Criando imagens dinâmicas de Flutuações da dopamina de curta duração com lp-ntPET: Filmes da dopamina do tabagismo

O objetivo geral deste procedimento é obter imagens da resposta dopaminérgica do cérebro ao fumar cigarros. Isso é realizado primeiramente obtendo imagens de um fumante fumando dentro do escâner de PET após a injeção do marcador antagonista da dopamina 11 C RAC lip pride. O segundo passo é reconstruir os dados no modo de lista em imagens, levando em consideração os movimentos, e então suavizar as imagens de PET com um filtro hiper.

Em seguida, as curvas de atividade temporal são modeladas no nível de vóxel com PET LPNT e as curvas resultantes de dopamina são mantidas apenas para os vóxels que apresentam bom ajuste ao modelo. O passo final consiste em codificar por cores o nível fracionário de dopamina em cada vóxel ao longo do tempo nos vóxels significativos e capturar os valores codificados por cores como uma série de imagens dinâmicas. Espera-se, em última instância, que os filmes de dopamina gerados por PET LPNT durante o ato de fumar cigarros possam ser utilizados para revelar um padrão espaciotemporal único da dependência.

A principal vantagem do nosso modelo cinético em comparação com modelos convencionais, como o modelo de dois compartimentos teciduais, o SRTM ou o gráfico de Logan, é que o nosso modelo contém um parâmetro variável no tempo, mas, assim como o SRTM e o gráfico de Logan, é linear em relação aos parâmetros. A presença de um parâmetro variável no tempo no modelo PET LPNT significa que podemos descrever a captação ou deslocamento do traçador PET mesmo quando o neurotransmissor endógeno não está em estado estacionário. Um aspecto clínico de nossas técnicas que não pode ser ignorado é a etapa estatística para nós.

O teste do aplicativo, que utilizamos para identificar as localizações cerebrais que requerem modelos com resolução temporal para descrições de etiquetas. Embora o método seja atualmente aplicado à dependência e ao sistema dopaminérgico, ele também poderia ser aplicado a outras condições e sistemas de neurotransmissores, como depressão e serotonina, por exemplo, desde que disponhamos de um traçador PET que possa ser deslocado por alterações nos níveis de serotonina. Esperamos poder utilizar esta técnica para identificar padrões espaciais e temporais de atividade cerebral que sejam exclusivos da dependência, talvez até assinaturas neuroquímicas exclusivamente femininas ou exclusivamente masculinas.

Tivemos pela primeira vez a ideia de criar filmes de dopamina quando nosso coautor Christian Constantine tentou exibir padrões variáveis no tempo da atividade dopaminérgica ao produzir um livro de animação tradicional. A demonstração visual do nosso método é essencial porque o produto final é um filme, o que impossibilita sua demonstração em páginas estáticas de uma revista científica. Mas, como nossos olhos são bons sistemas de reconhecimento de padrões, esperamos descobrir padrões ou sequências de liberação de dopamina que ninguém sequer procurava. Os aspectos do nosso procedimento que devem ser realizados por pessoal médico qualificado serão demonstrados por Elisa Hildago, técnica certificada em medicina nuclear, e Cindy Dko, enfermeira registrada do Yale Pet Center.

Para começar, adquira uma varredura estrutural por RM pré-PET, como uma MP-RAGE 3D em um dia separado da varredura por PET. A varredura por RM fornecerá uma referência anatômica para as imagens de PET. Além disso, organize para que o sujeito pratique o movimento de fumar dentro do scanner de PET antes da varredura.

Para iniciar a preparação do paciente, uma enfermeira registrada deve primeiramente inserir um cateter intravenoso e deixá-lo pronto para a posterior conexão com a bomba que administrará o traçador. Além disso, prepare a bomba de injeção programando-a com o paradigma de infusão adequado para o traçador RAC lapide. Em seguida, configure o monitor de movimento da cabeça fixando esferas refletivas na parte superior da cabeça do sujeito aqui.

As esferas são fixadas a uma ferramenta rígida em formato de cruz, que por sua vez é fixada a uma touca de natação CRA. Os lasers de rastreamento de cabeça do sistema Vic CCRA irão capturar a posição das esferas refletivas a uma taxa de 20 hertz. Por fim, para eliminar a fumaça de segunda mão da suíte para animais.

Durante o experimento, posicione a entrada de um filtro de ar na frente do scanner e acima da cabeça do sujeito, deixando espaço para que o sujeito leve o cigarro à boca durante a fumada. Posicione o sujeito no scanner. Em seguida, antes da injeção do traçador e da aquisição por PET, realize primeiro uma varredura de transmissão de nove minutos.

Em seguida, solicite que um tecnólogo em medicina nuclear certificado administre o traçador. Geralmente, uma equipe de dois tecnólogos inicia simultaneamente a administração do traçador e a aquisição de dados de PET, aplicando questionários simples oralmente ao sujeito imediatamente antes e após o consumo de cigarro. O fumante deve classificar sua satisfação do desejo, o desejo de nicotina, o estado de euforia e os sentimentos de aversão em uma escala de um a cem.

Para capturar a resposta dopaminérgica a uma experiência naturalista de fumar, peça ao sujeito que realize o ato de fumar. Em vez de administrar nicotina ou o cigarro por meio da equipe do estudo, instrua o fumante a fumar no seu próprio ritmo e com a sua própria marca de cigarros. Os sujeitos devem ter se abstinido de fumar desde a meia-noite anterior e devem fumar dois cigarros em sucessão.

Normalmente, leva cerca de 10 minutos para completar os dois cigarros. Em seguida, aplique as escalas de avaliação após o fumo, conforme descrito anteriormente, após a sessão de varredura, aplicando uma variante do método de filtragem espacial. Projeção reversa altamente restrita a todas as imagens de pet, quadro a quadro.

O atrativo da hiper LR é que ela reduz o ruído espacial sem degradar a informação temporal em cada vóxel que usaremos para criar nossos filmes de dopamina. Alinhe a PET aos dados de RM do sujeito, depois aplique uma máscara estriatal AAL. O RACLOPRIDE possui contraste sinal-fundo suficiente para ser usado apenas no estriado, uma região cerebral implicada no vício em drogas.

Aplicar uma máscara do estriado pré-comercial a todos os dados de PET no espaço do modelo. Em seguida, selecionar funções de resposta da dopamina que sejam compatíveis com possíveis respostas dopaminérgicas ao estímulo, escolhendo um conjunto específico de funções de resposta. Quando é possível restringir a forma e o cronograma das respostas dopaminérgicas estimadas a curvas esperadas para o estímulo de fumar?

Espera-se um aumento e queda unimodal da concentração de dopamina em uma curva com formato de variante gama. No caso de fumar 45 minutos após a realização da varredura, devem ser incluídas famílias de funções de resposta com tempos de início em 40 minutos ou posteriores. Ajuste agora o modelo PET LPNT às curvas de atividade temporal PET em cada vóxel individual na região mascarada.

A equação operacional do modelo é apresentada aqui. A integral do produto das curvas de atividade temporal por emissão de pósitrons com cada função de resposta torna-se um conjunto de funções lineares básicas de T que contribuem para o modelo. Como a PET LPNT é um método baseado em funções lineares básicas para ajustar os dados dinâmicos de PET, pode ser implementada para estimar rapidamente tanto os parâmetros cinéticos que regem a ação do traçador quanto um perfil temporal da variação relativa da concentração de dopamina durante a sessão de varredura em cada ponto.

Em seguida, registre o mapa da soma ponderada dos resíduos quadráticos do ajuste do PET LPNT aos dados em cada buraco de raposa, sendo que o ajuste do modelo em cada buraco de raposa produz imagens dos parâmetros do traçador. R um é o valor relativo de fluxo. K dois é a taxa FLX do compartimento livre da região-alvo.

K dois A é a taxa aparente de FLX a partir do tecido-alvo modelado como um único compartimento, e gama é a magnitude do sinal de dopamina. A soma ponderada dos quadrados dos resíduos em cada vle também pode ser considerada uma imagem. Agora, ajuste o modelo de tecido de referência MULTILINE ou MRTM aos dados de atividade temporal de PET em cada vóxel individual na região mascarada.

Este é um modelo linear que é idêntico ao LPNT pet, exceto por não incluir um termo ajustável de dopamina variável no tempo. A aplicação do MRTM a dados por voxel fornece estimativas de apenas três imagens paramétricas, R um, K dois e K dois, e registra o somatório ponderado dos quadrados dos resíduos a partir do ajuste do MRTM aos dados em cada voxel. Em seguida, crie um mapa F a partir dos mapas de soma dos quadrados calculando a estatística F em cada voxel da máscara.

A estatística F compara a soma ponderada dos resíduos quadrados do LPNT PET com a soma ponderada dos resíduos quadrados do MRTM, corrigindo as diferenças nos graus de liberdade nos respectivos limiares de ajuste. O FMAP em um valor que corresponde a uma probabilidade P menor que 0,05 com base nos graus de liberdade dos ajustes do modelo, então dimensiona o mapa para criar uma nova máscara de significância que mantém apenas os vóxeis no estriado cujas curvas de atividade temporal PET são ajustadas melhor com o LPNT PET do que com o MRTM. Em seguida, realiza-se uma abertura morfológica na máscara de significância para eliminar pequenos aglomerados isolados de vóxeis que assumimos serem devidos ao ruído.

Deve-se usar um kernel de vóxeis isotrópico de dois por dois por dois para remover grupos isolados de vóxeis com diâmetros de dois vóxeis ou menores. Isso resulta na máscara final de significância. Realize a mesma análise nos dados de todas as condições experimentais que serão examinadas para o protocolo.

Os dados demonstrados foram adquiridos e analisados para cada indivíduo em duas condições separadas: fumantes e controle. Por fim, compare fumantes com controle construindo um filme composto de dopamina.

Produza filmes de dopamina para o mesmo indivíduo em diferentes condições. Por exemplo, tarefa basal ou simulada versus fumo. Além disso, produza um filme de dopamina composto para um indivíduo contendo todas as fatias do estriado para as condições basal e de fumo.

Aqui podemos observar os efeitos de dois filtros espaciais hiperespaciais diferentes em comparação com a ausência de filtragem sobre a suavidade do tempo. Dados de atividade em um único vóxel tri AAL, as linhas superior e intermediária mostram imagens filtradas com tamanhos diferentes de kernel, enquanto a linha inferior mostra as curvas correspondentes de atividade temporal do mesmo local de vóxel único no estriado dorsal esquerdo. Aqui vemos exemplos representativos de funções de resposta da dopamina que começam aos 40 minutos ou 45 minutos após a injeção do traçador.

Esses foram pré-calculados para ajustar o modelo PET LPNT aos dados de atividade temporal por vóxel. Esta figura mostra os ajustes do modelo PET MRTM convencional e do novo modelo PET LPNT, respectivamente, aos dados de atividade temporal de um vóxel no núcleo caudado esquerdo. O ajuste MRTM está em azul e o ajuste PET LPNT está em vermelho.

Aqui observamos imagens paramétricas da soma ponderada dos quadrados dos resíduos para MRTM e PET com LP NT. Os respectivos mapas de SQRR são comparados por meio da estatística F para criar o mapa F, que por sua vez é limiarizado no nível de probabilidade desejado para gerar uma máscara binária e então filtrado para produzir a máscara final de significância. Esta figura mostra uma fatia coronal da máscara final de significância para a condição de tabagismo em um único sujeito, comparada à máscara final de significância de um sujeito e fatia correspondentes na condição controle.

Este vídeo mostra, quadro a quadro, o nível de dopamina em relação ao nível basal ou de repouso. Os níveis de dopamina são codificados em cores. Especificamente, as cores representam a variação na dopamina acima do nível basal como uma porcentagem do nível basal.

Novamente, os níveis de dopamina são mostrados apenas para os vóxeis na máscara final de significância que excede o nível de significância de P menor que 0,05. Este vídeo mostra o filme multisslice de dopamina multidi para um fumante do sexo masculino.

Todos os cortes do estriado ventral são exibidos simultaneamente para a condição de fumar e a condição basal. Observe a ativação acentuada no estriado ventral direito por volta do momento do segundo cigarro. O vídeo repete algumas vezes para facilitar a visualização.

Este vídeo é feito a partir da varredura de uma mulher fumante. Observe a ativação acentuada no corpo estriado dorsal esquerdo por volta do momento do primeiro cigarro. O vídeo repete algumas vezes para facilitar a visualização.

Uma vez dominada, a criação de filmes de dopamina a partir de dados de PET pode ser realizada em poucos dias. Esperamos automatizar mais etapas do procedimento, particularmente a captura de quadros individuais dos filmes no futuro. Fazer filmes de dopamina pode ser considerado um problema de otimização restrita.

As restrições sobre os resultados possíveis da dopamina são aplicadas por meio da seleção das funções iniciais de resposta da dopamina. Agora que criamos filmes da dopamina, resta identificar as melhores medidas de similaridade e dissimilaridade para que possamos comparar os filmes de diferentes indivíduos, por exemplo, fumantes dependentes e ex-fumantes. Com as medidas necessárias estabelecidas, podemos investigar qual aspecto da atividade cerebral muda ou retorna ao normal.

Quando um fumante abandona o hábito de fumar, espera-se que esta técnica abra caminho para que outros pesquisadores de PET descrevam e analisem adequadamente seus dados de PET, que estão adquirindo. No estudo de outros comportamentos aditivos com um estímulo, como o álcool, pode-se produzir uma resposta transitória de neurotransmissores, que não atinge níveis detectáveis após o uso da droga. Esperamos utilizar procedimentos experimentais semelhantes, empregando diferentes traçadores de PET, para observar alterações neuroquímicas no cérebro provocadas por outras drogas de abuso.

Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como criar filmes de dopamina a partir de dados de PET, o que fizemos para capturar a resposta transitória e especialmente limitada do sistema de dopamina do cérebro ao fumar cigarros. Lembre-se de que os filmes de dopamina são criados em cinco etapas: experimento de PET, pré-processamento das imagens, modelagem das imagens, etapa estatística e etapa de visualização.