Previous research in non-human primates has shown that the superior longitudinal fascicle (SLF), a major intrahemispheric fiber tract, is actually composed of four separate components. In humans, only post-mortem investigations have been available to examine the trajectory of this tract. This study evaluates the hypothesis that the four subcomponents observed in non-human primates can also be found in the human brain using in vivo diffusion tensor magnetic resonance imaging (DT-MRI). The results of our study demonstrated that the four subdivisions could indeed be identified and segmented in humans. SLF I is located in the white matter of the superior parietal and superior frontal lobes and extends to the dorsal premotor and dorsolateral prefrontal regions. SLF II occupies the central core of the white matter above the insula. It extends from the angular gyrus to the caudal–lateral prefrontal regions. SLF III is situated in the white matter of the parietal and frontal opercula and extends from the supramarginal gyrus to the ventral premotor and prefrontal regions. The fourth subdivision of the SLF, the arcuate fascicle, stems from the caudal part of the superior temporal gyrus arches around the caudal end of the Sylvian fissure and extends to the lateral prefrontal cortex along with the SLF II fibers. Since DT-MRI allows the precise definition of only the stem portion of each fiber pathway, the origin and termination of the subdivisions of SLF are extrapolated from the available data in experimental material from non-human primates.

Abstract OBJECTIVE: To investigate the intraoperative displacement of major white matter tracts during glioma resection by comparing preoperative and intraoperative diffusion tensor imaging-based fiber tracking. METHODS: In 37 patients undergoing glioma surgery, preoperative and intraoperative diffusion tensor imaging was performed with a 1.5-T magnetic resonance scanner applying an echo-planar imaging sequence with six diffusion directions. For three-dimensional tractography, we implemented a knowledge-based multiple-region-of-interest approach applying user-defined seed regions in the color-coded maps of fractional anisotropy. Tracking was initiated in both the retrograde and orthograde directions according to the direction of the principal eigenvector in each voxel of the region of interest. The tractography results were also assigned color, applying the convention used in color-coded fractional anisotropy maps. RESULTS: Preoperative and intraoperative fiber tracking was technically feasible in all patients. Fiber tract visualization gave a quick and intuitive overview of the displaced course of white matter tracts in three-dimensional space. Comparison of preoperative and intraoperative tractography depicted a marked shifting of major white matter tracts during glioma removal. Maximum white matter tract shifting ranged from −8 to +15 mm (+2.7 ± 6.0 mm; mean ± standard deviation); in 29.7%, an inward and in 62.2%, an outward shifting was detected. CONCLUSION: Comparing preoperative and intraoperative fiber tracking visualizes a marked shifting and deformation of major white matter tracts because of tumor removal. This shifting emphasizes the need for an intraoperative update of navigation systems during resection of deep-seated tumor portions near eloquent brain areas. Fiber tracking is a method not only for preoperative neurosurgical visualization but also for further intraoperative planning.

Building the Brain Brain connectivity is often described as a network of discrete independent cables analogous to a switchboard, but how is the physical structure of the brain constructed (see the Perspective by Zilles and Amunts )? Wedeen et al. (p. 1628 ) used high-resolution diffusion tensor imaging in humans and four species of nonhuman primates to identify and compare the geometric structure of large fiber tracts in the brain. Fiber tracts followed a highly constrained and regular geometry, which may provide an efficient solution for pathfinding during ontogenetic development. Much of development occurs through elaboration and assembly of semiautonomous building blocks. Chen et al. (p. 1634 ) applied statistical analysis to the form of the human cortex in brain-imaging studies that compared more than 400 di- and mono-zygotic twins. The findings suggest that the structure of the human cortex is defined by genetics.

Abstract Diffusion tractography MRI can infer changes in network connectivity in patients with traumatic brain injury (TBI), but pathological substrates of disconnected tracts have not been well-defined due to a lack of high-resolution imaging with histopathological validation. We developed an ex vivo MRI protocol to analyze tract terminations at 750 μm resolution, followed by histopathologic evaluation of white matter pathology, and applied these methods to a 60-year-old man who died 26 days after TBI. Analysis of 74 cerebral hemispheric white matter regions revealed a heterogeneous distribution of tract disruptions. Associated histopathology identified variable white matter injury with patchy deposition of amyloid precursor protein and loss of neurofilament-positive axonal processes, myelin dissolution, astrogliosis, microgliosis, and perivascular hemosiderin-laden macrophages. Multiple linear regression revealed that tract disruption strongly correlated with neurofilament loss. Ex vivo diffusion MRI can detect tract disruptions in the human brain that reflect axonal injury.

Abstract The surface of the human cerebellar cortex is much more tightly folded than the cerebral cortex. Volumetric analysis of cerebellar morphometry in magnetic resonance imaging studies suffers from insufficient resolution, and therefore has had limited impact on disease assessment. Automatic serial polarization-sensitive optical coherence tomography (as-PSOCT) is an emerging technique that offers the advantages of microscopic resolution and volumetric reconstruction of large-scale samples. In this study, we reconstructed multiple cubic centimeters of ex vivo human cerebellum tissue using as-PSOCT. The morphometric and optical properties of the cerebellar cortex across five subjects were quantified. While the molecular and granular layers exhibited similar mean thickness in the five subjects, the thickness varied greatly between the crown of the folium and the depth of the fissure in the granular layer within subjects. Layer-specific optical property remained homogenous within individual subjects but showed higher cross-subject variability than layer thickness. High-resolution volumetric morphometry and optical property maps of human cerebellar cortex revealed by as-PSOCT have great potential to advance our understanding of cerebellar function and diseases. Highlights We reconstructed cubic centimeters of human cerebellar samples at micrometer resolution in five subjects. Thickness of the granular layer varies greatly between the crowns and depths of cerebellar fissures. Cross-subject variability is higher in optical property than cortical morphology. Our results suggest homogenous cell and myelin density in the cortical layers of human cerebellum despite the highly convoluted folding patterns.

Abstract The importance of polarization-sensitive optical coherence tomography (PS-OCT) has been increasingly recognized in human brain imaging. Despite the recent progress of PS-OCT in revealing white matter architecture and orientation, quantification of fine-scale fiber tracts in the human brain cortex has been a challenging problem, due to a low birefringence in the gray matter. In this study, we investigated the effect of refractive index matching by 2,2’-thiodiethanol (TDE) immersion on the improvement of PS-OCT measurements in ex vivo human brain tissue. We obtain the cortical fiber orientation maps in the gray matter, which reveals the radial fibers in the gyrus, the U-fibers along the sulcus, as well as distinct layers of fiber axes exhibiting laminar organization. Further analysis shows that index matching reduces the noise in axis orientation measurements by 56% and 39%, in white and gray matter, respectively. Index matching also enables precise measurements of apparent birefringence, which was underestimated in the white matter by 82% but overestimated in the gray matter by 16% prior to TDE immersion. Mathematical simulations show that the improvements are primarily attributed to the reduction in the tissue scattering coefficient, leading to an enhanced signal-to-noise ratio in deeper tissue regions, which could not be achieved by conventional noise reduction methods.