Name: Tworzenie dynamicznych obrazów krótkotrwałych wahań dopaminy za pomocą lp-ntPET: Dopaminowe filmy z palenia papierosów (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-08-06T08:55:00.000+00:00
Duration: 14 min 21 s
Description: Odkryj technikę lp-ntPET do tworzenia dynamicznych obrazów wahań dopaminy podczas palenia papierosów. Ta metoda umożliwia wizualizację neurochemicznych wzorców uzależnienia w mózgu.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy dziękują członkom zespołu chemicznego Yale PET Center za syntezę znacznika, zespołowi obrazowania za wstrzykiwanie znacznika i pozyskiwanie obrazów oraz Pani Sheili Huang za fachowe projektowanie schematów blokowych.
Znaczna część rozwoju technik ntPET była wspierana przez R21 AA15077 do E. Morris. K. Cosgrove jest wspierany przez K02 DA031750.

Zarys całej procedury, opisanej poniżej, tworzenia wielowarstwowych filmów dopaminowych jest podsumowany na schemacie blokowym na rysunku 1.
<ol>
	<li>Skanowanie PET MR 
	Wykonaj strukturalne badanie MR w innym dniu niż badanie PET. Skan MR zapewni anatomiczne odniesienie dla obrazów PET. Typowe parametry akwizycji dla strukturalnego rezonansu magnetycznego to: sekwencja impulsów 3D MPRAGE MR z TE = 3,3 ms, kąt odwrócenia = 7 stopni; Grubość plastra = 1,0 mm, 0,98 x 0,98 mm pikseli.
	<ol>
		<li>Ćwicz PET/Palenie Sesja 
		Umów się na ćwiczenie ruchu palenia w skanerze PET przed skanowaniem lub, najlepiej, podczas wcześniejszej wizyty w centrum PET. Pozwoli to uniknąć zamieszania lub dyskomfortu podczas właściwego skanowania PET. Wyeliminuje to również nowość polegającą na tym, że po raz pierwszy znajduje się w skanerze. Ponieważ Siemens HRRT jest skanerem mózgu o wysokiej rozdzielczości, tunel jest wąski, a prześwit dla palacza jest minimalny, aby przynieść papierosa do ust. Chociaż mamy wyrafinowany system reagowania na ruchy głowy, nadal zaleca się, aby palacz ćwiczył palenie, starając się nie ruszać głową.</li>
		<li>Przygotowanie pacjenta
		<ol>
			<li>Linia dożylna 
			Kroplówka musi zostać wprowadzona przez dyplomowaną pielęgniarkę i przygotowana do późniejszego podłączenia do pompy, która dostarcza znacznik. Znacznik zostanie wstrzyknięty pacjentowi przez linię dożylną.</li>
			<li>Monitor ruchu głowicy 
			Przymocuj odblaskowe kulki na czubku głowy fotografowanej osoby. Lasery systemu śledzenia głowy Vicra sondują położenie kul odbijających światło z częstotliwością 20 Hz. Kule są przymocowane do sztywnego "narzędzia" w kształcie krzyża, a narzędzie jest przymocowane do czepka pływackiego z lycry noszonego przez badanego. Wyświetlanie pozycji narzędzia w czasie rzeczywistym powinno być wykorzystywane przez personel badawczy do monitorowania ruchu głowy i upewnienia się, że system laserowy ma niezakłócony widok narzędzia i stale rejestruje pozycję głowicy w celu późniejszego wykorzystania w rekonstrukcji obrazu.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Przygotuj pompę wtryskową
		<ol>
			<li>Zaprogramować pompę z odpowiednim paradygmatem infuzji dla rakloprydu Aby zmaksymalizować czułość obrazów PET na wahania dopaminy podczas skanowania, należy podać znacznik, 11C-raklopryd, jako początkowy bolus, a następnie stałą infuzję. Aby określić właściwe względne ilości znacznika, które należy dostarczyć w bolusie początkowym w porównaniu z infuzją, postępujemy zgodnie z metodą Carsona i wsp. 22 w celu obliczenia stosunku dawki w bolusie do szybkości infuzji ("Kbol" w jednostkach minut), biorąc pod uwagę wiedzę na temat funkcji odpowiedzi impulsowej 11C-rakloprydu u ludzi. Dostarczanie znacznika zgodnie z danym protokołem jest kontrolowane przez wewnętrzny program komputerowy, który steruje programowalną pompą infuzyjną.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Uruchom filtr powietrza 
		Aby wyeliminować bierne palenie z zestawu PET podczas palenia, umieść wlot filtra powietrza (Movex Inc, Northampton, PA) przed skanerem i nad głową badanego. Pozostaw miejsce dla osoby, która może przynieść papierosa do ust podczas palenia. Filtr jest włączany przed badaniem i jest używany we wszystkich warunkach, jeśli przeprowadzanych jest wiele skanów.</li>
		<li>Skanowanie transmisji 
		Uzyskaj 9-minutowy skan transmisji przed wstrzyknięciem znacznika i uzyskaniem skanu PET. Transmisja jest pozyskiwana w celu stworzenia mapy 3D współczynnika tłumienia liniowego w całym mózgu. Mapa tłumienia wykorzystywana jest w rekonstrukcji obrazów emisyjnych (PET).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Skanowanie PET
	<ol>
		<li>Rozpocznij wstrzykiwanie i skanowanie PET 
		Certyfikowany technolog medycyny nuklearnej musi podać znacznik. Zazwyczaj zespół dwóch technologów inicjuje jednoczesne podawanie znaczników i pozyskiwanie danych PET.</li>
		<li>Skale ocen w momencie palenia 
		Podawaj proste kwestionariusze, ustnie, pacjentowi bezpośrednio przed i po paleniu. Palacz musi ocenić swoje pragnienie żywności, zaspokojenie głodu, haj nikotynowy i uczucie niechęci w skali od 1 do 100.</li>
		<li>Palenie 
		Aby uchwycić reakcję dopaminy na naturalistyczne doświadczenie palenia, poinstruuj palacza, aby palił we własnym tempie, palił papierosy własnej marki i, co najważniejsze, palił samodzielnie, a nie nikotynę lub papierosa podawanego przez personel badawczy. Palacze, którzy od północy są abstynentami, wypalają po dwa papierosy z rzędu. Zazwyczaj potrzebują około 10 minut, aby wypalić oba papierosy.</li>
		<li>Skale ocen po paleniu (jak wspomniano powyżej).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Badanie po skanowaniu PET
	<ol>
		<li>Pełne skanowanie, wysłanie do rekonstrukcji przez MOLAR za pomocą Vicra data 
		Po zakończeniu akwizycji zrekonstruuj dane w trybie listy (zapis każdego pojedynczego zdarzenia rozpadu wraz z jego czasem i lokalizacją) w obrazy emisyjne. Algorytm rekonstrukcji stosowany w naszym centrum jest algorytmem iteracyjnym (Carson, Barker i wsp. 21), który koryguje ruch na poziomie zdarzenia za pomocą nagrań Vicra o wysokiej częstotliwości. Algorytm zawiera również poprawki dotyczące rozproszenia, tłumienia, czasu martwego i normalizacji, geometrii skanera i funkcji rozproszenia punktów. Rekonstrukcja tworzy dynamiczną serię obrazów 3D PET we wcześniej wybranych ramach czasowych.</li>
		<li>Wstępne przetwarzanie MR i rejestracja MR-PET 
		Użyj standardowych algorytmów, aby usunąć czaszkę z obrazu MR osoby badanej 23. MR musi zostać pozbawiony czaszki przed wyrównaniem z PET, ponieważ większość znaczników nie jest pobierana przez czaszkę.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Filtruj dynamiczne dane PET za pomocą HYPR 
	Zastosuj wariant metody filtrowania przestrzennego, Highly Constrained Backprojection (HYPR-LR) do wszystkich obrazów PET w sposób klatka po klatce, postępując zgodnie z pracą Christiana i in. 8,24. Atrakcyjność HYPR-LR polega na tym, że redukuje szum przestrzenny bez degradacji informacji czasowej przy każdym wokselu, którego użyjemy do stworzenia naszych filmów dopaminowych.</li>
	<li>Dopasuj dane PET do szablonu MR 
	Dopasuj PET do danych MR pacjenta, aby uzyskać matrycę transformacji 1. (Zazwyczaj odbywa się to za pomocą obrazu z wczesnej fazy skanowania PET). Zarejestruj dane MR w standardowym szablonie MR, aby uzyskać macierz transformacji 2. Połącz transformacje 1 i 2, aby zarejestrować dane PET filtrowane przez HYPR w standardowej przestrzeni szablonów. Dane znajdują się teraz w standardowej przestrzeni anatomicznej z izotropowymi wokselami (2 mm x 2 mm x 2 mm).</li>
	<li>Zastosuj maskę prążkowia 
	Raklopryd ma wystarczający kontrast sygnału do tła, aby można go było stosować tylko w prążkowiu. Jest to obszar mózgu, który jest zaangażowany w uzależnienie od narkotyków. Podążając za Martinezem i wsp. 25, nałóż maskę prążkowia przedspoidlowego (prążkowie brzuszne, jądro ogoniaste grzbietowe, skorupa grzbietowa) do wszystkich danych PET w przestrzeni szablonu.</li>
	<li>Dopasowania dwóch modeli oparte na wokselach
	<ol>
		<li>Wybierz funkcje odpowiedzi dopaminowej dla lp-ntPET 
		Wybierz funkcje odpowiedzi, które są zgodne z możliwymi reakcjami dopaminy na bodziec. Wybierając określony zestaw funkcji odpowiedzi, można ograniczyć kształt i czas szacowanych odpowiedzi dopaminy do krzywych, które są oczekiwane dla naszego konkretnego bodźca. W przypadku palenia tytoniu spodziewamy się jednomodalnego wzrostu i spadku stężenia dopaminy (krzywa w kształcie "zmienności gamma"). W przypadku palenia tytoniu po 45 minutach skanowania uwzględniane są rodziny funkcji odpowiedzi z czasem "startu" wynoszącym 40 minut (aby umożliwić pewne przewidywanie) i później.</li>
		<li>Zastosuj model lp-ntPET 
		Dopasować model lp-ntPET do TAC PET dla każdego pojedynczego woksela w zamaskowanym obszarze zgodnie z metodą Normandina i in. 7. Równanie operacyjne modelu przedstawiono na rysunku 3a. Całka iloczynu PET TAC z każdą funkcją odpowiedzi staje się zbiorem liniowych funkcji bazowych, które współtworzą model (patrz ostatni składnik w równaniu operacyjnym). Ponieważ lp-ntPET jest liniową, opartą na funkcjach metodą dopasowywania dynamicznych danych PET, można ją zaimplementować do szybkiego oszacowania zarówno (a) parametrów kinetycznych rządzących działaniem znacznika, jak i (b) profilu czasowego względnej zmiany stężenia dopaminy podczas sesji skanowania, przy każdym wokselu.
		<ol>
			<li>Tworzenie map WSSR 
			Zapisz poniżej mapę ważonej sumy reszt do kwadratów (WSSR) dopasowania lp-ntPET do danych dla każdego woksela (WSSRlp-ntPET) do użytku. Dopasowanie modelu do każdego woksela daje obrazy parametrów znacznika: R1, k2, k2a i γ. R1 to względna wartość przepływu, k2 to szybkość wypływu w obszarze odniesienia, k2a to pozorna szybkość wypływu w obszarze docelowym, a γ to wielkość sygnału dopaminy. Ważona suma reszt podniesionych do kwadratu przy każdym wokselu może być również traktowana jako obraz.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Zastosuj (konwencjonalny) wieloliniowy referencyjny model tkankowy (MRTM) 
		Dopasuj model MRTM następujący po 9 do danych PET dotyczących aktywności czasowej dla każdego pojedynczego woksela w zamaskowanym obszarze. MRTM jest modelem liniowym - zwykle stosowanym do dynamicznych danych PET - który jest identyczny z lp-ntPET, z wyjątkiem tego, że brakuje w nim zmiennego w czasie składnika dopaminy. Dopasowanie MRTM do danych dotyczących wokseli daje oszacowania tylko trzech obrazów parametrycznych: R1, k2, k2a. Zapisz również mapę ważonej sumy kwadratów dopasowania MRTM (WSSRMRTM) do danych dla każdego woksela.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Obliczanie mapy F 
	Utwórz mapę F z sumy map kwadratowych, obliczając statystykę F dla każdego woksela w masce. Statystyka F porównuje WSSRlp-ntPET z WSSRMRTM, korygując różnice w stopniach swobody w odpowiednich pasowaniach.</li>
	<li>Próg F-map 
	Proguj mapę F na wartości, która przekłada się na prawdopodobieństwo p < 0,05 (na podstawie stopni swobody w pasowaniach modelu). Próg jest taki sam dla każdego woksela. Zbinaryzuj mapę, aby utworzyć nową "maskę istotności", która zachowuje tylko te woksele w prążkowiu, których TAC PET są (statystycznie) lepiej dopasowane do lp-ntPET niż do MRTM.</li>
	<li>Filtrowanie maski istotności 
	Wykonaj morfologiczne "otwarcie" (erozja, po której następuje dylatacja) na Masce Istotności, aby wyeliminować małe, izolowane skupiska wokseli, które, jak zakładamy, są spowodowane hałasem. Izotropowe jądro woksela 2 x 2 x 2 służy do usuwania izolowanych grup wokseli o średnicy 2 wokseli lub mniejszej. Mamy teraz Maskę Ostatecznego Znaczenia.</li>
	<li>Stwórz film 4D z dopaminą w kolorze 
	Przechowuj wartość szacowanej krzywej dopaminy znormalizowanej przez k2a dla każdego woksela w końcowej masce znaczącej. Dane te stanowią "znormalizowane obrazy dopaminy" i będą 4-wymiarowe. W rzeczywistości są one względną wartością dopaminy w każdym punkcie czasowym dla każdego woksela, w którym stwierdzono znaczącą odpowiedź dopaminy na bodziec. Utwórz serię obrazów oznaczonych kolorami, stosując tabelę przeglądów kolorów do znormalizowanych obrazów dopaminy. Nałóż oznaczone kolorami obrazy dopaminy na odpowiedni obraz szablonu MR. Zapisz serię obrazów oznaczonych kolorami jako plik *.png. To jest jednoczęściowy "film dopaminowy". Ułóż filmy dopaminowe dla każdego wycinka zawierającego prążkowie brzuszne w jeden film. Ten układ jest wielowarstwowym filmem dopaminy.</li>
	<li>Analizuj dane dotyczące palenia i kontroluj dane w podobny sposób 
	Przeprowadzić tę samą analizę na danych z każdego warunku doświadczalnego, który ma być zbadany. Na potrzeby tego projektu pozyskaliśmy i przeanalizowaliśmy dane dla każdego uczestnika w dwóch odrębnych warunkach: palenia tytoniu i kontroli (niepalenie).</li>
	<li>Porównaj palenie z kontrolą, konstruując złożony film dopaminowy 
	Wyprodukuj filmy z dopaminą na ten sam temat w różnych warunkach, np. zadanie podstawowe lub pozorowane a palenie. Wyprodukuj "złożony film dopaminowy" dla jednego obiektu dla wszystkich wycinków prążkowia dla linii podstawowej i palenia.</li>
	<li>Uruchom movie 
	Odtwórz "wieloczęściowy film dopaminowy" (pokazany w wynikach), aby odkryć przestrzenne i czasowe wzorce, które składają się na unikalną reakcję dopaminergiczną mózgu na palenie papierosów.</li>
</ol>

<ol><li>Constantinescu, C. C., Bouman, C., Morris, E. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nonparametric+extraction+of+transient+changes+in+neurotransmitter+concentration+from+dynamic+PET+data%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Med.+Imaging%22%5BJournal%5D)">Nonparametric extraction of transient changes in neurotransmitter concentration from dynamic PET data.</a> IEEE Trans. Med. Imaging. 26, 359-373 (2007).</li>
<li>Constantinescu, C. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Estimation+from+PET+data+of+transient+changes+in+dopamine+concentration+induced+by+alcohol%3A+support+for+a+non-parametric+signal+estimation+method%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Med+Biol%22%5BJournal%5D)">Estimation from PET data of transient changes in dopamine concentration induced by alcohol: support for a non-parametric signal estimation method.</a> Phys. Med Biol. 53, 1353-1367 (2008).</li>
<li>Morris, E. D., Constantinescu, C. C., Sullivan, J. M., Normandin, M. D., Christopher, L. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Noninvasive+visualization+of+human+dopamine+dynamics+from+PET+images%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Noninvasive visualization of human dopamine dynamics from PET images.</a> NeuroImage. 51, 135-144 (2010).</li>
<li>Morris, E. D., Normandin, M. D., Schiffer, W. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Initial+comparison+of+ntPET+with+microdialysis+measurements+of+methamphetamine-induced+dopamine+release+in+rats%3A+support+for+estimation+of+dopamine+curves+from+PET+data%5BTitle%5D)+AND+%22Molecular+imaging+and+biology+%3A+MIB+%3A+the+official+publication+of+the+Academy+of+Molecular+Imaging%22%5BJournal%5D)">Initial comparison of ntPET with microdialysis measurements of methamphetamine-induced dopamine release in rats: support for estimation of dopamine curves from PET data.</a> Molecular imaging and biology : MIB : the official publication of the Academy of Molecular Imaging. 10, 67-73 (2008).</li>
<li>Morris, E. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((ntPET%3A+a+new+application+of+PET+imaging+for+characterizing+the+kinetics+of+endogenous+neurotransmitter+release%5BTitle%5D)+AND+%22Molecular+Imaging%22%5BJournal%5D)">ntPET: a new application of PET imaging for characterizing the kinetics of endogenous neurotransmitter release.</a> Molecular Imaging. 4, 473-489 (2005).</li>
<li>Normandin, M. D., Morris, E. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Estimating+neurotransmitter+kinetics+with+ntPET%3A+A+simulation+study+of+temporal+precision+and+effects+of+biased+data%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Estimating neurotransmitter kinetics with ntPET: A simulation study of temporal precision and effects of biased data.</a> NeuroImage. 39, 1162-1179 (2008).</li>
<li>Normandin, M. D., Schiffer, W. K., Morris, E. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+linear+model+for+estimation+of+neurotransmitter+response+profiles+from+dynamic+PET+data%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">A linear model for estimation of neurotransmitter response profiles from dynamic PET data.</a> NeuroImage. 59, 2689-2699 (2012).</li>
<li>Christian, B. T., Vandehey, N. T., Floberg, J. M., Mistretta, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+PET+denoising+with+HYPR+processing%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Nuclear+Medicine%3A+Official+publication%2C+Society+of+Nuclear+Medicine%22%5BJournal%5D)">Dynamic PET denoising with HYPR processing.</a> Journal of Nuclear Medicine: Official publication, Society of Nuclear Medicine. 51, 1147-1154 (2010).</li>
<li>Ichise, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Linearized+reference+tissue+parametric+imaging+methods%3A+application+to+%5B11C%5DDASB+positron+emission+tomography+studies+of+the+serotonin+transporter+in+human+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+cerebral+blood+flow+and+metabolism+%3A+official+journal+of+the+International+Society+of+Cerebral+Blood+Flow+and+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Linearized reference tissue parametric imaging methods: application to [11C]DASB positron emission tomography studies of the serotonin transporter in human brain.</a> Journal of cerebral blood flow and metabolism : official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 23, 1096-1112 (2003).</li>
<li>Benowitz, N. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pharmacology+of+nicotine%3A+addiction%2C+smoking-induced+disease%2C+and+therapeutics%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+review+of+pharmacology+and+toxicology%22%5BJournal%5D)">Pharmacology of nicotine: addiction, smoking-induced disease, and therapeutics.</a> Annual review of pharmacology and toxicology. 49, 57-71 (2009).</li>
<li>Volkow, N. D., Swanson, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Variables+that+affect+the+clinical+use+and+abuse+of+methylphenidate+in+the+treatment+of+ADHD%5BTitle%5D)+AND+%22The+American+journal+of+psychiatry%22%5BJournal%5D)">Variables that affect the clinical use and abuse of methylphenidate in the treatment of ADHD.</a> The American journal of psychiatry. , 160-1918 (2003).</li>
<li>Di Chiara, G., Imperato, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drugs+abused+by+humans+preferentially+increase+synaptic+dopamine+concentrations+in+the+mesolimbic+system+of+freely+moving+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Drugs abused by humans preferentially increase synaptic dopamine concentrations in the mesolimbic system of freely moving rats.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 85, 5274-5278 (1988).</li>
<li>Barrett, S. P., Boileau, I., Okker, J., Pihl, R. O., Dagher, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+hedonic+response+to+cigarette+smoking+is+proportional+to+dopamine+release+in+the+human+striatum+as+measured+by+positron+emission+tomography+and+%5B11C%5Draclopride%5BTitle%5D)+AND+%22Synapse%22%5BJournal%5D)">The hedonic response to cigarette smoking is proportional to dopamine release in the human striatum as measured by positron emission tomography and [11C]raclopride.</a> Synapse. 54, 65-71 (2004).</li>
<li>Brody, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gene+variants+of+brain+dopamine+pathways+and+smoking-induced+dopamine+release+in+the+ventral+caudate%2Fnucleus+accumbens%5BTitle%5D)+AND+%22Arch.+Gen.+Psychiatry%22%5BJournal%5D)">Gene variants of brain dopamine pathways and smoking-induced dopamine release in the ventral caudate/nucleus accumbens.</a> Arch. Gen. Psychiatry. 63, 808-816 (2006).</li>
<li>Brody, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Smoking-induced+ventral+striatum+dopamine+release%5BTitle%5D)+AND+%22The+American+journal+of+psychiatry%22%5BJournal%5D)">Smoking-induced ventral striatum dopamine release.</a> The American journal of psychiatry. 161, 1211-1218 (2004).</li>
<li>Montgomery, A. J., Lingford-Hughes, A. R., Egerton, A., Nutt, D. J., Grasby, P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effect+of+nicotine+on+striatal+dopamine+release+in+man%3A+A+%5B11C%5Draclopride+PET+study%5BTitle%5D)+AND+%22Synapse%22%5BJournal%5D)">The effect of nicotine on striatal dopamine release in man: A [11C]raclopride PET study.</a> Synapse. 61, 637-645 (2007).</li>
<li>Scott, D. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Smoking+modulation+of+mu-opioid+and+dopamine+D2+receptor-mediated+neurotransmission+in+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Neuropsychopharmacology%3A+official+publication+of+the+American+College+of+Neuropsychopharmacology%22%5BJournal%5D)">Smoking modulation of mu-opioid and dopamine D2 receptor-mediated neurotransmission in humans.</a> Neuropsychopharmacology: official publication of the American College of Neuropsychopharmacology. 32, 450-457 (2007).</li>
<li>Takahashi, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+dopamine+release+by+nicotine+in+cigarette+smokers%3A+a+double-blind%2C+randomized%2C+placebo-controlled+pilot+study%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Neuropsychopharmacol%22%5BJournal%5D)">Enhanced dopamine release by nicotine in cigarette smokers: a double-blind, randomized, placebo-controlled pilot study.</a> Int. J. Neuropsychopharmacol. 11, 413-417 (2008).</li>
<li>Morris, E. D., Fisher, R. E., Alpert, N. M., Rauch, S. L., Fischman, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+imaging+of+neuromodulation+using+positron+emission+tomography%3A+Optimal+ligand+characteristics+and+task+length+for+detection+of+activation%5BTitle%5D)+AND+%22Human+Brain+Mapping%22%5BJournal%5D)">In vivo imaging of neuromodulation using positron emission tomography: Optimal ligand characteristics and task length for detection of activation.</a> Human Brain Mapping. 3, 35-55 (1995).</li>
<li>Alpert, N. M., Badgaiyan, R. D., Livni, E., Fischman, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+method+for+noninvasive+detection+of+neuromodulatory+changes+in+specific+neurotransmitter+systems%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">A novel method for noninvasive detection of neuromodulatory changes in specific neurotransmitter systems.</a> NeuroImage. 19, 1049-1060 (2003).</li>
<li>Carson, R. E., Barker, W. C., Jeih-San, L., Johnson, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nuclear+Science+Symposium+Conference+Record%5BTitle%5D)+AND+%222003+IEEE%22%5BJournal%5D)">Nuclear Science Symposium Conference Record.</a> 2003 IEEE. 3285, 3281-3285 (2003).</li>
<li>Carson, R. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+bolus+and+infusion+methods+for+receptor+quantitation%3A+application+to+%5B18F%5Dcyclofoxy+and+positron+emission+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+cerebral+blood+flow+and+metabolism+%3A+official+journal+of+the+International+Society+of+Cerebral+Blood+Flow+and+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Comparison of bolus and infusion methods for receptor quantitation: application to [18F]cyclofoxy and positron emission tomography.</a> Journal of cerebral blood flow and metabolism : official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 13, 24-42 (1993).</li>
<li>Smith, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fast+robust+automated+brain+extraction%5BTitle%5D)+AND+%22Human+brain+mapping%22%5BJournal%5D)">Fast robust automated brain extraction.</a> Human brain mapping. 17, 143-155 (2002).</li>
<li>Floberg, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+kinetic+analysis+of+dynamic+PET+data+with+optimized+HYPR-LR%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+physics%22%5BJournal%5D)">Improved kinetic analysis of dynamic PET data with optimized HYPR-LR.</a> Medical physics. 39, 3319-3331 (2012).</li>
<li>Martinez, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+human+mesolimbic+dopamine+transmission+with+positron+emission+tomography.+Part+II%3A+amphetamine-induced+dopamine+release+in+the+functional+subdivisions+of+the+striatum%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+cerebral+blood+flow+and+metabolism+%3A+official+journal+of+the+International+Society+of+Cerebral+Blood+Flow+and+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Imaging human mesolimbic dopamine transmission with positron emission tomography. Part II: amphetamine-induced dopamine release in the functional subdivisions of the striatum.</a> Journal of cerebral blood flow and metabolism : official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 23, 285-300 (2003).</li>
<li>Montgomery, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Correction+of+head+movement+on+PET+studies%3A+comparison+of+methods%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+nuclear+medicine+%3A+official+publication%2C+Society+of+Nuclear+Medicine%22%5BJournal%5D)">Correction of head movement on PET studies: comparison of methods.</a> Journal of nuclear medicine : official publication, Society of Nuclear Medicine. 47, 1936-1944 (2006).</li>
<li>Yoder, K. K., Wang, C., Morris, E. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Change+in+binding+potential+as+a+quantitative+index+of+neurotransmitter+release+is+highly+sensitive+to+relative+timing+and+kinetics+of+the+tracer+and+the+endogenous+ligand%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+nuclear+medicine+%3A+official+publication%2C+Society+of+Nuclear+Medicine%22%5BJournal%5D)">Change in binding potential as a quantitative index of neurotransmitter release is highly sensitive to relative timing and kinetics of the tracer and the endogenous ligand.</a> Journal of nuclear medicine : official publication, Society of Nuclear Medicine. 45, 903-911 (2004).</li>
<li>Wang, S., et al. The 9th International Symposium on Functional Neuroreceptor Mapping of the Living Brain, , (2012).</li>
<li>Ginovart, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+the+dopamine+system+with+in+vivo+%5B11C%5Draclopride+displacement+studies%3A+understanding+the+true+mechanism%5BTitle%5D)+AND+%22Molecular+imaging+and+biology+%3A+MIB+%3A+the+official+publication+of+the+Academy+of+Molecular+Imaging%22%5BJournal%5D)">Imaging the dopamine system with in vivo [11C]raclopride displacement studies: understanding the true mechanism.</a> Molecular imaging and biology : MIB : the official publication of the Academy of Molecular Imaging. 7, 45-52 (2005).</li>
<li>Sullivan, J. M., Kim, S. J., Cosgrove, K. P., Morris, E. D. The 9th International Symposium on Functional Neuroreceptor Mapping of the Living Brain., NRM12, , (2012).</li>
<li>Miller, R. G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMiller%2C+RG+%22Simultaneous+Statistical+Inference%22">Simultaneous Statistical Inference</a>. , 2nd, (1981).</li>
<li>Paterson, L. M., Tyacke, R. J., Nutt, D. J., Knudsen, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+endogenous+5-HT+release+by+emission+tomography%3A+promises+and+pitfalls%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+cerebral+blood+flow+and+metabolism+%3A+official+journal+of+the+International+Society+of+Cerebral+Blood+Flow+and+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Measuring endogenous 5-HT release by emission tomography: promises and pitfalls.</a> Journal of cerebral blood flow and metabolism : official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 30, 1682-1706 (2010).</li>
<li>Ridler, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+in+vivo+pharmacological+properties+and+sensitivity+to+endogenous+serotonin+of+%5B11C%5D+P943%3A+a+positron+emission+tomography+study+in+Papio+anubis%5BTitle%5D)+AND+%22Synapse%22%5BJournal%5D)">Characterization of in vivo pharmacological properties and sensitivity to endogenous serotonin of [11C] P943: a positron emission tomography study in Papio anubis.</a> Synapse. 65, 1119-1127 (2011).</li>
<li>Cosgrove, K. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessing+the+sensitivity+of+%5B%281%29%281%29C%5Dp943%2C+a+novel+5-HT1B+radioligand%2C+to+endogenous+serotonin+release%5BTitle%5D)+AND+%22Synapse%22%5BJournal%5D)">Assessing the sensitivity of [(1)(1)C]p943, a novel 5-HT1B radioligand, to endogenous serotonin release.</a> Synapse. 65 (1), 1113-1117 (2011).</li>
<li>Finnema, S. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fenfluramine-induced+serotonin+release+decreases+%5B11C%5DAZ10419369+binding+to+5-HT1B-receptors+in+the+primate+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Synapse%22%5BJournal%5D)">Fenfluramine-induced serotonin release decreases [11C]AZ10419369 binding to 5-HT1B-receptors in the primate brain.</a> Synapse. 64, 573-577 (2010).</li>
<li>Finnema, S. J., Varrone, A., Hwang, T. J., Halldin, C., Farde, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Confirmation+of+fenfluramine+effect+on+5-HT%281B%29+receptor+binding+of+%5B%2811%29C%5DAZ10419369+using+an+equilibrium+approach%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+cerebral+blood+flow+and+metabolism+%3A+official+journal+of+the+International+Society+of+Cerebral+Blood+Flow+and+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Confirmation of fenfluramine effect on 5-HT(1B) receptor binding of [(11)C]AZ10419369 using an equilibrium approach.</a> Journal of cerebral blood flow and metabolism : official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 32 (11), 685-695 (2012).</li>
<li>Morris, E. D., Yoder, K. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Positron+emission+tomography+displacement+sensitivity%3A+predicting+binding+potential+change+for+positron+emission+tomography+tracers+based+on+their+kinetic+characteristics%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+cerebral+blood+flow+and+metabolism+%3A+official+journal+of+the+International+Society+of+Cerebral+Blood+Flow+and+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Positron emission tomography displacement sensitivity: predicting binding potential change for positron emission tomography tracers based on their kinetic characteristics.</a> Journal of cerebral blood flow and metabolism : official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 27, 606-617 (2007).</li>
<li>Gunn, R. N., Lammertsma, A. A., Hume, S. P., Cunningham, V. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Parametric+imaging+of+ligand-receptor+binding+in+PET+using+a+simplified+reference+region+model%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Parametric imaging of ligand-receptor binding in PET using a simplified reference region model.</a> NeuroImage. 6, 279-287 (1997).</li>
<li>Lammertsma, A. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+methods+for+analysis+of+clinical+%5B11C%5Draclopride+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+cerebral+blood+flow+and+metabolism+%3A+official+journal+of+the+International+Society+of+Cerebral+Blood+Flow+and+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Comparison of methods for analysis of clinical [11C]raclopride studies.</a> Journal of cerebral blood flow and metabolism : official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 16, 42-52 (1996).</li>
</ol>

Wszyscy autorzy twierdzą, że nie mają nic do ujawnienia.

Wyniki badań nad reakcją dopaminy na palenie tytoniu w literaturze PET są niespójne 13-18. Przyczyn takiego stanu rzeczy może być wiele. Przy każdej próbie zobrazowania palenia papierosów pojawiają się różne trudności metodologiczne. Przynajmniej należy zmierzyć się z możliwymi artefaktami ruchu w danych, biernym narażeniem na dym tytoniowy dla badaczy, skromnymi i krótkotrwałymi zmianami w dopaminie, które powodują tylko subtelne zmiany w wychwytywaniu i zatrzymywaniu znacznika, 11C-rakloprydu.
Sztuczna indukcja dużej i trwałej odpowiedzi dopaminy może być możliwa poprzez podanie dożylnego zastrzyku dużej dawki nikotyny. Byłoby to jednak sprzeczne z naszymi podstawowymi celami w tworzeniu filmów dopaminowych dotyczących palenia papierosów. Naszym zamiarem było jak najdokładniejsze zbadanie dopaminergicznej reakcji na całe zachowanie związane z paleniem. W badaniach nad uzależnieniami dokonuje się ważnego rozróżnienia między biernym podawaniem leków pacjentowi a samodzielnym podawaniem. Naszym celem było zobrazowanie samodzielnego podawania papierosów przez palacza palącego preferowaną przez niego marki papierosów w celu uchwycenia i scharakteryzowania krótkiej reakcji dopaminergicznej na palenie. Analizy PET zazwyczaj zakładają, że efekty działania leku lub innego prowokacji są długotrwałe w stosunku do czasu trwania skanowania. Obrazowanie palenia tytoniu wymagało zatem innowacji w modelowaniu i eksperymentowaniu z PET.
Krytyczne kroki w naszym protokole
Ułatwienie palenia w skanerze
<ol>
	<li>Aby zobrazować samodzielne administrowanie (tj. palenie), musieliśmy wyeliminować bierne palenie, ku zadowoleniu naszego działu bezpieczeństwa i higieny pracy. Udało się to osiągnąć dzięki zastosowaniu przenośnego systemu filtracji powietrza, który przeciąga powietrze otaczające obiekt przez filtr HEPA w celu usunięcia cząstek stałych. Urządzenie jest wyposażone w przezroczystą pokrywę wlotową w kształcie kopuły, którą można opuścić na twarz fotografowanej osoby, ale nie przeszkadza jej to w paleniu.</li>
	<li>Palenie wywołuje ruchy głowy - nawet jeśli palacze są poinstruowani, aby poruszać ręką i trzymać głowę nieruchomo. Ruch w jednym przedziale czasowym pogarsza funkcję rozproszenia punktowego skanera. Oznacza to, że przyczynia się do rozmycia obrazów. Ruch głowicy podczas skanowania oznacza również, że głowica znajduje się w różnych pozycjach podczas emisji i transmisji. Ta niezgodność może prowadzić do artefaktów, gdy skanowanie transmisji jest stosowane w celu skorygowania tłumienia. System śledzenia ruchów głowy Vicra rozwiązuje oba te problemy i jest ogólnie uważany za najnowocześniejsze rozwiązanie tego problemu 26.</li>
</ol>
Maksymalizacja wrażliwości wychwytu 11C-rakloprydów na niewielkie zmiany poziomu dopaminy
<ol start="3">
	<li>Wcześniejsze prace symulacyjne przeprowadzone przez naszą grupę wykazały, że wrażliwość na zmiany poziomu dopaminy nie jest jednolita przez cały czas trwania skanowania, jeśli znacznik jest podawany w formie wstrzyknięcia w bolusie . Z drugiej strony, początkowy bolus znacznika, po którym następuje powolna infuzja, wydaje się znacznie wyrównać wrażliwość danych PET na palenie w dowolnym momencie podczas skanowania.</li>
	<li>Zmiany dopaminy wywołane paleniem tytoniu są niewielkie w stosunku do szumu w samych danych PET. Wysoce ograniczona rekonstrukcja projekcji wstecznej (HYPR) 8,24 to popularna metoda wygładzania danych fMRI, która została ostatnio zastosowana do PET. Ta technika wygładzania przestrzennego redukuje szumy, nie zacierając przy tym czasowych cech interesujących nas danych. Oznacza to, że odchylenia w krzywych czasowo-aktywnych, które reprezentują konkurencję znacznika z endogenną dopaminą. Nasze wstępne prace 28 wskazują, że istnieje optymalny wybór filtra HYPR, który maksymalizuje różnicę w progowych mapach F (tj. różnicę w liczbie zatrzymanych wokseli) między paleniem tytoniu a warunkami wyjściowymi. Optymalny filtr (wybrany dla prezentowanych danych) zależy prawdopodobnie od odpowiedniego dopasowania wielkości jądra HYPR do przybliżonej wielkości obszaru aktywacji (patrz rysunek 2).</li>
	<li>Zmiany dopaminy wywołane paleniem tytoniu są krótkotrwałe. Konwencjonalne metody analizy PET nie są dobrze przystosowane do wychwytywania przejściowych zdarzeń neuroprzekaźnikowych 25,29. Scharakteryzowaliśmy niedociągnięcia różnych konwencjonalnych analiz za pomocą badań symulacyjnych i danych z badań ludzkich 30. Z tych powodów nasze laboratorium opracowało i zwalidowało szereg technik matematycznych do modelowania wpływu stanów przejściowych dopaminy na dane PET 1-7. Niedawną innowacją Normandina i in. 7 była linearyzacja naszego oryginalnego modelu ntPET, tak aby można go było zastosować na poziomie wokseli. Rezultatem takiego postępowania jest film dopaminowy, taki jak te przedstawione tutaj. Kluczowe aspekty naszych metod szacowania stanów przejściowych dopaminy w danych PET zostały już wcześniej potwierdzone: u szczurów poddawanych jednoczesnej PET i mikrodializie 4 oraz u ludzi wykonujących zadanie stukania palcem 3,4.</li>
	<li>Wymagany jest jakiś test statystyczny, aby wyizolować rzeczywiste zmiany w dopaminie w odróżnieniu od zdarzeń losowych. Zdecydowaliśmy się użyć statystyki F (znanej również jako "współczynnik F") do zidentyfikowania regionów (tj. wokseli) obrazu, które najprawdopodobniej zawierają wykrywalne i mierzalne odpowiedzi dopaminowe. Statystyka F służy do porównywania sum kwadratów pasowań dwóch zagnieżdżonych modeli z tymi samymi danymi dotyczącymi aktywności w czasie. W tym przypadku porównujemy dopasowanie konwencjonalnego modelu - bez zmiennego w czasie terminu dopaminy - z naszym niedawno wprowadzonym modelem lp-ntPET, który zawiera zależny w czasie termin dla wahań dopaminy. Tylko te woksele, dla których współczynnik F przekracza dany próg statystyczny, są zachowywane w końcowym filmie dopaminowym.</li>
</ol>
Ograniczenia w interpretacji prezentowanego wyniku
<ol>
	<li>Prezentowany tutaj przykładowy wynik nie jest oczywiście kompletnym badaniem. Dokładne badanie palenia obejmowałoby stan wyjściowy, stan palenia i stan pozorowanego palenia w celu kontrolowania uwalniania dopaminy wywołanego ruchem - w odróżnieniu od artefaktu ruchu (patrz wyżej). Badania te są w toku w naszym laboratorium. Należy zauważyć, że skonstruowanie odpowiednich warunków pozorowanego palenia jest dalekie od prostego. Dla palaczy sam akt przyniesienia niezapalonego papierosa do ust może być satysfakcjonujący, a tym samym uwalniać dopaminę. Tak więc kontrola ruchu, ale nie oczekiwań, byłaby prawdopodobnie ukierunkowanym ruchem motorycznym o wysiłku i częstotliwości porównywalnej do zaciągania się papierosem, ale nie ruchem, który w żaden sposób nie mógłby być powiązany z paleniem, takim jak naciskanie guzików lub ręczna manipulacja przedmiotem.</li>
	<li>Powszechnie wiadomo, że jeśli dokona się wystarczającej liczby porównań, pojawią się przypadkowe wyniki, które przekroczą dany próg statystyczny 31. Porównania, których dokonujemy, dotyczą dopasowania modelu konwencjonalnego i dopasowania modelu lp-ntPET do wszystkich wokseli w prążkowiu. Obecnie nie dokonujemy formalnej korekty dla wielokrotnych porównań (np. "poprawka Bonferroniego"). Zamiast tego zastosowaliśmy analizę filmu dopaminowego do stanu wyjściowego, a nie tylko do stanu palenia tytoniu. Gdyby nasz film dopaminowy dotyczący palenia był po prostu wynikiem przypadku, spodziewalibyśmy się takiej samej gęstości obszarów aktywacji (liczby wokseli ponadprogowych) w linii bazowej, jak w danych dotyczących palenia. Jest oczywiste, że tak nie jest (zob . rys. 7).</li>
	<li>Z pewnością powtarzalność naszej techniki jest ważną kwestią powiązaną. Można by się spodziewać, że mózg palacza powinien zareagować podobnie na palenie papierosa dzisiaj, jutro lub w przyszłym tygodniu. Obecnie zajmujemy się oceną odtwarzalności naszych filmów dopaminowych w wyniku testu-retestu.</li>
</ol>
Przyszłość
Opracowaliśmy nowy model wychwytu znacznika PET w przypadku krótkotrwałych wahań poziomu endogennych neuroprzekaźników. Ponieważ model ma parametry liniowe, można go szybko i łatwo obliczyć przy wielu wokselach. Punktem końcowym dopasowania takiego modelu do danych PET na zasadzie woksel po wokselu jest "film". W przypadku badań ze znacznikiem receptora D2, 11C-rakloprydem, punktem końcowym jest film dopaminowy . Dopamina jest kluczowym neuroprzekaźnikiem biorącym udział w przetwarzaniu przez mózg bodźców nagradzających, które prowadzą do uzależnienia. Ponieważ niektóre bodźce (w szczególności papierosy i alkohol) wywołują tylko łagodne i prawdopodobnie krótkotrwałe zmiany dopaminy, filmy mogą mieć największy potencjał do badania nadużywania tych dwóch bodźców. Jeśli uda nam się wykorzystać nasze filmy dopaminowe do zidentyfikowania przestrzennych i czasowych wzorców uwalniania dopaminy, które wskazują na uzależnienie lub ryzyko nadużywania, wówczas wzorce te mogą służyć jako markery choroby, ryzyka choroby i - zakładając, że wzorce są odwracalne - wskaźniki skuteczności leczenia (farmakologicznego lub poznawczego).
W naszych filmach nie ma nic, co ograniczałoby je do układu dopaminowego. Wszystko, co jest potrzebne, to znacznik PET dla celu będącego przedmiotem zainteresowania, który jest wrażliwy na (tj. łatwo przemieszczany przez) wahania endogennego liganda dla tego samego celu. Do tej pory poczyniono postępy w identyfikacji znaczników PET, które są niezawodnie wrażliwe na endogenne neuroprzekaźniki inne niż dopamina. Na przykład przegląd literatury na temat serotoniny w 2010 r. nakreślił otrzeźwiający obraz naszej obecnej ograniczonej zdolności do wykrywania uwalniania serotoniny za pomocą PET 32. W ostatnim czasie można zaobserwować pewne zachęcające zmiany. Wiele publikacji donosiło o wrażliwości znaczników serotoniny na podwyższenie endogennej serotoniny u naczelnych 33-36 innych niż ludzie, ale pole czeka na podobne dowody u ludzi. Jak omówiliśmy w innym miejscu 37, wrażliwość na zmiany w stężeniu endogennego neuroprzekaźnika wydaje się składać z optymalnego tempa przemieszczania się z receptora w połączeniu z łatwością przepływu znacznika z tkanki do krwi. Gdy ligandy serotoniny zostaną zweryfikowane i wykażą, że mają takie właściwości, możliwe będą również filmy serotoninowe.
Obecnie większość badań PET z użyciem znaczników receptorowych prowadzi do generowania obrazów parametrycznych. Obraz parametryczny to mapa danego parametru modelu kinetycznego znacznika oceniana dla każdego woksela w obiekcie (tj. mózgu). Zastosowanie konwencjonalnych modeli, takich jak SRTM 38,39 lub model jedno- lub dwutkankowy, pozwala uzyskać parametryczne obrazy Ri, regionalnego parametru przepływu, lub BP, regionalnej wartości potencjału wiązania. Oba te parametry są stałymi fizjologicznymi, które, jak się uważa, reprezentują procesy zachodzące w stanie ustalonym. Zdarza się jednak, że system i/lub proces zainteresowania są niestabilne. Oznacza to, że są przemijające. Tak jest w przypadku krótkotrwałej reakcji dopaminy na palenie papierosów. W takich okolicznościach nie jest możliwe scharakteryzowanie stanu przejściowego dopaminy za pomocą pojedynczego obrazu parametrycznego. Nie jest również właściwe modelowanie danych za pomocą modelu, który jest ściśle niezmienny w czasie pod względem parametrów. Istnieje zapotrzebowanie na model z terminem zmiennym w czasie, aby opisać zmiany stężenia dopaminy w prążkowiu w odpowiedzi na palenie. Naturalnym wyjściem takiego modelu, gdy jest używany ze znacznikiem dopaminy, jest film dopaminy. Jest to nowa forma funkcjonalnego obrazu wyjściowego, która prawdopodobnie będzie stymulować i wymagać nowych form analizy, aby zmaksymalizować jej użyteczność.

Pomimo przytłaczających dowodów na ryzyko medyczne, palenie tytoniu jest nadal poważnym problemem zdrowotnym. Po prostu bardzo trudno jest rzucić palenie. Ponad 20% dorosłej populacji USA nadal pali, a większość palaczy, którzy próbują rzucić palenie, wraca do nałogu w ciągu pierwszego miesiąca 10. Niestety, dostępnych jest niewiele metod leczenia, które mogłyby pomóc w rzuceniu palenia i/lub zmniejszeniu uzależnienia od nikotyny. W naszym laboratorium jesteśmy zainteresowani wykorzystaniem obrazowania PET do zrozumienia uzależnienia i uzależnienia, aby pomóc w opracowaniu nowych leków na rzucenie palenia i inne zażywanie narkotyków.
Uważa się, że szybki wzrost dopaminy w prążkowiu koduje uzależnienie od narkotyków i zachowań 11, a szybki powrót dopaminy do stanu wyjściowego może być związany z odstawieniem i późniejszym poszukiwaniem narkotyków. W przypadku niektórych uzależniających substancji i zachowań, takich jak palenie papierosów, wzrost dopaminy w prążkowiu jest bardzo krótkotrwały (minuty); wielkość wzrostu nie jest duża (1-2 razy wartość bazowa); A zasięg przestrzenny tych reakcji może być ograniczony do małych podregionów prążkowia.
Eksperymenty na zwierzętach wyraźnie pokazują, że nikotyna powoduje uwalnianie dopaminy w jądrze półleżącym szczurów 12. Jednak wczesne próby – przy użyciu konwencjonalnych analiz – mające na celu oszacowanie zmian dopaminy u ludzi w trakcie lub po nikotynie lub paleniu tytoniu przyniosły niewiarygodne i sprzeczne wyniki. Niektóre z tych badań pozwoliły palaczom palić poza skanerem. Inni dostarczali pacjentowi tylko nikotynę. Aby jak najlepiej zbadać uzależnienie od papierosów, postanowiliśmy opracować lepsze protokoły obrazowania i uzupełnić je o zaawansowane analizy, które pozwoliłyby nam uchwycić reakcję mózgu na quasi-naturalne zachowanie związane z paleniem.
Pozytonowa tomografia emisyjna (PET) jest unikalna wśród technik skanowania mózgu pod względem zdolności do badania neurochemii ludzkiego mózgu in vivo. Istnieje wiele znaczników PET, które śledzą receptory dopaminy, a wiele z nich jest podatnych na konkurencję z endogenną dopaminą. Niestety, konwencjonalne metody analizy obrazu PET szacują stosunek związanego do wolnego znacznika w stanie ustalonym, znany jako potencjał wiązania (analogicznie do metod in vitro), na podstawie dynamicznych obrazów PET. Przyjmuje się, że widoczna zmiana współczynnika stanu stacjonarnego (np. od wartości początkowej do stanu palenia tytoniu) wskazuje na zmianę dopaminy. Ale zmiany dopaminy związane z uzależnieniem są z natury przejściowe, więc szacunki ilości w stanie stacjonarnym są błędne. Co więcej, typowa analiza obszaru zainteresowania uśrednia stężenie znacznika w dużych anatomicznie zdefiniowanych regionach i prawdopodobnie pominie wysoce zlokalizowane reakcje mózgu - takie jak te, których oczekujemy od palenia papierosów. Wcześniejsze badania PET dotyczące palenia mogły również ucierpieć z powodu ruchu głów palaczy podczas palenia w skanerze.
Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) oferuje niezbędną rozdzielczość przestrzenną i czasową, która byłaby potrzebna do uchwycenia zdarzeń zachodzących w podregionach prążkowia w minutowej skali czasowej, ale fMRI brakuje molekularnej specyficzności PET. Sygnał BOLD wywodzi się ze zmian w przepływie krwi i dlatego jest neuronalnie i molekularnie niespecyficzny. W ten sposób wykorzystaliśmy PET - ale w nowy sposób. Celem tego protokołu było oszacowanie krótkich i zlokalizowanych reakcji dopaminy na palenie, ponieważ uważa się, że leżą one u podstaw neurochemicznej manifestacji głodu i zachowań związanych z poszukiwaniem narkotyków.
Aby oszacować przejściowe stany dopaminy, które są rejestrowane w dynamicznych obrazach PET wykonanych za pomocą ligandów receptora dopaminy, wcześniej wprowadziliśmy serię modeli kinetycznych, zbiorczo określanych jako "ntPET" dla neuroprzekaźnika PET 1,5,6,19, które były oparte na konwencjonalnym modelu dwutkankowym, ale zostały wzbogacone o warunki dotyczące zmienności czasowej dopaminy i interakcji między dopaminą a znacznikiem (tj. konkurencji). Modele te zostały zweryfikowane pod kątem złotego standardu. W szczególności wykazaliśmy, że nasze modele przewidują stężenia dopaminy w czasie na podstawie danych PET u szczurów, które są w dobrej zgodzie z jednocześnie nabytymi pomiarami mikrodializy 4,7. Zalety: Najnowsze z naszych modeli są liniowe i nieparametryczne (np-ntPET) 1 lub liniowe i parametryczne (lp-ntPET)7. Ten ostatni model wywodzi się z wcześniejszego modelu liniowego wprowadzonego przez Alperta i wsp. 20. Linearyzacja jest kluczowym osiągnięciem, ponieważ zapewnia, że zastosowanie modeli do danych dynamicznych na poziomie wokseli jest proste obliczeniowo. W niedawnym artykule potwierdzającym słuszność koncepcji udało nam się stworzyć filmy dopaminowe przedstawiające człowieka wykonującego zadanie motoryczne 3 i pokazać, że filmy były wrażliwe na czas zadania motorycznego, jak można by się spodziewać. Filmy są reprezentacją przebiegu czasowego poziomu dopaminy przy każdym wokselu na obrazie. Metody woksel po wokselu w PET na ogół charakteryzują się niskim stosunkiem sygnału do szumu, więc aby zminimalizować szum związany z krzywymi aktywności czasowej (TAC) opartymi na wokselach, stosujemy innowacyjny filtr przestrzenny "HYPR", 8 jako etap przetwarzania wstępnego. Ten krok zachowuje kluczowe cechy czasowe odpowiadających wokseli przy jednoczesnej redukcji szumu.
Palenie to coś więcej niż dostarczanie nikotyny. Papierosy zawierają oprócz nikotyny 4000 substancji chemicznych. Podczas gdy uważa się, że nikotyna jest przede wszystkim odpowiedzialna za początkowe efekty uzależniające, wszystkie inne sygnały i sensoryczne składniki palenia stają się wzmacniające dla nałogowego palacza. Zdecydowaliśmy się zbadać całe zachowanie związane z paleniem, co oznaczało, że musieliśmy być w stanie zobrazować palaczy palących wewnątrz skanera PET. Niestety, z paleniem wiąże się ruch głowy. Aby wyeliminować artefakty ruchu głowy na naszych obrazach, używamy systemu śledzenia ruchu Vicra (NDI Systems, Waterloo, Kanada) i korekcji ruchu zdarzenie po zdarzeniu w ramach iteracyjnego algorytmu rekonstrukcji odzyskiwania rozdzielczości 21.
Nasze nowe metody skanowania i analizy są zaprojektowane tak, aby wydobywać i rejestrować krótkie i zlokalizowane stany przejściowe dopaminy, które są unikalnymi sygnaturami reakcji mózgu na uzależniające narkotyki i zachowania. Wykonywane woksel po wokselu, nasze modele tworzą dynamiczny zestaw obrazów fluktuacji dopaminy w prążkowiu - tj. "filmy dopaminowe". Filmy te stanowią nowy czasoprzestrzenny biomarker uzależnienia i mogą służyć jako bezpośredni, wielowymiarowy wskaźnik ryzyka uzależnienia i/lub wskaźnik skuteczności leczenia.

<table><tbody><tr><td>Vicra</td><td>NDI Systems, Waterloo, Kanada</td><td></td><td></td></tr><tr><td>HRRT</td><td>Filtr powietrza Siemens</td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Movex, Inc, Northampton, PA</td><td>LFK 175</td><td>Z wyciągiem i przezroczystym</td></tr> <tr><td>kapturem11C-raclopryd</td><td></td><td></td><td>przygotowany w Yale PET Center z O-prekursor desmetylu</td></tr><tr><td>O-Desmethylraclopride</td><td>Zaawansowane związki biochemiczne ABX, Radeberg, Niemcy</td><td>Produkt #1510</td><td>Prekursor 11C-raclopryd</td></tr><tr><td colspan="4"><silny>Tabela 1.</silny> Użyte materiały.</td></tr></tbody></table>

tworzenie dynamicznych obrazów krótkotrwałych wahań dopaminy za pomocą lp-ntpet: dopaminowe filmy z palenia papierosów

Creating Dynamic Images of Short-lived Dopamine Fluctuations with lp-ntPET:  Dopamine Movies of Cigarette Smoking

Opisujemy eksperymentalne i statystyczne kroki tworzenia filmów dopaminowych w mózgu na podstawie dynamicznych danych PET. Filmy przedstawiają wahania dopaminy z minuty na minutę wywołane paleniem papierosa. Palacz jest obrazowany podczas naturalnego doświadczenia palenia, podczas gdy inne możliwe efekty zakłócające (takie jak ruchy głowy, oczekiwanie, nowość lub niechęć do ciągłego palenia) są zminimalizowane.
Prezentujemy szczegóły naszej unikalnej analizy. Konwencjonalne metody analizy PET szacują niezmienne w czasie parametry modelu kinetycznego, które nie są w stanie uchwycić krótkoterminowych wahań uwalniania neuroprzekaźników. Nasza analiza - dająca film dopaminowy - opiera się na naszej pracy z modelami kinetycznymi i innymi technikami dekompozycji, które pozwalają na uzyskanie parametrów zmiennych w czasie 1-7. Ten aspekt analizy - zmienność czasowa - jest kluczowy dla naszej pracy. Ponieważ nasz model ma również parametry liniowe, praktyczne jest zastosowanie go na poziomie wokseli z punktu widzenia obliczeń. Technika analizy składa się z pięciu głównych etapów: wstępnego przetwarzania, modelowania, porównania statystycznego, maskowania i wizualizacji. Wstępne przetwarzanie danych PET jest stosowane za pomocą unikalnego filtra przestrzennego "HYPR" 8, który redukuje szum przestrzenny, ale zachowuje krytyczne informacje czasowe. Modelowanie identyfikuje funkcję zmienną w czasie, która najlepiej opisuje wpływ dopaminy na wychwyt 11C-rakloprydów. Krok statystyczny porównuje dopasowanie naszego modelu 7 (lp-ntPET) z konwencjonalnym modelem 9. Maskowanie ogranicza traktowanie do tych wokseli, które najlepiej opisuje nowy model. Wizualizacja odwzorowuje funkcję dopaminy w każdym wokselu na skalę kolorów i tworzy film dopaminowy. Przedstawiono wyniki pośrednie oraz przykładowe filmy dopaminowe dotyczące palenia papierosów.

Rycina 2. Wpływ dwóch różnych filtrów przestrzennych HYPR na wygładzenie danych aktywności w czasie dla pojedynczego woksela prążkowia. Górny rząd: obrazy emisji PET z 11C-rakloprydy z 3-minutowej ramki wycentrowanej na 46,5 minucie (bez filtrowania, filtrowane jądrem 3 x 3 x 3 woksele, filtrowane jądrem 5 x 5 x 5 woksele). Środkowy rząd: obrazy emisji PET z 11C-rakloprydy z 3-minutowej ramki wycentrowanej na 61,5 minucie (bez filtrowania, filtrowane jądrem 3 x 3 x 3 woksele, filtrowane jądrem 5 x 5 x 5 woksele). Dolny rząd: odpowiadające im krzywe aktywności w czasie dla tego samego pojedynczego woksela w lewym grzbietowym jądrze ogonowym. Należy zauważyć, że widoczny spadek wychwytu 11C-rakloprydy (wynikający z uwalniania dopaminy) w momencie palenia zostaje zachowany, mimo że szum jest zmniejszony przy większym rozmiarze filtra.
Rysunek 3. Wybór reprezentatywnych funkcji odpowiedzi dopaminergicznej, które zostały obliczone wcześniej w celu dopasowania modelu lp-ntPET do danych czasowo-aktywnościowych PET w każdym wokselu zgodnie z Normandin et al. 7. W przypadku naszego paradygmatu palenia, palenie papierosa rozpoczyna się 45 minut po rozpoczęciu wstrzyknięcia znacznika. Nawet jeśli odpowiedzi dopaminergiczne w prążkowiu kodują oczekiwanie na palenie – np. z powodu kontaktu z papierosem lub innych wskazówek zapowiadających palenie – uznaliśmy, że funkcje odpowiedzi można bezpiecznie ograniczyć do krzywych, które odchylają się od linii bazowej nie wcześniej niż 5 minut przed paleniem (a). Podobnie ograniczono krzywe do czasów rozpoczęcia odpowiedzi nie późniejszych niż 15 minut po rozpoczęciu palenia. Krzywe z czasem rozpoczęcia odpowiedzi na poziomie 40 minut reprezentują możliwe odpowiedzi dopaminergiczne wynikające z oczekiwania. (b) Reprezentatywne funkcje odpowiedzi, wszystkie odchylające się od linii bazowej w 45 minucie; czyli w czasie rozpoczęcia palenia. Wygenerowano 500 różnych prawdopodobnych funkcji odpowiedzi. Dla celów ilustracyjnych wykresy w (a) i (b) pokazują jedynie próbkę kształtów krzywych i czasów rozpoczęcia odpowiedzi.
Rycina 4. (a) Równanie operacyjne dla modelu lp-ntPET. Model jest liniowy w parametrach (R1, k2, k2a, γ), co pozwala na szybkie obliczanie szacunków parametrów dla każdego woksela w obrębie maski prążkowia. (b) Obrazy parametryczne (R1, k2, k2a, γ) dla pojedynczego przekroju coronalnego mózgu u jednego badanego. Chociaż tylko γ jest parametrem kodującym wielkość odpowiedzi dopaminergicznej, jednoczesna estymacja wszystkich 4 parametrów znacznika jest niezbędna do dopasowania modelu do danych czasowo-aktywnościowych w każdym wokselu.
Rysunek 5. Dopasowanie konwencjonalnego modelu (MRTM) oraz nowego modelu (lp-ntPET) do danych aktywności w czasie z woksela w lewym jądrze ogoniastym. Dopasowanie MRTM zaznaczono kolorem niebieskim. Dopasowanie lp-ntPET zaznaczono kolorem czerwonym.
Rysunek 6. (a) przedstawia ważoną sumę kwadratów reszt (WSSR) z dopasowań MRTM, a (b) z dopasowań lp-ntPET do danych w każdym wokselu prążkowia. Dwa obrazy WSSR wygenerowane z tych samych danych są porównywane w celu stworzenia mapy stosunku F w każdym wokselu (tj. mapy F), pokazanej na (c). (d) Mapa F zostaje poddana progowaniu przy p &lt; 0,05 w celu utworzenia binarnej mapy istotności (patrz krok 2.10 protokołu). Dla n ramek czasowych i 4 parametrów modelu lp-ntPET, próg statystyki F odpowiadający poziomowi prawdopodobieństwa p &lt; 0,05 (dla danych z 90 minut podzielonych na 3-minutowe ramki próg wynosi 4,23) (e) Mapa istotności jest filtrowana za pomocą filtra morfologicznego („otwieranie”), aby wyeliminować niewielkie skupiska wokseli, które najprawdopodobniej reprezentują szum. Końcowa Maska Istotności zachowuje tylko te woksele w prążkowiu, których TAC są (statystycznie) lepiej dopasowane do modelu lp-ntPET niż do konwencjonalnego modelu MRTM, a zatem uznaje się, że zawierają odpowiedź dopaminergiczną na palenie. Ten próg nie uwzględnia korekty na wielokrotne porównania. Zamiast tego, aby zapobiec wynikom fałszywie dodatnim, tworzymy Końcowe Maski Istotności również dla warunku kontrolnego (patrz Rysunek 7 oraz kroki protokołu 1.8 – 1.10).
Rysunek 7. (a) przedstawia jeden przekrój wieńcowy Końcowej Maski Istotności dla warunku palenia u pojedynczego badanego. Rysunek (b) przedstawia Końcową Maskę Istotności dla odpowiadającego badanego i przekroju w warunku bazowym. Obecność skupisk zachowanych wokseli w masce palenia w przeciwieństwie do niemal całkowitego braku skupisk w masce kontrolnej wspiera tezę, że filmy dopaminowe (patrz poniżej) nie są po prostu zdarzeniami przypadkowymi ani zdarzeniami związanymi z szumem w danych. (Uwaga: wstrzyknięta aktywność – a tym samym stosunek sygnału do szumu – w warunkach bazowych i palenia była porównywalna.)
Rysunek 8. Film obrazujący poziom dopaminy w pojedynczym przekroju mózgu w orientacji wieńcowej przedstawia klatka po klatce poziom dopaminy w stosunku do podstawowego (spoczynkowego) poziomu dopaminy. (a) przedstawia film dla stanu bazowego, a (b) przedstawia film dla stanu palenia. Poziomy dopaminy są zakodowane kolorami. W szczególności kolory – przedstawione na pasku kolorów z odpowiadającymi im wartościami liczbowymi – reprezentują zmianę poziomu dopaminy powyżej poziomu bazowego jako procent wartości bazowej. Ponownie, poziomy dopaminy są pokazane tylko dla wokseli w końcowej masce istotności (Final Significance Mask), które przekraczają poziom istotności p &lt; 0,05.
Rycina 9. Wieloprzekrojowy i wielowariantowy film obrazujący poziom dopaminy u tego samego osobnika co na Rycynie 8, z jednoczesnym wyświetleniem wszystkich przekrojów prążkowia brzusznego dla warunków bazowych i palenia.
<img alt="Schemat przebiegu obrazowania PET: przygotowanie obiektu, rekonstrukcja obrazu, zastosowanie modelu, analiza danych." fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50358/50358fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50358/50358fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1. Schemat blokowy procedur eksperymentalnych i analizy obrazów (a-c). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50358/50358fig1large.jpg" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną rycinę</a>.
<img alt="Ulepszenie obrazowania mózgu; porównanie jąder HYPR, schemat, wykres stężenia w funkcji czasu." src="/files/ftp_upload/50358/50358fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2. Wpływ filtrów HYPR o różnych rozmiarach jądra na obrazy (góra i środek) oraz na krzywe aktywności czasowej (dół) w pojedynczym wokselu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50358/50358fig2large.jpg" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną rycinę</a>.
<img alt="Wykres funkcji odpowiedzi w czasie przedstawiający analizę zachowania systemu i dopasowanie danych." src="/files/ftp_upload/50358/50358fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3. Przykłady funkcji odpowiedzi dopaminy, które rozpoczynają się w (a) 40 min lub (b) 45 min po wstrzyknięciu znacznika.
<img alt="Równanie MRI z dynamicznym wzmocnieniem kontrastowym oraz mapy parametryczne przedstawiające analizę wskaźników perfuzji mózgu." src="/files/ftp_upload/50358/50358fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4. Obrazy parametryczne wygenerowane poprzez dopasowanie równania operacyjnego lp-ntPET (a) do danych PET. (b) Obrazy odpowiadające 4 parametrom modelu, R1, k2, k2a, γ, zostały ocenione dla prążkowia i przedstawiono je na nałożonych odpowiadających im przekrojach MR. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50358/50358fig4large.jpg" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą rycinę</a>.
<img alt="Wykres analizy danych PET; dopasowania modeli MRTM i lp-ntPET, czas vs aktywność, Bq/ml, wykres porównawczy." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50358/50358fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50358/50358fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rysunek 5. Dopasowania modeli MRTM (niebieski) i lp-ntPET (czerwony) do danych czasowo-aktywnościowych z pojedynczego woksela.
<img alt="Analiza skanów PET mózgu; WSSR, mapa F, wyniki zbinaryzowane i przefiltrowane; wizualizacja, przetwarzanie danych." src="/files/ftp_upload/50358/50358fig6.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 6"> 
Rysunek 6. Obrazy parametryczne WSSR dla (a) MRTM oraz (b) lp-ntPET. Odpowiednie mapy WSSR są porównywane w celu stworzenia mapy F (c), która z kolei jest poddawana progowaniu w celu uzyskania maski binarnej (d), a następnie filtrowaniu w celu wygenerowania końcowej maski istotności (Final Significance Mask). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50358/50358fig6large.jpg" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony rysunek</a>.
<img alt="Porównanie obrazowania MRI mózgu dla grup palących i kontrolnej; różnice strukturalne w obszarach aktywności." src="/files/ftp_upload/50358/50358fig7.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 7"> 
Rysunek 7. Porównanie końcowych masek istotności dla warunku palenia (a) oraz kontrolnego (b) u tego samego badanego.
Rysunek 8. Film przedstawiający poziom dopaminy w jednym przekroju dla jednego badanego w warunkach kontrolnych („Odpoczynek”) i palenia. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50358/50358fig8.swf" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby wyświetlić Rysunek 8</a>.
Rycina 9. Wieloprzekrojowy film dopaminowy dla pojedynczego obiektu w warunkach (na górze) palenia i (na dole) kontrolnych („Odpoczynek”). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50358/50358fig9.avi" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby wyświetlić Rycina 9</a>.

Prezentujemy nowatorskie podejście do obrazowania PET do wychwytywania wahań dopaminy wywołanych paleniem papierosów. Badani palą w skanerze PET. Dynamiczne obrazy PET są modelowane woksel po wokselu w czasie przez lp-ntPET, który zawiera zmienny w czasie termin dopaminy. Wyniki są "filmami" wahań dopaminy w prążkowiu podczas palenia.

Tworzenie dynamicznych obrazów krótkotrwałych wahań dopaminy za pomocą lp-ntPET: Dopaminowe filmy z palenia papierosów

We describe experimental and statistical steps for creating dopamine movies of the brain from dynamic PET data. The movies represent minute-to-minute ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest obrazowanie dopaminergicznej odpowiedzi mózgu na palenie papierosów. Jest to realizowane poprzez obrazowanie palącej osoby w skanerze PET po wstrzyknięciu znacznika będącego antagonistą dopaminy, 11 C RAC lip pride. Drugim krokiem jest rekonstrukcja danych z trybu list mode na obrazy z uwzględnieniem ruchu, a następnie wygładzenie obrazów PET za pomocą filtra hyper filter.Następnie krzywe aktywności w czasie są modelowane na poziomie wokseli za pomocą LPNT PET, a wynikowe krzywe dopaminy są zachowywane tylko dla tych wokseli, które są dobrze dopasowane do modelu. Ostatnim krokiem jest zakodowanie kolorami frakcyjnego poziomu dopaminy w czasie dla każdego woksela w istotnych obszarach oraz zarejestrowanie zakodowanych kolorami wartości w postaci serii obrazów dynamicznych. Docelowo zakłada się, że wygenerowane za pomocą LPNT PET filmy obrazujące poziom dopaminy podczas palenia papierosów zostaną wykorzystane do ujawnienia unikalnego wzorca czasoprzestrzennego uzależnienia.Główną zaletą naszego modelu kinetycznego w porównaniu z modelami konwencjonalnymi, takimi jak model dwuprzedziałowy, SRTM lub wykres Logana, jest to, że nasz model zawiera parametr zmienny w czasie, lecz podobnie jak SRTM i wykres Logana, jest on liniowy względem parametrów. Obecność parametru zmiennego w czasie w modelu LPNT PET oznacza, że możemy opisać pobieranie lub wypieranie znacznika PET nawet wtedy, gdy endogenny neurotransmiter nie znajduje się w stanie stacjonarnym. Aspektem klinicznym naszych technik, którego nie można pominąć, jest dla nas etap statystyczny.Test aplikacji, który wykorzystujemy do identyfikacji tych lokalizacji w mózgu, które wymagają modeli czasowych dla opisów etykiet. Chociaż metoda ta jest obecnie stosowana w badaniach nad uzależnieniami i układem dopaminergicznym, można by ją zastosować również do innych schorzeń i układów neuroprzekaźnikowych, na przykład depresji i serotoniny, pod warunkiem posiadania znacznika, który może zostać wyparty przez zmiany poziomu serotoniny. Mamy nadzieję, że będziemy mogli wykorzystać tę technikę do zidentyfikowania przestrzennych i czasowych wzorców aktywności mózgu charakterystycznych dla uzależnień, a być może nawet sygnatur neurochemicznych typowych wyłącznie dla kobiet lub wyłącznie dla mężczyzn.Pomysł na tworzenie filmów obrazujących uwalnianie dopaminy pojawił się u nas, gdy nasz współautor Christian Constantine próbował przedstawić zmienne w czasie wzorce aktywności dopaminy, tworząc tradycyjny flipbook. Wizualna prezentacja naszej metody jest kluczowa, ponieważ produktem końcowym jest film, co uniemożliwia demonstrację na statycznych stronach czasopisma. Jednak ponieważ nasze oczy są doskonałymi systemami rozpoznawania wzorców, mamy nadzieję odkryć schematy lub sekwencje uwalniania dopaminy, których nikt wcześniej nie poszukiwał; aspekty naszej procedury, które muszą być wykonane przez wykwalifikowany personel medyczny, zaprezentują Elisa Hildago, certyfikowany technik medycyny nuklearnej oraz Cindy Dko, pielęgniarka z Yale Pet Center.Aby rozpocząć, należy wykonać strukturalne badanie MR przed badaniem PET, na przykład obrazowanie 3D MP-RAGE, w innym dniu niż badanie PET. Skan MR dostarczy referencji anatomicznej dla obrazów PET. Należy również zorganizować sesję, podczas której badany poćwiczy ruch palenia w skanerze PET przed właściwym badaniem.Aby rozpocząć przygotowanie pacjenta, pielęgniarka rejestrowana musi najpierw założyć kaniulę dożylną (IV), która będzie gotowa do późniejszego podłączenia do pompy podającej znacznik. Następnie należy przygotować pompę wstrzykującą, programując ją zgodnie z odpowiednim schematem infuzji dla znacznika RAC lapide. W kolejnym kroku należy skonfigurować monitor ruchu głowy, mocując stałe sfery refleksyjne na szczycie głowy badanego.Sfery są przymocowane do sztywnego narzędzia w kształcie krzyża, które z kolei jest przymocowane do czepka pływackiego CRA. Lasery systemu śledzenia głowy Vic CCRA będą odczytywać pozycję sfer odblaskowych z częstotliwością 20 Hz. Na koniec, aby wyeliminować dym tytoniowy z pomieszczenia dla zwierząt.Podczas eksperymentu umieść wlot filtra powietrza przed skanerem i nad głową badanego, pozostawiając miejsce na to, aby osoba ta mogła zbliżyć papierosa do ust podczas palenia. Umieść badanego w skanerze. Następnie, przed podaniem znacznika i akwizycją PET, wykonaj najpierw dziewięciominutowy skan transmisyjny.Następnie certyfikowany technolog medycyny nuklearnej podaje znacznika. Zazwyczaj zespół składający się z dwóch technologów rozpoczyna podawanie znacznika i akwizycję danych PET, jednocześnie przeprowadzając oralnie proste kwestionariusze z badanym osobą bezpośrednio przed i po paleniu. Palacz powinien ocenić swoje pragnienie nikotyny, zaspokojenie tego pragnienia oraz uczucie niechęci w skali od jednego do stu.Aby zarejestrować odpowiedź dopaminergiczną na naturalne doświadczenie palenia, należy poprosić badanego o samodzielne zapalenie papierosów. Zamiast podawania nikotyny lub papierosa przez personel badawczy, należy poinstruować palacza, aby palił we własnym tempie i korzystał z papierosów własnej marki. Badani powinni powstrzymać się od palenia od poprzedniej północy i powinni zapalić dwa papierosy jeden po drugim.Wypalenie obu papierosów zajmuje zazwyczaj około 10 minut. Następnie, zgodnie z wcześniejszym opisem, po zakończeniu sesji skanowania należy przeprowadzić ocenę za pomocą skal oceny. Zastosuj wariant metody filtrowania przestrzennego: silnie ograniczoną projekcję wsteczną dla wszystkich obrazów PET w trybie klatka po klatce.Zaletą hiper LR jest redukcja szumu przestrzennego bez pogorszenia informacji czasowej w każdym wokselu, które zostaną wykorzystane do stworzenia naszych filmów dopaminowych. Dopasuj obraz PET do danych MR badanego, a następnie zastosuj maskę stri AAL. RACLOPRIDE wykazuje wystarczający kontrast sygnału do tła, aby można go było zastosować wyłącznie w prążkowiu, obszarze mózgu zaangażowanym w uzależnienia od narkotyków.Nałóż maskę prążkowia przedkomercyjnego na wszystkie dane PET w przestrzeni szablonu. Następnie wybierz funkcje odpowiedzi dopaminowej zgodne z możliwymi odpowiedziami dopaminowymi na bodziec, wybierając konkretny zestaw funkcji odpowiedzi. Kiedy można ograniczyć kształt i czas szacowanych odpowiedzi dopaminowych do krzywych oczekiwanych dla bodźca w postaci palenia?Należy spodziewać się jednomodalnego wzrostu i spadku stężenia dopaminy w formie krzywej o kształcie wariantu gamma. W przypadku palenia w 45. minucie skanowania należy uwzględnić rodziny funkcji odpowiedzi z czasami startu wynoszącymi 40 minut i później. Teraz dopasuj model LPNT PET do krzywych aktywności czasowej PET w każdym poszczególnym wokselu w zamaskowanym regionie.Tutaj przedstawiono równanie operacyjne modelu. Całka z produktu krzywych aktywności czasowej PET z każdą funkcją odpowiedzi staje się zestawem liniowych funkcji bazowych be od T, które wnoszą wkład do modelu. Ponieważ LPNT PET jest metodą opartą na liniowych funkcjach bazowych służącą do dopasowania dynamicznych danych PET, może być ona zastosowana do szybkiego szacowania zarówno parametrów kinetycznych sterujących działaniem znacznika, jak i profilu czasowego względnej zmiany stężenia dopaminy podczas sesji skanowania w każdym obszarze zainteresowania.Następnie zarejestruj mapę ważonej sumy kwadratów reszt z dopasowania LPNT PET do danych w każdym punkcie pomiarowym; dopasowanie modelu w każdym punkcie pomiarowym pozwala na uzyskanie obrazów parametrów znacznika. R1 to wartość przepływu względnego. K2 to szybkość FLX z przedziału wolnego regionu docelowego.K₂ jest pozornym tempem FLX z tkanki docelowej modelowanej jako jeden przedział, a gamma to amplituda sygnału dopaminy. Ważoną sumę kwadratów residuów dla każdego voksela można również traktować jako obraz. Teraz dopasuj wieloliniowy model tkanki referencyjnej (MULTILINE reference tissue model lub MRTM) do danych aktywności PET dla każdego poszczególnego voksela w zamaskowanym obszarze.Jest to model liniowy identyczny z LPNT pet, z tą różnicą, że brakuje w nim dopasowania zmiennego w czasie członu dopaminergicznego. Zastosowanie MRTM do danych w skali woksela pozwala uzyskać estymacje tylko trzech obrazów parametrycznych: R1, K2 oraz K2; dodatkowo rejestrowana jest mapa ważonej sumy kwadratów reszt z dopasowania MRTM do danych w każdym wokselu. Następnie, na podstawie map sum kwadratów, należy utworzyć mapę F poprzez obliczenie statystyki F dla każdego woksela w masce.Statystyka F porównuje ważoną sumę kwadratów rezyduów z modelu LPNT PET z ważoną sumą kwadratów rezyduów z modelu MRTM, korygując różnice w stopniach swobody w progach dopasowania poszczególnych modeli. Mapa FMAP przy wartości odpowiadającej prawdopodobieństwu P mniejszemu niż 0,05, w oparciu o stopnie swobody w dopasowaniach modeli, służy do utworzenia nowej maski istotności, która zachowuje tylko te woksle w prążkowiu, których krzywe aktywności PET w czasie są lepiej dopasowane do modelu LPNT PET niż do MRTM. Następnie należy przeprowadzić operację otwarcia morfologicznego na masce istotności, aby wyeliminować niewielkie, odizolowane skupiska woksli, które uznaje się za wynik szumów.Należy zastosować izotropowe jądro wokselowe o wymiarach dwa na dwa na dwa, aby usunąć odizolowane grupy wokseli o średnicy dwóch wokseli lub mniejszej. W rezultacie powstaje końcowa maska istotności. Należy przeprowadzić tę samą analizę dla danych z każdego stanu eksperymentalnego poddanego badaniu w ramach protokołu.Pozyskane i przeanalizowano dane dla każdego badanego w dwóch oddzielnych warunkach: palenia oraz kontrolnym. Na koniec porównano grupę palącą z kontrolną poprzez stworzenie kompozytowego filmu dopaminowego.Wygeneruj filmy dopaminowe dla tego samego obiektu w różnych warunkach. Na przykład dla stanu bazowego lub zadania pozorowanego (sham) w porównaniu do palenia. Wygeneruj również kompozytowy film dopaminowy dla jednego obiektu obejmujący wszystkie przekroje prążkowia dla stanu bazowego i palenia.Tutaj możemy zobaczyć wpływ dwóch różnych przestrzennych filtrów hiperspektralnych w porównaniu do braku filtrowania na gładkość danych czasowej aktywności w pojedynczym vokselu AAL tri. Górny i środkowy rzędy przedstawiają obrazy filtrowane przy użyciu różnych rozmiarów jądra, natomiast dolny rzędy pokazuje odpowiadające im krzywe czasowej aktywności z tej samej lokalizacji pojedynczego voksela w lewym grzbietowym jądrze ogonowym. Tutaj widzimy reprezentatywne przykłady funkcji odpowiedzi dopaminy, które zaczynają gwałtownie rosnąć w 40. lub 45. minucie po wstrzyknięciu znacznika.Wartości te zostały obliczone wcześniej w celu dopasowania modelu LPNT PET do danych aktywności w czasie PET dla każdego woksela. Rysunek ten przedstawia dopasowania konwencjonalnego modelu MRTM oraz nowego modelu LPNT PET odpowiednio do danych aktywności w czasie z woksela w lewym jądrze ogoniaste. Dopasowanie MRTM zaznaczono kolorem niebieskim, a dopasowanie LPNT PET kolorem czerwonym.Tutaj widzimy obrazy parametryczne ważonej sumy kwadratów reszt (WSSR) dla MRTM i LP NT pet. Odpowiednie mapy WSSR są porównywane za pomocą statystyki F w celu utworzenia mapy F, która następnie zostaje poddana progowaniu na żądanym poziomie prawdopodobieństwa do postaci maski binarnej, a następnie przefiltrowana w celu uzyskania końcowej maski istotności. Rysunek ten przedstawia jeden przekrój wieńcowy końcowej maski istotności dla stanu palenia u pojedynczego badanego w porównaniu z końcową maską istotności dla odpowiadającego badanego i przekroju w grupie kontrolnej.Ten film przedstawia klatka po klatce poziom dopaminy w stosunku do bazowego lub spoczynkowego poziomu dopaminy. Poziomy dopaminy są zakodowane kolorami. W szczególności kolory reprezentują zmianę poziomu dopaminy powyżej poziomu bazowego jako procent poziomu bazowego.Ponownie, poziomy dopaminy są pokazane wyłącznie dla wokseli. W końcowej masce istotności przekraczającej poziom istotności P mniejszy niż 0,05. Ten film przedstawia wielowarstwową sekwencję dopaminergiczną u palącego mężczyzny.Wszystkie przekroje prążkowia brzusznego są wyświetlane jednocześnie dla stanu palenia oraz stanu bazowego. Zwróć uwagę na silną aktywację w prawym prążkowiu brzusznym mniej więcej w momencie zapalenia drugiego papierosa. Film powtarza się kilka razy, aby ułatwić oglądanie.Film ten został przygotowany na podstawie skanu kobiety palącej papierosy. Zwróć uwagę na silną aktywację w lewym grzbietowym jądrze ogoniastym w czasie zapalenia pierwszego papierosa. Film jest powtarzany kilka razy dla ułatwienia oglądania.Po opanowaniu metody, tworzenie filmów dopaminowych z danych PET może zostać wykonane w ciągu kilku dni. Mamy nadzieję, że w przyszłości uda się zautomatyzować większą część tej procedury, w szczególności przechwytywanie poszczególnych klatek filmu. Tworzenie filmów dopaminowych można rozpatrywać jako problem optymalizacji z ograniczeniami.Ograniczenia dotyczące możliwych wyników dla dopaminy są nakładane poprzez wybór początkowych funkcji odpowiedzi dopaminergicznej. Po utworzeniu filmów dopaminowych naszym kolejnym zadaniem jest zidentyfikowanie najlepszych miar podobieństwa i odmienności, aby umożliwić porównanie filmów od różnych badanych, na przykład osób palących zależnie i byłych palaczy. Po wprowadzeniu odpowiednich miar będziemy mogli zbadać, który aspekt aktywności mózgu ulega zmianie lub powraca do normy.Kiedy palacz postanawia rzucić palenie, istnieje nadzieja, że technika ta utoruje drogę innym badaczom wykorzystującym obrazowanie PET do właściwego opisu i analizy pozyskiwanych danych. W badaniach nad innymi zachowaniami uzależniającymi bodziec, taki jak alkohol, może wywołać krótkotrwałą odpowiedź neuroprzekaźników, która po podaniu narkotyku nie osiąga poziomów mierzalnych w badaniu. Mamy nadzieję na zastosowanie podobnych procedur eksperymentalnych z wykorzystaniem różnych znaczników PET w celu analizy zmian neurochemicznych w mózgu wywołanych przez inne substancje psychoaktywne.Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo mieć dobrą wiedzę na temat tworzenia filmów dopaminowych z danych PET, co zostało wykonane w celu uchwycenia przejściowej i szczególnie ograniczonej reakcji dopaminergicznego systemu mózgu na palenie papierosów. Przypominamy, że filmy dopaminowe są tworzone w pięciu krokach: eksperyment PET, wstępne przetwarzanie obrazów, modelowanie obrazów, krok statystyczny oraz krok wizualizacji.

creating-dynamic-images-short-lived-dopamine-fluctuations-with-lp

Research

JoVE Journal

Behavior

Zachowanie

Tworzenie dynamicznych obrazów krótkotrwałych wahań dopaminy za pomocą lp-ntPET: Filmy dopaminy o paleniu papierosów

Wykorzystanie szybkoskanującej woltamperometrii cyklicznej do pomiaru elektrycznie wywołanej dynamiki dopaminy presynaptycznej w skrawkach mózgowych prążkowia.

Dynamika dopaminy presynaptycznej w przekrojach mózgu w obrębie prążka z wykorzystaniem szybkiej woltamperometrii cyklicznej

Ten film demonstruje wszczepienie elektrod i kaniul u znieczulonego szczura w celu pomiaru uwalniania dopaminy w jądrze półleżącym za pomocą potencjostatu oraz infuzji leków w celu modulacji aktywności dopaminergicznej w brzusznej części nakrywki.

Monitorowanie uwalniania dopaminy w modelu szczurzym za pomocą manipulacji receptorem neuronów dopaminergicznych VTA

Ten film pokazuje, jak aktywacja nikotynowych receptorów acetylocholiny w brzusznym hipokampie myszy za pośrednictwem nikotyny powoduje trwałą sygnalizację wapniową wzdłuż aksonów.

Obrazowanie sygnalizacji wapniowej indukowanej nikotyną wzdłuż brzusznych aksonów hipokampa w kokulturach synaptycznych

W tym artykule opisujemy użyteczną metodę badania funkcji kanałów jonowych bramkowanych ligandem w neuronach ostro izolowanych wycinków mózgu.  Metoda ta polega na użyciu mikropipety wypełnionej lekiem do miejscowego nakładania leków na neurony zarejestrowane przy użyciu standardowych technik patch clamp.

Lokalne zastosowanie leków do badania funkcji nikotynowego receptora acetylocholiny w wycinkach mózgu myszy

Tutaj zademonstrowany jest nowatorski protokół analizy interesujących regionów, oparty na sortowaniu najlepiej dopasowanych elips przypisanych do regionów pozytywnego sygnału w dwuwymiarowych sekwencjach obrazów poklatkowych. Algorytm ten może umożliwić badaczom kompleksową analizę fizjologicznych sygnałów Ca2 + przy minimalnym wkładzie użytkownika i stronniczości.

Automatyczna analiza dynamicznych sygnałów Ca2+ w sekwencjach obrazów

Gwałtowne wahania dopaminy zewnątrzkomórkowej (DA) pośredniczą zarówno w przetwarzaniu nagrody, jak i w motywowanym zachowaniu u ssaków. Manuskrypt ten opisuje połączone zastosowanie szybkiej woltamperometrii cyklicznej (FSCV) i doustnej dawki degustacyjnej w celu określenia, w jaki sposób degustatory zmieniają szybkie uwalnianie dopaminy u obudzonych, swobodnie poruszających się szczurów.

Badanie szybkiej dynamiki dopaminy za pomocą cyklicznej woltamperometrii Fast Scan podczas doustnej dawki degustacyjnej u obudzonych szczurów

Opracowaliśmy genowo-chimeryczny preparat brzusznego obwodu hipokamp – półleżący in vitro, który umożliwia bezpośrednie obrazowanie na żywo w celu analizy presynaptycznych mechanizmów transmisji synaptycznej za pośrednictwem nikotynowych receptorów acetylocholiny (nAChR). Preparat ten zapewnia również pouczające podejście do badania pre- i postsynaptycznych mechanizmów plastyczności synaptycznej.

Obrazowanie na żywo indukowanej nikotyną sygnalizacji wapnia i uwalniania neuroprzekaźników wzdłuż brzusznych aksonów hipokampa

Szybko-skanująca cykliczna woltamperometria może monitorować in vivo neurotransmisję dopaminy w kontekście leków, chorób i innych eksperymentalnych manipulacji. W niniejszej pracy opisano implementację QNsim1.0, oprogramowania do modelowania elektrycznie stymulowanych odpowiedzi dopaminy zgodnie z ilościowym modelem neurobiologicznym w celu ilościowego oszacowania dynamiki uwalniania i wychwytu zwrotnego dopaminy.

Modelowanie danych szybkiego skanowania woltamperometrii cyklicznej na podstawie elektrycznie stymulowanych danych neurotransmisji dopaminy przy użyciu QNsim1.0

Wychwyt synaptosomalnej dopaminy i wysokosprawna chromatografia cieczowa stanowią eksperymentalne narzędzia do badania homeostazy dopaminy u myszy, oceniając odpowiednio funkcję transportera dopaminy i poziom dopaminy w tkance prążkowia. W tym miejscu przedstawiamy protokoły pomiaru zawartości dopaminy w tkance oraz oceny funkcjonalności transportera dopaminy.

Ocena homeostazy dopaminergicznej u myszy za pomocą analizy wysokosprawnej chromatografii cieczowej i wychwytu synaptosomalnego dopaminy

Ten artykuł przedstawia metodę badania nikotynowych receptorów acetylocholiny (nAChR) w wycinkach mózgu myszy poprzez uwalnianie nikotyny. W połączeniu z jednoczesnym rejestrowaniem za pomocą klamry krosowej i 2-fotonowej laserowej mikroskopii skaningowej, odblokowanie nikotyny łączy funkcję receptora nikotynowego z morfologią komórki, zapewniając głębsze zrozumienie neurobiologii cholinergicznej.

Badanie funkcji nikotynowego receptora acetylocholiny w wycinkach mózgu myszy za pomocą laserowej fotolizy fotoaktywowanej nikotyny

Odkryj technikę lp-ntPET do tworzenia dynamicznych obrazów wahań dopaminy podczas palenia papierosów. Ta metoda umożliwia wizualizację neurochemicznych wzorców uzależnienia w mózgu.

Tworzenie dynamicznych obrazów krótkotrwałych wahań dopaminy za pomocą lp-ntPET: Dopaminowe filmy z palenia papierosów

Przeglądaj więcej filmów