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

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.