خلق الصور الديناميكية لتقلبات الدوبامين قصير الأجل مع LP-ntPET: أفلام الدوبامين من تدخين السجائر

الهدف العام من هذا الإجراء هو تصوير الاستجابة الدوبامينية للدماغ تجاه تدخين السجائر. ويتم تحقيق ذلك أولاً من خلال تصوير شخص مدخن أثناء التدخين في ماسح التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (pet scanner) بعد حقن مقتفي الأثر المضاد للدوبامين 11 C RAC lip pride. وتتمثل الخطوة الثانية في إعادة بناء بيانات وضع القائمة (list mode data) لتحويلها إلى صور مع مراعاة الحركة، ثم تنعيم صور الـ pet باستخدام مرشح فائق (hyper filter).

بعد ذلك، يتم نمذجة منحنيات النشاط الزمني على مستوى الفوكسل باستخدام تقنية LPNT PET، ويتم الاحتفاظ بمنحنيات الدوبامين الناتجة فقط للفوكسلات التي تتوافق بشكل جيد مع النموذج. وتتمثل الخطوة النهائية في ترميز مستوى الدوبامين الجزئي لكل "ثقب ثعلب" (foxhole) بالألوان بمرور الوقت في الثقوب ذات الدلالة الإحصائية، وتسجيل القيم المرمزة لونياً كسلسلة من الصور الديناميكية. وفي نهاية المطاف، يُؤمل أن تُستخدم مقاطع الفيديو الخاصة بالدوبامين الناتجة عن تقنية LPNT PET لتدخين السجائر للكشف عن نمط مكاني زماني فريد للإدمان.

تتمثل الميزة الرئيسية لنموذجنا الحركي مقارنة بالنماذج التقليدية، مثل نموذج مقصورتي الأنسجة، أو SRTM، أو مخطط Logan، في أن نموذجنا يتضمن معلمة متغيرة زمنياً، ولكنه يظل خطياً في المعلمات، تماماً مثل SRTM ومخطط Logan. إن وجود معلمة متغيرة زمنياً في نموذج LPNT PET يعني أنه يمكننا وصف امتصاص أو إزاحة مقتفي PET حتى عندما لا يكون الناقل العصبي الداخلي في حالة مستقرة. وهناك جانب سريري في تقنياتنا لا يمكن إغفاله، وهو الخطوة الإحصائية بالنسبة لنا.

يُستخدم هذا الاختبار لتحديد مواقع الصناديق التي تتطلب نماذج زمنية لوصف آداب السلوك. وعلى الرغم من تطبيق هذه الطريقة حالياً على الإدمان وجهاز الدوبامين، إلا أنه يمكن تطبيقها أيضاً على حالات وأنظمة ناقلات عصبية أخرى، مثل الاكتئاب والسيروتونين على سبيل المثال، شريطة توفر كاشف مشع يمكن إزاحته بواسطة التغيرات في مستويات السيروتونين. ونأمل أن نتمكن من استخدام هذه التقنية لتحديد الأنماط المكانية والزمانية لنشاط الدماغ الفريدة للإدمان، وربما حتى بصمات كيميائية عصبية تميز الإناث أو الذكور بشكل فريد.

لقد خطرت لنا فكرة صنع أفلام الدوبامين لأول مرة عندما حاول مؤلفنا المشارك كريستيان كونستانتين عرض أنماط متغيرة زمنياً لنشاط الدوبامين من خلال إنشاء كتاب قلّاب تقليدي. يعد العرض المرئي لمنهجنا أمراً بالغ الأهمية لأن المنتج النهائي هو فيلم، وهو ما يتعذر عرضه على الصفحات الثابتة للمجلة. ولكن نظراً لأن أعيننا تمثل أنظمة جيدة للتعرف على الأنماط، فإننا نأمل في اكتشاف أنماط أو تسلسلات من إفراز الدوبامين لم يكن أحد يبحث عنها حتى، ولتوضيح جوانب إجراءاتنا التي يجب أن ينفذها كوادر طبية مرخصة، ستشارك إليسا هيلداغو، فنية الطب النووي المعتمدة، وسيندي ديكو، الممرضة المسجلة من مركز ييل للتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (Yale Pet Center).

للبدء، يتم الحصول على مسح بالرنين المغناطيسي (MR) لبنية الجسم قبل التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، مثل مسح 3D MP rage في يوم منفصل عن يوم مسح PET. سيوفر مسح MR مرجعاً تشريحياً لصور PET. كما يجب الترتيب ليقوم الشخص الخاضع للدراسة بالتدرب على حركة التدخين داخل ماسح PET قبل إجراء المسح.

لبدء تحضير المريض، يجب أولاً أن يقوم ممرض مسجل بتركيب قسطرة وريدية (IV) لتكون جاهزة للاتصال لاحقاً بالمضخة التي تضخ المقتفي. كما يجب تحضير مضخة الحقن وبرمجتها بنمط التسريب المناسب لمقتفي RAC lapide. بعد ذلك، يتم إعداد جهاز مراقبة حركة الرأس عن طريق تثبيت كرات عاكسة في أعلى رأس الخاضع للاختبار هنا.

تُثبَّت الكرات على أداة صلبة على شكل صليب، والتي تكون متصلة بغطاء سباحة CRA. ستقوم ليزرات تتبع الرأس في نظام Vic CCRA بسحب موضع الكرات العاكسة بمعدل 20 hertz. وأخيرًا، للتخلص من التدخين السلبي من جناح الحيوانات الأليفة.

أثناء التجربة، ضع مدخل مرشح الهواء أمام الماسح الضوئي وفوق رأس الشخص الخاضع للفحص، مع ترك مساحة كافية تسمح للشخص بتقريب السيجارة إلى فمه أثناء التدخين. قم بتوجيه الشخص داخل الماسح الضوئي. ثم، وقبل حقن المادة المشعة وبدء عملية التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، قم أولاً بإجراء مسح انتقال لمدة تسع دقائق.

بعد ذلك، يقوم تقني متخصص معتمد في الطب النووي بإعطاء المادة المشعة. وبشكل عام، يقوم فريق مكون من تقنيين اثنين ببدء عملية إعطاء المادة المشعة واكتساب بيانات PET في وقت واحد، مع تقديم استبيانات بسيطة شفهياً للشخص الخاضع للدراسة مباشرة قبل التدخين وبعده. يجب على المدخن تقييم درجة الرغبة في النيكوتين، ومدى إشباع هذه الرغبة، ومشاعر النفور على مقياس من واحد إلى مائة.

من أجل رصد استجابة الدوبامين لتجربة تدخين طبيعية، اطلب من الخاضع للدراسة القيام بعملية التدخين. وبدلاً من قيام موظفي الدراسة بإعطاء النيكوتين أو السيجارة، وجه المدخن للتدخين بالسرعة التي تناسبه وبنوع السجائر الذي يفضله. يجب أن يكون الخاضعون للدراسة قد امتنعوا عن التدخين منذ منتصف الليل السابق، ويتعين عليهم تدخين سيجارتين على التوالي.

يستغرق استهلاك السيجارتين عادةً حوالي 10 دقائق. بعد ذلك، يتم تطبيق مقاييس التقييم بعد التدخين كما تم وصفه سابقاً بعد جلسة المسح، مع تطبيق نسخة معدلة من طريقة الترشيح المكاني. يتم إجراء إسقاط خلفي مقيد للغاية على جميع صور pet بطريقة تعتمد على الإطار تلو الآخر.

تكمن ميزة الدقة المنخفضة الفائقة (hyper LR) في أنها تقلل الضوضاء المكانية دون إضعاف المعلومات الزمنية في كل فوكسل سنستخدمه لإنشاء مقاطع الفيديو الخاصة بالدوبامين. قم بمحاذاة صور PET مع بيانات MR الخاصة بالخاضع للاختبار، ثم طبق قناع AAL للمخطط. يتمتع RACLOPRIDE بتباين كافٍ بين الإشارة والخلفية ليتم استخدامه فقط في المخطط، وهو منطقة في الدماغ مرتبطة بإدمان المخدرات.

قم بتطبيق قناع للمخطط (striatum) قبل التجاري على جميع بيانات التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) في الحيز القالبي. بعد ذلك، اختر دوال استجابة الدوبامين المتوافقة مع استجابات الدوبامين المحتملة للمحفز من خلال اختيار مجموعة محددة من دوال الاستجابة. متى يمكن تقييد شكل وتوقيت استجابات الدوبامين المقدرة لتكون متوافقة مع المنحنيات المتوقعة للمحفز الخاص بالتدخين؟

توقع ارتفاعاً وانخفاضاً أحادي المنوال لتركيز الدوبامين في منحنى يتخذ شكل توزيع غاما. في حالة التدخين عند الدقيقة 45 من الفحص، يجب تضمين عائلات دوال الاستجابة التي تبدأ أوقات انطلاقها من الدقيقة 40 وما بعدها. الآن، قم بمطابقة نموذج LPNT PET مع منحنيات النشاط الزمني لـ PET عند كل voxel فردي في المنطقة المقنعة.

تظهر هنا المعادلة التشغيلية للنموذج. حيث يصبح تكامل حاصل ضرب منحنيات النشاط الزمني لـ PET مع كل دالة استجابة مجموعة من الدوال الأساسية الخطية be لـ T التي تساهم في النموذج. ونظرًا لأن LPNT PET هي طريقة تعتمد على الدوال الأساسية الخطية لملاءمة بيانات PET الديناميكية، فيمكن تنفيذها لتقدير سريع لكل من المعاملات الحركية التي تحكم عمل المقتفي والمقطع الزمني لتغير تركيز الدوبامين النسبي أثناء جلسة التصوير في كل حفرة ثعلب (foxhole).

سجل بعد ذلك خريطة المجموع المرجح لمربعات البواقي الناتجة عن مطابقة LPNT PET مع البيانات في كل ثقب (foxhole)؛ حيث ينتج عن مطابقة النموذج في كل ثقب صور لمعلمات المقتفي. تمثل R1 قيمة التدفق النسبي، بينما تمثل K2 معدل FLX من الحجرة الحرة في المنطقة المستهدفة.

يمثل K two A معدل FLX الظاهري من النسيج المستهدف الذي تمت نمذجته كحجرة واحدة، بينما تمثل gamma مقدار إشارة الدوبامين. ويمكن اعتبار المجموع المرجح لمربعات البواقي عند كل voxel كصورة أيضاً. الآن، قم بمطابقة نموذج النسيج المرجعي MULTILINE أو MRTM مع بيانات النشاط الزمني لـ PET عند كل voxel فردي في المنطقة المقنعة.

هذا نموذج خطي مطابق لنموذج LPNT pet، باستثناء أنه يفتقر إلى ملاءمة حد الدوبامين المتغير زمنياً. وتؤدي ملاءمة MRTM لبيانات كل فوكسل (voxel) إلى تقديرات لثلاث صور بارامترية فقط، وهي R one و K two و K two a، كما تسجل خريطة المجموع المرجح لمربعات البواقي من ملاءمة MRTM للبيانات في كل فوكسل أيضاً. بعد ذلك، يتم إنشاء خريطة F من خرائط مربعات المجموع عن طريق حساب إحصائية F عند كل فوكسل في القناع.

تقارن إحصائية F المجموع الموزون لمربعات البواقي من نموذج LPNT PET بالمجموع الموزون لمربعات البواقي من نموذج MRTM مع تصحيح الاختلافات في درجات الحرية في عتبة الملاءمة لكل منهما. يتم تحديد خريطة FMAP عند قيمة تترجم إلى احتمالية P أقل من 0.05 بناءً على درجات الحرية في ملاءمات النموذج، ثم يتم تحويل الخريطة لإنشاء قناع دلالة جديد يحتفظ فقط بتلك الفوكسلات في المخطط المخطط Whose منحنيات النشاط الزمني للتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) تكون ملاءمتها مع نموذج LPNT PET أفضل منها مع نموذج MRTM. بعد ذلك، يتم إجراء عملية فتح مورفولوجية (morphological opening) على قناع الدلالة للتخلص من مجموعات الفوكسلات الصغيرة والمعزولة التي نفترض أنها ناتجة عن الضوضاء.

يجب استخدام نواة فوكسل متناحية (isotropic) بحجم 2×2×2 لإزالة مجموعات الفوكسلات المنعزلة التي يبلغ قطرها فوكسلين أو أقل. ينتج عن ذلك قناع الدلالة الإحصائية النهائي. يتم إجراء التحليل نفسه على البيانات المستمدة من كل حالة تجريبية سيتم فحصها في البروتوكول.

تم الحصول على البيانات الموضحة وتحليلها لكل مشارك في حالتين منفصلتين: التدخين والمجموعة الضابطة. وأخيراً، تمت مقارنة حالة التدخين بالمجموعة الضابطة من خلال إنشاء فيلم دوبامين مركب.

قم بإنتاج مقاطع فيديو للدوبامين لنفس الشخص تحت ظروف مختلفة. على سبيل المثال، حالة الأساس أو المهمة الوهمية مقابل التدخين. كما يجب إنتاج مقطع فيديو مركب للدوبامين لشخص واحد لجميع شرائح الجسم المخطط في حالتي الأساس والتدخين.

نرى هنا تأثيرات مرشحين مكانيين فائقين مختلفين مقابل عدم استخدام الترشيح على سلاسة بيانات النشاط الزمني في فوكسل واحد من أطلس AAL؛ حيث يعرض الصفان العلوي والأوسط صوراً تمت تصفيتها بأحجام نواة مختلفة، بينما يعرض الصف السفلي منحنيات النشاط الزمني المقابلة من نفس موقع الفوكسل الواحد في النواة المذنبة الظهرية اليسرى. نرى هنا أمثلة تمثيلية لوظائف استجابة الدوبامين التي تبدأ بالارتفاع عند الدقيقة 40 أو الدقيقة 45 بعد حقن المقتفي.

تم حساب هذه القيم مسبقاً لملاءمة نموذج LPNT PET مع بيانات النشاط الزمني لـ PET في كل voxel. يوضح هذا الشكل ملاءمة نموذجي MRTM التقليدي وLPNT PET الجديد، على التوالي، لبيانات النشاط الزمني من voxel في النواة المذنبة اليسرى. تظهر ملاءمة MRTM باللون الأزرق، وملاءمة LPNT pet باللون الأحمر.

نرى هنا صوراً بارامترية للمجموع الموزون لمربعات البواقي (WSSR) لكل من MRTM و LP NT pet. وتتم مقارنة خرائط WSSR المقابلة عبر إحصائية F لإنشاء خريطة F، والتي تخضع بدورها لعملية تحديد عتبة عند مستوى الاحتمالية المطلوب لتحويلها إلى قناع ثنائي، ثم يتم ترشيحها لإنتاج قناع الدلالة النهائي. يوضح هذا الشكل مقطعاً إكليلياً واحداً من قناع الدلالة النهائي لحالة التدخين لدى خاضع للتجربة واحد، مقارنة بقناع الدلالة النهائي لخاضع للتجربة ومقطع مقابل في حالة الضابطة.

يعرض هذا المقطع مستوى الدوبامين إطارًا تلو الآخر بالنسبة لمستوى الدوبامين الأساسي أو مستوى الراحة. يتم ترميز مستويات الدوبامين بالألوان؛ حيث تمثل الألوان تحديدًا التغير في مستوى الدوبامين فوق المستوى الأساسي كنسبة مئوية من المستوى الأساسي.

مرة أخرى، يتم عرض مستويات الدوبامين للوكسلات فقط. في قناع الدلالة النهائي الذي يتجاوز مستوى الدلالة P أقل من 0.05. يوضح هذا المقطع المرئي فيلم الدوبامين متعدد المقاطع لمدخن ذكر.

تُعرض جميع شرائح المخطط البطني في آن واحد لكل من حالة التدخين وحالة الأساس. يُلاحظ وجود تنشيط رئيسي في المخطط البطني الأيمن في الوقت التقريبي للسيجارة الثانية. يتكرر المقطع المرئي عدة مرات لتسهيل المشاهدة.

تم إعداد هذا المقطع المرئي من مسح لامرأة مدخنة. لاحظ التنشيط الرئيسي في النواة المذنبة الظهرية اليسرى في الوقت الذي تقريباً من تدخين السيجارة الأولى. يتكرر المقطع عدة مرات لتسهيل المشاهدة.

بمجرد إتقان هذه الطريقة، يمكن تنفيذ عملية إنشاء أفلام الدوبامين من بيانات التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (pet) في غضون أيام قليلة. ونأمل في أتمتة المزيد من الإجراءات في المستقبل، وخاصة التقاط إطارات الأفلام الفردية. ويمكن اعتبار إنشاء أفلام الدوبامين بمثابة مشكلة تحسين مقيدة.

يتم تطبيق القيود المفروضة على نواتج الدوبامين المحتملة من خلال اختيار دوال استجابة الدوبامين الأولية. والآن بعد أن قمنا بإنشاء أفلام الدوبامين، يتبقى لنا تحديد أفضل مقاييس التشابه والاختلاف حتى نتمكن من مقارنة الأفلام من مختلف الأشخاص، على سبيل المثال المدخنين المعتمدين والمدخنين السابقين. ومع توفر المقاييس المطلوبة، يمكننا التساؤل عن أي جانب من جوانب نشاط الدماغ يتغير أو يعود إلى حالته الطبيعية.

عندما يقلع المدخن عن عادة التدخين، هناك أمل في أن تمهد هذه التقنية الطريق لباحثي التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) الآخرين لوصف وتحليل بيانات PET التي يحصلون عليها بشكل صحيح. وفي دراسة السلوكيات الإدمانية الأخرى، قد يؤدي محفز مثل الكحول إلى استجابة قصيرة المدى للنواقل العصبية، والتي لا تصل إلى مستويات قابلة للدراسة بعد تعاطي العقار. ونأمل في استخدام إجراءات تجريبية مماثلة باستخدام كواشف PET مختلفة للنظر في التغيرات الكيميائية العصبية في الدماغ مع عقاقير إساءة الاستخدام الأخرى.

بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية إنشاء أفلام الدوبامين من بيانات PET، والتي قمنا بها من أجل رصد الاستجابة العابرة والمحدودة بشكل خاص لنظام الدوبامين في الدماغ تجاه تدخين السجائر. تذكر أن أفلام الدوبامين يتم إنشاؤها في خمس خطوات: تجربة PET، والمعالجة المسبقة للصور، ونمذجة الصور، وهي خطوة إحصائية، ثم خطوة التصوير المرئي.