X-ray phase-contrast micro computed tomography using synchrotron radiation (SR PhC-microCT) offers unique 3D imaging capabilities for visualizing microstructure of the human brain. Its applicability for unstained soft tissue is an area of active research. Acquiring images from a tissue block without needing to section it into thin slices, as required in routine histology, allows for investigating the microstructure in its natural 3D space. This paper presents a detailed step-by-step guideline for imaging unstained human brain tissue at resolutions of a few micrometers with SR PhC-microCT implemented at SYRMEP, the hard X-ray imaging beamline of Elettra, the Italian synchrotron facility. We present examples of how blood vessels and neurons appear in the images acquired with isotropic 5 micron and 1 micron voxel sizes. Furthermore, the proposed protocol can be used to investigate important biological substrates such as neuromelanin or corpora amylacea. Their spatial distribution can be studied using specifically tailored segmentation tools that are validated by classical histology methods. In conclusion, SR PhC-microCT using the proposed protocols, including data acquisition and image processing, offers viable means of obtaining information about the anatomy of the human brain at the cellular level in 3D.

The UltraCortex repository (https:/www.ultracortex.org) houses magnetic resonance imaging data of the human brain obtained at an ultra-high field strength of 9.4 T. It contains 86 structural MR images with spatial resolutions ranging from 0.6 to 0.8 mm. Additionally, the repository includes segmentations of 12 brains into gray and white matter compartments. These segmentations have been independently validated by two expert neuroradiologists, thus establishing them as a reliable gold standard. This resource provides researchers with access to high-quality brain imaging data and validated segmentations, facilitating neuroimaging studies and advancing our understanding of brain structure and function. Existing repositories do not accommodate field strengths beyond 7 T, nor do they offer validated segmentations, underscoring the significance of this new resource.

ABSTRACT Neural mechanisms underlying a stable perception of the world during pursuit eye movements are not fully understood. Both, perceptual stability as well as perception of real (i.e. objective) motion are the product of integration between motion signals on the retina and efference copies of eye movements. Human areas V3A and V6 have previously been shown to have strong objective (‘real’) motion responses. Here we used high-resolution laminar fMRI at ultra-high magnetic field (9.4T) in human subjects to examine motion integration across cortical depths in these areas. We found an increased preference for objective motion in areas V3A and V6+ i.e. V6 and possibly V6A towards the upper layers. When laminar responses were detrended to remove the upper-layer bias present in all responses, we found a unique, condition-specific laminar profile in V6+, showing reduced mid-layer responses for retinal motion only. The results provide evidence for differential, motion-type dependent laminar processing in area V6+. Mechanistically, the mid-layer dip suggests a special contribution of retinal motion to integration, either in the form of a subtractive (inhibitory) mid-layer input, or in the form of feedback into extragranular or infragranular layers. The results show that differential laminar signals can be measured in high-level motion areas in the human occipitoparietal cortex, opening the prospect of new mechanistic insights using non-invasive brain imaging. Significance Statement Visual stability and our ability to differentiate between self-induced and real motion are central to our visual sense. Both require the integration of two signals – retinal motion and copies of muscle commands used for eye movements (efference copies). A reasonable assumption is that either the efference copy or the result of integration will be conveyed to high-level visual regions along with visual retinal input, possibly differentially across cortical depth as the input sources differ. Our ultra-high field recordings present the first laminar evidence of differential signal processing of retinal and objective motion signals in area V6+, and present a first window into a mechanistic understanding of visual high-level motion processing.

Motivation: Gradient imperfections and significant field fluctuations due to physiology at higher field can degrade the image quality and thus limit the use of certain readout trajectories. Goal(s): To perform concurrent monitoring of the encoding gradients and other spatio-temporal field variations during imaging at 9.4 Tesla. Approach: We optimized, designed and manufactured a highly customizable field-probe insert for a 16Tx/32Rx RF array and performed an initial in-vivo experiment. Results: The locations of the probes yield good conditioning for measuring field up to second order spherical harmonics and showed an acceptable reduction in decay time. We demonstrated concurrent field monitoring with a 2D spiral experiment. Impact: Correction of trajectory and field deviations due to system imperfections and physiological effects is important for measurements with long readouts and echo times at ultra-high fields. We present a coil insert that allows simultaneous field monitoring at 9.4 T.

Motivation: The electroencephalography (EEG) in combination with MRI allows performing multi-modal imaging. The presence of EEG-caps can increase SAR of tight-fit transceiver RF-arrays at Ultra-High-Field. Goal(s): To numerically evaluate SAR generated by a tight-fit array at 9.4T in the presence of EEG-caps. Approach: Numerical models of 8-channel 9.4T transceiver arrays with EEG-electrodes were constructed. B1+ and SAR were simulated for the human head voxel models using CST Studio. Results: In this work, we numerically showed that EEG-caps don’t significantly change B1+ and SAR of the arrays at 9.4T. Furthermore, the created models of the caps can be used in future simulations. Impact: We numerically showed that EEG caps don’t significantly change B1+ and SAR of the arrays at 9.4T. The developed cap models can be used in future simulations

Motivation: Imperfections of B0-field can reduce the MR image quality. To track the B0 change during imaging, NMR field-probes inside the RF coil can be used. Insertion of the field-probes may lead to alteration of the B1+ and pSAR. Goal(s): To evaluate alterations of B1+ field and pSAR of the 16-channel Tx-array in the presence of NMR field-probes at 9.4T. Approach: To reach the goal, we simulated the Tx-part of the 16Tx32Rx array loaded by a phantom and human voxel model in the presence of 11 field-probes. Results: Insertion of field-probes led to a small drop of B1+ and a slight change of pSAR. Impact: We showed that inserting field-probes doesn’t significantly alter the B1+ field and pSAR of the 16Tx32Rx array coil at 9.4T. Therefore, field-probes can be safely used in-vivo to evaluate B0.

Motivation: Ensuring subject safety, in particular to limit tissue heating, is a critical aspect of self-developed pTx RF array coils for UHF applications. Goal(s): Establishing a dependable workflow for accurate simulation, data processing and realization of online supervision of power deposition. Approach: The workflow relies on cross-comparisons of EM simulation results and intermediate processing steps based on representative excitation modes, and on comparison of measured and simulated field maps. Results: Consistency was achieved in all cross-comparison steps. Residual discrepancies between measured and simulated B1+ maps require further investigation, but their safety implications can be addressed by an appropriate safety factor. Impact: A reliable workflow for EM simulation, subsequent data processing, and realization of online SAR monitoring for home-built RF human head array coils at 9.4T is presented. This is an essential building block to ensure subject safety in experimental UHF studies.

Motivation: GRE-EPI, the most widely used sequence for BOLD fMRI, is highly biased towards large draining veins that follow the cortical curvature and influence the surrounding magnetic field in an orientation-dependent manner increasing with field strength. Goal(s): This work aims to investigate large vein biases resulting in cortical orientation-dependent signal variations in GRE-EPI and bSSFP resting-state fMRI signals. Approach: We compared 2D and 3D GRE-EPI with 3D bSSFP rs-fMRI signal fluctuations in their dependence on the cortical orientation to B0 in five subjects at 9.4 Tesla. Results: Unlike GRE-EPI, intra- and inter-subject comparisons revealed no dependence of bSSFP on the cortical orientation to B0. Impact: Fluctuations in the GRE-EPI signal are highly dependent on the cortical orientation and depth. This was not observed with bSSFP, demonstrating the potentially higher specificity of bSSFP for smaller veins, closer to brain activation at field strengths ≥ 7 Tesla.

Motivation: Accurate human tissue models for simulation of RF power absorption are a key safety requirement for transmit coil development especially at ultra-high field. Goal(s): To create individual voxel models of the human head and torso. Approach: A pipeline for head and torso segmentation was developed based on a 3T multi-contrast protocol and tailored post-processing. The resulting voxel models were used for electromagnetic simulation of a self-developed Tx array at 9.4T. Results: Strong agreement was found between measured and simulated B1+ maps using the generated voxel model. Simulated worst-case SAR distributions differed significantly between individual and ‘off-the-shelf’ voxel models. Impact: We present a pipeline for the creation of individual human tissue voxel models covering head and torso, which is based on multi-contrast MR image segmentation. This meets a central need in safety-related simulations of ultra-high field RF coil arrays.