Acquisition de données normalisées pour l’imagerie par résonance magnétique sensible à la neuromélanine de la substance noire

La neuromélanine (NM) est un pigment foncé présent dans les neurones dopaminergiques de la substance noire (SN) et les neurones noradrénergiques du locus coeruleus (LC)^1,2. Le NM est synthétisé par l’oxydation dépendante du fer de la dopamine cytosolique et de la noradrénaline et est stocké dans des vacuoles autophagiques dans le soma³. Il apparaît d’abord chez l’homme vers l’âge de 2-3 ans et s’accumule avec l’âge de ^1,4,5.

Dans les vacuoles contenant NM des neurones SN et LC, NM forme des complexes avec le fer. Ces complexes NM-fer sont paramagnétiques, ce qui permet une visualisation non invasive de la MN à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique (IRM)^6,7. Les IRM qui peuvent visualiser la NM sont connues sous le nom d’IRM sensible à la NM (IRM-NM) et utilisent des effets de transfert d’aimantation directs ou indirects pour fournir un contraste entre les régions à forte concentration de NM (par exemple, le SN) et la substance blanche environnante ^8,9.

Le contraste de transfert de magnétisation est le résultat de l’interaction entre les protons d’eau liés aux macromolécules (qui sont saturés par les impulsions de transfert de magnétisation) et les protons d’eau libre environnants. En NM-IRM, on pense que la nature paramagnétique des complexes NM-fer raccourcit le T₁ des protons d’eau libre environnants, ce qui entraîne une réduction des effets de transfert d’aimantation, de sorte que les régions à concentration de NM plus élevée apparaissent hyperintenses sur les IRM-NM¹⁰. Inversement, la substance blanche entourant le SN a un contenu macromoléculaire élevé, ce qui entraîne de grands effets de magnétisation-transfert de sorte que ces régions apparaissent hypointenses sur les IRM-NM, offrant ainsi un contraste élevé entre le SN et la substance blanche environnante.

Dans le SN, l’IRM-NM peut fournir un marqueur de la perte de cellules dopaminergiques¹¹ et de la fonction du système dopaminergique¹². Ces deux processus sont pertinents pour plusieurs troubles neuropsychiatriques et sont soutenus par un vaste corpus de travaux cliniques et précliniques. Par exemple, des anomalies de la fonction dopaminergique ont été largement observées dans la schizophrénie; des études in vivo utilisant la tomographie par émission de positrons (TEP) ont montré une augmentation de la libération de dopamine striatale 13,14,15,16 et une augmentation de la capacité de synthèse de la dopamine 17,18,19,20,21,22 . En outre, des études post-mortem ont montré que les patients atteints de schizophrénie ont augmenté les niveaux de tyrosine hydroxylase – l’enzyme limitant le taux impliquée dans la synthèse de la dopamine – dans les noyaux gris centraux²³ et SN^24,25.

Plusieurs études ont étudié les modèles de perte de cellules dopaminergiques, en particulier dans la maladie de Parkinson. Des études post-mortem ont révélé que les neurones dopaminergiques pigmentés du SN sont le principal site de neurodégénérescence dans la maladie de Parkinson 26,27, et que, bien que la perte de cellules SN dans la maladie de Parkinson ne soit pas corrélée à la perte cellulaire dans le vieillissement normal^28, elle est corrélée avec la durée de la maladie ²⁹ . Contrairement à la plupart des méthodes d’étude du système dopaminergique, le caractère non invasif, la rentabilité et l’absence de rayonnement ionisant font de l’IRM-NM un biomarqueur polyvalent³⁰.

Le protocole d’IRM-NM décrit dans cet article a été développé pour augmenter la reproductibilité de l’IRM-NM à la fois intra-sujet et entre les sujets. Ce protocole assure une couverture complète du SN malgré la couverture limitée des IRM-NM dans la direction inférieure-supérieure. Le protocole utilise des images tridimensionnelles (T1w) sagittales, coronales et axiales tridimensionnelles (3D) pondérées en T1, et les étapes doivent être suivies pour obtenir un placement correct de la pile de tranches. Le protocole décrit dans cet article a été utilisé dans de multiples études^31,32 et a été largement testé. Wengler et coll. ont réalisé une étude sur la fiabilité de ce protocole dans laquelle des images d’IRM-NM ont été acquises deux fois chez chaque participant sur plusieurs jours³². Les coefficients de corrélation intra-classe ont démontré une excellente fiabilité test-retest de cette méthode pour les analyses basées sur la région d’intérêt (ROI) et voxelwise, ainsi qu’un contraste élevé dans les images.

REMARQUE: La recherche menée pour développer ce protocole a été réalisée conformément aux lignes directrices du conseil d’examen institutionnel de l’Institut psychiatrique de l’État de New York (IRB #7655). Un sujet a été scanné pour enregistrer la vidéo du protocole, et un consentement éclairé écrit a été obtenu. Reportez-vous au tableau des matériaux pour plus de détails sur le scanner IRM utilisé dans ce protocole.

1. Paramètres d’acquisition de l’IRM

1. Préparez-vous à acquérir des images T1w haute résolution à l’aide d’une séquence d’écho à gradient d’acquisition rapide (MPRAGE) préparée par magnétisation 3D avec les paramètres suivants: résolution spatiale = 0,8 x 0,8 x 0,8 mm³; champ de vision (FOV) = 176 x 240 x 240 mm³; temps d’écho (TE) = 3,43 ms; temps de répétition (TR) = 2462 ms; temps d’inversion (TI) = 1060 ms; angle de retournement = 8°; facteur d’imagerie parallèle (ARC) dans le plan = 2; facteur d’imagerie parallèle (ARC) dans le plan transversal = 2³³; bande passante = 208 Hz/pixel; Temps total d’acquisition = 6 min 39 s.
2. Préparer l’acquisition d’images IRM-NM à l’aide d’une séquence d’écho de rappel à gradient bidimensionnel (2D) avec contraste de transfert d’aimantation (2D GRE-MTC) avec les paramètres suivants : résolution = 0,43 x 0,43 mm²; champ de vision = 220 x 220 mm²; épaisseur de tranche = 1,5 mm; 20 tranches; écart de tranche = 0 mm; TE = 4,8 ms; TR = 500 ms; angle de retournement = 40°; bande passante = 122 Hz/pixel; Décalage de fréquence MT = 1,2 kHz; Durée de l’impulsion MT = 8 ms; Angle de retournement MT = 670°; nombre de moyennes = 5; Temps total d’acquisition = 10 min 4 s.
   REMARQUE: Bien que les résultats affichés utilisent ces paramètres d’acquisition IRM, ce protocole est valide pour divers protocoles d’imagerie T1w et NM-IRM. Le protocole d’IRM-NM doit couvrir ~25 mm dans le sens inférieur-supérieur pour garantir une couverture complète du SN.

2. Placement du volume d’IRM-NM

1. Acquérir une image T1w haute résolution (taille de voxel isotrope de ≤1 mm). Utilisez le reformatage en ligne directement après l’acquisition de l’image pour créer des images T1w haute résolution alignées sur la ligne de commissure antérieure-commissure postérieure (AC-PC) et la ligne médiane.
   1. Effectuer un reformatage en ligne à l’aide du logiciel fourni par le fournisseur (par exemple, si vous acquérez des données sur un scanner GE : reconstruction multiplanaire (MPR) en planification ; si vous acquérez des données sur un scanner Siemens : MPR dans la carte de tâches 3D ; si vous acquérez des données sur un scanner Philips : MPR dans le mode de rendu du package VolumeView).
      1. Créez des reconstructions multiplanaires de l’image 3D T1w dans le plan axial perpendiculaire à la ligne AC-PC pour couvrir tout le cerveau avec un minimum d’écart de tranche.
      2. Créez des reconstructions multiplanaires de l’image 3D T1w dans le plan coronal perpendiculaire à la ligne AC-PC pour couvrir l’ensemble du cerveau avec un minimum d’écart de tranche.
      3. Créer des reconstructions multiplanaires de l’image 3D T1w dans le plan sagittal parallèlement à la ligne AC-PC pour couvrir tout le cerveau avec un minimum d’écart de tranche.
2. Chargez les vues sagittale, coronale et axiale de l’image T1w haute résolution reformatée et assurez-vous que les lignes de référence représentant l’emplacement de chaque tranche affichée sont présentes.
3. Identifier l’image sagittale qui montre la plus grande séparation entre le mésencéphale et le thalamus (Figure 1A). Pour ce faire, inspectez visuellement les tranches sagittales de l’image T1w reformatée jusqu’à ce que la tranche montrant cette plus grande séparation soit identifiée.
4. À l’aide de l’image sagittale de la fin de l’étape 2.3, identifier visuellement le plan coronal qui délimite l’aspect le plus antérieur du mésencéphale (Figure 1B).
5. À l’aide de l’image coronale de la fin de l’étape 2.4, identifier visuellement le plan axial qui délimite l’aspect inférieur du troisième ventricule (Figure 1C).
6. Sur l’image sagittale de la fin de l’étape 2.3, aligner la limite supérieure du volume d’IRM-NM sur le plan axial identifié à l’étape 2.5 (Figure 1D).
7. Déplacez la limite supérieure du volume d’IRM-NM de 3 mm dans la direction supérieure (Figure 1E).
8. Aligner le volume de l’IRM-NM sur la ligne médiane des images axiales et coronales (Figure 1F).
9. Acquérir les images NM-IRM.

Figure 1 : Images montrant la procédure étape par étape de placement du volume NM-IRM. Les lignes jaunes indiquent l’emplacement des tranches utilisées pour le placement du volume tel que décrit dans le protocole. (A) Tout d’abord, l’image sagittale avec la plus grande séparation entre le mésencéphale et le thalamus est identifiée (étape 2.3 du protocole). (B) Deuxièmement, à l’aide de l’image de A, le plan coronal délimitant l’aspect le plus antérieur du mésencéphale est identifié (étape 2.4). (C) Troisièmement, sur l’image coronale du plan identifié en B, le plan axial délimitant la face inférieure du troisième ventricule est identifié (étape 2.5). (D) Quatrièmement, le plan axial identifié en C est affiché sur l’image sagittale de A (étape 2.6). (E) Cinquièmement, le plan axial de D est décalé de 3 mm dans la direction supérieure, et ce plan indique la limite supérieure du volume d’IRM-NM (étape 2.7). (F) Le placement final du volume d’IRM-NM où l’image coronale correspond à C, l’image sagittale correspond à A et l’image axiale correspond au plan axial dans E. Le volume d’IRM-NM est aligné sur la ligne médiane du cerveau dans les images coronales et axiales et la ligne AC-PC dans l’image sagittale (étape 2.8). Une partie de cette figure a été réimprimée avec la permission d’Elsevier à partir de ³⁰. Abréviations : NM-IRM = imagerie par résonance magnétique sensible à la neuromélanine; AC-PC = commissure antérieure-commissure postérieure. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

3. Contrôles de qualité

1. S’assurer que les images d’IRM-NM acquises couvrent l’ensemble du SN et que le SN est visible dans les images centrales, mais pas dans les images les plus supérieures ou les plus inférieures du volume d’IRM-NM. Sinon, (Figure 2), répétez les étapes 2.3-2.9 pour vous assurer que le placement correct du volume de l’IRM-NM est correct. Si le participant a beaucoup bougé depuis l’acquisition du scan T1w haute résolution, répétez les étapes 2.1-2.9.

Figure 2 : Exemple d’acquisition d’IRM-NM qui a échoué au premier contrôle de la qualité (étape 3.1 du protocole). Chacune des 20 coupes d’IRM-NM affichées de la plus inférieure (image en haut à gauche) à la plus supérieure (image en bas à droite); La fenêtre/niveau de l’image a été réglée pour exagérer le contraste entre la Substantia nigra et le Crus cerebri. Les flèches orange dans les tranches 15-19 montrent l’emplacement de la substance noire dans ces tranches. La flèche rouge dans la tranche la plus supérieure (tranche 20) montre que la substance noire est toujours visible dans cette tranche, et donc, l’acquisition échoue au contrôle de qualité. Abréviation : NM-IRM = imagerie par résonance magnétique sensible à la neuromélanine. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

2. Vérifiez les artefacts, en particulier ceux qui traversent le SN et la substance blanche environnante, en inspectant visuellement chaque tranche de l’IRM-NM acquise.
   1. Recherchez les changements brusques de l’intensité du signal avec un motif linéaire qui ne respecte pas les limites anatomiques normales. Par exemple, cela peut apparaître comme une région de faible intensité flanquée de deux régions de haute intensité.
   2. Si l’artefact est le résultat de vaisseaux sanguins (Figure 3A), conservez les images IRM-NM, car ces artefacts seront probablement toujours présents.
   3. Si les artefacts sont le résultat d’un mouvement de la tête du participant (figure 3B), rappelez au participant de rester aussi immobile que possible et de réacquérir les images IRM-NM conformément à l’étape 3.2.5.
   4. Si les artefacts sont ambigus (figure 3C), réacquérir les images IRM-NM conformément à l’étape 3.2.5. Lors de la réacquisition, si les artefacts restent présents, procédez à ces images, car elles sont probablement biologiques plutôt que le résultat de problèmes d’acquisition.
   5. Si les images NM-IRM réussissent le contrôle qualité de l’étape 3.1, copiez le placement précédent du volume NM-IRM. Si les images IRM-NM échouent au contrôle de qualité à l’étape 3.1, répétez les étapes 2.3-2.9 pour vous assurer que le placement correct du volume de l’IRM-NM (ou les étapes 2.1-2.9 si le participant a déménagé de manière significative).

Figure 3 : Exemples d’acquisitions d’IRM-NM qui ont échoué au deuxième contrôle de la qualité (étape 3.2 du protocole). Une seule tranche représentative est affichée pour chaque cas. (A) Une acquisition d’IRM-NM qui échoue au contrôle de la qualité en raison d’un artefact de vaisseau sanguin (flèches rouges) qui est le résultat du vaisseau sanguin identifié par les flèches bleues. (B) Une acquisition d’IRM-NM qui échoue à la vérification de la qualité en raison d’artefacts de mouvement (flèches rouges). (C) Une acquisition d’IRM-NM qui échoue à la vérification du contrôle de la qualité en raison d’un artefact ambigu (flèches rouges). Abréviation : NM-IRM = imagerie par résonance magnétique sensible à la neuromélanine. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

La figure 4 montre les résultats représentatifs d’une participante de 28 ans sans troubles psychiatriques ou neurologiques. Le protocole NM-IRM assure une couverture complète du SN, obtenue en suivant l’étape 2 du protocole décrit à la figure 1, et des images NM-IRM satisfaisantes en suivant l’étape 3 du protocole. On peut observer un excellent contraste entre le SN et les régions voisines de la substance blanche avec une concentration négligeable de NM (crus cerebri). Ces images ont été vérifiées immédiatement après l’acquisition pour assurer la couverture adéquate du SN et pour vérifier la présence d’artefacts. Étant donné que la couverture complète du SN a été obtenue sans aucun artefact, l’analyse a passé les contrôles de qualité et n’a pas eu besoin d’être répétée.

Figure 4 : Exemple d’acquisition représentative d’IRM-NM. Chacune des 20 coupes d’IRM-NM affichées de la plus inférieure (image en haut à gauche) à la plus supérieure (image en bas à droite); La fenêtre / niveau de l’image a été réglée pour exagérer le contraste entre la substance noire et le crus cerebri d’une participante de 28 ans sans troubles psychiatriques ou neurologiques. Le protocole d’IRM-NM assure une couverture complète de la substance noire, une couverture partielle du locus coeruleus et des images NM-IRM satisfaisantes. Un excellent contraste entre la substance noire et les régions voisines de la substance blanche sans concentration de neuromélanine (c.-à-d. crus cerebrus) peut être observé sur les tranches 9 à 16. L’image en bas montre une vue agrandie du mésencéphale de la tranche 13. Abréviation : NM-IRM = imagerie par résonance magnétique sensible à la neuromélanine. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

La figure 2 montre les résultats représentatifs d’une participante de 28 ans sans troubles psychiatriques ou neurologiques dont les images ont échoué au premier contrôle de la qualité (étape 3.1). Le SN est visible dans la tranche la plus supérieure (tranche 20), ce qui indique que la couverture complète du SN n’a pas été atteinte. Dans ce cas, les données doivent être récupérées en répétant les étapes 2.3 à 2.9 du protocole, comme illustré à la figure 1. Si le participant a beaucoup bougé depuis l’acquisition de l’image T1w initiale, le chercheur doit revenir à l’étape 2.1 pour acquérir à nouveau l’image T1w.

La figure 3 montre des exemples d’images qui ont échoué au deuxième contrôle de qualité (étape 3.2). Comme il est indiqué à l’étape 3.2, il n’est pas nécessaire de répéter les balayages contenant des artefacts dus aux vaisseaux sanguins (figure 3A), car ces artefacts seront probablement présents dans chaque acquisition. Les numérisations qui contiennent des artefacts résultant d’un mouvement (Figure 3B) ou d’artefacts ambigus (Figure 3C) doivent être répétées. Dans le cas d’artefacts ambigus, si les artefacts restent présents après la réacquisition, il n’est pas nécessaire de réacquérir le scan, car les artefacts sont probablement biologiques et, par conséquent, seront présents dans chaque acquisition.

Les Drs Horga et Wengler ont chacun déclaré avoir des brevets pour l’analyse et l’utilisation de l’imagerie de la neuromélanine dans les troubles du système nerveux central (WO2021034770A1, WO2020077098A1), concédés sous licence à Terran Biosciences, mais n’ont reçu aucune redevance.