Detection of the Excitatory Neurotransmitter Glutamate in the Human Brain Using Glutamate-CEST at Ultra-High Magnetic Field Strength (7 T)

Abstract (Swedish)

BACKGROUND AND PURPOSE
The amino acid glutamate (Glu) is the primary excitatory neurotransmitter in human brain and is
involved in both synaptic transmission as well as metabolic pathways. Dysfunction of glutamate
concentration in the brain has been implicated in neurological diseases, such as epilepsy, Alzheimer’s
disease, schizophrenia and essential tremor. Non-invasive detection of glutamate concentration using
the novel MRI technique named chemical exchange saturation transfer (CEST) was demonstrated in
2012 and it displays a superior spatial resolution and signal-to-noise ratio (SNR) compared to standard
proton magnetic resonance spectroscopy (1H MRS). Glutamate-weighted CEST imaging require
ultra-high magnetic field strength (≥ 7 T) and results have shown a high degree of reproducibility in
healthy volunteers at 7 T.
The aim of this master’s project is to implement GluCEST imaging at the National 7 T facility in Lund
and to detect glutamate concentration in phantoms as well as in healthy volunteers.

THEORY AND METHODS
Glutamate is indirectly detected by saturating protons in the glutamate amino group with a frequency
selective radiofrequency (RF) pulse, which then transfers to surrounding water through so called
chemical exchange. The resulting decrease in water signal, the so called CEST effect, has a strong pH
and RF pulse shape dependency.
A sequence designed for CEST imaging was modified under a research agreement on the Philips 7 T
Achieva magnetic resonance imaging (MRI) system in Lund. The CEST effect detected by the
sequence was investigated using three phantoms with different pH-values and Glu concentrations, as
well as varying RF amplitudes and durations for each phantom.
Subsequently, three healthy volunteers were scanned using the RF pulse parameters that maximised
CEST effect without exceeding specific absorption rate (SAR) restrictions, as determined from the
phantom experiments.

RESULTS AND DISCUSSION
Phantom measurements displayed higher CEST effect at the resonance frequency of the glutamate amine
(3 parts-per million (ppm) downfield from bulk water) for lower pH-values and a proportionality to RF
amplitude and duration. These results concur with previous studies and indicate that Philips CEST
sequence is able to perform GluCEST imaging on a 7 T MRI system.
Noticeable effect from radiofrequency magnetic field (B1) inhomogeneity was observed in GluCEST
images, both in phantoms and healthy volunteers, highlighting the need for post-process B1 correction.
A strong contribution from nuclear Overhauser enhancement (nOe) was observed in healthy volunteers,
resulting in images with negative values which was not expected. However, a CEST effect was observed
at frequency 3 ppm downfield from bulk water and expected contrast between brain tissues were visible.

CONCLUSIONS
Measurements of Glu in phantoms and healthy volunteers were possible using Philips CEST sequence,
but required robust post-processing for B0 and B1 inhomogeneities. For further work, developing a
method for B1 correction is suggested and investigating the possibility of expanding single-slice into
volumetric imaging is recommended for future applications.

Popular Abstract (Swedish)

Nerver i hjärnan kommunicerar med varandra och med andra celler genom att utsöndra ämnen, så
kallade signalsubstanser, som agerar aktiverande eller hämmande beroende på sort. Den vanligaste
aktiverande signalsubstansen i hjärnan är aminosyran glutamat (Glu), som även deltar i produktionen av
den vanligaste hämmande signalsubstansen gamma-aminosmörsyra (GABA). Dysfunktion i produktion
av Glu eller i en rubbad balans av GABA och Glu har kopplats till ett flertal neurologiska sjukdomar,
exempelvis epilepsi, Alzheimers, Parkinsons, essentiell tremor och gliom (hjärntumör). Detektering av
Glu i hjärnan bidrar till kunskapen om dessa sjukdomar och kan vara till hjälp vid beslut gällande
diagnos eller behandling.

Tidigare icke-invasiv metod för detektering av Glu har varit magnetresonans-spektroskopi, som
begränsats av lång insamlingsstid, relativt låg upplösning, och svårighet att urskilja glutamat från andra
ämnen. En relativt ny teknik inom magnetresonansbildtagning (MRI), kallad CEST (Chemical
Exchange Saturation Transfer), överkommer dessa begränsningar. CEST bygger på indirekt detektion
av ett ämne, till exempel Glu, genom att utnyttja det naturliga utbytet av vätekärnor mellan ämnet och
intilliggande vatten. Genom att skicka in en specifikt utformad radiofrekvent (RF) våg kan signalen från
vätekärnor i Glu släckas ut, vilket benämns saturation. När dessa vätekärnor utbyts med
vattenmolekyler följer saturationen med vilket leder till att den totala vattensignalen minskar. Den
sänkta vattensignalen är bland annat proportionell med mängden Glu och kan därför skapa en bild med
relativ mängd glutamat i hjärnan som kontrast.

För att detektera den sänkta vattensignalen orsakad av Glu behövs ett starkt externt magnetfält (B0)
och kräver att man samlar in en bild efter saturation med RF vågen för flera olika frekvenser. Bilderna
normaliseras med avseende på en bild insamlad helt utan saturation, sedan studerar man signalen som
en funktion av RF vågens frekvens, kallad Z-spektrum. Det starka magnetfältet B0 är inte jämnt, utan
har små variationer som orsakar att frekvensen som väteatomerna i Glu upplever är annorlunda från den
RF våg som skickas in. Man kan korrigera för detta till viss del innan CEST bildtagningen, men små
variationer kvarstår och behöver korrigeras för efteråt.

Detta projekt hade i syfte att genomföra CEST bildtagning av Glu, skapa en metod för korrektion av
variationer i B0, samt att etablera ett protokoll på skannern för upprepbar CEST bildtagning. Till
förfogande var Philips 7 T Achieva MRI skanner i Lund och biltagning genomfördes med tre fantom
(olika mängd glutamat och pH värde) samt med hjälp av tre friska frivilliga.
Hastigheten för utbytet av vätekärnor mellan Glu och vatten beror starkt på pH och mätning visade
tydlig skillnad i signal mellan de tre fantomen. Styrkan och tidslängden av RF vågen påverkar också
signalen vid CEST bildtagning och mätning av fantom visade en positiv ökning av signal för både ökad
styrka och längre tid. Liknande positiv respons vid ökad RF styrka uppmättes i frisk frivillig och
överensstämde med vad som var förväntat. Vid CEST bildtagning av friska frivilliga uppmättes ett
starkt bidrag från saturation av andra väteatomer än de i Glu och som överför saturation till vatten
genom andra processer än genom utbyte av vätekärnor. Dessa processer dominerar vid vissa frekvenser
av RF vågen och leder till längre värden i CEST bilderna. Trots det detekterades en sänkt vattensignal
vid frekvensen för vätekärnorna i Glu i Z-spektrumet. Dessutom visade CEST bilder en korrekt kontrast
mellan vitsubstans och gråsubstans hos de tre friska frivilliga.

Det var möjligt att skapa en korrektionsmetod för variationer i B0 och beräkning av CEST bilder i
MATLAB, samt att skapa ett protokoll för CEST bildtagning av Glu på 7 T skannern. Trots att korrektion
av variationer i B0 var framgångsrik var det tydligt i CEST bilderna att variationer i själva RF vågen var
stora och därav påverkade bilden kraftigt. Därför behövs en metod för korrektion av dessa variationer
för framtida applikationer.

• author: Pettersson, Emma
• supervisor: Peter Lundberg; Karin Markenroth Bloch; Michael Gottschalk
• organization: Medical Physics Programme
• course: MSFT02 20262
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 9248507
• date added to LUP: 2026-08-17 16:29:45
• date last changed: 2026-08-18 11:14:19