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该协议显示了如何获取黑质的神经黑色素敏感磁共振成像数据。
多巴胺能系统在健康的认知（例如，奖励学习和不确定性）和神经精神疾病（例如，帕金森病和精神分裂症）中起着至关重要的作用。神经黑色素是多巴胺合成的副产物，积聚在黑质的多巴胺能神经元中。神经黑色素敏感磁共振成像（NM-MRI）是一种测量这些多巴胺能神经元中神经黑色素的非侵入性方法，可直接测量黑质中多巴胺能细胞丢失和多巴胺功能的代理测量。尽管NM-MRI已被证明可用于研究各种神经精神疾病，但它受到下-上方向的有限视野的挑战，导致意外排除部分黑质可能导致数据丢失。此外，该领域缺乏用于获取NM-MRI数据的标准化协议，这是促进大规模多站点研究和临床转化的关键步骤。该协议描述了一步一步的NM-MRI体积放置程序和在线质量控制检查，以确保获得覆盖整个黑质的高质量数据。
神经黑色素 （NM） 是一种深色色素，存在于黑质 （SN） 和腔规则位点 （LC） 的去甲肾上腺素能神经元中1，2。NM由胞质多巴胺和去甲肾上腺素的铁依赖性氧化合成，并储存在体细胞3的自噬液泡中。它首先出现在 2-3 岁左右的人类中，并在1，4，5 岁时累积。
在SN和LC神经元的含NM的液泡内，NM与铁形成复合物。这些NM-铁配合物是顺磁性的，允许使用磁共振成像（MRI）对NM进行无创可视化6，7。可以可视化 NM 的 MRI 扫描称为 NM 敏感 MRI （NM-MRI），并使用直接或间接磁化转移效应来提供高 NM 浓度区域（例如 SN）与周围白质之间的对比度8，9。
磁化转移对比是大分子结合的水质子（被磁化转移脉冲饱和）与周围自由水质子之间相互作用的结果。在NM-MRI中，据信NM-铁配合物的顺磁性缩短了周围自由水质子的T1 ，从而减少了磁化转移效应，因此NM浓度较高的区域在NM-MRI扫描中出现高强度10。相反，SN周围的白质具有高大分子含量，导致较大的磁化转移效应，因此这些区域在NM-MRI扫描上出现低信号，从而在SN和周围白质之间提供高对比度。
在SN中，NM-MRI可以提供多巴胺能细胞丢失的标志物11和多巴胺系统功能12。这两个过程与几种神经精神疾病有关，并得到了大量临床和临床前工作的支持。例如，在精神分裂症中广泛观察到多巴胺功能异常;使用正电子发射断层扫描（PET）的体内研究表明纹状体多巴胺释放增加13，14，15，16和多巴胺合成能力增加17，18，19，20，21，22.此外，尸检研究表明，精神分裂症患者的基底神经节23 和 SN24，25 中的酪氨酸羟化酶（参与多巴胺合成的限速酶）水平升高。
一些研究调查了多巴胺能细胞丢失的模式，特别是在帕金森病中。验尸研究表明，SN的色素多巴胺能神经元是帕金森病神经变性的主要部位26，27，虽然帕金森病中的SN细胞丢失与正常衰老中的细胞损失无关28，但它与疾病的持续时间相关29.与大多数研究多巴胺能系统的方法不同，NM-MRI的非侵入性，成本效益和无电离辐射使NM-MRI成为多功能生物标志物30。
本文中描述的NM-MRI方案旨在提高NM-MRI的受试者内和受试者间可重复性。该协议可确保SN的完全覆盖，尽管NM-MRI扫描在下-上方向的覆盖范围有限。该协议使用矢状面、冠状面和轴向三维 （3D） T1 加权 （T1w） 图像，应遵循这些步骤以实现正确的切片堆叠放置。本文中概述的方案已在多项研究中使用31，32，并经过了广泛的测试。Wengler等人完成了一项关于该协议可靠性的研究，其中每个参与者在多天内获取两次NM-MRI图像32。类内相关系数表明，该方法对于基于感兴趣区域（ROI）和体素分析的测试重测可靠性以及图像中的高对比度表现出色。
注意:为制定此协议而进行的研究是根据纽约州精神病学研究所机构审查委员会指南（IRB #7655）进行的。扫描一名受试者以记录协议视频，并获得书面知情同意。有关此协议中使用的MRI扫描仪的详细信息，请参阅 材料表 。
1. 磁共振成像采集参数
2. 放置 NM-MRI 体积
图 1: 显示分步 NM-MRI 体积放置程序的图像。黄线表示用于卷放置的切片的位置，如协议中所述。（A）首先，确定中脑和丘脑之间分离最大的矢状图像（协议的步骤2.3）。（B）其次，使用 来自A的图像，识别描绘中脑最前侧的冠状平面（步骤2.4）。（C）第三，在B中识别的平面的冠状图像上 ， 识别描绘第三脑室下侧的轴向平面（步骤2.5）。（D）第四，在 C 中识别的轴向平面 显示在A的 矢状图像上（步骤2.6）。（E）第五，轴向平面从 D 向上方向移动3 mm，该平面表示NM-MRI体积的上边界（步骤2.7）。（F）最终的NM-MRI体积放置，其中冠状图像对应于 C，矢状图像对应于 A，轴向图像对应于 E中的轴向平面。NM-MRI体积与冠状和轴向图像中的大脑中线以及矢状图像中的AC-PC线对齐（步骤2.8）。该数字的一部分已从 30年开始经爱思唯尔许可转载。缩写:NM-MRI = 神经黑色素敏感磁共振成像;AC-PC = 前连合-后连合。 请点击此处查看此图的大图。
3. 质量控制检查
图 2: 未通过第一次质量控制检查（协议的步骤 3.1）的 NM-MRI 采集示例。从最差（左上图）到最上级（右下图）显示的20个NM-MRI切片中的每一个;图像窗口/水平被设置为夸大黑质和脑碎之间的对比度。切片 15-19 中的橙色箭头显示了这些切片中黑质的位置。最高级切片（切片 20）中的红色箭头表示黑质在该切片中仍然可见，因此，采集未通过质量检查。缩写:NM-MRI = 神经黑色素敏感磁共振成像。 请点击此处查看此图的大图。
图 3:未通过第二次质量控制检查（协议的步骤 3.2）的 NM-MRI 采集示例。每种情况仅显示一个代表性切片。（A） 由于由蓝色箭头识别的血管造成的血管伪影（红色箭头）而导致质量控制检查失败的 NM-MRI 采集。（B） 由于运动伪影（红色箭头）而未能通过质量控制检查的 NM-MRI 采集。（C） 由于模糊的伪影（红色箭头）而未能通过质量控制检查的 NM-MRI 采集。缩写:NM-MRI = 神经黑色素敏感磁共振成像。请点击此处查看此图的大图。
图4 显示了一名没有精神或神经系统疾病的28岁女性参与者的代表性结果。NM-MRI方案通过遵循 图1中概述的方案步骤2确保SN的完全覆盖，并通过遵循协议的步骤3确保NM-MRI图像令人满意。可以看到SN与NM浓度可忽略不计的相邻白质区域（即脑壳）之间的出色对比度。采集后立即检查这些图像，以确保SN的适当覆盖并检查伪影。由于SN的完全覆盖没有任何伪影，因此扫描通过了质量检查，无需重复。
图 4: 代表性 NM-MRI 采集示例。从最差（左上图）到最上级（右下图）显示的20个NM-MRI切片中的每一个;图像窗口/水平被设置为夸大一名没有精神或神经系统疾病的28岁女性参与者的黑质和脑碎之间的对比。NM-MRI 方案可确保完全覆盖黑质、部分覆盖腔规则位点和令人满意的 NM-MRI 图像。在切片 9-16 上可以看到黑质与没有神经黑色素浓度的邻近白质区域（即脑瓣）之间的出色对比度。底部的图像显示了切片 13 中脑的放大视图。缩写:NM-MRI = 神经黑色素敏感磁共振成像。 请点击此处查看此图的大图。
图2 显示了一名28岁女性参与者的代表性结果，该参与者没有精神或神经系统疾病，其图像未通过第一次质量控制检查（步骤3.1）。SN在最优越的切片（切片20）中可见，表明SN没有完全覆盖。在这种情况下，必须通过重复协议的步骤2.3-2.9来重新获取数据，如图 1所示。如果参与者自获取初始T1w图像以来有显着移动，则研究人员应返回步骤2.1以重新获取T1w图像。
图 3 显示了未通过第二次质量控制检查（步骤 3.2）的示例图像。如步骤3.2所述，包含血管伪影的扫描（图3A）不需要重复，因为这些伪影可能会出现在每次采集中。应重复扫描包含运动引起的伪影（图3B）或模糊伪影（图3C）。对于模糊的伪影，如果伪影在重新采集后仍然存在，则不需要进一步重新采集扫描，因为这些伪影可能是生物的，因此在每次采集中都会存在。
Horga和Wengler博士分别报告拥有分析和使用神经黑色素成像在中枢神经系统疾病中的专利（WO2021034770A1，WO2020077098A1），授权给Terran Biosciences，但没有收到特许权使用费。
该协议显示了如何获取黑质的神经黑色素敏感磁共振成像数据。
Horga博士得到了NIMH的支持（R01-MH114965，R01-MH117323）。Wengler博士得到了NIMH的支持（F32-MH125540）。
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