Name: 黑质神经黑色素敏感磁共振成像的标准化数据采集 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-09-08T13:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 14 s
Description: 了解黑质神经黑色素敏感磁共振成像的标准化数据采集方法，通过精确的体积定位和质量控制确保完整覆盖黑质。该技术可用于帕金森病等神经退行性疾病的无创性多巴胺能神经元完整性评估。

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霍尔加博士获得了美国国家心理健康研究所（NIMH）的资助（R01-MH114965，R01-MH117323）。温格勒博士获得了美国国家心理健康研究所（NIMH）的资助（F32-MH125540）。

注意：本方案所依据的研究工作均遵循纽约州精神病研究所机构审查委员会（IRB #7655）的指导方针进行。一名受试者接受了扫描以录制本方案视频，并已获得其书面知情同意。有关本方案所用磁共振成像仪的详细信息，请参见材料表。
1. MRI 采集参数
<ol>
	<li>使用三维磁化准备快速梯度回波（MPRAGE）序列准备采集高分辨率T1加权（T1w）图像，参数如下：空间分辨率 = 0.8 × 0.8 × 0.8 mm3；视野（FOV）= 176 × 240 × 240 mm3；回波时间（TE）= 3.43 ms；重复时间（TR）= 2462 ms；反转时间（TI）= 1060 ms；翻转角 = 8°；平面内并行成像因子（ARC）= 2；层面间并行成像因子（ARC）= 233；带宽 = 208 Hz/像素；总采集时间 = 6 分 39 秒。</li>
	<li>使用二维梯度回波序列结合磁化转移对比（2D GRE-MTC）准备采集黑质成像（NM-MRI）图像，参数如下：分辨率 = 0.43 × 0.43 mm2；视野（FOV）= 220 × 220 mm2；层厚 = 1.5 mm；20 层；层间间隙 = 0 mm；TE = 4.8 ms；TR = 500 ms；翻转角 = 40°；带宽 = 122 Hz/像素；磁化转移频率偏移 = 1.2 kHz；磁化转移脉冲持续时间 = 8 ms；磁化转移翻转角 = 670°；平均次数 = 5；总采集时间 = 10 分 4 秒。 
	注意：尽管展示的结果使用了上述MRI采集参数，本方案适用于多种T1w和NM-MRI成像方案。NM-MRI方案在下-上方向的覆盖范围应约为25 mm，以确保完全覆盖黑质（SN）。</li>
</ol>
2. NM-MRI 体积的定位
<ol>
	<li>获取高分辨率T1加权图像（体素尺寸 ≤1 mm 各向同性）。在图像采集后立即使用在线重定向功能，生成与前连合-后连合（AC-PC）线及中线对齐的高分辨率T1加权图像。
	<ol>
		<li>使用设备供应商提供的软件进行在线重定向（例如，在GE扫描仪上采集数据时：在Planning中使用多平面重建（MPR）；在西门子扫描仪上采集数据时：在3D Task Card中使用MPR；在飞利浦扫描仪上采集数据时：在VolumeView Package的Render Mode中使用MPR）。
		<ol>
			<li>对3D T1加权图像在垂直于AC-PC线的轴向平面上进行多平面重建，覆盖全脑并尽量减少层间间隙。</li>
			<li>对3D T1加权图像在垂直于AC-PC线的冠状平面上进行多平面重建，覆盖全脑并尽量减少层间间隙。</li>
			<li>对3D T1加权图像在平行于AC-PC线的矢状平面上进行多平面重建，覆盖全脑并尽量减少层间间隙。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>加载重定向后的高分辨率T1加权图像的矢状面、冠状面和轴向面视图，并确保显示各切片位置的参考线存在。</li>
	<li>确定显示中脑与丘脑之间最大分离的矢状面图像（图1A）。为此，需目视检查重定向后T1加权图像的矢状面切片，直至找到显示该最大分离的切片。</li>
	<li>利用步骤2.3结束时的矢状面图像，目视识别界定中脑最前部的冠状面（图1B）。</li>
	<li>利用步骤2.4结束时的冠状面图像，目视识别界定第三脑室下缘的轴向面（图1C）。</li>
	<li>在步骤2.3结束时的矢状面图像上，将NM-MRI体积的上边界与步骤2.5中确定的轴向面对齐（图1D）。</li>
	<li>将NM-MRI体积的上边界向上移动3 mm（图1E）。</li>
	<li>在轴向和冠状面图像上，将NM-MRI体积与中线对齐（图1F）。</li>
	<li>采集NM-MRI图像。</li>
</ol>
<img alt="显示丘脑、中脑、第三脑室和乳头体对齐的脑部 MRI 示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62493/62493fig01.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 1"> 
图 1： 显示逐步进行的黑质磁敏感 MRI 容积定位过程的图像。黄色线条表示本方案中用于容积定位的切片位置。（A）首先，确定中脑与丘脑分离最明显的矢状面图像（方案步骤 2.3）。（B）其次，利用 A 中的图像，确定勾画中脑最前部的冠状面（步骤 2.4）。（C）第三，在 B 所确定的冠状面上，确定勾画第三脑室下界的轴向面（步骤 2.5）。（D）第四，将 C 中确定的轴向面显示在 A 的矢状面图像上（步骤 2.6）。（E）第五，将 D 中的轴向面在矢状方向上向上移动 3 mm，该平面即为黑质磁敏感 MRI 容积的上界（步骤 2.7）。（F）最终的黑质磁敏感 MRI 容积定位，其中冠状面对应于 C，矢状面对应于 A，轴向面对应于 E 中的轴向面。在冠状面和轴向面中，黑质磁敏感 MRI 容积与脑中线对齐，在矢状面中与前连合-后连合（AC-PC）线对齐（步骤 2.8）。该图部分已获爱思唯尔许可转载自30。缩写：NM-MRI = 黑质敏感磁共振成像；AC-PC = 前连合-后连合。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62493/62493fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
3. 质量控制检查
<ol>
	<li>确保获取的黑质磁共振成像（NM-MRI）图像覆盖整个黑质，且黑质可见于中心层面的图像中，但在NM-MRI容积的最上层和最下层图像中不可见。否则（图2），重复步骤2.3–2.9以确保NM-MRI容积定位正确。如果受试者在高分辨率T1加权扫描完成后发生明显移动，则需重复步骤2.1–2.9。</li>
</ol>
<img alt="MRI脑部切片示意图，轴向视图，医学影像，神经学分析，解剖结构。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62493/62493fig02.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Figure 2"> 
图2：一项未通过首次质量控制检查的NM-MRI采集示例（方案步骤3.1）。显示了从最下部（左上图像）到最上部（右下图像）的20个NM-MRI切片；图像窗宽/窗位设置用于增强黑质与大脑脚之间的对比度。切片15-19中的橙色箭头标示了黑质在这些切片中的位置。最上部切片（第20切片）中的红色箭头显示黑质在此切片中仍可见，因此该采集未能通过质量检查。缩写：NM-MRI = 黑质素敏感磁共振成像。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62493/62493fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<ol start="2">
	<li>通过目视检查所获取的黑质磁共振成像（NM-MRI）扫描的每一层图像，查找伪影，特别是穿过黑质（SN）及其周围白质区域的伪影。
	<ol>
		<li>寻找呈线性分布、且不遵循正常解剖边界的信号强度突然变化。例如，可能表现为一个低信号强度区域被两个高信号强度区域夹在中间。</li>
		<li>如果伪影是由血管引起（图3A），则保留NM-MRI图像，因为此类伪影很可能始终存在。</li>
		<li>如果伪影是由受试者头部运动引起（图3B），应提醒受试者尽量保持静止，并按照步骤3.2.5重新采集NM-MRI图像。</li>
		<li>如果伪影性质不明确（图3C），则按照步骤3.2.5重新采集NM-MRI图像。重新采集后若伪影仍然存在，则继续使用这些图像，因其更可能是生物学来源而非采集过程中的技术问题所致。</li>
		<li>如果NM-MRI图像通过了步骤3.1的质量控制检查，则复制先前的NM-MRI容积定位。如果NM-MRI图像未通过步骤3.1的质量控制检查，则重复步骤2.3–2.9以确保正确的NM-MRI容积定位（若受试者发生明显移动，则重复步骤2.1–2.9）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="高亮显示区域的脑部 MRI 扫描图像；图示为详细特写中的对比。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62493/62493fig03.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 3"> 
图 3：未通过第二次质量控制检查（方案步骤 3.2）的 NM-MRI 采集示例。每种情况仅显示一个代表性切片。（A）由于血管伪影（红色箭头）导致未通过质量控制检查的 NM-MRI 采集，该伪影由蓝色箭头标识的血管引起。（B）由于运动伪影（红色箭头）导致未通过质量控制检查的 NM-MRI 采集。（C）由于存在不明确伪影（红色箭头）导致未通过质量控制检查的 NM-MRI 采集。缩写：NM-MRI = 黑质敏感磁共振成像。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62493/62493fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>

<ol><li>Zecca, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+melanic+pigments+in+the+human+brain+that+accumulate+in+aging+and+block+environmental+toxic+metals%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">New melanic pigments in the human brain that accumulate in aging and block environmental toxic metals.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (45), 17567-17572 (2008).</li>
<li>Zucca, F. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+neuromelanin+of+human+substantia+nigra%3A+physiological+and+pathogenic+aspects%5BTitle%5D)+AND+%22Pigment+Cell+Research%22%5BJournal%5D)">The neuromelanin of human substantia nigra: physiological and pathogenic aspects.</a> Pigment Cell Research. 17 (6), 610-617 (2004).</li>
<li>Sulzer, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuromelanin+biosynthesis+is+driven+by+excess+cytosolic+catecholamines+not+accumulated+by+synaptic+vesicles%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Neuromelanin biosynthesis is driven by excess cytosolic catecholamines not accumulated by synaptic vesicles.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 97 (22), 11869-11874 (2000).</li>
<li>Cowen, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+melanoneurons+of+the+human+cerebellum+%28nucleus+pigmentosus+cerebellaris%29+and+homologues+in+the+monkey%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuropathology+%26+Experimental+Neurology%22%5BJournal%5D)">The melanoneurons of the human cerebellum (nucleus pigmentosus cerebellaris) and homologues in the monkey.</a> Journal of Neuropathology & Experimental Neurology. 45 (3), 205-221 (1986).</li>
<li>Zecca, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+absolute+concentration+of+nigral+neuromelanin%2C+assayed+by+a+new+sensitive+method%2C+increases+throughout+the+life+and+is+dramatically+decreased+in+Parkinson%27s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22FEBS+Letters%22%5BJournal%5D)">The absolute concentration of nigral neuromelanin, assayed by a new sensitive method, increases throughout the life and is dramatically decreased in Parkinson's disease.</a> FEBS Letters. 510 (3), 216-220 (2002).</li>
<li>Sulzer, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuromelanin+detection+by+magnetic+resonance+imaging+%28MRI%29+and+its+promise+as+a+biomarker+for+Parkinson%27s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22NPJ+Parkinson%27s+Disease%22%5BJournal%5D)">Neuromelanin detection by magnetic resonance imaging (MRI) and its promise as a biomarker for Parkinson's disease.</a> NPJ Parkinson's Disease. 4 (1), 11(2018).</li>
<li>Zucca, F. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuromelanin+organelles+are+specialized+autolysosomes+that+accumulate+undegraded+proteins+and+lipids+in+aging+human+brain+and+are+likely+involved+in+Parkinson%27s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22NPJ+Parkinson%27s+Disease%22%5BJournal%5D)">Neuromelanin organelles are specialized autolysosomes that accumulate undegraded proteins and lipids in aging human brain and are likely involved in Parkinson's disease.</a> NPJ Parkinson's Disease. 4 (1), 17(2018).</li>
<li>Chen, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+imaging+of+locus+coeruleus+and+substantia+nigra+with+a+quantitative+neuromelanin+MRI+approach%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+Imaging%22%5BJournal%5D)">Simultaneous imaging of locus coeruleus and substantia nigra with a quantitative neuromelanin MRI approach.</a> Magnetic Resonance Imaging. 32 (10), 1301-1306 (2014).</li>
<li>Sasaki, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuromelanin+magnetic+resonance+imaging+of+locus+ceruleus+and+substantia+nigra+in+Parkinson%27s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroreport%22%5BJournal%5D)">Neuromelanin magnetic resonance imaging of locus ceruleus and substantia nigra in Parkinson's disease.</a> Neuroreport. 17 (11), 1215-1218 (2006).</li>
<li>Trujillo, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Contrast+mechanisms+associated+with+neuromelanin-MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Contrast mechanisms associated with neuromelanin-MRI.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 78 (5), 1790-1800 (2017).</li>
<li>Kitao, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Correlation+between+pathology+and+neuromelanin+MR+imaging+in+Parkinson%27s+disease+and+dementia+with+Lewy+bodies%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroradiology%22%5BJournal%5D)">Correlation between pathology and neuromelanin MR imaging in Parkinson's disease and dementia with Lewy bodies.</a> Neuroradiology. 55 (8), 947-953 (2013).</li>
<li>Cassidy, C. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuromelanin-sensitive+MRI+as+a+noninvasive+proxy+measure+of+dopamine+function+in+the+human+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Neuromelanin-sensitive MRI as a noninvasive proxy measure of dopamine function in the human brain.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (11), 5108-5117 (2019).</li>
<li>Abi-Dargham, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Increased+striatal+dopamine+transmission+in+schizophrenia%3A+confirmation+in+a+second+cohort%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Psychiatry%22%5BJournal%5D)">Increased striatal dopamine transmission in schizophrenia: confirmation in a second cohort.</a> American Journal of Psychiatry. 155 (6), 761-767 (1998).</li>
<li>Laruelle, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single+photon+emission+computerized+tomography+imaging+of+amphetamine-induced+dopamine+release+in+drug-free+schizophrenic+subjects%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Single photon emission computerized tomography imaging of amphetamine-induced dopamine release in drug-free schizophrenic subjects.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 93 (17), 9235-9240 (1996).</li>
<li>Breier, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Schizophrenia+is+associated+with+elevated+amphetamine-induced+synaptic+dopamine+concentrations%3A+evidence+from+a+novel+positron+emission+tomography+method%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Schizophrenia is associated with elevated amphetamine-induced synaptic dopamine concentrations: evidence from a novel positron emission tomography method.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 94 (6), 2569-2574 (1997).</li>
<li>Abi-Dargham, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Increased+baseline+occupancy+of+D-2+receptors+by+dopamine+in+schizophrenia%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Increased baseline occupancy of D-2 receptors by dopamine in schizophrenia.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 97 (14), 8104-8109 (2000).</li>
<li>Hietala, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Presynaptic+dopamine+function+in+striatum+of+neuroleptic-naive+schizophrenic+patients%5BTitle%5D)+AND+%22Lancet%22%5BJournal%5D)">Presynaptic dopamine function in striatum of neuroleptic-naive schizophrenic patients.</a> Lancet. 346 (8983), 1130-1131 (1995).</li>
<li>Lindström, L. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Increased+dopamine+synthesis+rate+in+medial+prefrontal+cortex+and+striatum+in+schizophrenia+indicated+by+L-%28%CE%B2-11C%29+DOPA+and+PET%5BTitle%5D)+AND+%22Biological+Psychiatry%22%5BJournal%5D)">Increased dopamine synthesis rate in medial prefrontal cortex and striatum in schizophrenia indicated by L-(β-11C) DOPA and PET.</a> Biological Psychiatry. 46 (5), 681-688 (1999).</li>
<li>Meyer-Lindenberg, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reduced+prefrontal+activity+predicts+exaggerated+striatal+dopaminergic+function+in+schizophrenia%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Reduced prefrontal activity predicts exaggerated striatal dopaminergic function in schizophrenia.</a> Nature Neuroscience. 5 (3), 267-271 (2002).</li>
<li>McGowan, S., Lawrence, A. D., Sales, T., Quested, D., Grasby, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Presynaptic+dopaminergic+dysfunction+in+schizophrenia%3A+a+positron+emission+tomographic+%5B18F%5D+fluorodopa+study%5BTitle%5D)+AND+%22Archives+of+General+Psychiatry%22%5BJournal%5D)">Presynaptic dopaminergic dysfunction in schizophrenia: a positron emission tomographic [18F] fluorodopa study.</a> Archives of General Psychiatry. 61 (2), 134-142 (2004).</li>
<li>Bose, S. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Classification+of+schizophrenic+patients+and+healthy+controls+using+%5B18F%5D+fluorodopa+PET+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Schizophrenia+Research%22%5BJournal%5D)">Classification of schizophrenic patients and healthy controls using [18F] fluorodopa PET imaging.</a> Schizophrenia Research. 106 (2-3), 148-155 (2008).</li>
<li>Kegeles, L. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Increased+synaptic+dopamine+function+in+associative+regions+of+the+striatum+in+schizophrenia%5BTitle%5D)+AND+%22Archives+of+General+Psychiatry%22%5BJournal%5D)">Increased synaptic dopamine function in associative regions of the striatum in schizophrenia.</a> Archives of General Psychiatry. 67 (3), 231-239 (2010).</li>
<li>Toru, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neurotransmitters%2C+receptors+and+neuropeptides+in+post-mortem+brains+of+chronic+schizophrenic+patients%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Psychiatrica+Scandinavica%22%5BJournal%5D)">Neurotransmitters, receptors and neuropeptides in post-mortem brains of chronic schizophrenic patients.</a> Acta Psychiatrica Scandinavica. 78 (2), 121-137 (1988).</li>
<li>Perez-Costas, E., Melendez-Ferro, M., Rice, M. W., Conley, R. R., Roberts, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dopamine+pathology+in+schizophrenia%3A+analysis+of+total+and+phosphorylated+tyrosine+hydroxylase+in+the+substantia+nigra%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Psychiatry%22%5BJournal%5D)">Dopamine pathology in schizophrenia: analysis of total and phosphorylated tyrosine hydroxylase in the substantia nigra.</a> Frontiers in Psychiatry. 3, 31(2012).</li>
<li>Howes, O. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Midbrain+dopamine+function+in+schizophrenia+and+depression%3A+a+post-mortem+and+positron+emission+tomographic+imaging+study%5BTitle%5D)+AND+%22Brain%22%5BJournal%5D)">Midbrain dopamine function in schizophrenia and depression: a post-mortem and positron emission tomographic imaging study.</a> Brain. 136 (11), 3242-3251 (2013).</li>
<li>Bernheimer, H., Birkmayer, W., Hornykiewicz, O., Jellinger, K., Seitelberger, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain+dopamine+and+the+syndromes+of+Parkinson+and+Huntington+Clinical%2C+morphological+and+neurochemical+correlations%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Neurological+Sciences%22%5BJournal%5D)">Brain dopamine and the syndromes of Parkinson and Huntington Clinical, morphological and neurochemical correlations.</a> Journal of the Neurological Sciences. 20 (4), 415-455 (1973).</li>
<li>Hirsch, E., Graybiel, A. M., Agid, Y. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Melanized+dopaminergic+neurons+are+differentially+susceptible+to+degeneration+in+Parkinson%27s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Melanized dopaminergic neurons are differentially susceptible to degeneration in Parkinson's disease.</a> Nature. 334 (6180), 345(1988).</li>
<li>Fearnley, J. M., Lees, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ageing+and+Parkinson%27s+disease%3A+substantia+nigra+regional+selectivity%5BTitle%5D)+AND+%22Brain%22%5BJournal%5D)">Ageing and Parkinson's disease: substantia nigra regional selectivity.</a> Brain. 114 (5), 2283-2301 (1991).</li>
<li>Damier, P., Hirsch, E., Agid, Y., Graybiel, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+substantia+nigra+of+the+human+brain%3A+II.+Patterns+of+loss+of+dopamine-containing+neurons+in+Parkinson%27s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Brain%22%5BJournal%5D)">The substantia nigra of the human brain: II. Patterns of loss of dopamine-containing neurons in Parkinson's disease.</a> Brain. 122 (8), 1437-1448 (1999).</li>
<li>Horga, G., Wengler, K., Cassidy, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuromelanin-sensitive+magnetic+resonance+imaging+as+a+proxy+marker+for+catecholamine+function+in+psychiatry%5BTitle%5D)+AND+%22JAMA+Psychiatry%22%5BJournal%5D)">Neuromelanin-sensitive magnetic resonance imaging as a proxy marker for catecholamine function in psychiatry.</a> JAMA Psychiatry. 78 (7), 788-789 (2021).</li>
<li>Wengler, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cross-scanner+harmonization+of+neuromelanin-sensitive+MRI+for+multisite+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Magnetic+Resonance+Imaging%22%5BJournal%5D)">Cross-scanner harmonization of neuromelanin-sensitive MRI for multisite studies.</a> Journal of Magnetic Resonance Imaging. , (2021).</li>
<li>Wengler, K., He, X., Abi-Dargham, A., Horga, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reproducibility+assessment+of+neuromelanin-sensitive+magnetic+resonance+imaging+protocols+for+region-of-interest+and+voxelwise+analyses%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Reproducibility assessment of neuromelanin-sensitive magnetic resonance imaging protocols for region-of-interest and voxelwise analyses.</a> NeuroImage. 208, 116457(2020).</li>
<li>Griswold, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generalized+autocalibrating+partially+parallel+acquisitions+%28GRAPPA%29%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Generalized autocalibrating partially parallel acquisitions (GRAPPA).</a> Magnetic Resonance in Medicine. 47 (6), 1202-1210 (2002).</li>
<li>vander Pluijm, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reliability+and+reproducibility+of+neuromelanin-sensitive+imaging+of+the+substantia+nigra%3A+a+comparison+of+three+different+sequences%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Magnetic+Resonance+Imaging%22%5BJournal%5D)">Reliability and reproducibility of neuromelanin-sensitive imaging of the substantia nigra: a comparison of three different sequences.</a> Journal of Magnetic Resonance Imaging. 53 (5), 712-721 (2020).</li>
<li>Cassidy, C. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evidence+for+dopamine+abnormalities+in+the+substantia+nigra+in+cocaine+addiction+revealed+by+neuromelanin-sensitive+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Psychiatry%22%5BJournal%5D)">Evidence for dopamine abnormalities in the substantia nigra in cocaine addiction revealed by neuromelanin-sensitive MRI.</a> American Journal of Psychiatry. 177 (11), 1038-1047 (2020).</li>
<li>Wengler, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Association+between+neuromelanin-sensitive+MRI+signal+and+psychomotor+slowing+in+late-life+depression%5BTitle%5D)+AND+%22Neuropsychopharmacology%22%5BJournal%5D)">Association between neuromelanin-sensitive MRI signal and psychomotor slowing in late-life depression.</a> Neuropsychopharmacology. 46, 1233-1239 (2020).</li>
<li>Biondetti, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatiotemporal+changes+in+substantia+nigra+neuromelanin+content+in+Parkinson%27s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Brain%22%5BJournal%5D)">Spatiotemporal changes in substantia nigra neuromelanin content in Parkinson's disease.</a> Brain. 143 (9), 2757-2770 (2020).</li>
<li>Shibata, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((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%5BTitle%5D)+AND+%22Biological+Psychiatry%22%5BJournal%5D)">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.</a> Biological Psychiatry. 64 (5), 401-406 (2008).</li>
<li>Fabbri, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Substantia+nigra+neuromelanin+as+an+imaging+biomarker+of+disease+progression+in+Parkinson%27s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Parkinson%27s+Disease%22%5BJournal%5D)">Substantia nigra neuromelanin as an imaging biomarker of disease progression in Parkinson's disease.</a> Journal of Parkinson's Disease. 7 (3), 491-501 (2017).</li>
<li>Matsuura, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuromelanin+magnetic+resonance+imaging+in+Parkinson%27s+disease+and+multiple+system+atrophy%5BTitle%5D)+AND+%22European+Neurology%22%5BJournal%5D)">Neuromelanin magnetic resonance imaging in Parkinson's disease and multiple system atrophy.</a> European Neurology. 70 (1-2), 70-77 (2013).</li>
<li>Watanabe, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuromelanin+magnetic+resonance+imaging+reveals+increased+dopaminergic+neuron+activity+in+the+substantia+nigra+of+patients+with+schizophrenia%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Neuromelanin magnetic resonance imaging reveals increased dopaminergic neuron activity in the substantia nigra of patients with schizophrenia.</a> PLoS One. 9 (8), 104619(2014).</li>
</ol>

Horga 和 Wengler 博士均报告拥有用于中枢神经系统疾病中神经黑素成像分析与应用的专利（WO2021034770A1，WO2020077098A1），这些专利已授权给 Terran Biosciences，但二人未获得任何版税收入。

多巴胺能系统在健康认知功能及神经精神疾病中发挥着关键作用。开发可重复用于研究多巴胺能系统的非侵入性方法 体内 对于具有临床意义的生物标志物的开发至关重要。本文所述方案提供了获取黑质区优质神经黑色素磁共振成像（NM-MRI）图像的分步操作指南，包括NM-MRI扫描范围的定位以及确保数据可用的质量控制检查。
尽管已有其他文献详细讨论了黑质磁共振成像（NM-MRI）数据的分析方案，为保持完整性，我们仍简要总结了先前的研究工作，并提出了对NM-MRI图像进行预处理及体素水平分析的建议。该方法此前已与本文所述的采集方案结合进行了验证。以往研究更详细地探讨了该方法的优势，并提供了支持其可重复性的数据6,12,32。但需注意的是，本文所述的标准化采集方案适用于任何图像处理与分析策略（包括在原始空间或MNI空间中进行基于感兴趣区的分析8,...

神经黑色素（NM）是一种存在于黑质（SN）多巴胺能神经元和蓝斑（LC）去甲肾上腺素能神经元中的深色色素1,2。NM 由细胞质中多巴胺和去甲肾上腺素的铁依赖性氧化合成，并储存在胞体的自噬空泡中3。它在人类中最早出现于约 2–3 岁，并随年龄增长而逐渐积累1,4,5。
在黑质（SN）和蓝斑（LC）神经元含有神经黑色素（NM）的囊泡内，NM与铁形成复合物。这些NM-铁复合物具有顺磁性，因此可利用磁共振成像（MRI）对NM进行无创可视化6,7。能够可视化NM的MRI扫描被称为对NM敏感的MRI（NM-MRI），其通过直接或间接的磁化转移效应，实现高浓度NM区域（如黑质）与周围白质之间的影像对比8,9。
磁化转移对比度源于大分子结合水中的质子（这些质子会被磁化转移脉冲饱和）与周围自由水中的质子之间的相互作用。在黑质磁共振成像（NM-MRI）中，人们认为黑质-铁复合物的顺磁性会缩短周围自由水质子的T1弛豫时间，从而减弱磁化转移效应，使得黑质铁含量较高的区域在NM-MRI扫描中呈现高信号强度10。相反，黑质（SN）周围的白质含有丰富的大分子，导致较强的磁化转移效应，因此这些区域在NM-MRI扫描中表现为低信号强度，从而在黑质与周围白质之间形成高对比度。
在黑质中，神经黑色素磁共振成像（NM-MRI）可作为多巴胺能细胞丢失的标志物11 以及多巴胺系统功能12这两个过程与多种神经精神疾病相关，并有大量的临床和临床前研究工作支持。例如，精神分裂症患者中已广泛观察到多巴胺功能的异常； 体内 使用正电子发射断层扫描（PET）的研究表明，纹状体多巴胺释放增加13,14,15,16 多巴胺合成能力增强17,18,19,20,21,22此外，尸检研究显示，精神分裂症患者基底神经节中酪氨酸羟化酶（催化多巴胺合成的限速酶）的水平升高。23 和 SN24,25.
多项研究已探讨了多巴胺能细胞丢失的模式，尤其是在帕金森病中。尸检研究显示，黑质（SN）中的色素性多巴胺能神经元是帕金森病神经退行性变的主要部位26,27，且尽管帕金森病中黑质细胞的丢失与正常衰老过程中的细胞丢失无相关性28，但其与疾病的持续时间呈正相关29。与其他大多数研究多巴胺能系统的方法不同，神经黑色素磁共振成像（NM-MRI）具有无创性、成本效益高且不使用电离辐射的优势，使其成为一种多功能的生物标志物30。
本文所述的黑质磁共振成像（NM-MRI）方案旨在提高NM-MRI在个体内部及个体间结果的可重复性。该方案可确保对黑质（SN）实现完整覆盖，即使NM-MRI扫描在下-上方向上的覆盖范围有限。该方案采用矢状面、冠状面和轴向的三维（3D）T1加权（T1w）图像，并需遵循相应步骤以实现正确的切片堆栈定位。本文所描述的方案已在多项研究中得到应用31,32，并经过广泛验证。Wengler等人开展了一项关于该方案可靠性的研究，其中每位参与者在多个不同日期共进行了两次NM-MRI图像采集32。组内相关系数显示，该方法在基于感兴趣区域（ROI）和体素水平的分析中均表现出极佳的重测信度，且图像对比度较高。

<table><tbody><tr><td>3T 磁共振成像</td><td>通用电气</td><td></td><td>GE SIGNA Premier 配备 48 通道头部线圈</td></tr></tbody></table>

黑质神经黑色素敏感磁共振成像的标准化数据采集

Standardized Data Acquisition for Neuromelanin-Sensitive Magnetic Resonance Imaging of the Substantia Nigra

多巴胺能系统在正常认知功能（例如奖赏学习和不确定性处理）以及神经精神疾病（例如帕金森病和精神分裂症）中起着关键作用。神经黑色素是多巴胺合成过程中产生的一种副产物，会在黑质中的多巴胺能神经元内积聚。神经黑色素敏感磁共振成像（NM-MRI）是一种无创性测量这些多巴胺能神经元中神经黑色素的方法，可直接反映黑质中多巴胺能细胞的丢失情况，并间接评估多巴胺功能。尽管研究表明NM-MRI在研究多种神经精神疾病方面具有应用价值，但其在头-足方向上的成像视野有限，可能导致部分黑质区域意外被排除在成像范围之外，从而造成数据丢失。此外，目前该领域尚缺乏标准化的NM-MRI数据采集方案，而这一标准化步骤对于推动大规模多中心研究以及临床转化至关重要。本方案详细描述了一种逐步实施的NM-MRI容积定位操作流程以及在线质量控制检查方法，以确保获得覆盖整个黑质的高质量成像数据。

图4展示了来自一名28岁女性受试者的代表性结果，该受试者无任何精神或神经系统疾病。通过遵循图1中所述方案的步骤2，NM-MRI方案确保了黑质（SN）的完全覆盖；通过遵循该方案的步骤3，获得了质量满意的NM-MRI图像。图像中黑质与邻近含极少神经黑色素（NM）的白质区域（即大脑脚）之间呈现出优异的对比度。这些图像在采集后立即进行检查，以确认黑质覆盖是否充分，并排查伪影。由于黑质实现了完整覆盖且无任何伪影，扫描通过了质量检查，无需重复扫描。
<img alt="脑部MRI扫描切片，轴向视图，用于解剖学研究的横断面示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62493/62493fig04.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图4"> 
图4</str...

本方案展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认知功能（如奖赏学习和不确定性处理）及神经精神疾病（如……）中发挥着关键作用。

本方案首次提供了获取神经黑色素敏感性磁共振成像的标准化且高度详细的逐步操作流程。这将使研究领域能够在不同机构之间直接比较数据，并整合样本以验证普适性生物标志物。该技术采用详细的定位流程和质量控制检查，以最大限度减少数据丢失。该技术将有助于开展大规模研究，以开发和验证神经精神疾病中的生物标志物，特别是在帕金森病的诊断方面。在扫描仪控制台上查看脑部图像时，了解神经解剖学中的基本概念非常有用，例如描述大脑不同切面和位置的术语，这些术语有助于定位。首先获取一幅高分辨率的T1加权（T1-weighted）或T1W图像，其体素尺寸最大为1毫米各向同性，并沿前连合、后连合或AC-PC线以及中线对齐。采集后立即通过兼容软件进行在线重新格式化，对高分辨率T1加权图像进行配准。加载AC-PC对齐的T1加权图像的矢状面、冠状面和轴向面视图，并确保显示每个切片位置的参考线存在。接着，目视检查重新格式化图像的矢状面切片，确定中脑与丘脑之间分离最明显的矢状面图像。使用矢状面图像直观地确定冠状面，勾画出中脑最前部的边界。在冠状面图像上，直观识别出勾勒第三脑室下界的轴向平面。在矢状面图像上，将神经黑色素磁共振成像（NM-MRI）容积的上界与先前确定的轴向平面对其。然后，将 NM-MRI 容积的上界向上方移动三毫米。类似地，在轴向和冠状面图像中将 NM-MRI 容积与中线对齐，并采集 NM-MRI 图像。通过确认图像覆盖整个黑质（substantia nigra，SN）来对采集的 NM-MRI 图像进行质量控制检查。确认黑质在容积图像的中央层面可见，但在 NM-MRI 容积的最上层和最下层图像中不可见。如果NM-MRI图像未通过初步质量控制检查，则需重复T1加权成像、NM-MRI定位操作及图像采集。随后，需对采集到的NM-MRI扫描图像的每一层进行视觉检查，以排查伪影。重点检查是否出现贯穿黑质（SN）及其周围白质区域的伪影。寻找信号强度突然变化且呈线性模式的区域，这些区域不遵循正常的解剖边界。由血管引起的伪影的神经黑色素磁共振图像应予以保留，因为此类伪影很可能始终存在。如果伪影是由受试者头部运动引起或性质不明确，则复制神经黑色素磁共振图像的容积定位，并重新采集该图像。重新采集后，如果伪影仍然存在，则继续使用这些图像，因为它们可能是生物性因素所致，而非运动引起。本方案以逐步递进的方式确保获取覆盖黑质（SN）的满意神经黑色素磁共振（NM-MRI）图像。在对所获图像进行初步质量检查时，发现黑质在最上层切片中可见，表明黑质的完整覆盖尚未实现。图像因存在血管导致的伪影、运动导致的伪影或不明确的伪影，未能通过第二次质量检查。在代表性分析中，展示了从最下部到最上部的满意非增强黑质磁共振成像（NM-MRI）图像。在图像上，可见黑质与邻近无神经黑色素浓度的白质区域之间具有良好的对比度。该方法可确保以可靠且可重复的方式获取高质量的黑质敏感性磁共振成像数据。这些数据可用于无创性研究神经退行性疾病中的多巴胺神经元丢失。

standardized-data-acquisition-for-neuromelanin-sensitive-magnetic

Research

科研

JoVE Journal

Neuroscience

神经科学

用于评估纳米颗粒在细胞内生物分布的生物成像方法，适用于纳米制剂化合物的治疗和诊断监测。通过组织学共定位分析，本文所述方法具有高灵敏度和特异性。这些方法为从啮齿类动物到人类的应用提供了转化路径。...

用于诊断与治疗监测的纳米材料注册生物成像

使用左旋多巴（L-DOPA）进行多巴胺替代药物治疗是帕金森病最常用的对症治疗方法，但伴随有包括称为运动障碍的不自主异常运动等副作用1。本文介绍了一种基质辅助激光解吸电离成像质谱技术（MALDI成像质谱）的实验方案，可用于检测与运动障碍相关的神经肽在大鼠脑内水平的变化。...

帕金森病中神经肽的基质辅助激光解吸电离成像质谱分析

本文介绍了在3T磁共振扫描仪上对人体中脑及皮层下结构进行1.2...

高分辨率人类中脑功能磁共振成像方法

本文描述了一种利用微泡和超声在小鼠中广泛开放血脑屏障的技术。通过该技术，可将锰递送至小鼠脑内。由于锰是一种可在去极化神经元中蓄积的磁共振成像（MRI）对比剂，该方法可实现对神经元活动的成像。...

利用超声波血脑屏障破坏结合锰增强磁共振成像进行功能性神经影像学研究

多巴胺在中脑核团中受到独特调控，这些核团含有多巴胺神经元的胞体和树突。本文介绍一种解剖与样本处理方法，旨在最大化对啮齿类动物黑质（SN）和腹侧被盖区（VTA）中脑核团内多巴胺调控研究的结果质量，从而提升结论的可靠性与科学洞察力。...

黑质与腹侧被盖区多巴胺调节的全面分析

来源：Wulf, M., 等. 基于激光显微切割的神经黑色素颗粒蛋白质组谱LC-MS/MS分析方案. J. Vis. Exp.

人脑组织中分离的神经黑色素颗粒蛋白质组学谱的LC-MS/MS分析

本视频展示了一种利用临床3 T磁共振扫描仪对 naïve 小鼠视觉投射通路进行增强磁共振成像的方法，并可用于对急性视神经 crush 损伤及敲除小鼠（p50KO）中慢性视神经退行性变开展重复性和纵向的 in vivo...

体内小鼠视神经纤维完整性的对比增强MRI成像

本文旨在介绍一种将经颅直流电刺激（tDCS）与质子磁共振波谱（1H-MRS）测量相结合的基本实验方案，以研究双侧刺激对初级运动皮层代谢的影响。...

利用磁共振波谱作为测量双侧经颅电刺激对初级运动皮层代谢影响的工具

在通过血氧水平依赖性功能磁共振成像（BOLD fMRI）确认相应的躯体感觉桶状区皮层区域（称为S1BF）被正确激活后，本研究的主要目标是利用7...

7 T大鼠桶状皮层在胡须激活期间的功能性磁共振波谱

本文介绍一种用于自动半定量测定大鼠黑质致密部多巴胺能神经元数量的方法。...

使用自动图像分析法对啮齿类动物模型黑质中多巴胺能神经元密度进行半定量测定

一种用于从人类中分离神经黑色素颗粒的可靠方案 死后黑质致密部 组织 通过...

基于激光显微切割的神经黑色素颗粒蛋白质组学谱LC-MS/MS分析方案

了解黑质神经黑色素敏感磁共振成像的标准化数据采集方法，通过精确的体积定位和质量控制确保完整覆盖黑质。该技术可用于帕金森病等神经退行性疾病的无创性多巴胺能神经元完整性评估。

黑质神经黑色素敏感磁共振成像的标准化数据采集

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