Large dynamic nuclear polarization signal enhancements (up to a factor of 100) were obtained in the solid-state magic-angle spinning nuclear magnetic resonance (NMR) spectra of arginine and the protein T4 lysozyme in frozen glycerol-water solutions with the use of dynamic nuclear polarization. Polarization was transferred from the unpaired electrons of nitroxide free radicals to nuclear spins through microwave irradiation near the electron paramagnetic resonance frequency. This approach may be a generally applicable signal enhancement scheme for the high-resolution solid-state NMR spectroscopy of biomolecules.

Using functional magnetic resonance imaging (fMRI), we observed that noxious thermal stimuli (46°C) produce significant signal change in putative reward circuitry as well as in classic pain circuitry. Increases in signal were observed in the sublenticular extended amygdala of the basal forebrain (SLEA) and the ventral tegmentum/periaqueductal gray (VT/PAG), while foci of increased signal and decreased signal were observed in the ventral striatum and nucleus accumbens (NAc). Early and late phases were observed for signals in most brain regions, with early activation in reward related regions such as the SLEA, VT/PAG, and ventral striatum. In contrast, structures associated with somatosensory perception, including SI somatosensory cortex, thalamus, and insula, showed delayed activation. These data support the notion that there may be a shared neural system for evaluation of aversive and rewarding stimuli.

DNP (dynamic nuclear polarization) experiments at 5 T are reported, in which a cycoltron resonance maser (gyrotron) is utilized as a 20 W, 140 GHz microwave source to perform the polarization. MAS (magic angle spinning) NMR spectroscopy with DNP has been performed on samples of polystyrene doped with the free radical BDPA (\ensuremath{\alpha},\ensuremath{\gamma}-bisdiphenylene-\ensuremath{\beta}-phenylallyl) at room temperature. Maximal DNP enhancements of \ensuremath{\sim}10 for $^{1}\mathrm{H}$ and \ensuremath{\sim}40 for $^{13}\mathrm{C}$ are observed and are considerably larger than expected. The DNP and spin relaxation mechanisms that lead to these enhancements at 5 T are discussed.

Abstract Objective Focal somatic pain can evolve into widespread hypersensitivity to nonpainful and painful skin stimuli (allodynia and hyperalgesia, respectively). We hypothesized that transformation of headache into whole‐body allodynia/hyperalgesia during a migraine attack is mediated by sensitization of thalamic neurons that process converging sensory impulses from the cranial meninges and extracephalic skin. Methods Extracephalic allodynia was assessed using single unit recording of thalamic trigeminovascular neurons in rats and contrast analysis of blood oxygenation level‐dependent (BOLD) signals registered in functional magnetic resonance imaging (fMRI) scans of patients exhibiting extracephalic allodynia. Results Sensory neurons in the rat posterior thalamus that were activated and sensitized by chemical stimulation of the cranial dura exhibited long‐lasting hyperexcitability to innocuous (brush, pressure) and noxious (pinch, heat) stimulation of the paws. Innocuous, extracephalic skin stimuli that did not produce neuronal firing at baseline (eg, brush) became as effective as noxious stimuli (eg, pinch) in eliciting large bouts of neuronal firing after sensitization was established. In migraine patients, fMRI assessment of BOLD signals showed that brush and heat stimulation at the skin of the dorsum of the hand produced larger BOLD responses in the posterior thalamus of subjects undergoing a migraine attack with extracephalic allodynia than the corresponding responses registered when the same patients were free of migraine and allodynia. Interpretation We propose that the spreading of multimodal allodynia and hyperalgesia beyond the locus of migraine headache is mediated by sensitized thalamic neurons that process nociceptive information from the cranial meninges together with sensory information from the skin of the scalp, face, body, and limbs. ANN NEUROL 2010

A dramatic increase in the use and dependence of prescription opioids has occurred within the last 10 years. The consequences of long-term prescription opioid use and dependence on the brain are largely unknown, and any speculation is inferred from heroin and methadone studies. Thus, no data have directly demonstrated the effects of prescription opioid use on brain structure and function in humans. To pursue this issue, we used structural magnetic resonance imaging, diffusion tensor imaging and resting-state functional magnetic resonance imaging in a highly enriched group of prescription opioid-dependent patients [(n = 10); from a larger study on prescription opioid dependent patients (n = 133)] and matched healthy individuals (n = 10) to characterize possible brain alterations that may be caused by long-term prescription opioid use. Criteria for patient selection included: (i) no dependence on alcohol or other drugs; (ii) no comorbid psychiatric or neurological disease; and (iii) no medical conditions, including pain. In comparison to control subjects, individuals with opioid dependence displayed bilateral volumetric loss in the amygdala. Prescription opioid-dependent subjects had significantly decreased anisotropy in axonal pathways specific to the amygdala (i.e. stria terminalis, ventral amygdalofugal pathway and uncinate fasciculus) as well as the internal and external capsules. In the patient group, significant decreases in functional connectivity were observed for seed regions that included the anterior insula, nucleus accumbens and amygdala subdivisions. Correlation analyses revealed that longer duration of prescription opioid exposure was associated with greater changes in functional connectivity. Finally, changes in amygdala functional connectivity were observed to have a significant dependence on amygdala volume and white matter anisotropy of efferent and afferent pathways of the amygdala. These findings suggest that prescription opioid dependence is associated with structural and functional changes in brain regions implicated in the regulation of affect and impulse control, as well as in reward and motivational functions. These results may have important clinical implications for uncovering the effects of long-term prescription opioid use on brain structure and function.

Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is an optical imaging method that is used to noninvasively measure cerebral hemoglobin concentration changes induced by brain activation. Using structural guidance in fNIRS research enhances interpretation of results and facilitates making comparisons between studies. AtlasViewer is an open-source software package we have developed that incorporates multiple spatial registration tools to enable structural guidance in the interpretation of fNIRS studies. We introduce the reader to the layout of the AtlasViewer graphical user interface, the folder structure, and user files required in the creation of fNIRS probes containing sources and detectors registered to desired locations on the head, evaluating probe fabrication error and intersubject probe placement variability, and different procedures for estimating measurement sensitivity to different brain regions as well as image reconstruction performance. Further, we detail how AtlasViewer provides a generic head atlas for guiding interpretation of fNIRS results, but also permits users to provide subject-specific head anatomies to interpret their results. We anticipate that AtlasViewer will be a valuable tool in improving the anatomical interpretation of fNIRS studies.

The amygdala, a small deep brain structure involved in behavioral processing through interactions with other brain regions, has garnered increased attention in recent years in relation to pain processing. As pain is a multidimensional experience that encompasses physical sensation, affect, and cognition, the amygdala is well suited to play a part in this process. Multiple neuroimaging studies of pain in humans have reported activation in the amygdala. Here, we summarize these studies by performing a coordinate‐based meta‐analysis within experimentally induced and clinical pain studies using an activation likelihood estimate analysis. The results are presented in relation to locations of peak activation within and outside of amygdala subregions. The majority of studies identified coordinates consistent with human amygdala cytoarchitecture indicating reproducibility in neuroanatomical labeling across labs, analysis methods, and imaging modalities. Differences were noted between healthy and clinical pain studies: in clinical pain studies, peak activation was located in the laterobasal region, suggestive of the cognitive‐affective overlay present among individuals suffering from chronic pain; while the less understood superficial region of the amygdala was prominent among experimental pain studies. Taken together, these findings suggest several important directions for further research exploring the amygdala's role in pain processing. Hum Brain Mapp 35:527–538, 2014. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.

Migraine is twice as common in females as in males, but the mechanisms behind this difference are still poorly understood. We used high-field magnetic resonance imaging in male and female age-matched interictal (migraine free) migraineurs and matched healthy controls to determine alterations in brain structure. Female migraineurs had thicker posterior insula and precuneus cortices compared with male migraineurs and healthy controls of both sexes. Furthermore, evaluation of functional responses to heat within the migraine groups indicated concurrent functional differences in male and female migraineurs and a sex-specific pattern of functional connectivity of these two regions with the rest of the brain. The results support the notion of a 'sex phenotype' in migraine and indicate that brains are differentially affected by migraine in females compared with males. Furthermore, the results also support the notion that sex differences involve both brain structure as well as functional circuits, in that emotional circuitry compared with sensory processing appears involved to a greater degree in female than male migraineurs.

Motivation: Understanding the fluid mechanics of the cerebrospinal (CSF) flow is important for creating more accurate models of flow dynamics in intrathecal drug delivery systems.Goal(s): We assess the feasibility of measuring with high-temporal resolution 3-directional CSF flow across all sections of the spine in healthy volunteers.Approach: We report peak-to-peak velocity, peak velocity, flow rate, total displacement, and display velocity vector fields for the CSF across the three spinal sections. Results: 3-directional CSF flow of the full spine can be measured with MRI. Our observations revealed varying CSF velocity profiles across three sections of the spine, indicating distinct pressure mechanisms along its length.Impact: Recent research have focused on the development of novel therapeutic strategies for CNS drug delivery though intrathecal space modelling. To achieve this and establish better boundary conditions, more precise measurements of spinal CSF flow through MRI are required.

Ethnic minority youth experience multiple sociocultural stressors, experiences that are distinct from general measures of perceived stress. The present study aims to identify heterogenous subgroups of youth based on three self-reported sociocultural stressors (bicultural stress, perceived discrimination, and perceived negative context of reception).