Brain Microstructure: Impact of the Permeability on Diffusion MRI

Diffusion Magnetic Resonance Imaging (dMRI) enables a non invasive in-vivo characterization of the brain tissue. The disentanglement of each microstructural property reflected on the total dMRI signal is one of the hottest topics in the field. The dMRI reconstruction techniques ground on assumptions on the signal model and consider the neurons axons as impermeable cylinders. Nevertheless, interactions with the environment is characteristic of the biological life and diffusional water exchange takes place through cell membranes. Myelin wraps axons with multiple layers constitute a barrier modulating exchange between the axon and the extracellular tissue. Due to the short transverse relaxation time (T2) of water trapped between sheets, myelin contribution to the diffusion signal is often neglected. This thesis aims to explore how the exchange influences the dMRI signal and how this can be informative on myelin structure. We also aimed to explore how recent dMRI signal reconstruction techniques could be applied in clinics proposing a strategy for investigating the potential as biomarkers of the derived tissue descriptors. The first goal of the thesis was addressed performing Monte Carlo simulations of a system with three compartments: intra-axonal, spiraling myelin and extra-axonal. The experiments showed that the exchange time between intra- and extra-axonal compartments was on the sub-second level (and thus possibly observable) for geometries with small axon diameter and low number of wraps such as in the infant brain and in demyelinating diseases. The second goal of the thesis was reached by assessing the indices derived from three dimensional simple harmonics oscillator-based reconstruction and estimation (3D-SHORE) in stroke disease. The tract-based analysis involving motor networks and the region-based analysis in grey matter (GM) were performed. 3D-SHORE indices proved to be sensitive to plasticity in both white matter (WM) and GM, highlighting their viability as biomarkers in ischemic stroke. The overall study could be considered the starting point for a future investigation of the interdependence of different phenomena like exchange and relaxation related to the established dMRI indices. This is valuable for the accurate dMRI data interpretation in heterogeneous tissues and different physiological conditions

Diffusion-Weighted Imaging: Recent Advances and Applications

Quantitative diffusion imaging techniques enable the characterization of tissue microstructural properties of the human brain “in vivo”, and are widely used in neuroscientific and clinical contexts. In this review, we present the basic physical principles behind diffusion imaging and provide an overview of the current diffusion techniques, including standard and advanced techniques as well as their main clinical applications. Standard diffusion tensor imaging (DTI) offers sensitivity to changes in microstructure due to diseases and enables the characterization of single fiber distributions within a voxel as well as diffusion anisotropy. Nonetheless, its inability to represent complex intravoxel fiber topologies and the limited biological specificity of its metrics motivated the development of several advanced diffusion MRI techniques. For example, high-angular resolution diffusion imaging (HARDI) techniques enabled the characterization of fiber crossing areas and other complex fiber topologies in a single voxel and supported the development of higher-order signal representations aiming to decompose the diffusion MRI signal into distinct microstructure compartments. Biophysical models, often known by their acronym (e.g., CHARMED, WMTI, NODDI, DBSI, DIAMOND) contributed to capture the diffusion properties from each of such tissue compartments, enabling the computation of voxel-wise maps of axonal density and/or morphology that hold promise as clinically viable biomarkers in several neurological and neuroscientific applications; for example, to quantify tissue alterations due to disease or healthy processes. Current challenges and limitations of state-of-the-art models are discussed, including validation efforts. Finally, novel diffusion encoding approaches (e.g., b-tensor or double diffusion encoding) may increase the biological specificity of diffusion metrics towards intra-voxel diffusion heterogeneity in clinical settings, holding promise in neurological applications

Innovative MRI techniques in neuroimaging approaches for cerebrovascular diseases and vascular cognitive impairment

Cognitive impairment and dementia are recognized as major threats to public health. Many studies have shown the important role played by challenges to the cerebral vasculature and the neurovascular unit. To investigate the structural and functional characteristics of the brain, MRI has proven an invaluable tool for visualizing the internal organs of patients and analyzing the parameters related to neuronal activation and blood flow in vivo. Different strategies of imaging can be combined to obtain various parameters: (i) measures of cortical and subcortical structures (cortical thickness, subcortical structures volume); (ii) evaluation of microstructural characteristics of the white matter (fractional anisotropy, mean diffusivity); (iii) neuronal activation and synchronicity to identify functional networks across different regions (functional connectivity between specific regions, graph measures of specific nodes); and (iv) structure of the cerebral vasculature and its efficacy in irrorating the brain (main vessel diameter, cerebral perfusion). The high amount of data obtainable from multi-modal sources calls for methods of advanced analysis, like machine-learning algorithms that allow the discrimination of the most informative features, to comprehensively characterize the cerebrovascular network into specific and sensitive biomarkers. By using the same techniques of human imaging in pre-clinical research, we can also investigate the mechanisms underlying the pathophysiological alterations identified in patients by imaging, with the chance of looking for molecular mechanisms to recover the pathology or hamper its progression

Neurite Orientation Dispersion and Density Imaging Color Maps to Characterize Brain Diffusion in Neurologic Disorders

Purpose: Neurite orientation dispersion and density imaging (NODDI) has recently been developed to overcome diffusion technique limitations in modeling biological systems. This manuscript reports a preliminary investigation into the use of a single color-coded map to represent NODDI-derived information. Materials and methods: An optimized diffusion-weighted imaging protocol was acquired in several clinical neurological contexts including demyelinating disease, neoplastic process, stroke, and toxic/metabolic disease. The NODDI model was fitted to the diffusion datasets. NODDI is based on a three-compartment diffusion model and provides maps that quantify the contributions to the total diffusion signal in each voxel. The NODDI compartment maps were combined into a single 4-dimensional volume visualized as RGB image (red for anisotropic Gaussian diffusion, green for non-Gaussian anisotropic diffusion, and blue for isotropic Gaussian diffusion), in which the relative contributions of the different microstructural compartments can be easily appreciated. Results: The NODDI color maps better describe the heterogeneity of neoplastic as well inflammatory lesions by identifying different tissue components within areas apparently homogeneous on conventional imaging. Moreover, NODDI color maps seem to be useful for identifying vasogenic edema differently from tumor-infiltrated edema. In multiple sclerosis, the NODDI color maps enable a visual assessment of the underlying microstructural changes, possibly highlighting an increased inflammatory component, within lesions and potentially in normal-appearing white matter. Conclusion: The NODDI color maps could make this technique valuable in a clinical setting, providing comprehensive and accessible information in normal and pathological brain tissues in different neurological pathologies

Integration of multi-shell diffusion imaging derived metrics in tractography reconstructions of clinical data

Tese de mestrado integrado Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019Nos últimos anos, com o rápido avanço das técnicas imagiológicas, a oportunidade de mapear o cérebro humano in vivo com uma resolução sem precedentes tornou-se realidade, permanecendo ainda hoje como uma das áreas de maior interesse da neurociência. Sabendo que o movimento natural das moléculas de água nos tecidos biológicos é altamente influenciado pelo ambiente microestrutural envolvente, e que a anisotropia que este processo aleatório assume na matéria branca pode ser explorada com o intuito de inferir características importantes associadas ao tecido neuronal, a ressonância magnética ponderada por difusão (dMRI, do inglês “Diffusion-Weighted Magnetic Resonance Imaging") afirmou-se como a técnica de imagem mais amplamente utilizada para a investigação in vivo e não invasiva da conectividade cerebral. A primeira técnica padrão de dMRI foi a imagiologia por tensor de difusão (DTI, do inglês "Diffusion Tensor Imaging"). Implementada com a capacidade de fornecer sensibilidade à microestrutura do tecido, esta técnica permite extrair informação acerca da tridimensionalidade da distribuição da difusão de moléculas de água através da aplicação de seis gradientes de difusão não colineares entre si. Além da difusividade média (MD, do inglês "Mean Diffusivity"), é também possível extrair outros índices microestruturais, como a anisotropia fraccional (FA, do inglês "Fractional Anisotropy"), que fornece informação acerca da percentagem de difusão anisotrópica num determinado voxel. Ambas as métricas são amplamente utilizadas como medidas de alterações microestruturais, todavia, apesar da sua sensibilidade, estes marcadores não são específicos quanto às características individuais da microestrutura tecidual. Regiões com reduzida FA podem camuflar regiões de conformação de cruzamento de fibras, ou fibras muito anguladas, que a DTI não consegue resolver. A razão para esta limitação reside no número reduzido de diferentes direções de difusão que são exploradas, assim como no pressuposto de que a distribuição das moléculas de água é gaussiana, o que não é necessariamente verdade. De forma alternativa e com o intuito de tais limitações serem ultrapassadas, é possível implementar uma representação matemática do sinal adquirido de forma a explorar o propagador de difusão, da qual a imagiologia por ressonância magnética do propagador aparente médio (MAP-MRI, do inglês “Mean Apparent Propagator Magnetic Resonance Imaging”) é exemplo. Esta técnica analítica caracteriza-se pelo cálculo da função de densidade de probabilidade associada ao deslocamento de spin, o que permite descrever o caráter não-gaussiano do processo de difusão tridimensional e quantificar índices escalares inerentes ao processo de difusão, os quais sublinham as características complexas intrínsecas à microestrutura do tecido. Estes parâmetros incluem o deslocamento médio quadrático (MSD, em inglês “mean square displacement”), a probabilidade de retorno à origem (RTOP, do inglês “return-to-the origin probability”) e suas variantes de difusão em uma e duas dimensões – a probabilidade de retorno ao plano (RTPP, do inglês “return-to-the plane probability”) e a probabilidade de retorno ao eixo (RTAP, do inglês “return-to-the axis probability”), respetivamente. Em resposta às limitações da DTI associadas à falta de especificidade para distinguir características microestruturais dos tecidos, surgiu ainda o modelo de Dispersão de Orientação de Neurite e Imagem de Densidade (NODDI, do inglês “Neurite Orientation Dispersion and Density Imaging”), o qual utiliza o processo de difusão para estimar a morfologia das neurites. Tendo como premissa subjacente que o sinal de difusão pode ser definido pela soma da contribuição dos sinais de diferentes compartimentos, este modelo biofísico diferencia o espaço intra e extracelular o que, por sua vez, permite quantificar a dispersão e densidade das neurites. Deste modo, dois parâmetros intrínsecos à microestrutura envolvente podem ser calculados: a densidade neurítica e o índice de dispersão da orientação das neurites. No entanto, de forma a garantir a viabilidade clínica do modelo, este pode ser aplicado por meio do método AMICO (do inglês “Accelerated Microstructure Imaging via Convex Optimization”) através do seu ajuste linear, o que permite o cálculo do índice de dispersão da orientação das neurites (ODI, do inglês “Orientation Dispersion Index”), da fração de volume intracelular (ICVF do inglês, “Intracellular Volume Fraction”), e da fração de volume isotrópico (ISOVF, do inglês “Isotropic Volume Fraction”). O estudo da configuração arquitetural das estruturas cerebrais in vivo, por meio da dMRI associada aos métodos de tractografia, permitiu a reconstrução não invasiva das fibras neuronais e a exploração da informação direcional inerente às mesmas, sendo que o seu estudo tem revelado uma enorme expansão por meio do estabelecimento de marcadores biológicos perante a presença de diversas condições patológicas. O objetivo principal desta dissertação prende-se com existência de uma variação proeminentenas métricas de difusão ao longo dos tratos de matéria branca no cérebro humano. Atualmente, a maioriados estudos de tractografia tem por base uma abordagem que se resume à análise do valor escalar médio da métrica de difusão para a estrutura cerebral em estudo, pelo que se tem verificado um crescente interesse na utilização de métodos que considerem a extensão da variabilidade nas métricas de difusão ao longo dos tratos de modo a providenciarem um maior nível de detalhe ao nível do processo de difusão, evitando interpretações erróneas dos parâmetros microestruturais. Desta forma, em primeiro lugar, foi desenvolvido uma análise ao longo dos tratos de matéria branca, tendo por base a variação dos valores assumidos pelos parâmetros microestruturais acima mencionados. No presente estudo foi possível demonstrar a eficácia de tal abordagem ao longo de três tratos de matéria de branca (fascículo arqueado, trato corticoespinhal, e corpo caloso), para além de permitir, através da variância assumida pelos diversos parâmetros microestruturais, o estudo detalhado de regiões anatómicas que assumem uma distribuição complexa de múltiplos conjuntos populacionais de fibras, como é o caso do centro semioval, o qual constitui uma região de cruzamento de fibras provenientes dos três tratos de matéria branca em estudo. De seguida, esta técnica foi utilizada com sucesso na identificação de diferenças microestruturais por meio do estudo dos diversos parâmetros de difusão em pacientes com diagnóstico prévio de epilepsia no lobo temporal (TLE, do inglês “Temporal Lobe Epilepsy”), com foco epiléptico localizado no hemisfério esquerdo, e controlos. O estudo do ambiente microestrutural por meio dos múltiplos mapas escalares permitiu averiguar a alteração do processo de difusão e/ou anisotropia, associadas ao efeito fisiopatológico da TLE na organização da matéria branca. Os resultados revelaram diferenças localizadas, as quais se traduziram num aumento da difusividade e redução da anisotropia do processo de difusão ao longo dos tratos em estudo dos pacientes com TLE, sugerindo deste modo uma perda na organização das diversas estruturas anatómicas e a expansão do espaço extracelular face aos controlos. Verificou-se ainda que pacientes com esta condição neurológica sofrem de alterações microestruturais que afetam redes cerebrais em grande escala, envolvendo regiões temporais e extratemporais de ambos os hemisférios. Adicionalmente, aplicada como técnica capaz de investigar padrões de mudança na matéria branca, procedeu-se à realização de um estudo assente na estatística espacial baseada no trato (TBSS, do inglês “Tract-Based Spatial Statistics”). Após a exploração das diversas métricas de difusão, os pacientes com TLE (com lateralização à esquerda) demonstraram alterações no processo de difusão, ilustradas pelos diversos padrões de mudança microestrutural de cada métrica em estudo, concordantes com os resultados anteriormente aferidos pela análise ao longo do trato. Por fim, uma análise baseada em fixel (FBA, do inglês “Fixel-Based Analysis”) foi realizada, a qual permitiu uma análise estatística abrangente de medidas quantitativas da matéria branca, com o intuito de detetar alterações no volume intra-axonal por variação na densidade intra-voxel e/ou reorganização da morfologia macroscópica. Para identificar tais diferenças entre pacientes e controlos, três parâmetros foram considerados: densidade das fibras (FD, do inglês “Fibre Density”), seção transversal do feixe de fibras (FC, do inglês “Fibre-bundle Cross-section”), e densidade de fibras e seção transversal (FDC, do inglês “Fibre Density and Cross-section). Reduções na FD, FC e FDC foram identificadas em pacientes com TLE (com lateralização à esquerda) em comparação com os controlos, o que está de acordo com as mudanças microestruturais que resultam do processo de degeneração que afeta as estruturas de matéria branca com a perda de axónios na presença de uma condição neuropatológica como a TLE. Apesar do resultado final positivo, tendo em conta a meta previamente estabelecida, está aberto o caminho para o seu aperfeiçoamento, tendo em vista as direções futuras que emergem naturalmente desta dissertação. Como exemplo disso, poder-se-á recorrer ao estudo pormenorizado das metodologias técnicas associadas à abordagem apresentada que tem por base a análise das métricas de difusão ao longo dos tratos de matéria branca, uma vez que o desvio padrão associado a cada valor atribuído pelas diversas métricas foi significativo, o que de alguma forma poderá ter influenciado os resultados e, consequentemente, as conclusões deles extraídas, tendo em vista a sua viabilidade enquanto aplicação clínica. Como nota final, gostaria apenas de salientar que a imagiologia por difusão e, em particular, a tractografia têm ainda muito espaço para progredir. A veracidade desta afirmação traduz-se pela existência de uma grande variedade de modelos e algoritmos implementados, bem como de técnicas e metodologias de análise à informação microestrutural retida tendo por base o perfil de difusão que carateriza cada trato em estudo, sem que no entanto, exista consenso na comunidade científica acerca da melhor abordagem a seguir.Diffusion-weighted magnetic resonance imaging (dMRI) is a non-invasive imaging method which has been successfully applied to study white matter (WM) in order to determine physiological information and infer tissue microstructure. The human body is filled with barriers affecting the mobility of molecules and preventing it from being constant in different directions (anisotropic diffusion). In the brain, the sources for this anisotropy arise from dense packing axons and from the myelin sheath that surrounds them. Diffusion Tensor Imaging (DTI) is widely used to extract fibre directions from diffusion data, but it fails in regions containing multiple fibre orientations. The constrained spherical deconvolution technique had been proposed to address this limitation. It provides an estimate of the fibre orientation distribution that is robust to noise whilst preserving angular resolution. As a noninvasive technique that generates a three-dimensional reconstruction of neuronal fibres, tractography is able to map in vivo the human WM based on the reconstruct of the fibre orientations from the diffusion profile. Most of the tractography studies use a “tract-averaged” approach to analysis, however it is well known that there is a prominent variation in diffusion metrics within WM tracts. In this study we address the challenge of defining a microstructural signature taking into account the potentially rich anatomical variation in diffusion metrics along the tracts. Therefore, a workflow to conduct along-tract analysis of WM tracts (namely, arcuate fasciculus, corticospinal and corpus callosum) and integrate not only DTI derived measures, but also more advanced parameters from Mean Apparent Propagator-Magnetic Resonance Imaging (MAP-MRI) and Neurite Orientation Dispersion and Density Imaging (NODDI) model, was developed across healthy controls and patients with Temporal Lobe Epilepsy (TLE). Beyond the true biological variation in diffusion properties along tracts, this technique was applied to show that it allows a more detailed analysis of small regions-of-interest extracted from the tract in order to avoid fibres from WM pathways in the neighbourhood, which might lead to equivocal biological interpretations of the microstructural parameters. Consequently, the along-tract streamline distribution from the centrum semiovale, which is known to be a complex fibre geometry with multiple fibres populations from arcuate fasciculus, corticospinal and corpus callosum, was investigated. Finally, to validate our approach and highlight the strength of this extensible framework, two other methods were implemented in order to support the conclusions derived from the along-tract analysis computed between-groups. Firstly, a tract-based spatial statistics (TBSS) analysis was performed to study the WM change patterns across the whole brain in patients with TLE, and explore the alteration of multiple diffusion metrics. This voxel-based technique provides a powerful and objective method to perform multi-subject comparison, based on voxel-wise statistics of diffusion metrics but simultaneous aiming to minimize the effects of misalignment using a conventional voxel-based analysis method. With this in mind, the results showed increased diffusivity and reduced diffusion anisotropy, suggesting a loss of structural organization and expansion of the extracellular space in the presence of neuropathological condition as TLE. Secondly, the fixel-based analysis (FBA) was performed allowing a comprehensive statistical analysis of WM quantitative measures in order to have access to changes that may result within WM tracts in the presence of TLE. The microstructural/macrostructural changes in WM tracts of TLE patients were observed in temporal and extratemporal regions of both hemispheres, which agrees with the concept that epilepsy is a network disorder

Functional and structural substrates of increased dosage of Grik4 gene elucidated using multi-modal MRI

Grik4 is the gene responsible for encoding the high-affinity GluK4 subunit of the kainate receptors. Increased dosage of this subunit in the forebrain was linked to an increased level of anxiety, lack of social communication, and depression. On the synaptic level, abnormal synaptic transmission was also reported. The manifestations of this abnormal expression have not been investigated at the circuit level, nor the correlations between those circuits and the abnormal patterns of the behavior previously reported. In this line of work, we aspired to use different non-invasive magnetic resonance imaging (MRI) modalities to elucidate any disturbance that might stem from the increased dosage of Grik4 and how those changes might explain the abnormal behaviors. MRI offers a noninvasive way to look into the intact brain in vivo. Resting-state functional MRI casts light on how the brain function at rest on the network level and has the capability to detect any anomalies that might occur within or between those networks. On the microstructural level, the diffusion MRI is concerned with the underlying features of the tissues, using the diffusion of water molecules as a proxy for that end. Moving more macroscopically, using structural scans, voxel-based morphometry can detect subtle differences in the morphology of the different brain structures. We recorded videos of our animals performing two tasks that have long been linked to anxiety, the open field and the plus-maze tests before acquiring structural and functional scans. Lastly, we recorded blood-oxygenationlevel dependent (BOLD) signals in a different set of animals during electrical stimulation of specific white matter tracts in order to investigate how neuronal activity propagates. Our analysis showed a vast spectrum of changes in the transgenic group relative to the animals in the control group. On the resting-state networks level, we observed an increase in the within-network strength spanning different structures such as the hippocampus, some regions of the cortex, and the hypothalamus. The increased internal coherence or strength in the networks contrasted with a significant reduction in between-networks connectivity for some regions such as parts of the cortex and the hypothalamus, suggesting long-range network decorrelation. Supporting this idea, major white matter (WM) tracts, such as the corpus callosum and the hippocampal commissure, suffered from substantial changes compatible with an important reduction in myelination and/or a decrease in the mean axonal diameter. Macrostructurally speaking, the overexpression of GluK4 subunit had a bimodal effect, with expansion in some cortical areas in the transgenic animals accompanied by a shrinkage in the subcortical regions. Upon stimulating the brain with an electrical current, we noticed a difference in activity propagation between the two hemispheres. In transgenic animals, the evoked activity remained more confined to the stimulated hemisphere, again consistent with an impaired long-range connectivity. The structural changes both, at the micro and macro level, were in tight correlation with different aspects of the behavior including markers of anxiety such as the time spent in the open arms vs the closed arms in the plus-maze test and the time spent in the center vs the corners in the open field test. Our findings reveal how the disruption of kainate receptors, or more globally the glutamate receptors, and the abnormal synaptic transmission can translate into brain-wide changes in connectivity and alter the functional equilibrium between macro-and mesoscopic networks. The postsynaptic enhancement previously reported in the transgenic animals was here reflected in the BOLD signal and measured as an increase in the within-network strength. Importantly, the correlations between the structural changes and the behavior help to put the developmental changes and their behavioral ramifications into context. RESUMEN Grik4 es el gen responsable de codificar la subunidad GluK4 de alta afinidad de los receptores de kainato. El aumento de la dosis de esta subunidad en el prosencéfalo se relacionó con un mayor nivel de ansiedad, falta de comunicación social y depresión. A nivel sináptico, también se informó una transmisión sináptica anormal. Las manifestaciones de esta expresión anormal no se han investigado a nivel de circuito, ni las correlaciones entre esos circuitos y los patrones anormales de la conducta previamente informada. En esta línea de trabajo, aspiramos a utilizar diferentes modalidades de imágenes por resonancia magnética (MRI) no invasivas para dilucidar cualquier alteración que pudiera derivarse del aumento de la dosis de Grik4 y cómo esos cambios podrían explicar los comportamientos anormales. La resonancia magnética ofrece una forma no invasiva de observar el cerebro intacto in vivo. La resonancia magnética funcional en estado de reposo arroja luz sobre cómo funciona el cerebro en reposo en el nivel de la red y tiene la capacidad de detectar cualquier anomalía que pueda ocurrir dentro o entre esas redes. En el nivel microestructural, la resonancia magnética de difusión se ocupa de las características subyacentes de los tejidos utilizando la difusión de moléculas de agua como un proxy para ese fin. Moviéndose más macroscópicamente, utilizando escaneos estructurales, la morfometría basada en vóxeles puede detectar diferencias sutiles en la morfología de las diferentes estructuras cerebrales. Grabamos videos de nuestros animales realizando dos tareas que durante mucho tiempo se han relacionado con la ansiedad, el campo abierto y las pruebas de laberinto positivo antes de adquirir escaneos estructurales y funcionales. Por último, registramos señales dependientes del nivel de oxigenación de la sangre (BOLD) en un grupo diferente de animales durante la estimulación eléctrica de tractos específicos de materia blanca para investigar cómo se propaga la actividad neuronal. Nuestro análisis mostró un amplio espectro de cambios en el grupo transgénico en relación con los animales en el grupo de control. En el nivel de las redes de estado de reposo, observamos un aumento en la fuerza dentro de la red que abarca diferentes estructuras como el hipocampo, algunas regiones de la corteza y el hipotálamo. La mayor coherencia interna o fuerza en las redes contrastó con una reducción significativa en la conectividad entre redes para algunas regiones como partes de la corteza y el hipotálamo, lo que sugiere una descorrelación de redes de largo alcance. Apoyando esta idea, los grandes tractos de materia blanca (WM), como el cuerpo calloso y la comisura del hipocampo, sufrieron cambios sustanciales compatibles con una importante reducción de la mielinización y / o una disminución del diámetro axonal medio. Macroestructuralmente hablando, la sobreexpresión de la subunidad GluK4 tuvo un efecto bimodal, con expansión en algunas áreas corticales en los animales transgénicos acompañada de una contracción en las regiones subcorticales. Al estimular el cerebro con una corriente eléctrica, notamos una diferencia en la propagación de la actividad entre las dos hemiesferas. En los animales transgénicos, la actividad evocada permaneció más confinada al hemisferio estimulado, de nuevo consistente con una conectividad de largo alcance deteriorada. Los cambios estructurales, tanto a nivel micro como macro, estaban en estrecha correlación con diferentes aspectos de la conducta, incluidos marcadores de ansiedad como el tiempo pasado con los brazos abiertos frente a los brazos cerrados en la prueba del laberinto positivo y el tiempo pasado en el centro vs las esquinas en la prueba de campo abierto. Nuestros hallazgos revelan cómo la interrupción de los receptores de kainato, o más globalmente los receptores de glutamato, y la transmisión sináptica anormal pueden traducirse en cambios de conectividad en todo el cerebro y alterar el equilibrio funcional entre las redes macro y mesoscópicas. La mejora postsináptica informada anteriormente en los animales transgénicos se reflejó aquí en la señal BOLD y se midió como un aumento en la fuerza dentro de la red. Es importante destacar que las correlaciones entre los cambios estructurales y elcomportamiento ayudan a contextualizar los cambios en el desarrollo y sus ramificaciones conductuales

Microstructural imaging of the human brain with a 'super-scanner': 10 key advantages of ultra-strong gradients for diffusion MRI

The key component of a microstructural diffusion MRI 'super-scanner' is a dedicated high-strength gradient system that enables stronger diffusion weightings per unit time compared to conventional gradient designs. This can, in turn, drastically shorten the time needed for diffusion encoding, increase the signal-to-noise ratio, and facilitate measurements at shorter diffusion times. This review, written from the perspective of the UK National Facility for In Vivo MR Imaging of Human Tissue Microstructure, an initiative to establish a shared 300 mT/m-gradient facility amongst the microstructural imaging community, describes ten advantages of ultra-strong gradients for microstructural imaging. Specifically, we will discuss how the increase of the accessible measurement space compared to a lower-gradient systems (in terms of Δ, b-value, and TE) can accelerate developments in the areas of 1) axon diameter distribution mapping; 2) microstructural parameter estimation; 3) mapping micro-vs macroscopic anisotropy features with gradient waveforms beyond a single pair of pulsed-gradients; 4) multi-contrast experiments, e.g. diffusion-relaxometry; 5) tractography and high-resolution imaging in vivo and 6) post mortem; 7) diffusion-weighted spectroscopy of metabolites other than water; 8) tumour characterisation; 9) functional diffusion MRI; and 10) quality enhancement of images acquired on lower-gradient systems. We finally discuss practical barriers in the use of ultra-strong gradients, and provide an outlook on the next generation of 'super-scanners'

Diffusion Tensor Tractography in Cerebral White Matter

Conventional magnetic resonance imaging (MRI) allows researchers and clinicians to observe the anatomy and injuries of the cerebral white matter (CWM) in dogs. However, dynamic images based on the diffusion tensor (DT) technique are required to assess fiber tract integrity of the CWM. Diffusion tensor tractography (DTT) produces a three-dimensional representation in which data are displayed on a colored map obtained from the anisotropy of water molecules in the CWM tracts. Fractional anisotropy (FA) is a value that measures changes in water diffusion, which can occur if the CWM tracts are displaced, disrupted, or infiltrated. The goal of this study was to determine the feasibility of DTT for in vivo examination of the normal appearance of CWM in dogs through visual and quantitative analysis of the most representative CWM tracts