In addition to bottom-up input, the visual cortex receives large amounts of feedback from other cortical areas [1-3]. One compelling example of feedback activation of early visual neurons in the absence of bottom-up input occurs during the famous Kanizsa illusion, where a triangular shape is perceived, even in regions of the image where there is no bottom-up visual evidence for it. This illusion increases the firing activity of neurons in the primary visual cortex with a receptive field on the illusory contour [4]. Feedback signals are largely segregated from feedforward signals within each cortical area, with feedforward signals arriving in the middle layer, while top-down feedback avoids the middle layers and predominantly targets deep and superficial layers [1, 2, 5, 6]. Therefore, the feedback-mediated activity increase in V1 during the perception of illusory shapes should lead to a specific laminar activity profile that is distinct from the activity elicited by bottom-up stimulation. Here, we used fMRI at high field (7 T) to empirically test this hypothesis, by probing the cortical response to illusory figures in human V1 at different cortical depths [7-14]. We found that, whereas bottom-up stimulation activated all cortical layers, feedback activity induced by illusory figures led to a selective activation of the deep layers of V1. These results demonstrate the potential for non-invasive recordings of neural activity with laminar specificity in humans and elucidate the role of top-down signals during perceptual processing.

To prospectively assess the diagnostic performance of diffusion-weighted (DW) magnetic resonance (MR) imaging in the detection of pelvic lymph node metastases in patients with prostate and/or bladder cancer staged as N0 with preoperative cross-sectional imaging.This study was approved by an independent ethics committee. Written informed consent was obtained from all patients. Patients with no enlarged lymph nodes on preoperative cross-sectional images who were scheduled for radical resection of the primary tumor and extended pelvic lymph node dissection were enrolled. All patients were examined with a 3-T MR unit, and examinations included conventional and DW MR imaging of the entire pelvis. Image analysis was performed by three independent readers blinded to any clinical information. Metastases were diagnosed on the basis of high signal intensity on high b value DW MR images and morphologic features (shape, border). Histopathologic examination served as the standard of reference. Sensitivity and specificity were calculated, and bias-corrected 95% confidence intervals (CIs) were obtained with the bootstrap method. The Fleiss and Cohen κ and median test were applied for statistical analyses.A total of 4846 lymph nodes were resected in 120 patients. Eighty-eight lymph node metastases were found in 33 of 120 patients (27.5%). Short-axis diameter of these metastases was less than or equal to 3 mm in 68, more than 3 mm to 5 mm in 13, more than 5 mm to 8 mm in five; and more than 8 mm in two. On a per-patient level, the three readers correctly detected metastases in 26 (79%; 95% CI: 64%, 91%), 21 (64%; 95% CI: 45%, 79%), and 25 (76%; 95% CI: 60%, 90%) of the 33 patients with metastases, with respective specificities of 85% (95% CI: 78%, 92%), 79% (95% CI: 70%, 88%), and 84% (95% CI: 76%, 92%). Analyzed according to hemipelvis, lymph node metastases were detected with histopathologic examination in 44 of 240 pelvic sides (18%); the three readers correctly detected these on DW MR images in 26 (59%; 95% CI: 45%, 73%), 19 (43%; 95% CI: 27%, 57%), and 28 (64%; 95% CI: 47%, 78%) of the 44 cases.DW MR imaging enables noninvasive detection of small lymph node metastases in normal-sized nodes in a substantial percentage of patients with prostate and bladder cancer diagnosed as N0 with conventional cross-sectional imaging techniques.

Abstract Directing spatial attention towards a particular stimulus location enhances cortical responses at corresponding regions in cortex. How attention modulates the laminar response profile within the attended region, however, remains unclear. In this paper, we use high field (7T) fMRI to investigate the effects of attention on laminar activity profiles in areas V1-V3; both when a stimulus was presented to the observer, and in the absence of visual stimulation. Replicating previous findings, we find robust increases in the overall BOLD response for attended regions in cortex, both with and without visual stimulation. When analyzing the BOLD response across the individual layers in visual cortex, we observed no evidence for laminar-specific differentiation with attention. We offer several potential explanations for these results, including theoretical, methodological and technical reasons. Additionally, we provide all data and pipelines openly, in order to promote analytic consistency across layer-specific studies, improve reproducibility, and decrease the false positive rate as a result of analytical flexibility.

Abstract Layer specific functional MRI requires high spatial resolution data. An approach often used for compensating for the poor signal to noise ratio (SNR) associated with small voxel sizes consists of integrating the signal from voxels at a given cortical depth over a patch of cortex. After this integration, physiological noise is expected to be the dominant noise source in the signal. In this context, the sensitivity gain in moving to higher static field strengths is expected to be lower than when thermal noise dominates. In this work, activation profiles in response to the same visual stimulus are compared at 1.5 T, 3 T and 7 T using a multi-echo, gradient echo (GE) FLASH sequence, with a 0.75 mm isotropic voxel size and the cortical integration approach. The results show that after integrating over a patch of cortex between 40 and 100 mm 3 (at 7 T and 1.5 T, respectively), the signal is in the physiological noise dominated regime, and that the obtained activation profiles are similar at the three different field strengths for equivalent echo times. The evolution of the resting-state signal over echo time indicates that BOLD-like noise is the dominant source of physiological noise. Consequently, the functional contrast to noise ratio is not strongly echo-time or field-strength dependent. The results show that compared to 7T, the gold standard, laminar GE-BOLD fMRI at lower field strengths is feasible at the cost of poorer spatial resolution (larger cortical integration extensions) and lower efficiency.

Laminar resolution, functional magnetic resonance imaging (lfMRI) is a noninvasive technique with the potential to distinguish top-down and bottom-up signal contributions on the basis of laminar specific interactions with distal regions. Hitherto, lfMRI could not be demonstrated for either whole-brain distributed networks or for complex cognitive tasks. We show that lfMRI can reveal whole-brain directed networks during word reading. We identify distinct, language critical regions based on their association with the top-down signal stream and establish lfMRI for the noninvasive assessment of directed connectivity during task performance.