by reorienting the specimen in the magnetic field. The constant solid angle method was adapted for estimating phase-based ODFs. HARDI data were also acquired for comparison. HARSI yielded information on whole-brain fiber architecture, including identification of peaks of multiple bundles that resembled features of the HARDI results. Distinct differences between both methods suggest that susceptibility properties may offer complementary microstructural information. These proof-of-concept results indicate a potential to study the axonal organization in post-mortem primate and human brain at high resolution. Highlights Introduction of High Angular Resolution Susceptibility Imaging (HARSI) for advancing Quantitative Susceptibility Mapping (QSM). HARSI-derived fiber orientation distributions in fixed chimpanzee brain. HARSI-based visualization of complex fiber configurations. Comparisons between HARSI and High Angular Resolution Diffusion Imaging. Potential for high-resolution post-mortem imaging of fiber architecture.