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.

Arterial spin labeling (ASL) has undergone significant development since its inception, with a focus on improving standardization and reproducibility of its acquisition and quantification. In a community-wide effort towards robust and reproducible clinical ASL image processing, we developed the software package ExploreASL, allowing standardized analyses across centers and scanners. The procedures used in ExploreASL capitalize on published image processing advancements and address the challenges of multi-center datasets with scanner-specific processing and artifact reduction to limit patient exclusion. ExploreASL is self-contained, written in MATLAB and based on Statistical Parameter Mapping (SPM) and runs on multiple operating systems. The toolbox adheres to previously defined international standards for data structure, provenance, and best analysis practice. ExploreASL was iteratively refined and tested in the analysis of >10,000 ASL scans using different pulse-sequences in a variety of clinical populations, resulting in four processing modules: Import, Structural, ASL, and Population that perform tasks, respectively, for data curation, structural and ASL image processing and quality control, and finally preparing the results for statistical analyses on both single-subject and group level. We illustrate ExploreASL processing results from three cohorts: perinatally HIV-infected children, healthy adults, and elderly at risk for neurodegenerative disease. We show the reproducibility for each cohort when processed at different centers with different operating systems and MATLAB versions, and its effects on the quantification of gray matter cerebral blood flow. ExploreASL facilitates the standardization of image processing and quality control, allowing the pooling of cohorts to increase statistical power and discover between-group perfusion differences. Ultimately, this workflow may advance ASL for wider adoption in clinical studies, trials, and practice.

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.