Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

الحصول على بيانات موحدة للتصوير بالرنين المغناطيسي الحساس للميلانين العصبي للمادة السوداء

Published: September 8, 2021 doi: 10.3791/62493
Automatic Translation
1, 1, *1,2, *1,2
1New York State Psychiatric Institute, 2Department of Psychiatry, Columbia University
* These authors contributed equally

Summary

يوضح هذا البروتوكول كيفية الحصول على بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي الحساسة للميلانين العصبي للمادة السوداء.

Abstract

يلعب نظام الدوبامين دورا حاسما في الإدراك الصحي (على سبيل المثال ، مكافأة التعلم وعدم اليقين) والاضطرابات العصبية والنفسية (مثل مرض باركنسون والفصام). الميلانين العصبي هو منتج ثانوي لتخليق الدوبامين الذي يتراكم في الخلايا العصبية الدوبامينية في المادة السوداء. التصوير بالرنين المغناطيسي الحساس للميلانين العصبي (NM-MRI) هو طريقة غير جراحية لقياس الميلانين العصبي في تلك الخلايا العصبية الدوبامينية ، مما يوفر مقياسا مباشرا لفقدان خلايا الدوبامين في المادة السوداء ومقياسا بديلا لوظيفة الدوبامين. على الرغم من أن التصوير بالرنين المغناطيسي NM-MRI قد ثبت أنه مفيد لدراسة الاضطرابات العصبية والنفسية المختلفة ، إلا أنه يواجه تحديا من خلال مجال رؤية محدود في الاتجاه الأدنى والأعلى مما يؤدي إلى فقدان محتمل للبيانات من الاستبعاد العرضي لجزء من المادة السوداء. بالإضافة إلى ذلك ، يفتقر المجال إلى بروتوكول موحد للحصول على بيانات NM-MRI ، وهي خطوة حاسمة في تسهيل الدراسات متعددة المواقع على نطاق واسع والترجمة إلى العيادة. يصف هذا البروتوكول إجراء وضع حجم NM-MRI خطوة بخطوة وفحوصات مراقبة الجودة عبر الإنترنت لضمان الحصول على بيانات عالية الجودة تغطي المادة السوداء بأكملها.

Introduction

Neuromelanin (NM) هو صبغة داكنة موجودة في الخلايا العصبية الدوبامينية في المادة السوداء (SN) والخلايا العصبية النورادرينالية في الموضع الأزرق (LC) 1،2. يتم تصنيع NM عن طريق الأكسدة المعتمدة على الحديد من الدوبامين الخلوي والنورادرينالين ويتم تخزينها في فجوات الالتهام الذاتي في سوما3. يظهر لأول مرة في البشر حوالي 2-3 سنوات من العمر ويتراكم مع سن1،4،5.

داخل الفجوات المحتوية على NM للخلايا العصبية SN و LC ، تشكل NM مجمعات بالحديد. هذه المعقدات NM-iron هي مغناطيسية ، مما يسمح بالتصور غير الجراحي ل NM باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)6,7. تعرف فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي التي يمكنها تصور NM باسم التصوير بالرنين المغناطيسي الحساس ل NM (NM-MRI) وتستخدم إما تأثيرات نقل المغنطة المباشرة أو غير المباشرة لتوفير تباين بين المناطق ذات التركيز العالي ل NM (على سبيل المثال ، SN) والمادة البيضاء المحيطة 8,9.

تباين نقل المغنطة هو نتيجة التفاعل بين بروتونات الماء المرتبطة بالجزيئات الكبيرة (المشبعة بنبضات نقل المغنطة) وبروتونات الماء الحرة المحيطة. في NM-MRI ، يعتقد أن الطبيعة المغناطيسية لمجمعات NM-iron تقصر T1 من بروتونات الماء الحرة المحيطة ، مما يؤدي إلى تقليل تأثيرات نقل المغنطة بحيث تظهر المناطق ذات التركيز العالي NM شديدة الكثافة في فحوصات NM-MRI10. على العكس من ذلك ، تحتوي المادة البيضاء المحيطة ب SN على نسبة عالية من الجزيئات الكبيرة ، مما يؤدي إلى تأثيرات نقل مغنطة كبيرة بحيث تظهر هذه المناطق منخفضة الكثافة في فحوصات NM-MRI ، مما يوفر تباينا عاليا بين SN والمادة البيضاء المحيطة.

في SN ، يمكن أن يوفر التصوير بالرنين المغناطيسي NM-MRI علامة على فقدان خلايا الدوبامين11 ووظيفة نظام الدوبامين12. هاتان العمليتان مناسبتان للعديد من الاضطرابات العصبية والنفسية وتدعمهما مجموعة واسعة من الأعمال السريرية وما قبل السريرية. على سبيل المثال ، لوحظت تشوهات في وظيفة الدوبامين على نطاق واسع في مرض انفصام الشخصية. أظهرت الدراسات التي أجريت في الجسم الحي باستخدام التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) زيادة في إطلاق الدوبامين المخطط13،14،15،16 وزيادة قدرة تخليق الدوبامين17،18،19،20،21،22 . علاوة على ذلك ، أظهرت دراسات ما بعد الوفاة أن مرضى الفصام لديهم مستويات متزايدة من هيدروكسيلاز التيروزين - الإنزيم المحدد للمعدل المتورط في تخليق الدوبامين - في العقد القاعدية23 و SN24,25.

بحثت العديد من الدراسات في أنماط فقدان خلايا الدوبامين ، خاصة في مرض باركنسون. كشفت دراسات ما بعد الوفاة أن الخلايا العصبية الدوبامينية المصطبغة في SN هي الموقع الرئيسي للتنكس العصبي في مرض باركنسون 26,27 ، وأنه في حين أن فقدان خلايا SN في مرض باركنسون لا يرتبط بفقدان الخلايا في الشيخوخة الطبيعية28 ، إلا أنه يرتبط بمدة المرض 29 . على عكس معظم طرق التحقيق في نظام الدوبامين ، فإن عدم التدخل الجراحي والفعالية من حيث التكلفة ونقص الإشعاع المؤين يجعل NM-MRI علامة حيوية متعددة الاستخدامات30.

تم تطوير بروتوكول NM-MRI الموصوف في هذه الورقة لزيادة قابلية استنساخ NM-MRI داخل الموضوع وعبر الموضوع. يضمن هذا البروتوكول تغطية كاملة ل SN على الرغم من التغطية المحدودة لفحوصات NM-MRI في الاتجاه الأدنى الأعلى. يستخدم البروتوكول الصور السهمية والإكليلية والمحورية ثلاثية الأبعاد (3D) T1-weighted (T1w) ، ويجب اتباع الخطوات لتحقيق وضع مكدس الشرائح المناسب. تم استخدام البروتوكول المبين في هذه الورقة في دراسات متعددة31,32 وتم اختباره على نطاق واسع. أكمل Wengler et al. دراسة لموثوقية هذا البروتوكول حيث تم الحصول على صور NM-MRI مرتين في كل مشارك عبر أيام متعددة32. أظهرت معاملات الارتباط داخل الفئة موثوقية ممتازة للاختبار وإعادة الاختبار لهذه الطريقة للتحليلات القائمة على منطقة الاهتمام (ROI) و voxelwise ، بالإضافة إلى التباين العالي في الصور.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ملاحظة: تم إجراء البحث الذي تم إجراؤه لتطوير هذا البروتوكول وفقا لإرشادات مجلس المراجعة المؤسسية لمعهد ولاية نيويورك للطب النفسي (IRB # 7655). تم مسح موضوع واحد لتسجيل فيديو البروتوكول ، وتم الحصول على موافقة خطية مستنيرة. راجع جدول المواد للحصول على تفاصيل حول ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي المستخدم في هذا البروتوكول.

1. معلمات اكتساب التصوير بالرنين المغناطيسي

  1. الاستعداد للحصول على صور T1w عالية الدقة باستخدام تسلسل صدى التدرج السريع المعد للمغنطة ثلاثية الأبعاد (MPRAGE) مع المعلمات التالية: الدقة المكانية = 0.8 × 0.8 × 0.8 مم3 ؛ مجال الرؤية (FOV) = 176 × 240 × 240 مم3 ؛ وقت الصدى (TE) = 3.43 مللي ثانية ؛ وقت التكرار (TR) = 2462 مللي ثانية ؛ وقت الانعكاس (TI) = 1060 مللي ثانية ؛ زاوية الوجه = 8 درجات ؛ عامل التصوير المتوازي داخل الطائرة (ARC) = 2 ؛ عامل التصوير المتوازي عبر المستوى (ARC) = 233 ؛ عرض النطاق الترددي = 208 هرتز / بكسل ؛ إجمالي وقت الاستحواذ = 6 دقائق و 39 ثانية.
  2. الاستعداد للحصول على صور NM-MRI باستخدام تسلسل صدى متدرج ثنائي الأبعاد (2D) مع تباين نقل المغنطة (2D GRE-MTC) مع المعلمات التالية: الدقة = 0.43 × 0.43 مم2 ؛ مجال الرؤية = 220 × 220 مم2 ؛ سمك الشريحة = 1.5 مم ؛ 20 شريحة فجوة الشريحة = 0 مم ؛ TE = 4.8 مللي ثانية ؛ TR = 500 مللي ثانية ؛ زاوية الوجه = 40 درجة ؛ عرض النطاق الترددي = 122 هرتز / بكسل ؛ إزاحة تردد MT = 1.2 كيلو هرتز ؛ مدة نبض MT = 8 مللي ثانية ؛ زاوية الوجه MT = 670 درجة ؛ عدد المتوسطات = 5 ؛ إجمالي وقت الاستحواذ = 10 دقائق 4 ثوان.
    ملاحظة: على الرغم من أن النتائج المعروضة استخدمت معلمات اكتساب التصوير بالرنين المغناطيسي هذه ، إلا أن هذا البروتوكول صالح للعديد من بروتوكولات التصوير T1w و NM-MRI. يجب أن يغطي بروتوكول NM-MRI ~ 25 مم في الاتجاه الأدنى الأعلى لضمان التغطية الكاملة ل SN.

2. وضع حجم NM-MRI

  1. الحصول على صورة T1w عالية الدقة (حجم فوكسل الخواص ≤1 مم). استخدم إعادة التنسيق عبر الإنترنت مباشرة بعد الحصول على الصورة لإنشاء صور T1w عالية الدقة محاذاة لخط المفصل الأمامي واللاحق (AC-PC) وخط الوسط.
    1. قم بإجراء إعادة التهيئة عبر الإنترنت باستخدام البرنامج الذي يوفره البائع (على سبيل المثال ، في حالة الحصول على بيانات على ماسح ضوئي GE: إعادة الإعمار متعدد المستويات (MPR) في التخطيط ؛ في حالة الحصول على بيانات على ماسح ضوئي من Siemens: MPR في بطاقة المهام ثلاثية الأبعاد ؛ في حالة الحصول على بيانات على ماسح ضوئي من Philips: MPR في وضع العرض لحزمة VolumeView).
      1. قم بإنشاء عمليات إعادة بناء متعددة المستويات لصورة 3D T1w في المستوى المحوري بشكل عمودي على خط AC-PC لتغطية الدماغ بالكامل بأقل فجوة شريحة.
      2. قم بإنشاء عمليات إعادة بناء متعددة المستويات لصورة 3D T1w في المستوى الإكليلي بشكل عمودي على خط AC-PC لتغطية الدماغ بالكامل بأقل فجوة شرائح.
      3. قم بإنشاء عمليات إعادة بناء متعددة المستويات لصورة 3D T1w في المستوى السهمي الموازي لخط AC-PC لتغطية الدماغ بالكامل بأقل فجوة شرائح.
  2. قم بتحميل طرق العرض السهمية والإكليلية والمحورية لصورة T1w عالية الدقة المعاد تنسيقها وتأكد من وجود خطوط مرجعية تصور موقع كل شريحة معروضة.
  3. حدد الصورة السهمية التي توضح أكبر فصل بين الدماغ المتوسط والمهاد (الشكل 1 أ). للقيام بذلك ، افحص بصريا الشرائح السهمية لصورة T1w المعاد تنسيقها حتى يتم تحديد الشريحة التي تظهر هذا الفصل الأكبر.
  4. باستخدام الصورة السهمية من نهاية الخطوة 2.3 ، حدد بصريا المستوى الإكليلي الذي يحدد الجانب الأمامي من الدماغ المتوسط (الشكل 1 ب).
  5. باستخدام الصورة الإكليلية من نهاية الخطوة 2.4 ، حدد بصريا المستوى المحوري الذي يحدد الجانب السفلي من البطين الثالث (الشكل 1C).
  6. في الصورة السهمية من نهاية الخطوة 2.3 ، قم بمحاذاة الحد العلوي لحجم NM-MRI مع المستوى المحوري المحدد في الخطوة 2.5 (الشكل 1D).
  7. حرك الحد العلوي لحجم NM-MRI 3 مم في الاتجاه المتفوق (الشكل 1E).
  8. قم بمحاذاة حجم NM-MRI مع خط الوسط في الصور المحورية والإكليلية (الشكل 1F).
  9. الحصول على صور NM-MRI.

Figure 1
الشكل 1: صور تعرض إجراء وضع حجم NM-MRI خطوة بخطوة. تشير الخطوط الصفراء إلى موقع الشرائح المستخدمة لوضع الحجم كما هو موضح في البروتوكول. (أ) أولا، يتم تحديد الصورة السهمية ذات الفصل الأكبر بين الدماغ المتوسط والمهاد (الخطوة 2.3 من البروتوكول). (ب) ثانيا، باستخدام الصورة من ( أ)، يتم تحديد المستوى الإكليلي الذي يحدد الجانب الأمامي من الدماغ المتوسط (الخطوة 2.4). (ج) ثالثا، في الصورة الإكليلية من المستوى المحدد في المستوى ( ب)، يتم تحديد المستوى المحوري الذي يحدد الجانب السفلي من البطين الثالث (الخطوة 2.5). (د) رابعا ، يتم عرض المستوى المحوري المحدد في C على الصورة السهمية من A (الخطوة 2.6). (ه) خامسا، إزاحة المستوى المحوري من D بمقدار 3 مم في الاتجاه الأعلى، ويشير هذا المستوى إلى الحد الأعلى لحجم التصوير بالرنين المغناطيسي NM-MRI (الخطوة 2.7). (F) موضع حجم NM-MRI النهائي حيث تتوافق الصورة الإكليلية مع C ، وتقابل الصورة السهمية A ، والصورة المحورية تتوافق مع المستوى المحوري في E. يتم محاذاة حجم NM-MRI مع خط الوسط في الدماغ في الصور الإكليلية والمحورية وخط AC-PC في الصورة السهمية (الخطوة 2.8). تمت إعادة طباعة جزء من هذا الرقم بإذن من Elsevier من 30. الاختصارات: NM-MRI = التصوير بالرنين المغناطيسي الحساس للميلانين العصبي ؛ AC-PC = المفصل الأمامي الخلفي. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

3. فحوصات مراقبة الجودة

  1. تأكد من أن صور NM-MRI المكتسبة تغطي SN بالكامل وأن SN مرئي في الصور المركزية ولكن ليس في الصور الأكثر تفوقا أو الأقل شأنا لحجم NM-MRI. بخلاف ذلك (الشكل 2) ، كرر الخطوات 2.3-2.9 لضمان وضع حجم NM-MRI الصحيح. إذا تحرك المشارك بشكل ملحوظ منذ الحصول على فحص T1w عالي الدقة ، فكرر الخطوات 2.1-2.9.

Figure 2
الشكل 2: مثال على اكتساب NM-MRI الذي فشل في فحص مراقبة الجودة الأول (الخطوة 3.1 من البروتوكول). يتم عرض كل شريحة من شرائح 20 NM-MRI من الأكثر شأنا (الصورة العلوية اليسرى) إلى الأكثر تفوقا (الصورة السفلية اليمنى) ؛ تم تعيين نافذة / مستوى الصورة للمبالغة في التباين بين المادة السوداء و Crus cerebri. توضح الأسهم البرتقالية في الشرائح 15-19 موقع المادة السوداء في تلك الشرائح. يظهر السهم الأحمر في الشريحة الأكثر تفوقا (الشريحة 20) أن المادة السوداء لا تزال مرئية في هذه الشريحة ، وبالتالي ، فإن الاستحواذ يفشل في فحص الجودة. اختصار: NM-MRI = التصوير بالرنين المغناطيسي الحساس للميلانين العصبي. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

  1. تحقق من القطع الأثرية ، خاصة تلك التي تمر عبر SN والمادة البيضاء المحيطة ، عن طريق الفحص البصري لكل شريحة من فحص NM-MRI المكتسب.
    1. ابحث عن التغييرات المفاجئة في شدة الإشارة بنمط خطي لا يحترم الحدود التشريحية العادية. على سبيل المثال ، قد يظهر هذا كمنطقة منخفضة الكثافة محاطة بمنطقتين عاليتي الكثافة.
    2. إذا كانت القطعة الأثرية ناتجة عن الأوعية الدموية (الشكل 3 أ) ، فاحتفظ بصور NM-MRI لأن هذه القطع الأثرية ستكون موجودة دائما على الأرجح.
    3. إذا كانت القطع الأثرية ناتجة عن حركة رأس المشارك (الشكل 3 ب) ، فذكر المشارك بالبقاء ثابتا قدر الإمكان واستعادة صور NM-MRI وفقا للخطوة 3.2.5.
    4. إذا كانت القطع الأثرية غامضة (الشكل 3C) ، فأعد الحصول على صور NM-MRI وفقا للخطوة 3.2.5. عند إعادة الاستحواذ ، إذا ظلت القطع الأثرية موجودة ، فتابع هذه الصور لأنها من المحتمل أن تكون بيولوجية وليست نتيجة لمشكلات الاستحواذ.
    5. إذا اجتازت صور NM-MRI فحص مراقبة الجودة في الخطوة 3.1 ، فانسخ موضع حجم NM-MRI السابق. إذا فشلت صور NM-MRI في فحص مراقبة الجودة في الخطوة 3.1 ، كرر الخطوات 2.3-2.9 لضمان وضع حجم NM-MRI الصحيح (أو الخطوات 2.1-2.9 إذا تحرك المشارك بشكل كبير).

Figure 3
الشكل 3: أمثلة على عمليات الاستحواذ على NM-MRI التي فشلت في فحص مراقبة الجودة الثاني (الخطوة 3.2 من البروتوكول). يتم عرض شريحة تمثيلية واحدة فقط لكل حالة. (أ) اكتساب NM-MRI الذي يفشل في فحص مراقبة الجودة بسبب قطعة أثرية للأوعية الدموية (الأسهم الحمراء) التي هي نتيجة للوعاء الدموي الذي تم تحديده بواسطة الأسهم الزرقاء. (ب) اقتناء NM-MRI الذي يفشل في فحص مراقبة الجودة بسبب القطع الأثرية المتحركة (الأسهم الحمراء). (ج) اقتناء NM-MRI الذي يفشل في فحص مراقبة الجودة بسبب قطعة أثرية غامضة (الأسهم الحمراء). اختصار: NM-MRI = التصوير بالرنين المغناطيسي الحساس للميلانين العصبي. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

يوضح الشكل 4 النتائج التمثيلية لمشاركة تبلغ من العمر 28 عاما لا تعاني من اضطرابات نفسية أو عصبية. يضمن بروتوكول NM-MRI تغطية كاملة ل SN ، والتي يتم تحقيقها باتباع الخطوة 2 من البروتوكول الموضحة في الشكل 1 ، وصور NM-MRI مرضية باتباع الخطوة 3 من البروتوكول. يمكن رؤية تباين ممتاز بين SN ومناطق المادة البيضاء المجاورة مع تركيز NM ضئيل (أي crus cerebri). تم فحص هذه الصور فور الحصول عليها لضمان التغطية المناسبة ل SN والتحقق من القطع الأثرية. نظرا لأن التغطية الكاملة ل SN تم تحقيقها بدون أي قطع أثرية ، فقد اجتاز الفحص فحوصات الجودة ولم يكن من الضروري تكراره.

Figure 4
الشكل 4: مثال على اكتساب NM-MRI التمثيلي. يتم عرض كل شريحة من شرائح 20 NM-MRI من الأكثر شأنا (الصورة العلوية اليسرى) إلى الأكثر تفوقا (الصورة السفلية اليمنى) ؛ تم تعيين نافذة / مستوى الصورة للمبالغة في التباين بين المادة السوداء و Crus cerebri من مشاركة تبلغ من العمر 28 عاما لا تعاني من اضطرابات نفسية أو عصبية. يضمن بروتوكول NM-MRI تغطية كاملة للمادة السوداء ، وتغطية جزئية للموضع الأزرق ، وصور NM-MRI مرضية. يمكن رؤية تباين ممتاز بين المادة السوداء ومناطق المادة البيضاء المجاورة التي لا تحتوي على تركيز الميلانين العصبي (أي crus cerebrus) على الشرائح 9-16. تظهر الصورة في الأسفل منظرا مكبرا للدماغ المتوسط من الشريحة 13. اختصار: NM-MRI = التصوير بالرنين المغناطيسي الحساس للميلانين العصبي. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

يوضح الشكل 2 النتائج التمثيلية لمشاركة تبلغ من العمر 28 عاما لا تعاني من اضطرابات نفسية أو عصبية فشلت صورها في فحص مراقبة الجودة الأول (الخطوة 3.1). يمكن رؤية SN في الشريحة الأكثر تفوقا (الشريحة 20) ، مما يشير إلى عدم تحقيق التغطية الكاملة ل SN. في هذه الحالة ، يجب إعادة الحصول على البيانات عن طريق تكرار الخطوات 2.3-2.9 من البروتوكول ، كما هو موضح في الشكل 1. إذا كان المشارك قد تحرك بشكل كبير منذ الحصول على صورة T1w الأولية ، فيجب على الباحث العودة إلى الخطوة 2.1 لاستعادة صورة T1w.

يوضح الشكل 3 أمثلة على الصور التي فشلت في فحص مراقبة الجودة الثاني (الخطوة 3.2). كما هو موضح في الخطوة 3.2 ، لا يلزم تكرار عمليات المسح التي تحتوي على قطع أثرية بسبب الأوعية الدموية (الشكل 3 أ) ، حيث من المحتمل أن تكون هذه القطع الأثرية موجودة في كل عملية استحواذ. يجب تكرار عمليات المسح التي تحتوي على قطع أثرية ناتجة عن الحركة (الشكل 3B) أو القطع الأثرية الغامضة (الشكل 3C). في حالة القطع الأثرية الغامضة ، إذا ظلت القطع الأثرية موجودة بعد إعادة الاستحواذ ، فلن تحتاج إلى إعادة المسح الضوئي لأن القطع الأثرية من المحتمل أن تكون بيولوجية وبالتالي ستكون موجودة في كل عملية استحواذ.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

يلعب نظام الدوبامين دورا حاسما في الإدراك الصحي والاضطرابات العصبية والنفسية. يعد تطوير طرق غير جراحية يمكن استخدامها للتحقيق بشكل متكرر في نظام الدوبامين في الجسم الحي أمرا بالغ الأهمية لتطوير مؤشرات حيوية ذات مغزى سريري. يوفر البروتوكول الموصوف هنا إرشادات خطوة بخطوة للحصول على صور NM-MRI عالية الجودة ل SN ، بما في ذلك وضع حجم NM-MRI وفحوصات مراقبة الجودة لضمان بيانات قابلة للاستخدام.

على الرغم من أن البروتوكولات التفصيلية لتحليل بيانات NM-MRI قد نوقشت في مكان آخر ، من أجل اكتمالها ، فإننا نقدم ملخصا موجزا لعملنا السابق وتوصياتنا للمعالجة المسبقة لصور NM-MRI وتحليلات voxelwise. وقد سبق التحقق من صحة هذا النهج بالاقتران مع بروتوكول الاقتناء الموصوف في هذه الورقة. تناقش الدراسات السابقة مزايا هذه الطريقة بمزيد من التفصيل وتوفر بيانات تدعم استنساخها6،12،32. لاحظ مع ذلك أن بروتوكول الاستحواذ الموحد الموصوف هنا ينطبق على أي استراتيجية معالجة وتحليل (بما في ذلك التحليل القائم على عائد الاستثمار في المساحة الأصلية أو MNI 8,32) وليس فقط تلك الموضحة هنا.

لتحليل صور NM-MRI ، يمكن إجراء المعالجة المسبقة لتصحيح الحركة وتطبيع بيانات الموضوع الفردية مكانيا إلى قالب تشريحي قياسي. نوصي باستخدام خط الأنابيب التالي الذي يجمع بين رسم الخرائط البارامترية الإحصائية (SPM) وأدوات التطبيع المتقدمة (ANTs) لاستخدام الأدوات التالية في الخطوات التالية: (1) SPM-Realign لإعادة محاذاة وتصحيح المتوسطات المكتسبة بشكل منفصل للحركة ، و SPM-ImCalc لمتوسط الصور المعاد محاذاتها ؛ (2) antsBrainExtraction.sh لاستخراج الدماغ من صورة T1w ؛ (3) antsRegistrationSyN.sh (جامدة + أفين + متزامنة قابلة للتشوه) للتطبيع المكاني لصورة T1w المستخرجة من الدماغ إلى مساحة قالب MNI152NLin2009cAsym ؛ (4) antsRegistrationSyN.sh (جامدة) لتسجيل صورة NM-MRI إلى صورة T1w (في الفضاء الأصلي) ؛ (5) antsApplyTransforms لدمج التحويلات المقدرة في الخطوتين 3 و 4 في تحويل من خطوة واحدة للتطبيع المكاني لصور NM-MRI إلى فضاء MNI ؛ و (6) SPM-Smooth مع نواة غاوسية كاملة العرض 1 مم عند نصف الحد الأقصى للتنعيم المكاني لصورة NM-MRI الطبيعية مكانيا. وقد تبين سابقا أن خط أنابيب المعالجة هذا يحقق أعلى موثوقية للاختبار وإعادة الاختبار في الأدبيات ، مع متوسط معامل الارتباط داخل الفئة (ICC) داخل SN ~ 0.9032. علاوة على ذلك ، استخدمت العديد من الدراسات السابقة خطوط أنابيب مماثلةللمعالجة المسبقة 12،31،34،35،36،37.

بعد التطبيع المكاني ، يجب تحليل صور NM-MRI عن طريق حساب نسبة التباين إلى الضوضاء في كل فوكسل (CNRV). يقيس CNR فرق إشارة النسبة المئوية بين كل فوكسل (I V) ومنطقة المادة البيضاء المرجعية المعروفة باحتوائها على القليل من محتوى NM 12 (crus cerebri، I CC) ، والتي تعطى بالصيغة التالية: CNR V = {[I V- mode (I CC)] / mode (I CC)} * 100. يمكن حساب متوسط قيم CNRV لكل مشارك لتحديد CNR ل SN بأكمله أو يمكن تحليلها على مستوى voxelwise داخل SN. تعكس قيم CNR الأعلى زيادة محتوى NM في هذا الفوكسل أو عائد الاستثمار. على عكس بعض طرق التحليل الأخرى التي تحدد عائد استثمار SN على أنه المنطقة شديدة الكثافة في صورة NM-MRI ، تستخدم هذه الطريقة الموصى بها عائد استثمار قالب محدد مسبقا يمكن الحصول عليه من الأدبيات12 أو رسمها على متوسط صور NM-MRI في مساحة MNI عبر جميع الموضوعات في الدراسة (باستخدام قالب خاص بالدراسة). هذه الطريقة ليست مؤتمتة بالكامل فحسب ، بل إنها تزيل أيضا الدائرية في التحليل ، وتمثل عدم التجانس داخل مجمع SN-VTA ، ولا تقصر التحليل على مستوى عائد الاستثمار بالكامل. 

عند الحصول على صور NM-MRI ، من الأهمية بمكان أن تتم محاذاة صور T1w المستخدمة لوضع حجم NM-MRI على طول خط AC-PC. سيؤدي القيام بذلك إلى تحسين قابلية استنساخ عمليات الفحص. من المهم أيضا الحصول على صور T1w في أقرب وقت ممكن قبل الحصول على صور NM-MRI قدر الإمكان. نظرا لاستخدام صورة T1w لوضع حجم NM-MRI ، فمن المهم أن تمثل بدقة موقع رأس المشارك في الماسح الضوئي. إذا انتقل المشارك بين فحص T1w وفحص NM-MRI ، فلن يتم وضع حجم NM-MRI بشكل مناسب. سيؤدي تقليل مقدار الوقت بين الحصول على صور T1w وصور NM-MRI إلى تقليل احتمالية انتقال المشارك بين عمليات المسح وبالتالي تقليل احتمالية عدم تضمين جزء من SN في حجم NM-MRI.

قد تكون هناك حاجة إلى بعض التعديلات على البروتوكول إذا ظهرت مشكلات في اكتساب NM-MRI. إذا لم يتم تغطية SN بالكامل باستمرار ، حتى بعد تصحيح موضع الحجم ، فقد يلزم زيادة عدد الشرائح في بروتوكول NM-MRI لالتقاط SN بالكامل. بالإضافة إلى ذلك ، إذا واجه المشارك صعوبة في البقاء ثابتا طوال فحص الرنين المغناطيسي NM-MRI ، مما أدى إلى قطع أثرية متسقة للحركة ، فيمكن الحصول على التكرار الفردي ومتوسطه في وضع عدم الاتصال. على سبيل المثال ، بدلا من إكمال فحص واحد مدته 10 دقائق يكتسب خمسة تكرارات في المتوسط عبر الإنترنت ، يمكن الحصول على خمس عمليات مسح مدتها 2 دقيقة ومتوسطها في وضع عدم الاتصال. هذا من شأنه أن يعطي المشاركين فرصا للراحة بين التكرار وقد يساعدهم على البقاء ثابتين طوال مدة عمليات المسح الفردية.

أحد قيود هذا البروتوكول هو أنه لا يوفر تغطية كاملة ل LC مع بروتوكولات اكتساب NM-MRI القياسية ، مما يمنع نظام noradrenergic من التحقيق بدقة باستخدام هذه الطريقة. في حين أن LC عبارة عن بنية يمكن تصويرها باستخدام NM-MRI ، فإن تضمين LC في هذا البروتوكول سيزيد من عدد الشرائح المطلوبة لالتقاط كل من SN و LC بالكامل بشكل موثوق. ستؤدي زيادة عدد الشرائح بدورها إلى زيادة وقت الفحص لهذا البروتوكول. نظرا لأن عمليات المسح هذه حساسة للحركة، فإن زيادة وقت المسح قد تنتج صورا أقل جودة حيث قد يجد المشاركون صعوبة أكبر في البقاء ثابتين لفترات أطول - خاصة في المجموعات السريرية. وبالتالي ، اخترنا عدم تضمين LC في هذا البروتوكول لتقليل احتمالية وجود عناصر متحركة في البيانات. يجب أن تبحث الدراسات المستقبلية في موثوقية بروتوكولات NM-MRI مع عدد أكبر من الشرائح لتصوير SN و LC في وقت واحد.

القيد الثاني لهذا البروتوكول هو أن محاذاة AC-PC لحجم NM-MRI قد لا توفر الاتجاه الأمثل لتصوير SN. في حين أنه من السهل التعرف على خط AC-PC ، فإن هذا الاتجاه لا يقلل تماما من تأثيرات الحجم الجزئية لأنه ليس عموديا تماما على SN. استخدم العمل السابق مقطعا محوريا مائلا عموديا على أرضية البطين الرابع لتصوير SN38،39،40. في حين أن موضع الحجم هذا ، أو واحد عمودي على القناة الدماغية ، قد يوفر تأثيرات حجم جزئية أقل من محاذاة AC-PC ، فقد اخترنا استخدام خط AC-PC نظرا لمعالمه المحددة بوضوح. وقد تبين صحة هذه المحاذاة في العمل السابق باستخدام البروتوكول المبين أعلاه، حيث تم تحقيق موثوقية ممتازة للاختبار وإعادة الاختبار32. كما تم استخدام محاذاة AC-PC في العديد من الدراسات الأخرى. وجد كاسيدي وآخرون أن المرضى الذين يعانون من إدمان الكوكايين لديهم قيم SN CNR أعلى من الضوابط35. في دراسة أجريت على المرضى الذين يعانون من الاكتئاب في أواخر العمر ، وجد Wengler et al. أن الوظيفة الحركية النفسية كانت مرتبطة بقيم SN CNR36. وجدت ورقة ثالثة أيضا أن مرضى باركنسون قد خفضوا CNR في SN بينما زاد المرضى الذين يعانون من الذهان CNR في SN12.

ومع ذلك ، لم تقارن أي دراسة بشكل مباشر طرق وضع الحجم المختلفة ، وهذا مجال يجب أن تستكشفه الأبحاث المستقبلية لتحديد الطريقة التي توفر أفضل موثوقية للاختبار وإعادة الاختبار عبر عمليات الاستحواذ المتعددة. يمكن أن توفر تسلسلات 3D NM-MRI حلا بديلا لأنها توفر مرونة أكبر في إعادة التنسيق بعد الاستحواذ. علاوة على ذلك ، تحقق تسلسلات 3D نسبة إشارة إلى ضوضاء أعلى من تسلسلات 2D ، مما قد يسمح بدقة مكانية أعلى ولكن يأتي على حساب زيادة الحساسية للحركة. حاليا ، 2D-GRE MT هو تسلسل NM-MRI الوحيد الذي تم التحقق من صحته على نطاق واسع - العامل المحفز لاستخدامه لهذا البروتوكول. يجب أن تقارن الدراسات المستقبلية إشارة NM-MRI من تسلسلات 3D إلى تركيز NM ووظيفة الدوبامين المخطط ، وقابلية التكاثر مقارنة ب 2D-GRE MT قبل اعتمادها على نطاق واسع.

يتميز هذا البروتوكول بمزايا مقارنة ببروتوكولات NM-MRI الأخرى لأنه يوفر معالم يمكن التعرف عليها بسهولة لوضع حجم NM-MRI ، مما يجعله قابلا للتكرار بدرجة كبيرة. كما يوفر فحوصات الجودة عبر الإنترنت ، والتي لم يتضمنها أي بروتوكول NM-MRI آخر. تسمح فحوصات الجودة هذه للمجرب بإعادة الحصول على الصور إذا كانت ذات جودة رديئة بدلا من مجرد استبعاد هذا الموضوع من التحليل.

NM-MRI هو أداة قيمة تم استخدامها للتحقيق في العديد من الاضطرابات العصبية والنفسية. NM-MRI هو مقياس بديل لوظيفة الدوبامين في المسار الأسود12 ، وبالتالي يقدم طريقة لفحص نظام الدوبامين في الجسم الحي الذي لا يتطلب إجراءات غازية مثل PET. زاد مرضى الفصام من إشارة NM في SN38,41 ، مما يدعم الدراسات السابقة التي كشفت عن زيادة وظيفة الدوبامين في مرض انفصام الشخصية. ترتبط إشارة NM-MRI في SN أيضا بشدة الذهان لدى مرضى الفصام والمعرضين لخطر الإصابة بالفصام12. أظهرت الأبحاث أيضا أن الأفراد الذين يعانون من اضطراب تعاطي الكوكايين قد زادوا من إشارة NM-MRI في المناطق البطنية الجانبية من SN35 ، وأنه في المرضى الذين يعانون من الاكتئاب في أواخر العمر ، يرتبط انخفاض إشارة NM-MRI في SN مع تباطؤ المحرك36. بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدام NM-MRI لدراسة فقدان خلايا الدوبامين في حالات مثل مرض باركنسون.

أثبت كيتاو وزملاؤه أن إشارة NM-MRI في SN مرتبطة بعدد الخلايا العصبية الدوبامينية المصطبغة في SN11 ، وأظهر آخرون أن إشارة NM-MRI في الخلايا العصبية الدوبامينية SN تنخفض في مرض باركنسون6،9،39،40. استخدمت الأبحاث الإضافية في مرضى باركنسون NM-MRI لرسم خريطة للنمط الطبوغرافي لفقدان خلايا SN12 وتطور فقدان خلايا SN على مدار المرض37. إجمالا ، يشير هذا إلى أن NM-MRI لا يوفر فقط نظرة ثاقبة للمكونات الكيميائية الأساسية للاضطرابات العصبية والنفسية ، ولكنه قد يكون مفيدا أيضا كمؤشر حيوي في التنبؤ ببداية المرض وشدته. نأمل أن يسهل البروتوكول الموحد المقدم هنا العمل المستقبلي لتطوير مؤشرات حيوية مفيدة سريريا بناء على NM-MRI30.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

أبلغ كل من الدكتور هورغا وفينجلر عن حصولهما على براءات اختراع لتحليل واستخدام تصوير الميلانين العصبي في اضطرابات الجهاز العصبي المركزي (WO2021034770A1 ، WO2020077098A1) ، مرخص لشركة Terran Biosciences ، لكنهما لم يتلقيا أي إتاوات.

Acknowledgments

تلقى الدكتور هورغا الدعم من NIMH (R01-MH114965 ، R01-MH117323). تلقى الدكتور فينجلر الدعم من NIMH (F32-MH125540).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3T Magnetic Resonance Imaging General Electric GE SIGNA Premier with 48-channel head coil

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Zecca, L., et al. New melanic pigments in the human brain that accumulate in aging and block environmental toxic metals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (45), 17567-17572 (2008).
  2. Zucca, F. A., et al. The neuromelanin of human substantia nigra: physiological and pathogenic aspects. Pigment Cell Research. 17 (6), 610-617 (2004).
  3. Sulzer, D., et al. Neuromelanin biosynthesis is driven by excess cytosolic catecholamines not accumulated by synaptic vesicles. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 97 (22), 11869-11874 (2000).
  4. Cowen, D. The melanoneurons of the human cerebellum (nucleus pigmentosus cerebellaris) and homologues in the monkey. Journal of Neuropathology & Experimental Neurology. 45 (3), 205-221 (1986).
  5. Zecca, L., et al. The absolute concentration of nigral neuromelanin, assayed by a new sensitive method, increases throughout the life and is dramatically decreased in Parkinson's disease. FEBS Letters. 510 (3), 216-220 (2002).
  6. Sulzer, D., et al. Neuromelanin detection by magnetic resonance imaging (MRI) and its promise as a biomarker for Parkinson's disease. NPJ Parkinson's Disease. 4 (1), 11 (2018).
  7. Zucca, F. A., et al. Neuromelanin organelles are specialized autolysosomes that accumulate undegraded proteins and lipids in aging human brain and are likely involved in Parkinson's disease. NPJ Parkinson's Disease. 4 (1), 17 (2018).
  8. Chen, X., et al. Simultaneous imaging of locus coeruleus and substantia nigra with a quantitative neuromelanin MRI approach. Magnetic Resonance Imaging. 32 (10), 1301-1306 (2014).
  9. Sasaki, M., et al. Neuromelanin magnetic resonance imaging of locus ceruleus and substantia nigra in Parkinson's disease. Neuroreport. 17 (11), 1215-1218 (2006).
  10. Trujillo, P., et al. Contrast mechanisms associated with neuromelanin-MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 78 (5), 1790-1800 (2017).
  11. Kitao, S., et al. Correlation between pathology and neuromelanin MR imaging in Parkinson's disease and dementia with Lewy bodies. Neuroradiology. 55 (8), 947-953 (2013).
  12. Cassidy, C. M., et al. Neuromelanin-sensitive MRI as a noninvasive proxy measure of dopamine function in the human brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (11), 5108-5117 (2019).
  13. Abi-Dargham, A., et al. Increased striatal dopamine transmission in schizophrenia: confirmation in a second cohort. American Journal of Psychiatry. 155 (6), 761-767 (1998).
  14. Laruelle, M., et al. Single photon emission computerized tomography imaging of amphetamine-induced dopamine release in drug-free schizophrenic subjects. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 93 (17), 9235-9240 (1996).
  15. Breier, A., et al. Schizophrenia is associated with elevated amphetamine-induced synaptic dopamine concentrations: evidence from a novel positron emission tomography method. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 94 (6), 2569-2574 (1997).
  16. Abi-Dargham, A., et al. Increased baseline occupancy of D-2 receptors by dopamine in schizophrenia. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 97 (14), 8104-8109 (2000).
  17. Hietala, J., et al. Presynaptic dopamine function in striatum of neuroleptic-naive schizophrenic patients. Lancet. 346 (8983), 1130-1131 (1995).
  18. Lindström, L. H., et al. Increased dopamine synthesis rate in medial prefrontal cortex and striatum in schizophrenia indicated by L-(β-11C) DOPA and PET. Biological Psychiatry. 46 (5), 681-688 (1999).
  19. Meyer-Lindenberg, A., et al. Reduced prefrontal activity predicts exaggerated striatal dopaminergic function in schizophrenia. Nature Neuroscience. 5 (3), 267-271 (2002).
  20. McGowan, S., Lawrence, A. D., Sales, T., Quested, D., Grasby, P. Presynaptic dopaminergic dysfunction in schizophrenia: a positron emission tomographic [18F] fluorodopa study. Archives of General Psychiatry. 61 (2), 134-142 (2004).
  21. Bose, S. K., et al. Classification of schizophrenic patients and healthy controls using [18F] fluorodopa PET imaging. Schizophrenia Research. 106 (2-3), 148-155 (2008).
  22. Kegeles, L. S., et al. Increased synaptic dopamine function in associative regions of the striatum in schizophrenia. Archives of General Psychiatry. 67 (3), 231-239 (2010).
  23. Toru, M., et al. Neurotransmitters, receptors and neuropeptides in post-mortem brains of chronic schizophrenic patients. Acta Psychiatrica Scandinavica. 78 (2), 121-137 (1988).
  24. Perez-Costas, E., Melendez-Ferro, M., Rice, M. W., Conley, R. R., Roberts, R. C. Dopamine pathology in schizophrenia: analysis of total and phosphorylated tyrosine hydroxylase in the substantia nigra. Frontiers in Psychiatry. 3, 31 (2012).
  25. Howes, O. D., et al. Midbrain dopamine function in schizophrenia and depression: a post-mortem and positron emission tomographic imaging study. Brain. 136 (11), 3242-3251 (2013).
  26. Bernheimer, H., Birkmayer, W., Hornykiewicz, O., Jellinger, K., Seitelberger, F. Brain dopamine and the syndromes of Parkinson and Huntington Clinical, morphological and neurochemical correlations. Journal of the Neurological Sciences. 20 (4), 415-455 (1973).
  27. Hirsch, E., Graybiel, A. M., Agid, Y. A. Melanized dopaminergic neurons are differentially susceptible to degeneration in Parkinson's disease. Nature. 334 (6180), 345 (1988).
  28. Fearnley, J. M., Lees, A. J. Ageing and Parkinson's disease: substantia nigra regional selectivity. Brain. 114 (5), 2283-2301 (1991).
  29. Damier, P., Hirsch, E., Agid, Y., Graybiel, A. The substantia nigra of the human brain: II. Patterns of loss of dopamine-containing neurons in Parkinson's disease. Brain. 122 (8), 1437-1448 (1999).
  30. Horga, G., Wengler, K., Cassidy, C. M. Neuromelanin-sensitive magnetic resonance imaging as a proxy marker for catecholamine function in psychiatry. JAMA Psychiatry. 78 (7), 788-789 (2021).
  31. Wengler, K., et al. Cross-scanner harmonization of neuromelanin-sensitive MRI for multisite studies. Journal of Magnetic Resonance Imaging. , (2021).
  32. Wengler, K., He, X., Abi-Dargham, A., Horga, G. Reproducibility assessment of neuromelanin-sensitive magnetic resonance imaging protocols for region-of-interest and voxelwise analyses. NeuroImage. 208, 116457 (2020).
  33. Griswold, M. A., et al. Generalized autocalibrating partially parallel acquisitions (GRAPPA). Magnetic Resonance in Medicine. 47 (6), 1202-1210 (2002).
  34. vander Pluijm, M., et al. Reliability and reproducibility of neuromelanin-sensitive imaging of the substantia nigra: a comparison of three different sequences. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 53 (5), 712-721 (2020).
  35. Cassidy, C. M., et al. Evidence for dopamine abnormalities in the substantia nigra in cocaine addiction revealed by neuromelanin-sensitive MRI. American Journal of Psychiatry. 177 (11), 1038-1047 (2020).
  36. Wengler, K., et al. Association between neuromelanin-sensitive MRI signal and psychomotor slowing in late-life depression. Neuropsychopharmacology. 46, 1233-1239 (2020).
  37. Biondetti, E., et al. Spatiotemporal changes in substantia nigra neuromelanin content in Parkinson's disease. Brain. 143 (9), 2757-2770 (2020).
  38. Shibata, E., et al. Use of neuromelanin-sensitive MRI to distinguish schizophrenic and depressive patients and healthy individuals based on signal alterations in the substantia nigra and locus ceruleus. Biological Psychiatry. 64 (5), 401-406 (2008).
  39. Fabbri, M., et al. Substantia nigra neuromelanin as an imaging biomarker of disease progression in Parkinson's disease. Journal of Parkinson's Disease. 7 (3), 491-501 (2017).
  40. Matsuura, K., et al. Neuromelanin magnetic resonance imaging in Parkinson's disease and multiple system atrophy. European Neurology. 70 (1-2), 70-77 (2013).
  41. Watanabe, Y., et al. Neuromelanin magnetic resonance imaging reveals increased dopaminergic neuron activity in the substantia nigra of patients with schizophrenia. PLoS One. 9 (8), 104619 (2014).

Tags

علم الأعصاب، العدد 175،
الحصول على بيانات موحدة للتصوير بالرنين المغناطيسي الحساس للميلانين العصبي للمادة السوداء
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Salzman, G., Kim, J., Horga, G.,… More

Salzman, G., Kim, J., Horga, G., Wengler, K. Standardized Data Acquisition for Neuromelanin-Sensitive Magnetic Resonance Imaging of the Substantia Nigra. J. Vis. Exp. (175), e62493, doi:10.3791/62493 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter