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Research Article
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Este protocolo mostra como adquirir dados de ressonância magnética sensíveis à neuromelanina da substância negra.
O sistema dopaminérgico desempenha um papel crucial na cognição saudável (por exemplo, recompensa de aprendizagem e incerteza) e distúrbios neuropsiquiátricos (por exemplo, doença de Parkinson e esquizofrenia). A neuromelanina é um subproduto da síntese de dopamina que se acumula nos neurônios dopaminérgicos da substância negra. A ressonância magnética sensível à neuromelanina (NM-MRI) é um método não invasivo para medir a neuromelanina nesses neurônios dopaminérgicos, fornecendo uma medida direta da perda de células dopaminérgicas na substância negra e uma medida proxy da função da dopamina. Embora a RM-NM tenha se mostrado útil para o estudo de vários distúrbios neuropsiquiátricos, ela é desafiada por um campo de visão limitado na direção inferior-superior, resultando na perda potencial de dados da exclusão acidental de parte da substância negra. Além disso, o campo carece de um protocolo padronizado para a aquisição de dados de NM-MRI, um passo crítico para facilitar estudos multissite em larga escala e tradução para a clínica. Este protocolo descreve um procedimento passo a passo de colocação de volume NM-MRI e verificações de controle de qualidade on-line para garantir a aquisição de dados de boa qualidade que cobrem toda a substância substancial.
A neuromelanina (NM) é um pigmento escuro encontrado nos neurônios dopaminérgicos da substância negra (SN) e nos neurônios noradrenérgicos do locus coeruleus (LC)1,2. A NM é sintetizada pela oxidação ferro-dependente da dopamina citosólica e da norepinefrina e é armazenada em vacúolos autofágicos no soma3. Aparece pela primeira vez em humanos por volta dos 2-3 anos de idade e se acumula com a idadede 1,4,5.
Dentro dos vacúolos contendo NM dos neurônios SN e LC, o NM forma complexos com ferro. Esses complexos NM-ferro são paramagnéticos, permitindo a visualização não invasiva da NM por meio de ressonância magnética (RM)6,7. As ressonâncias magnéticas (RNM) que podem visualizar a RNM são conhecidas como IRM sensível à NM (NM-MRI) e utilizam efeitos de transferência de magnetização direta ou indireta para fornecer contraste entre regiões com alta concentração de NM (por exemplo, a SN) e a substância branca circundante 8,9.
O contraste de transferência de magnetização é o resultado da interação entre prótons de água ligados macromolecularmente (que são saturados pelos pulsos de transferência de magnetização) e os prótons de água livre circundantes. Na NM-MRI, acredita-se que a natureza paramagnética dos complexos NM-ferro encurta o T1 dos prótons de água livre circundantes, resultando em efeitos reduzidos de magnetização-transferência, de modo que regiões com maior concentração de NM parecem hiperintensas nos exames NM-MRI10. Por outro lado, a substância branca ao redor do SN tem um alto conteúdo macromolecular, resultando em grandes efeitos de magnetização-transferência, de modo que essas regiões parecem hipointensas nos exames de NM-MRI, proporcionando assim alto contraste entre o SN e a substância branca circundante.
No SN, o NM-MRI pode fornecer um marcador de perda de células dopaminérgicas11 e função do sistema dopaminérgico12. Esses dois processos são relevantes para vários transtornos neuropsiquiátricos e são apoiados por um vasto corpo de trabalho clínico e pré-clínico. Por exemplo, anormalidades na função da dopamina têm sido amplamente observadas na esquizofrenia; estudos in vivo utilizando tomografia por emissão de pósitrons (PET) mostraram aumento da liberação estriatal de dopamina 13,14,15,16 e aumento da capacidade de síntese de dopamina 17,18,19,20,21,22 . Além disso, estudos post-mortem mostraram que pacientes com esquizofrenia têm níveis aumentados de tirosina hidroxilase – a enzima limitante da taxa envolvida na síntese de dopamina – nos gânglios da base23 e SN24,25.
Vários estudos investigaram padrões de perda de células dopaminérgicas, particularmente na doença de Parkinson. Estudos post-mortem revelaram que os neurônios dopaminérgicos pigmentados do SN são o principal local de neurodegeneração na doença de Parkinson 26,27, e que, embora a perda de células SN na doença de Parkinson não esteja correlacionada com a perda celular no envelhecimento normal28, está correlacionada com a duração da doença 29 . Ao contrário da maioria dos métodos para investigar o sistema dopaminérgico, a não invasividade, o custo-efetividade e a falta de radiação ionizante fazem da RM-NM um biomarcador versátil30.
O protocolo NM-MRI descrito neste trabalho foi desenvolvido para aumentar a reprodutibilidade da NM-MRI dentro e entre sujeitos. Este protocolo garante a cobertura total do SN, apesar da cobertura limitada dos exames de RM-NM na direção inferior-superior. O protocolo faz uso de imagens sagitais, coronais e tridimensionais (3D) ponderadas em T1 (T1w), e os passos devem ser seguidos para alcançar o posicionamento adequado da pilha de fatias. O protocolo descrito neste trabalho tem sido utilizado em múltiplos estudos31,32 e foi extensivamente testado. Wengler et al. completaram um estudo sobre a confiabilidade desse protocolo no qual as imagens de NM-MRI foram adquiridas duas vezes em cada participante ao longo de vários dias32. Os coeficientes de correlação intraclasse demonstraram excelente confiabilidade teste-reteste deste método para análises baseadas em região de interesse (ROI) e voxelwise, bem como alto contraste nas imagens.
NOTA: A pesquisa realizada para desenvolver este protocolo foi realizada em conformidade com as diretrizes do Conselho de Revisão Institucional do Instituto Psiquiátrico do Estado de Nova York (IRB #7655). Um sujeito foi escaneado para gravação do vídeo do protocolo e o termo de consentimento livre e esclarecido foi obtido. Consulte a Tabela de Materiais para obter detalhes sobre o scanner de ressonância magnética usado neste protocolo.
1. Parâmetros de aquisição da RNM
2. Colocação do volume de NM-MRI
Figura 1: Imagens que exibem o procedimento passo a passo de colocação de volume NM-MRI. Linhas amarelas indicam a localização das fatias usadas para a colocação do volume, conforme descrito no protocolo. (A) Primeiro, identifica-se a imagem sagital com maior separação entre o mesencéfalo e o tálamo (etapa 2.3 do protocolo). (B) Em segundo lugar, usando a imagem de A, o plano coronal que delineia o aspecto mais anterior do mesencéfalo é identificado (passo 2.4). (C) Em terceiro lugar, na imagem coronal do plano identificado em B, identifica-se o plano axial que delineia a face inferior do terceiro ventrículo (etapa 2.5). (D) Em quarto lugar, o plano axial identificado em C é exibido na imagem sagital de A (etapa 2.6). (E) Em quinto lugar, o plano axial de D é deslocado 3 mm na direção superior, e este plano indica o limite superior do volume NM-MRI (passo 2.7). (F) A colocação final do volume da RM-NM onde a imagem coronal corresponde a C, a imagem sagital corresponde a A e a imagem axial corresponde ao plano axial em E. O volume da RM-NM está alinhado à linha média do cérebro nas imagens coronal e axial e à linha AC-PC na imagem sagital (etapa 2.8). Parte dessa figura foi reimpressa com permissão da Elsevier de 30. Abreviaturas: NM-MRI = ressonância magnética sensível à neuromelanina; AC-PC = comissura anterior-comissura posterior. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
3. Verificações de controle de qualidade
Figura 2: Exemplo de uma aquisição de NM-MRI que falhou na primeira verificação de controle de qualidade (etapa 3.1 do protocolo). Cada uma das 20 fatias NM-MRI exibidas da mais inferior (imagem superior esquerda) para a mais superior (imagem inferior direita); a janela/nível da imagem foi ajustada para exagerar o contraste entre a substantia nigra e a crus cerebri. As setas laranjas nas fatias 15-19 mostram a localização da substância negra nessas fatias. A seta vermelha na fatia mais superior (fatia 20) mostra que a substância negra ainda é visível nesta fatia e, portanto, a aquisição falha na verificação de qualidade. Abreviação: NM-MRI = ressonância magnética sensível à neuromelanina. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Exemplos de aquisições de NM-MRI que falharam na segunda verificação de controle de qualidade (etapa 3.2 do protocolo). Apenas uma fatia representativa é mostrada para cada caso. (A) Uma aquisição de NM-MRI que falha na verificação de controle de qualidade devido a um artefato de vaso sanguíneo (setas vermelhas) que é o resultado do vaso sanguíneo identificado pelas setas azuis. (B) Uma aquisição de NM-MRI que falha na verificação de controle de qualidade devido a artefatos de movimento (setas vermelhas). (C) Uma aquisição de NM-MRI que falha na verificação de controle de qualidade devido a um artefato ambíguo (setas vermelhas). Abreviação: NM-MRI = ressonância magnética sensível à neuromelanina. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A Figura 4 mostra os resultados representativos de uma participante de 28 anos, do sexo feminino, sem distúrbios psiquiátricos ou neurológicos. O protocolo NM-MRI garante a cobertura completa do SN, alcançada seguindo a etapa 2 do protocolo descrito na Figura 1, e imagens satisfatórias de NM-MRI seguindo a etapa 3 do protocolo. Excelente contraste entre o SN e as regiões vizinhas da substância branca com concentração insignificante de NM (isto é, crus cerebri) pode ser observado. Essas imagens foram verificadas imediatamente após a aquisição para garantir a cobertura adequada do SN e verificar se há artefatos. Como a cobertura total do SN foi alcançada sem nenhum artefato, a varredura passou nas verificações de qualidade e não precisou ser repetida.
Figura 4: Exemplo de uma aquisição representativa de NM-MRI. Cada uma das 20 fatias NM-MRI exibidas da mais inferior (imagem superior esquerda) para a mais superior (imagem inferior direita); a janela/nível da imagem foi ajustada para exagerar o contraste entre a substância negra e o crus cerebral de uma participante de 28 anos de idade, do sexo feminino, sem distúrbios psiquiátricos ou neurológicos. O protocolo NM-MRI garante cobertura completa da substância substancial, cobertura parcial do locus coeruleus e imagens satisfatórias de NM-MRI. Excelente contraste entre a substância negra e regiões vizinhas da substância branca sem concentração de neuromelanina (ou seja, crus cerebrus) pode ser visto em fatias 9-16. A imagem na parte inferior mostra uma visão ampliada do mesencéfalo a partir da fatia 13. Abreviação: NM-MRI = ressonância magnética sensível à neuromelanina. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A Figura 2 mostra os resultados representativos de uma participante de 28 anos, do sexo feminino, sem distúrbios psiquiátricos ou neurológicos, cujas imagens falharam na primeira verificação de controle de qualidade (etapa 3.1). O SN é visível no fatia mais superior (fatia 20), indicando que a cobertura total do SN não foi alcançada. Nesse caso, os dados devem ser readquiridos repetindo as etapas 2.3-2.9 do protocolo, conforme mostrado na Figura 1. Se o participante se moveu significativamente desde a aquisição da imagem T1w inicial, o pesquisador deve retornar à etapa 2.1 para readquirir a imagem T1w.
A Figura 3 mostra imagens de exemplo que falharam na segunda verificação de controle de qualidade (etapa 3.2). Conforme descrito na etapa 3.2, as varreduras contendo artefatos devido aos vasos sanguíneos (Figura 3A) não precisam ser repetidas, pois esses artefatos provavelmente estarão presentes em todas as aquisições. As varreduras que contêm artefatos resultantes de movimento (Figura 3B) ou artefatos ambíguos (Figura 3C) devem ser repetidas. No caso de artefatos ambíguos, se os artefatos permanecerem presentes após a reaquisição, a varredura não precisará ser readquirida ainda mais, pois os artefatos provavelmente são biológicos e, portanto, estarão presentes em todas as aquisições.
Os Drs. Horga e Wengler relataram ter patentes para análise e uso de imagens de neuromelanina em distúrbios do sistema nervoso central (WO2021034770A1, WO2020077098A1), licenciados para a Terran Biosciences, mas não receberam royalties.
Este protocolo mostra como adquirir dados de ressonância magnética sensíveis à neuromelanina da substância negra.
O Dr. Horga recebeu apoio do NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). O Dr. Wengler recebeu apoio do NIMH (F32-MH125540).
| latente magnética da imagem lástica 3T | GE Electric | da imagem lácteo com bobina principal de 48 canaletas |
