To develop a practical method to enable 3D T

Introduction Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) is a crucial molecule in cellular metabolism and signaling. Mapping intracellular NAD content of human brain has long been of interest. However, the sub-millimolar level of cerebral NAD concentration poses significant challenges for in vivo measurement and imaging. Methods In this study, we demonstrated the feasibility of non-invasively mapping NAD contents in entire human brain by employing a phosphorus-31 magnetic resonance spectroscopic imaging ( 31 P-MRSI)-based NAD assay at ultrahigh field (7 Tesla), in combination with a probabilistic subspace-based processing method. Results The processing method achieved about a 10-fold reduction in noise over raw measurements, resulting in remarkably reduced estimation errors of NAD. Quantified NAD levels, observed at approximately 0.4 mM, exhibited good reproducibility within repeated scans on the same subject and good consistency across subjects in group data (2.3 cc nominal resolution). One set of higher-resolution data (1.0 cc nominal resolution) unveiled potential for assessing tissue metabolic heterogeneity, showing similar NAD distributions in white and gray matter. Preliminary analysis of age dependence suggested that the NAD level decreases with age. Discussion These results illustrate favorable outcomes of our first attempt to use ultrahigh field 31 P-MRSI and advanced processing techniques to generate a whole-brain map of low-concentration intracellular NAD content in the human brain.

Motivation: Metabolite T1 values are needed for T1 correction in short-TR MRSI data. Due to the prolonged scan time, metabolite T1 measurement has been limited to single-voxel or single-slice experiments so far. Goal(s): To develop a novel method for 3D metabolite T1 mapping in a practically feasible scan time. Approach: We used a variable-flip-angle short-TR MRSI to achieve rapid metabolite T1 mapping. The high-dimensional data space was undersampled in a variable-density manner. Associated data processing challenges were solved by generalized-series and low-rank-tensor modelling. Results: Simulation, phantom and healthy subject results demonstrated the feasibility of accelerated 3D metabolite T1 mapping. Impact: The proposed method enables 3D metabolite T1 mapping within a clinically feasible scan time (15 min). This method can be used to correct T1 weighting effects in accelerated short-TR MRSI experiments, producing more quantitative results.

Motivation: How chronic epilepsy impacts the interplay between neuronal metabolites and inter-regional metabolic connectivity remains unclear. Goal(s): To identify neurometabolic imaging biomarkers for epilepsy progression using PET/MRSI. Approach: Forty-eight patients with drug-resistant mesial temporal lobe epilepsy and fifteen patients with extratemporal epilepsy underwent simultaneous high-resolution MRSI and FDG PET. Moderation effects of disease duration were evaluated for multiple brain regions; multilayer metabolic networks were constructed to investigate metabolic changes of NAA, FDG and their interplay. Results: We found disease duration moderated changes in the interplay between NAA and FDG. Metabolic networks form distinct modules in short duration and long duration groups. Impact: This is the first simultaneous PET/MRSI study to investigate multilayer metabolic network associated with disease duration of mTLE, which could offer a comprehensive view of neurometabolic profile, facilitating the exploration of imaging markers in epileptic lesion detection and disease progression.

Motivation: Elucidating the time-dependent pathological evolution of infarction is essential for the effective management of stroke. Goal(s): Our goal was to investigate the influence of vascular characteristics on neurometabolites changes within lesions at different times post stroke. Approach: 3D 1H-MRSI scanning using SPICE technology (scan time: 8 minutes, resolution: 2 × 3 × 3 mm3, FOV: 240 × 240 × 72 mm3) was performed on 74 acute stroke patients. The neurometabolites maps were compared with a statistical atlas of cerebral artery. Results: We showed the vessel distributions were related to the neurometabolites changes following ischemic stroke, collectively improving the prediction of stroke symptom onset. Impact: Using fast high-resolution 1H-MRSI together with cerebral artery atlas, our study showed that the interdependence between vessel distribution and neurometabolites changes in ischemic stroke. The finding may help find useful biomarkers for modeling stroke lesion evolution and symptom onset prediction.

Motivation: ASL and MRSI experiments are currently performed using different sequences, and EPI-based ASL methods suffer from spatial distortion and limited SNR. Goal(s): To develop a water unsuppressed MRSI based imaging method for high-fidelity ASL-based perfusion imaging. Approach: The SPICE sequence was integrated with a PASL module for ASL acquisition, and a GS model-based method was used for image reconstruction. Results: The proposed method achieved ASL at 2×2×2 mm3 resolution and MRSI at 2×3×3 mm3 within 9 minutes in total. Compared with typical EPI-based methods, the resulting ASL images were free from spatial distortion, and had adequate SNR within a short scan time. Impact: This work presents a new method for high-fidelity ASL-based perfusion imaging combining with MRSI-based metabolic imaging. With further development, it may provide a powerful brain imaging tool for both functional studies and clinical applications.

Motivation: Understanding metabolic changes in diaschisis is essential for stroke rehabilitation. Goal(s): Our goal was to investigate the neurometabolite alterations in the disconnected white matter (WM) tracts and the downstream cortical gray matter (GM) regions, and their associations in early stroke outcome. Approach: 3D 1H-MRSI scanning using SPICE technology (scan time: 8 minutes, resolution: 2×3×3 mm3, FOV: 240×240×72 mm3) was performed on 105 acute ischemic stroke patients.Results: Our findings reveal a trend for decreased cortical GM NAA as the WM NAA in the diaschitic hemisphere decreases, both associated with early stroke outcome. Impact: Using 3D high-resolution 1H-MRSI, we found a potential involvement of neuronal mitochondria metabolism in the metabolic changes observed in diaschisis from stroke. It may offer valuable prognostic biomarkers in stroke patients management.

Abstract INTRODUCTION Altered neurometabolism, detectable via proton magnetic resonance spectroscopic imaging ( 1 H‐MRSI), is spatially heterogeneous and underpins cognitive impairments in Alzheimer's disease (AD). However, the spatial relationships between neurometabolic topography and cognitive impairment in AD remain unexplored due to technical limitations. METHODS We used a novel whole‐brain high‐resolution 1 H‐MRSI technique, with simultaneously acquired 18 F‐florbetapir positron emission tomography (PET) imaging, to investigate the relationship between neurometabolic topography and cognitive functions in 117 participants, including 22 prodromal AD, 51 AD dementia, and 44 controls. RESULTS Prodromal AD and AD dementia patients exhibited spatially distinct reductions in N‐acetylaspartate, and increases in myo‐inositol. Reduced N‐acetylaspartate and increased myo‐inositol were associated with worse global cognitive performance, and N‐acetylaspartate correlated with five specific cognitive scores. Neurometabolic topography provides biological insights into diverse cognitive dysfunctions. DISCUSSION Whole‐brain high‐resolution 1 H‐MRSI revealed spatially distinct neurometabolic topographies associated with cognitive decline in AD, suggesting potential for noninvasive brain metabolic imaging to track AD progression. Highlights Whole‐brain high‐resolution 1 H‐MRSI unveils neurometabolic topography in AD. Spatially distinct reductions in NAA, and increases in mI, are demonstrated. NAA and mI topography correlates with global cognitive performance. NAA topography correlates with specific cognitive performance.

Motivation: Measuring brain intracellular NAD levels has long been of interest, but the current 31P-MRSI methods would take prohibitively long scan times for mapping NAD. Goal(s): To present a method for fast volumetric NAD mapping of the entire human brain. Approach: In vivo 31P-MRSI scans were performed at 7T with a nominal resolution of 1.0 cc within 20 minutes. A probabilistic subspace-based method integrating spectral prior, spatial constraint, and statistical distributions was applied for denoising. Results: The proposed method successfully provided high-resolution brain NAD mapping within 20-minute scans. The results also showed promises in revealing metabolic tissue heterogeneity and age correlation of NAD. Impact: This work demonstrates the feasibility of volumetric brain NAD mapping with a nominal resolution of 1.0 cc within 20 minutes. It may provide a powerful metabolic imaging tool for many applications.