Abstract We present a publicly available dataset of 227 healthy participants comprising a young (N=153, 25.1±3.1 years, range 20–35 years, 45 female) and an elderly group (N=74, 67.6±4.7 years, range 59–77 years, 37 female) acquired cross-sectionally in Leipzig, Germany, between 2013 and 2015 to study mind-body-emotion interactions. During a two-day assessment, participants completed MRI at 3 Tesla (resting-state fMRI, quantitative T1 (MP2RAGE), T2-weighted, FLAIR, SWI/QSM, DWI) and a 62-channel EEG experiment at rest. During task-free resting-state fMRI, cardiovascular measures (blood pressure, heart rate, pulse, respiration) were continuously acquired. Anthropometrics, blood samples, and urine drug tests were obtained. Psychiatric symptoms were identified with Standardized Clinical Interview for DSM IV (SCID-I), Hamilton Depression Scale, and Borderline Symptoms List. Psychological assessment comprised 6 cognitive tests as well as 21 questionnaires related to emotional behavior, personality traits and tendencies, eating behavior, and addictive behavior. We provide information on study design, methods, and details of the data. This dataset is part of the larger MPI Leipzig Mind-Brain-Body database.

Abstract Uncovering brain-tissue microstructure including axonal characteristics is a major neuroimaging research focus. Within this scope, anisotropic properties of magnetic susceptibility in white matter have been successfully employed to estimate primary axonal trajectories using mono-tensorial models. However, anisotropic susceptibility has not yet been considered for modeling more complex fiber structures within a voxel, such as intersecting bundles, or an estimation of orientation distribution functions (ODFs). This information is routinely obtained by high angular resolution diffusion imaging (HARDI) techniques. In applications to fixed tissue, however, diffusion-weighted imaging suffers from an inherently low signal-to-noise ratio and limited spatial resolution, leading to high demands on the performance of the gradient system in order to mitigate these limitations. In the current work, high angular resolution susceptibility imaging (HARSI) is proposed as a novel, phase-based methodology to estimate ODFs. A multiple gradient-echo dataset was acquired in an entire fixed chimpanzee brain at 61 orientations by reorienting the specimen in the magnetic field. The constant solid angle method was adapted for estimating phase-based ODFs. HARDI data were also acquired for comparison. HARSI yielded information on whole-brain fiber architecture, including identification of peaks of multiple bundles that resembled features of the HARDI results. Distinct differences between both methods suggest that susceptibility properties may offer complementary microstructural information. These proof-of-concept results indicate a potential to study the axonal organization in post-mortem primate and human brain at high resolution. Highlights Introduction of High Angular Resolution Susceptibility Imaging (HARSI) for advancing Quantitative Susceptibility Mapping (QSM). HARSI-derived fiber orientation distributions in fixed chimpanzee brain. HARSI-based visualization of complex fiber configurations. Comparisons between HARSI and High Angular Resolution Diffusion Imaging. Potential for high-resolution post-mortem imaging of fiber architecture.

Abstract A variation of the longitudinal relaxation time $$T_{1}$$ T 1 in brain regions that differ in their main fiber direction has been occasionally reported, however, with inconsistent results. Goal of the present study was to clarify such inconsistencies, and the origin of potential $$T_{1}$$ T 1 orientation dependence, by applying direct sample rotation and comparing the results from different approaches to measure $$T_{1}$$ T 1 . A section of fixed porcine spinal cord white matter was investigated at 3 T with variation of the fiber-to-field angle $$\theta_{{{\text{FB}}}}$$ θ FB . The experiments included one-dimensional inversion-recovery, MP2RAGE, and variable flip-angle $$T_{1}$$ T 1 measurements at 22 °C and 36 °C as well as magnetization-transfer (MT) and diffusion-weighted acquisitions. Depending on the technique, different degrees of $$T_{1}$$ T 1 anisotropy (between 2 and 10%) were observed as well as different dependencies on $$\theta_{{{\text{FB}}}}$$ θ FB (monotonic variation or $$T_{1}$$ T 1 maximum at 30–40°). More pronounced anisotropy was obtained with techniques that are more sensitive to MT effects. Furthermore, strong correlations of $$\theta_{{{\text{FB}}}}$$ θ FB -dependent MT saturation and $$T_{1}$$ T 1 were found. A comprehensive analysis based on the binary spin-bath model for MT revealed an interplay of several orientation-dependent parameters, including the transverse relaxation times of the macromolecular and the water pool as well as the longitudinal relaxation time of the macromolecular pool.

Abstract Cell membranes and macromolecules or paramagnetic compounds interact with water proton spins, which modulates magnetic resonance imaging (MRI) contrast providing information on tissue composition. For a further investigation, quantitative magnetization transfer (qMT) parameters (at 3T), including the ratio of the macromolecular and water proton pools, ℱ, and the exchange-rate constant as well as the (observed) longitudinal and the effective transverse relaxation rates (at 3T and 7T), and respectively, were measured at high spatial resolution (200 μm) in a slice of fixed marmoset brain and compared to histology results obtained with Gallyas’ myelin stain and Perls’ iron stain. and were linearly correlated with the iron content for the entire slice, whereas distinct differences were obtained between gray and white matter for correlations of relaxometry and qMT parameters with myelin content. The combined results suggest that the macromolecular pool interacting with water consists of myelin and (less efficient) non-myelin contributions. Despite strong correlation of ℱ and none of these parameters was uniquely specific to myelination. Due to additional sensitivity to iron stores, and were more sensitive for depicting microstructural differences between cortical layers than ℱ. Highlights MRI (200μm) is correlated with myelin and iron histology in fixed marmoset brain. Detailed z -spectra are employed for precise magnetization-transfer (MT) measurements. Longitudinal and effective transverse relaxation rates depend linearly on tissue iron. Longitudinal relaxation and MT are not uniquely specific to myelin. Myelin and non-myelin macromolecules impact water relaxation and MT contrast.

Motivation: Magnetization transfer (MT) and inhomogeneous MT (ihMT) are assumed to report on myelin content. Recently, anisotropy of MT and ihMT have been demonstrated in model systems and in white matter. Goal(s): Our goal was to quantify orientation effects in (ih)MT, as they closely relate to the microstructure and serve to confirm assumptions about the relaxation mechanism. Approach: Comprehensive (ih)MT investigations were performed in fixed spinal cord with variation of the fiber-to-field angle (θFB). Results: Unambiguous orientation dependence was observed for (ih)MT. The variation depends strongly on the offset frequency, which was quantitatively predicted in simulations of the BSBM with a realistic fiber model. Impact: This study investigates the orientation dependency of magnetization transfer and related model parameters. Some subtle orientation effects are observed for the first time and are quantitatively explained by using a reasonable model for the RF saturation lineshape.

Motivation: Systematic variation of external parameters can provide insight into whether theoretical models appropriately describe MRI contrast. Goal(s): Our goal was to develop a cost-effective setup for comprehensive temperature- and orientation-dependent relaxation and magnetization-transfer experiments in post-mortem tissue on a clinical scanner. Approach: A remotely tiltable Helmholtz coil was integrated into a thermally insulated box, where the temperature can be adjusted by a heated airflow. Results: Robust coil performance, accurate adjustment of the sample orientation relative to B0 (±1°), and stable temperature conditions (±0.5 °C) were achieved. Theoretically expected temperature dependencies of T1 and diffusivity in agarose were experimentally reproduced. Impact: Well-defined variations of the temperature (between ambient temperature and 45 °C) and sample orientation (between 0 and 90° relative to B0) in MRI experiments with small post-mortem tissue specimens were achieved on a clinical scanner with a cost-effective setup.

Motivation: Studies on the orientation dependence of T1 have led to contradictory observations, indicating that this effect is not well understood. Goal(s): Our primary objective was to meticulously explore the orientation dependency of T₁ under precisely controlled and stable conditions. Approach: Comprehensive T1 (inversion recovery) and magnetization-transfer (MT) experiments were performed in fixed spinal-cord samples, with systematic variation of the fiber-to-field angle θFB . Results: No relevant T1 variation with θFB was observed in the IR experiments. However, a clear orientation dependence was consistently observed in all MT experiments,Impact: Precise quantitative MR measurements in spinal cord with varying fiber-to-field angle showed no consistent orientation dependence of T1 but a clear effect for the MT saturation, indicating the MT effects may be responsible for the previously observed T1 anisotropy.