Стандартизированный сбор данных для нейромеланин-чувствительной магнитно-резонансной томографии Черной субстанции

Нейромеланин (NM) является темным пигментом, обнаруженным в дофаминергических нейронах черной субстанции (SN) и норадренергических нейронах locus coeruleus (LC)^1,2. НМ синтезируется железозависимым окислением цитозольного дофамина и норадреналина и хранится в аутофагических вакуолях в соме³. Впервые он появляется у людей в возрасте около 2-3 лет и накапливается в возрасте ^1,4,5 лет.

В NM-содержащих вакуолях нейронов SN и LC NM образует комплексы с железом. Эти комплексы NM-железа являются парамагнитными, что позволяет проводить неинвазивную визуализацию НМ с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ)^6,7. МРТ-сканирование, которое может визуализировать НМ, известно как НМ-чувствительная МРТ (НМ-МРТ) и использует либо прямые, либо косвенные эффекты переноса намагниченности для обеспечения контраста между областями с высокой концентрацией НМ (например, SN) и окружающим белым веществом ^8,9.

Контраст переноса намагниченности является результатом взаимодействия между макромолекулярными связанными протонами воды (которые насыщаются импульсами переноса намагниченности) и окружающими протонами свободной воды. В NM-MRI считается, что парамагнитная природа комплексов NM-железа укорачивает_T1 окружающих протонов свободной воды, что приводит к снижению эффектов намагниченности-переноса, так что области с более высокой концентрацией NM кажутся гиперинтенсивными на НМ-МРТ-сканировании¹⁰. И наоборот, белое вещество, окружающее SN, имеет высокое макромолекулярное содержание, что приводит к большим эффектам намагниченности-переноса, так что эти области кажутся гипоинтенсными на НМ-МРТ-сканировании, обеспечивая тем самым высокий контраст между SN и окружающим белым веществом.

В SN NM-MRI может обеспечить маркер потери дофаминергических клеток¹¹ и функции¹² дофаминовой системы. Эти два процесса актуальны для нескольких нервно-психических расстройств и поддерживаются обширным объемом клинической и доклинической работы. Например, нарушения функции дофамина широко наблюдались при шизофрении; Исследования in vivo с использованием позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) показали увеличение стриатального высвобождения дофамина ^13,14,15,16 и увеличение способности синтеза дофамина ^{17,18,19,20,21,22} . Кроме того, посмертные исследования показали, что у пациентов с шизофренией повышен уровень тирозингидроксилазы — фермента, ограничивающего скорость, участвующего в синтезе дофамина — в базальных^{ганглиях 23} и SN^24,25.

В нескольких исследованиях изучались закономерности потери дофаминергических клеток, особенно при болезни Паркинсона. Патологоанатомические исследования показали, что пигментированные дофаминергические нейроны SN являются основным местом нейродегенерации при болезни Паркинсона^26,27, и что, хотя потеря клеток SN при болезни Паркинсона не коррелирует с потерей клеток в нормальном возрасте²⁸ лет, она коррелирует с продолжительностью заболевания²⁹ . В отличие от большинства методов исследования дофаминергической системы, неинвазивность, экономическая эффективность и отсутствие ионизирующего излучения делают НМ-МРТ универсальным биомаркером³⁰.

Протокол NM-MRI, описанный в этой статье, был разработан для повышения воспроизводимости NM-MRI как внутри субъекта, так и между субъектами. Этот протокол обеспечивает полное покрытие SN, несмотря на ограниченный охват NM-MRI сканирования в направлении ниже-выше. Протокол использует сагиттальные, корональные и осевые трехмерные (3D) T1-взвешенные (T1w) изображения, и шаги должны быть выполнены для достижения правильного размещения стека срезов. Протокол, изложенный в этой статье, был использован в многочисленных исследованиях^31,32 и был тщательно протестирован. Wengler et al. завершили исследование надежности этого протокола, в котором изображения NM-MRI были получены дважды у каждого участника в течение нескольких дней³². Внутриклассовые коэффициенты корреляции продемонстрировали отличную надежность этого метода для анализа интересующих регионов (ROI) и воксельных анализов, а также высокую контрастность изображений.

ПРИМЕЧАНИЕ: Исследование, проведенное для разработки этого протокола, было выполнено в соответствии с руководящими принципами Совета по институциональному обзору Психиатрического института штата Нью-Йорк (IRB #7655). Один субъект был отсканирован для записи видео протокола, и было получено письменное информированное согласие. Обратитесь к Таблице материалов для получения подробной информации о МРТ-сканере, используемом в этом протоколе.

1. Параметры получения МРТ

1. Подготовьтесь к получению изображений высокого разрешения T1w с помощью 3D намагниченной намагниченности подготовленной быстрой градиентной эхо-последовательности (MPRAGE) со следующими параметрами: пространственное разрешение = 0,8 x 0,8 x 0,8 мм³; поле зрения (FOV) = 176 x 240 x 240 мм³; время эха (TE) = 3,43 мс; время повторения (TR) = 2462 мс; время инверсии (TI) = 1060 мс; угол переворачивания = 8°; коэффициент параллельного изображения в плоскости (ARC) = 2; сквозной коэффициент параллельной визуализации (ARC) = 2³³; полоса пропускания = 208 Гц/пиксель; общее время захвата = 6 мин 39 с.
2. Подготовка к получению изображений НМ-МРТ с использованием двумерного (2D) градиента отзываемой эхо-последовательности с контрастом передачи намагниченности (2D GRE-MTC) со следующими параметрами: разрешение = 0,43 x 0,43^мм2; FOV = 220 x 220 мм²; толщина среза = 1,5 мм; 20 ломтиков; зазор среза = 0 мм; TE = 4,8 мс; TR = 500 мс; угол сальто = 40°; полоса пропускания = 122 Гц/пиксель; Смещение частоты MT = 1,2 кГц; Длительность импульса МТ = 8 мс; Угол наклона MT = 670°; количество средних значений = 5; общее время съемки = 10 мин 4 с.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Хотя в отображаемых результатах использовались эти параметры сбора МРТ, этот протокол действителен для различных протоколов визуализации T1w и NM-MRI. Протокол NM-MRI должен охватывать ~ 25 мм в направлении ниже-выше, чтобы гарантировать полное покрытие SN.

2. Размещение объема НМ-МРТ

1. Получите изображение t1w с высоким разрешением (изотропный размер вокселя ≤1 мм). Используйте онлайн-переформатирование непосредственно после получения изображения для создания изображений с высоким разрешением T1w, выровненных по передней линии commissure-posterior commissure (AC-PC) и средней линии.
   1. Осуществлять онлайн-переформатирование с использованием программного обеспечения, предоставленного поставщиком (например, при получении данных на сканере GE: MultiPlanar Reconstruction (MPR) in Planning; при получении данных на сканере Siemens: MPR в 3D Task Card; при получении данных на сканере Philips: MPR в режиме рендеринга пакета VolumeView).
      1. Создание многопланарных реконструкций изображения 3D T1w в осевой плоскости, перпендикулярной линии AC-PC, чтобы покрыть весь мозг с минимальным зазором.
      2. Создание многопланарных реконструкций изображения 3D T1w в корональной плоскости, перпендикулярной линии AC-PC, чтобы покрыть весь мозг с минимальным разрывом среза.
      3. Создание многопланарных реконструкций 3D-изображения T1w в сагиттальной плоскости, параллельной линии AC-PC, чтобы покрыть весь мозг с минимальным зазором.
2. Загрузите сагиттальный, корональный и осевой виды переформатированного изображения T1w с высоким разрешением и убедитесь, что в нем присутствуют контрольные линии, изображающие местоположение каждого отображаемого фрагмента.
3. Определите сагиттальное изображение, на котором показано наибольшее расстояние между средним мозгом и таламусом (рисунок 1А). Для этого визуально осмотрите сагиттальные срезы переформатированного изображения T1w до тех пор, пока не будет идентифицирован срез, показывающий это наибольшее разделение.
4. Используя сагиттальное изображение из конца шага 2.3, визуально определите корональную плоскость, которая очерчивает самый передний аспект среднего мозга (рисунок 1B).
5. Используя корональное изображение из конца шага 2.4, визуально идентифицируйте осевую плоскость, которая очерчивает нижний аспект третьего желудочка (рисунок 1C).
6. На сагиттальном изображении с конца шага 2.3 выровняйте верхнюю границу объема НМ-МРТ по осевой плоскости, определенной на шаге 2.5 (рисунок 1D).
7. Переместите верхнюю границу объема НМ-МРТ на 3 мм в верхнем направлении (рисунок 1Е).
8. Выровняйте объем NM-MRI по средней линии на осевых и корональных изображениях (рисунок 1F).
9. Получение изображений NM-MRI.

Рисунок 1: Изображения, отображающие пошаговую процедуру размещения объема NM-MRI. Желтыми линиями обозначено расположение фрагментов, используемых для размещения тома, как описано в протоколе. (А) Во-первых, идентифицируется сагиттальное изображение с наибольшим разделением между средним мозгом и таламусом (этап 2.3 протокола). (B) Во-вторых, используя изображение из A, идентифицируется корональная плоскость, очерчивающая наиболее передний аспект среднего мозга (этап 2.4). (C) В-третьих, на корональном изображении с плоскости, идентифицированной в B, идентифицируется осевая плоскость, очерчивающая нижний аспект третьего желудочка (этап 2.5). (D) В-четвертых, осевая плоскость, идентифицированная в С , отображается на сагиттальном изображении из А (этап 2.6). (E) В-пятых, осевая плоскость от D смещена на 3 мм в верхнем направлении, и эта плоскость указывает на верхнюю границу объема НМ-МРТ (шаг 2.7). (F) Окончательное расположение объема НМ-МРТ, где корональное изображение соответствует С, сагиттальное изображение соответствует А, а осевое изображение соответствует осевой плоскости в Е. Объем NM-MRI выровнен по средней линии мозга на корональном и осевом изображениях и линии AC-PC на сагиттальном изображении (шаг 2.8). Часть этой цифры была перепечатана с разрешения Elsevier от ³⁰. Сокращения: NM-MRI = нейромеланин-чувствительная магнитно-резонансная томография; AC-PC = передняя комиссура-задняя комиссура. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

3. Контроль качества

1. Убедитесь, что полученные изображения NM-MRI охватывают всю SN и что SN видна на центральных изображениях, но не на самых превосходных или самых низких изображениях объема NM-MRI. В противном случае (рисунок 2) повторите шаги 2.3-2.9, чтобы обеспечить правильное размещение объема NM-MRI. Если участник значительно продвинулся с момента получения сканирования T1w с высоким разрешением, повторите шаги 2.1-2.9.

Рисунок 2: Пример приобретения NM-MRI, которое не прошло первую проверку контроля качества (шаг 3.1 протокола). Каждый из 20 срезов NM-MRI отображается от самого низкого (верхнее левое изображение) до самого верхнего (нижнее правое изображение); окно/уровень изображения был настроен на преувеличение контраста между черной субстанцией и crus cerebri. Оранжевые стрелки в ломтиках 15-19 показывают расположение черной субстанции в этих ломтиках. Красная стрелка в самом превосходном срезе (срез 20) показывает, что черная субстанция все еще видна в этом срезе, и, таким образом, приобретение не проходит проверку качества. Аббревиатура: NM-MRI = нейромеланин-чувствительная магнитно-резонансная томография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

2. Проверьте наличие артефактов, особенно тех, которые проходят через SN и окружающее белое вещество, визуально осмотрев каждый срез полученного NM-MRI-сканирования.
   1. Ищите резкие изменения интенсивности сигнала с линейной картиной, которая не уважает нормальные анатомические границы. Например, это может выглядеть как область низкой интенсивности, которая окружена двумя областями высокой интенсивности.
   2. Если артефакт является результатом кровеносных сосудов (рисунок 3A), сохраните изображения NM-MRI, потому что эти артефакты, скорее всего, всегда будут присутствовать.
   3. Если артефакты являются результатом движения головы участника (рисунок 3B), напомните участнику, чтобы он оставался как можно более неподвижным и повторно получил изображения NM-MRI в соответствии с шагом 3.2.5.
   4. Если артефакты неоднозначны (рисунок 3C), повторно приобретите изображения NM-MRI в соответствии с шагом 3.2.5. После повторного приобретения, если артефакты остаются, продолжайте использовать эти изображения, поскольку они, скорее всего, являются биологическими, а не результатом проблем с приобретением.
   5. Если изображения NM-MRI проходят проверку качества на шаге 3.1, скопируйте предыдущее размещение объема NM-MRI. Если изображения NM-MRI не проходят проверку качества на шаге 3.1, повторите шаги 2.3-2.9, чтобы обеспечить правильное размещение объема NM-MRI (или шаги 2.1-2.9, если участник значительно переместился).

Рисунок 3: Примеры приобретений НМ-МРТ, которые не прошли вторую проверку контроля качества (этап 3.2 протокола). Для каждого случая отображается только один репрезентативный срез. (A) Приобретение NM-MRI, которое не проходит проверку контроля качества из-за артефакта кровеносного сосуда (красные стрелки), который является результатом кровеносного сосуда, идентифицированного синими стрелками. (B) Получение NM-MRI, которое не проходит проверку контроля качества из-за артефактов движения (красные стрелки). (C) Приобретение NM-MRI, которое не проходит проверку контроля качества из-за неоднозначного артефакта (красные стрелки). Аббревиатура: NM-MRI = нейромеланин-чувствительная магнитно-резонансная томография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

На рисунке 4 показаны репрезентативные результаты 28-летней участницы без психических или неврологических расстройств. Протокол NM-MRI обеспечивает полное покрытие SN, достигаемое путем выполнения шага 2 протокола, описанного на рисунке 1, и удовлетворительные изображения NM-MRI путем выполнения шага 3 протокола. Можно увидеть отличный контраст между SN и соседними областями белого вещества с незначительной концентрацией NM (т.е. crus cerebri). Эти изображения были проверены сразу после получения, чтобы обеспечить надлежащее покрытие SN и проверить наличие артефактов. Поскольку полное покрытие SN было достигнуто без каких-либо артефактов, сканирование прошло проверку качества и не нуждалось в повторении.

Рисунок 4: Пример репрезентативного получения НМ-МРТ. Каждый из 20 срезов NM-MRI отображается от самого низкого (верхнее левое изображение) до самого верхнего (нижнее правое изображение); окно /уровень изображения было установлено, чтобы преувеличить контраст между черной субстанцией и crus cerebri от 28-летней участницы без психических или неврологических расстройств. Протокол NM-MRI обеспечивает полное покрытие черной субстанции, частичное покрытие locus coeruleus и удовлетворительные изображения NM-MRI. Отличный контраст между черной субстанцией и соседними областями белого вещества без концентрации нейромеланина (т.е. крестообразным) можно увидеть на срезах 9-16. На изображении внизу показан увеличенный вид среднего мозга из фрагмента 13. Аббревиатура: NM-MRI = нейромеланин-чувствительная магнитно-резонансная томография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

На рисунке 2 показаны репрезентативные результаты 28-летней женщины-участницы без психических или неврологических расстройств, чьи изображения не прошли первую проверку качества (шаг 3.1). SN виден в самом превосходном срезе (срез 20), что указывает на то, что полное покрытие SN не было достигнуто. В этом случае данные должны быть повторно получены путем повторения шагов 2.3-2.9 протокола, как показано на рисунке 1. Если участник значительно продвинулся с момента получения исходного изображения T1w, то исследователь должен вернуться к шагу 2.1, чтобы повторно получить изображение T1w.

На рисунке 3 показаны примеры изображений, которые не прошли вторую проверку контроля качества (шаг 3.2). Как указано в шаге 3.2, сканирование, содержащее артефакты, обусловленные кровеносными сосудами (рисунок 3A), не нужно повторять, поскольку эти артефакты, вероятно, будут присутствовать при каждом приобретении. Сканирование, содержащее артефакты, полученные в результате движения (рисунок 3B) или неоднозначные артефакты (рисунок 3C), должно быть повторено. В случае неоднозначных артефактов, если артефакты остаются присутствующими после повторного приобретения, то сканирование не нужно повторно приобретать, поскольку артефакты, вероятно, являются биологическими и, следовательно, будут присутствовать в каждом приобретении.

Доктора Хорга и Венглер сообщили, что имеют патенты на анализ и использование визуализации нейромеланина при расстройствах центральной нервной системы (WO2021034770A1, WO2020077098A1), лицензированные Terran Biosciences, но не получили никаких роялти.