Abstract Sleep deprivation influences several critical functions, yet how it affects human brain white matter (WM) is not well understood. The aim of the present work was to investigate the effect of 32 hours of sleep deprivation on WM microstructure compared to changes observed in a normal sleep-wake cycle (SWC). To this end, we utilised diffusion weighted imaging (DWI) including the diffusion tensor model, diffusion kurtosis imaging and the spherical mean technique, a novel biophysical diffusion model. 46 healthy adults (23 sleep deprived vs 23 with normal SWC) underwent DWI across 4 time points (morning, evening, next day morning and next day afternoon, after a total of 32 hours). Linear mixed models revealed significant group × time interaction effects, indicating that sleep deprivation and normal SWC differentially affect WM microstructure. Voxel-wise comparisons showed that these effects spanned large, bilateral WM regions. These findings provide important insight into how sleep deprivation affects the human brain.

Abstract Systems consolidation of new experiences into lasting episodic memories involves interactions between hippocampus and the neocortex. Evidence of this process is seen already during early awake post-encoding rest periods. Functional MRI (fMRI) studies have demonstrated increased hippocampal coupling with task-relevant perceptual regions and reactivation of stimulus-specific encoding patterns following intensive encoding tasks. Here we investigate the spatial and temporal characteristics of these hippocampally anchored post-encoding neocortical modulations. Eighty-nine adults participated in an experiment consisting of interleaved memory task- and resting-state periods. As expected, we observed increased post-encoding functional connectivity between hippocampus and individually localized neocortical regions responsive to stimulus categories encountered during memory encoding. Post-encoding modulations were however not restricted to stimulus-selective cortex, but manifested as a nearly system-wide upregulation in hippocampal coupling with all major functional networks. The spatial configuration of these extensive modulations resembled hippocampal-neocortical interaction patterns estimated from active encoding operations, suggesting hippocampal post-encoding involvement by far exceeds reactivation of perceptual aspects. This reinstatement of encoding patterns during immediate post-encoding rest was not observed in resting-state scans collected 12 hours later, nor in control analyses estimating post-encoding neocortical modulations in functional connectivity using other candidate seed regions. The broad similarity in hippocampal functional coupling between online memory encoding and offline post-encoding rest suggests reactivation in humans may involve a spectrum of cognitive processes engaged during experience of an event. Significance statement Stabilization of newly acquired information into lasting memories occurs through systems consolidation – a process which gradually spreads the locus of memory traces from hippocampus to more distributed neocortical representations. One of the earliest signs of consolidation is the upregulation of hippocampal-neocortical interactions during periods of awake rest following an active encoding task. We here show that these modulations involve much larger parts of the brain than previously reported in humans. Comparing changes in hippocampal coupling during post-encoding rest with those observed under active encoding, we find evidence for encoding-like hippocampal reinstatement throughout cortex during task-free periods. This suggests early systems consolidation of an experience involves reactivating not only core sensory details but multiple additional aspects of the encoding event.

Mathematical modeling and simulation have emerged as a potentially powerful, time and cost effective approach to personalized cancer treatment. The usefulness of mechanistic models to disentangle complex multi-scale cancer processes such as treatment response has been widely acknowledged. However, a major barrier for multi-scale models to predict the outcomes of therapeutic regimens in a particular patient lies in their initialization and parameterization which need to reflect individual cancer characteristics accurately. In this study we use multi-modal routinely acquired measurements on a single breast tumor, including histopathology, magnetic resonance imaging, and molecular profiling to person- alize parts of a complex multi-scale model of breast cancer treated with chemotherapeutic and anti-angiogenic agents. We model the dynamics of drugs in tissue (pharmacokinetics) and the corresponding effects on their targets (pharmacodynamics). We developed a open-source computer program that simulates cross-sections of tumors under 12-week therapy regimes and use it to individually reproduce and elucidate treatment outcomes of four patients. For two of the tumors that did not respond to therapy, we used model simulations to suggest alternative regimes with improved outcomes depending on their individual characteristics. We found that more frequent doses of chemothereapy reduce tumor burden in a low proliferative tumor while lower doses of anti-angiogenic agents im- prove drug penetration and reduce tumor burden in a poorly perfused tumor. In addition to bridge multi-modal clinical data to shed light on individual treatment outcomes, our approach can be used to assist in the design of more precise clinical trials necessary for future model-driven personalized cancer therapy.

Abstract Even partly consolidated memories can be forgotten given sufficient time, but the brain activity associated with durability of episodic memory at different time scales remains unclear. Here, we aimed to identify brain activity associated with retrieval of partly consolidated episodic memories that continued to be remembered in the future. Forty-nine younger (20 to 38 years; 25 females) and 43 older adults (60 to 80 years, 25 females) were scanned with functional magnetic resonance imaging during associative memory retrieval 12 h post-encoding. Twelve hours is sufficient to allow short-term synaptic consolidation as well as early post-encoding replay to initiate memory consolidation. Successful memory trials were classified into durable and transient source memories based on responses from a memory test ~6 d post-encoding. Results demonstrated that successful retrieval of future durable vs. transient memories was supported by increased activity in a medial prefrontal and ventral parietal area. Individual differences in activation as well as the subjective vividness of memories during encoding were positively related to individual differences in memory performance after 6 d. The results point to a unique and novel aspect of brain activity supporting long-term memory, in that activity during retrieval of memories even after 12 h of consolidation contains information about potential for long-term durability.

Abstract Cortical microstructure is influenced by circadian rhythm and sleep deprivation, yet the precise underpinnings of these effects remain unclear. The ratio between T 1 -weighted and T 2 -weighted magnetic resonance images (T 1 w/T 2 w ratio) has been linked to myelin levels and dendrite density and may offer novel insight into the intracortical microstructure of the sleep deprived brain. Here, we examined intracortical T 1 w/T 2 w ratio in 41 healthy young adults (26 women) before and after 32 hours of either sleep deprivation ( n = 18) or a normal sleep-wake cycle ( n = 23). Linear models revealed significant group differences in T 1 w/T 2 w ratio change after 32 hours in four clusters, including bilateral effects in the insular, cingulate, and superior temporal cortices, comprising regions involved in attentional, auditory and pain processing. Across clusters, the sleep deprived group showed an increased T 1 w/T 2 w ratio, while the normal sleep-wake group exhibited a reduced ratio. These changes were not explained by in-scanner head movement, and 95% of the effects across clusters remained significant after adjusting for cortical thickness and hydration. Compared with a normal sleep-wake cycle, 32 hours of sleep deprivation yields intracortical T 1 w/T 2 w ratio increases. While the intracortical changes detected by this study could reflect alterations in myelin or dendritic density, or both, histological analyses are needed to clarify the precise underlying cortical processes.