ABSTRACT Background and Purpose Microstructure imaging with advanced diffusion MRI (dMRI) techniques have shown increased sensitivity and specificity to microstructural changes in various disease and injury models. Oscillating gradient spin echo (OGSE) dMRI, implemented by varying the oscillating gradient frequency, and microscopic anisotropy (µA) dMRI, implemented via tensor valued diffusion encoding, may provide additional insight by increasing sensitivity to smaller spatial scales and disentangling fiber orientation dispersion from true microstructural changes, respectively. The aims of this study were to characterize the test-retest reproducibility of in vivo OGSE and µA dMRI metrics in the mouse brain at 9.4 Tesla and provide estimates of required sample sizes for future investigations. Methods Eight adult C57Bl/6 mice were scanned twice (5 days apart). Each imaging session consisted of multifrequency OGSE and µA dMRI protocols. Metrics investigated included µA, isotropic and anisotropic kurtosis, and the diffusion dispersion rate (Λ), which explores the power-law frequency dependence of mean diffusivity. The dMRI metric maps were analyzed with mean region-of-interest (ROI) and whole brain voxel-wise analysis. Bland-Altman plots and coefficients of variation (CV) were used to assess the reproducibility of OGSE and µA metrics. Furthermore, we estimated sample sizes required to detect a variety of effect sizes. Results Bland-Altman plots showed negligible biases between test and retest sessions. ROI-based CVs revealed high reproducibility for both µA (CVs < 8 %) and Λ (CVs < 15 %). Voxel-wise CV maps revealed high reproducibility for µA (CVs ∼ 10 %), but low reproducibility for OGSE metrics (CVs ∼ 50 %). Conclusion Most of the µA dMRI metrics are reproducible in both ROI-based and voxel-wise analysis, while the OGSE dMRI metrics are only reproducible in ROI-based analysis. µA and Λ may provide sensitivity to subtle microstructural changes (4 - 8 %) with feasible sample sizes (10 – 15).

Abstract Background Magnetization transfer saturation (MTsat) imaging was developed to reduce T1 dependence and improve specificity to myelin compared to the widely used MT ratio (MTR), while maintaining a feasible scan time. Knowledge of MTsat reproducibility is necessary to apply MTsat in preclinical neuroimaging. Purpose To assess the test-retest reproducibility of MTR and MTsat in the mouse brain at 9.4 T and calculate sample sizes required to detect various effect sizes. Study Type Prospective Animal Model C57Bl/6 Mouse Model (6 females and 6 males, aged 12 – 14 weeks) Field Strength/Sequence Magnetization Transfer Imaging at 9.4 T Assessment All mice were scanned at two timepoints (5 days apart). MTR and MTsat maps were analyzed using mean region-of-interest (ROI), and whole brain voxel-wise analysis. Statistical Tests Bland-Altman plots assessed biases between test and retest measurements. Test-retest reproducibility was evaluated via between and within-subject coefficients of variation (CV). Sample sizes required were calculated (at a 95 % significance level and power of 80 %), given various minimum detectable effect sizes, using both between and within-subject approaches. Results Bland-Altman plots showed negligible biases between test and retest sessions. ROI-based and voxel-wise CVs revealed high reproducibility for both MTR (ROI: CVs < 8 %) and MTsat (ROI: CVs < 10 %). With a sample size of 6, changes on the order of 15% can be detected in MTR and MTsat, both between and within subjects, while smaller changes (6 – 8 %) require sample sizes of 10 – 15 for MTR, and 15 – 20 for MTsat. Data Conclusion MTsat exhibits comparable reproducibility to MTR, while providing sensitivity to myelin with less T1 dependence than MTR. Our findings suggest both MTR and MTsat can detect moderate changes, common in pathologies, with feasible preclinical sample sizes.

Motivation: Healthy rodent brain maturation research remains limited, although rodents are a predominant study model, which motivates further study to exclude confounds of developmental changes from pathophysiological interpretations. Goal(s): Our goals were to investigate how microstructural MRI metrics change over the course of brain maturation and disentangle what changes in these metrics may indicate on a neurobiological level. Approach: 11 mice were scanned at 9.4T between 3-8 months of age, with histology (n=4) performed at 3 and 8 months. Results: Total diffusional kurtosis and myelin-specific metrics showed significant increases over time, paired with increased isotropic kurtosis and increased histological oligodendrocyte and astrocyte content. Impact: This work shows that there are ongoing microstructural changes even after mice are considered &ldquo;adults&rdquo;, detectable by isotropic kurtosis. We provide new interpretations of diffusion MRI changes during brain maturation, with evidence of the underlying mechanisms impacting isotropic kurtosis.

Motivation: While diffusion MRI has proven to be valuable for studying tissue microstructure, there is a need to develop more sensitive and specific methods to detect microstructural changes at various spatial scales. Goal(s): To develop an acquisition and analysis scheme that can robustly compute frequency-dependent diffusional kurtosis metrics. Approach: Acquisition parameters such as a novel efficient direction scheme were presented along with an analysis pipeline that utilizes axisymmetric modelling, spatial regularization, and maximizes data usage. Results: We demonstrate the advantage of using the efficient scheme over conventional methods, and the analysis pipeline improves diffusional kurtosis map quality compared to conventionally used methods. Impact: We present an acquisition and analysis scheme that generates robust frequency-dependent diffusional kurtosis maps, which may offer increased sensitivity to cytoarchitectural changes that occur at various cellular spatial scales over the course of healthy aging, and due to pathological alterations.