Sigara Sigara Dopamin Filmler: lp-ntPET ile kısa ömürlü Dopamin Değişiminin Dinamik Görüntü Oluşturma

Summary

Biz sigara ile indüklenen dopamin dalgalanmaları yakalamak için yeni bir PET görüntüleme yaklaşım sunuyoruz. Konular PET tarayıcı duman. Dinamik PET görüntüleri zamanla değişen dopamin vadeli içerir lp-ntPET tarafından zaman içinde voksel-by-voksel modellenmiştir. Sonuçlar sigara sırasında striatum dopamin dalgalanmaların 'film' vardır.

Abstract

Biz dinamik PET verilerden beynin dopamin film oluşturmak için deneysel ve istatistiksel adımları açıklar. Film bir sigara ile indüklenen dopamin dakika-için-dakika dalgalanmaları temsil eder. Diğer olası karıştırıcı etkileri (örneğin tekrar tekrar sigara kafa hareketleri, beklenti, yenilik, ya da kaçınma gibi) en aza ise sigara içen doğal bir sigara deneyimi sırasında görüntülü.

Biz eşsiz analiz ayrıntıları sunuyoruz. Nörotransmitter sürümde kısa vadeli dalgalanmalardan yakalayamazsınız PET analizi tahmin zamanla değişmeyen kinetik model parametreleri için geleneksel yöntemler. Bizim analizi - dopamin film verimli - parametreleri ^1-7 zamanla değişen izin kinetik modelleri ve diğer ayrışma teknikleri ile çalışmalarına dayanmaktadır. Bu analiz yönü - zamansal-varyasyon - çalışmalarımız anahtarıdır. Bizim model parametreleri de doğrusal olduğu için, inci de uygulamak için, hesaplama, pratike voksel düzeyde. Ön işleme, modelleme, istatistiksel karşılaştırma, maskeleme ve görselleştirme: analiz tekniği beş ana adımdan oluşur. Ön işleme mekansal gürültüyü azaltır ama kritik zamansal bilgileri koruyan benzersiz bir 'HYPR' mekansal filtre ⁸ ile PET verilere uygulanır. Modelleme ¹¹ C-rakloprid alımı üzerinde dopamin etkisi en iyi biçimde tanımlayan zamanla değişen fonksiyonu tanımlar. Istatistiksel adım geleneksel bir modeli ⁹ için (lp-ntPET) modeli ⁷ uyum karşılaştırır. Maskeleme en iyi yeni model tarafından tarif edilen vokselleri tedavi kısıtlar. Görselleştirme haritalar renk skalası için her voksel de dopamin fonksiyonu ve dopamin film üretir. Geçici sonuçları ve sigara örnek dopamin film sunulmaktadır.

Introduction

Tıbbi riskler ezici kanıtlara rağmen, sigara hala önemli bir sağlık sorunudur. Bu sigarayı bırakmak için gerçekten çok zordur. Yetişkin ABD nüfusunun% 20'den fazla duman devam ediyor ve ilk ay ¹⁰ içinde nüks çıkmak girişiminde en sigara. Ne yazık ki, sigara bırakma ve / yardım veya nikotin bağımlılığını azaltmak için birkaç tedaviler vardır. Laboratuvarda, biz sigara bırakma ve ilaç alma diğer yeni ilaçların geliştirilmesinde yardımcı olmak amacıyla bağımlılığı ve bağımlılık anlamak için PET görüntüleme ile ilgilendi.

Striatum dopamin hızlı yükselişi çekilmesi ve daha sonra ilaç arayışı ile ilgili olabilir ilaç ve davranışlar ¹¹ ve bazal dopamin hızlı dönüş bağımlılık sorumluluk kodlamak inanılıyor. Bazı bağımlılık yapıcı maddeler ve sigara gibi davranışları için, striatal dopamin yüksekliği (dakika) çok kısa ömürlüdür; inciyükselişi e büyüklüğü (1-2X temel) büyük değil ve bu tepkilerin mekansal ölçüde striatum alt bölgeleri küçük ile sınırlı olabilir.

Hayvan deneyleri açıkça nikotin sıçanlarda ¹² çekirdeğinde akumbensteki dopamin salınımına neden olur göstermektedir. Ama erken girişimleri kullanan geleneksel analizleri - sırasında veya nikotin ve sigara takip insanlarda dopamin değişiklikleri tahmin etmek için güvenilir ve çelişkili sonuçlar ^13-18 vermiştir. Bu çalışmaların bazıları sigara tarayıcı dışında sigara içmelerine izin. Diğerleri konuya sadece nikotin teslim. Sigara en iyi çalışma bağımlılığı için, daha iyi görüntüleme protokolleri geliştirmek ve bize bir yarı-doğal sigara içme davranışı için beynin tepki yakalamak için olanak sağlayacak ileri analizler ile tamamlamak için yola çıktı.

Pozitron Emisyon Tomografi (PET) insan beyninin nörokimyasal soruşturma yeteneği beyin tarama teknikleri arasında benzersizdir < em> in vivo. Birçok PET izleyiciler dopamin reseptörleri ve birçok endojen dopamin ile rekabete duyarlı izlemek için vardır. Ne yazık ki, PET görüntü analizi geleneksel yöntemler dinamik PET görüntüleri, (in vitro yöntemler benzer) bağlayıcı potansiyel olarak bilinen ücretsiz izleme, bağlı olan kararlı durum oranı tahmin ediyoruz. Kararlı durum oranı (örneğin, başlangıca sigara durumuna) belirgin bir değişim dopamin değişimi göstermek için alınır. Bir kararlı durum miktarı tahminleri kusurlu böylece Ama bağımlılığı ile ilgili dopamin değişiklikler doğal olarak geçicidir. Ayrıca, tipik bölge-of-faiz analizi ortalama izleyici büyük anatomik tanımlı bölgeler üzerinde konsantrasyon ve yüksek lokalize beyin yanıtları kaçırmak muhtemeldir - bu biz sigara beklediğiniz gibi. Sigara Önceki PET çalışmaları da tarayıcı sigara sırasında sigara içenler başkanlarının hareketinden uğramış olabilir.

jove_content "> Fonksiyonel MRI (fMRI) zaman ölçekli dakika ama fMRI PET moleküler özgüllüğü yoksun üzerinde striatum alt bölgelerinde meydana gelen olaylar yakalamak için gerekli olacağını gerekli mekansal ve zamansal çözünürlük sunuyor. BOLD sinyal türemiştir . ve kan akımı değişiklikleri nöronal ve moleküler nonspesifik nedenle Böylece, PET kullanılan - ama onlar nörokimyasal tezahürü altında yatan olduğuna inanılmaktadır çünkü yeni bir şekilde bu protokolün amacı sigara kısa ve lokalize dopamin yanıtları tahmin etmek oldu. özlem ve ilaç arayışı davranışı.

Dopamin reseptör ligandları ile yapılan dinamik PET görüntüleri yakalanır dopamin geçici tahmin etmek için, daha önce dayandırılmıştır toplu nörotransmitter PET ^1,5,6,19 için "ntPET" olarak anılacaktır kinetik modelleri bir dizi, tanıtılan geleneksel iki doku bölmesi model ama dop içinde zaman-değişimi için şartları güçlendirildiamin ve dopamin ve izleyici (yani rekabet) arasındaki etkileşim. Bu modeller bir altın standart karşı onaylanmıştır. Özellikle, bizim modellerde aynı anda elde Mikrodiyaliz ölçümleri ^4,7 ile iyi bir uyum içindedir sıçanlarda PET verilerden zaman içinde dopamin konsantrasyonları tahmin olduğunu göstermiştir Avantajları:. Bizim modellerin en son doğrusal ve (np parametrik olmayan ya olmuştur -ntPET) ¹ veya doğrusal ve parametrik (lp-ntPET) ^7. İkincisi modeli Alpert ve arkadaşları tarafından tanıtılan önceki bir doğrusal model kaynaklanmaktadır. ^20. Bu voksel düzeyde dinamik veri modelleri uygulayarak hesaplama basit olmasını sağlar çünkü Doğrusallaştırma önemli bir gelişmedir. Yeni bir proof-of-concept yazıda, bir motor görevi ³ yapan bir insan konunun dopamin filmler ve film beklenen gibi motor görevin zamanlaması duyarlı olduğunu göstermek için başardık. MOVIes bir görüntü her voksel de dopamin seviyelerinin zaman ders ifadesidir. PET voksel-by-voksel yöntemler genellikle çok voksel-tabanlı zaman-aktivite eğrileri (TAC) doğasında gürültü en aza indirmek için, düşük sinyal gürültü oranı acı, bir ön olarak yenilikçi mekansal filtre, 'HYPR', ⁸ uygulamak işleme adım. Gürültü azaltırken Bu adım yanıt voksellerin önemli zamansal özelliklerini korur.

Sigara nikotin teslim daha fazladır. Sigara nikotin ek olarak 4.000 kimyasal maddeler içerir. Nikotin bir alışkanlık sigara içen için takviye olur sigaranın ilk bağımlılık etkileri, diğer tüm ipuçları ve duyusal bileşenleri için öncelikle sorumlu olduğu düşünülmektedir iken. Biz PET tarayıcı içinde iken sigara görüntü sigara edebilmek için gerekli anlamına geliyordu sigara tüm davranışlarını incelemek için seçti. Ne yazık ki, sigara ile baş hareketi gelir. Bizim görüntülerde baş hareket eserler ortadan kaldırmak için, biz Vicra motio kullanıniteratif, çözünürlük kurtarma yeniden algoritması ²¹ bir parçası olarak n-izleme sistemi (NDI Sistemleri, Waterloo, Kanada) ve olay-by-olay hareket düzeltme.

Yeni tarama ve analiz yöntemleri bağımlılık uyuşturucu ve davranışları için beynin tepki eşsiz imzaları olan kısa ve lokalize dopamin geçici ortaya çıkarmak ve yakalamak için tasarlanmıştır. Yani "dopamin film" - voksel-by-voksel Yapılan, bizim modelleri striatal dopamin dalgalanmaların görüntüleri dinamik bir dizi üretmek. Bu filmler bağımlılığı yeni bir uzay-zamansal biyolojik temsil ve bağımlılık ve / veya tedavi etkinliğinin göstergesi için risk doğrudan, çok boyutlu göstergesi olarak hizmet verebilir.

Protocol

Bütün prosedür bir taslak, çok kesitli dopamin film üretmek için, aşağıda açıklanan Şekil 1'de akış şeması özetlenmiştir.

1. Ön PET MR taraması

   PET ayrı bir günde bir yapısal MR tarama edinin. MR tarama PET görüntüleri için anatomik bir referans sağlayacaktır. Yapısal MRG için tipik satın alma parametreler şunlardır: TE = 3.3 msn, flip açısı = 7 derece ile 3D MPRAGE MR darbe dizisi, kesit kalınlığı = 1.0 mm, 0.98 x 0.98 mm piksel.

   1. Uygulama PET / Sigara Oturum

      Konu PET merkezine önceki bir ziyarette, ideal, taramadan önce ya da PET tarayıcı sigara hareket uygulama ya da düzenlemek. Bu gerçek PET tarama sırasında karışıklık veya rahatsızlık önlemek olacaktır. Aynı zamanda, ilk kez için tarayıcı olma yenilik ortadan kaldıracaktır. Siemens HRRT yüksek çözünürlüklü bir beyin tarayıcı olduğu için, tünelin darve / ağzına sigara getirmek için sigara içen için en az boşluk vardır. Biz kafa hareketleri ele almak için bir sofistike bir sistem olmasına rağmen, onun / başını taşımak için değil çalışırken sigara uygulama sigara için hala tavsiye edilir.

   2. Hasta Hazırlık
      1. IV yol

         Bir IV bir hemşire tarafından eklenen ve izleyici teslim pompaya daha sonra bağlantı için hazır hale gerekir. İzleyici bir IV hattı boyunca, hastaya enjekte edilir.

      2. Kafa Hareket Monitör

         Konunun başın üstüne yapıştırmayın yansıtıcı küre. Vicra baş-izleme sisteminin lazer anket 20 Hz bir oranda yansıtıcı küre konumunu. Küreler sert, haç şeklinde "aracı" bağlı olan ve aracı konu tarafından giyilen bir Lycra yüzmek kap eklenir. Takımın konumu bir gerçek zamanlı görüntü kafa hareketleri izlemek için ve lazer syste emin olmak için çalışma personel tarafından kullanılmalıdır m aracı engelsiz bir görünümü vardır ve görüntü oluşturma daha sonra kullanmak üzere sürekli baş pozisyonu kaydediyor.

   3. Enjeksiyon Pompası hazırlayın
      1. Tarama boyunca dopamin dalgalanmalara PET görüntülerinin duyarlılığı en üst düzeye çıkarmak için rakloprid için uygun infüzyon paradigma ile programı pompa, izleyici yönetmek, ¹¹ C-rakloprid, sabit bir infüzyon ardından bir başlangıç ​​bolus olarak. Infüzyon genel başlangıç ​​bolus teslim edilecek izleyici uygun göreceli miktarları belirlemek için, Carson ve ark yöntemi takip. ²² (dakika cinsinden "Kbol" infüzyon hızı bolus doz oranının hesaplanmasında ) insanlarda ¹¹ C-rakloprid en dürtü yanıtı işlevi konularında bilgi verir. Belirli bir protokole göre izleyici teslim programlanabilir bir infüzyon pompası sürücüler içi bir bilgisayar programı tarafından kontrol edilir.
   4. Hava Filtresi Başlangıçt "> sigara, pozisyon sırasında PET takımından dumanına ortadan kaldırmak için tarayıcının önünde ve konu başının üzerinde bir hava filtresi (Movex A.Ş., Northampton, PA) alımı. getirmek için bir konu için yer bırakın sigara içimi sırasında onun / onun ağzına sigara. filtre çalışma öncesinde açık ve birden fazla tarama yapılması halinde her koşulda kullanılır.

   5. İletim tarama

      9 dakika iletim önce izleyici ve PET tarama satın enjeksiyon tarama edinin. İletim beyin boyunca doğrusal zayıflama katsayısı 3 boyutlu harita oluşturmak için elde edilir. Zayıflama haritası emisyon (PET) görüntülerin yeniden kullanılır.

2. PET Scan
   1. Enjeksiyon ve PET taraması başlar

      Bir sertifikalı nükleer tıp teknoloji izleyici yönetmek gerekir. Genel olarak, iki teknoloji bir ekip izleyici yönetim ve PET veri toplama aynı anda başlatır ly.

   2. Sigara zamanda derecelendirme ölçekleri

      Sigara hemen önce ve şu konuya, sözlü, basit anketler yönetmek. Sigara içen 1-100 bir ölçekte, özlem, nikotin yüksek ve kaçınma duyguları memnuniyeti onun / onu özlem oran gerekir.

   3. Sigara içme

      Bir doğal sigara deneyimi için dopamin yanıt yakalamak için, kendi hızda sigara sigara kendi marka sigara, ve en önemlisi, kendisi tarafından sigara yerine, yerine nikotin veya çalışma tarafından yönetilen sigara için sigara içen talimat personel. Sigara içenler - Bir önceki gece yarısından itibaren kanaatkâr olmuştur - duman arkaya iki sigara. Genellikle iki sigara tamamlamak için 10 dakika sürer.

   4. Derecelendirme ölçekleri sonrası sigara (yukarıda belirtildiği gibi).
3. Post-PET taraması
   1. Kullanarak MOLAR Vicra verileri üzerinden yeniden gönderin tarama tamamlayınsatın alma tamamlandığında ontent "> sonra, liste modu veri (zamanı ve yeri ile her çürüme olayın bir rekor) emisyon görüntü içine yeniden. Merkezimizde kullanılan yeniden algoritması (algoritma tekrarlanan bir Carson, Barker ve ark dağılım, zayıflama, ölü-zaman ve normalleşme, tarayıcı geometri ve nokta-yayılma-fonksiyonu için yüksek frekanslı Vicra kayıtları kullanarak olay düzeyde hareket düzeltir. ^21). Düzeltmeler da algoritma dahildir. yeniden önceden seçilmiş zaman kare 3D PET görüntülerinin dinamik bir dizi üretir.

   2. MR ön işleme ve MR-PET kaydı

      Öznenin MR görüntü ²³ kafatası kaldırmak için standart algoritmaları kullanın. En izleyiciler kafatası tarafından alınmadığı için MR PET uyum önce de-skulled olmalıdır.

4. HYPR ile dinamik PET veri filtre

   Bir varyantı uygulayınmekansal filtreleme yöntemi, Hıristiyan ve ark. ^8,24 çalışmasının ardından bir kare-kare şekilde tüm PET görüntüleri Yüksek Kısıtlı Geriçatma (HYPR-LR). HYPR-LR itiraz biz bizim dopamin filmleri oluşturmak için kullanacağı her voksel aşağılayıcı zamansal bilgisi olmadan mekansal gürültüyü azaltır olmasıdır.

5. MR şablona PET veri hizalayın

   Dönüşüm matrisi 1 verim öznenin MR verilerine PET hizalayın. (Bu genellikle PET erken bir görüntü ile yapılır.) Kayıt MR veri dönüşüm matrisi 2 verim için standart MR şablona. Standart şablon alana HYPR-filtre PET veri kayıt dönüşümleri 1 ve 2 birleştirin. Veriler, izotropik vokseller (2 mm x 2 mm x 2 mm) ile standart bir anatomik boşluk artık.

6. Striatal Maske uygulayın

   Rakloprit striatum kullanılmak üzere arka plan kontrast edilmesi için yeterli sinyal vardır. Bu, beynin bir alandırBu uyuşturucu bağımlılığı rol oynar. Ardından Martinez ve ark. ²⁵ şablon alan tüm PET verilere öncesi commissural striatum (ventral striatum, dorsal kaudat, dorsal putamen) bir maske uygulayın.

7. Iki model voksel tabanlı uyar
   1. Lp-ntPET için dopamin tepki fonksiyonları seçin

      Uyaran mümkün dopamin yanıtları tutarlı tepki fonksiyonları seçin. Tepki fonksiyonları belirli bir dizi seçerek, bir bizim özel teşvik için bekleniyor eğrileri tahmini dopamin yanıtların şekli ve zamanlaması kısıtlayabilirsiniz. Sigara için, bir unimodal artış ve dopamin konsantrasyon sonbahar (bir "gama-değişkenli" şeklinde bir eğri) bekliyoruz. Tarama, 40 dakika (bazı beklenti sağlamak için) ve daha sonra dahil bir "take-off" kez tepki fonksiyonları aileleri içine 45 dakikada sigara durumunda.

   2. Lp-ntPET modeli uygulayın

      Lp-ntPET mod FitNormandin ve ark. ^7'nin yöntemine göre maskelenmiş bölgedeki her bir voksel için PET TAC el. Modelin operasyonel denklemi Şekil 3a'da gösterilmektedir. Her yanıt fonksiyonu ile PET TAC ürünün integrali (operasyonel denklemde son terim bakınız) modeline katkıda doğrusal baz fonksiyonları bir dizi haline gelir. LP-ntPET dinamik PET verilere uyan bir doğrusal, esas işlevi-tabanlı bir yöntem olduğu için, hızlı bir şekilde, izleyici eylem düzenleyen (a) hem de kinetik parametreleri tahmin etmek için uygulanabilir ve göreceli olarak dopamin ve (b) bir zaman profili Her voksel de tarama oturumu sırasında konsantrasyon değişimi,.

      1. WSSR haritaları oluşturmak

         Aşağıdaki kullanım için her voksel (WSSR _lp-ntPET) de verilere lp-ntPET en uyum kare artıkların ağırlıklı toplamı (WSSR) harita, kaydedin. Her voksel modeli takılması izleyici parametrelerin görüntüler üretir: R _1, k _{2 <}/ Sub>, k _2a ve γ. R1, göreceli akış değeri, k _2, referans bölgede akış oranı, k _2a hedef bölgede belirgin akış oranıdır ve γ dopamin sinyalinin büyüklüğü. Her voksel de kare artıkların ağırlıklı toplamı yanı bir görüntü olarak düşünülebilir olabilir.

   3. (Konvansiyonel) Çoklineer Referans Doku Modeli (MRTM) uygulayın

      Maskeli bölgede her voksel de PET zaman faaliyet verileri için ⁹ izleyen MRTM modele uymuştur. Genellikle dinamik PET verilere uygulanan - - lp-ntPET ile aynıdır bir zaman değişen dopamin vadeli yoksun dışında MRTM doğrusal bir modeldir. Sadece üç parametrik görüntülerin voksel-bilge veri verim tahminlerine Montaj MRTM: R _1, k _2, k _2a. Hem de her voksel de verilere MRTM (WSSR _MRTM) en uygun karelerinin haritanın ağırlıklı toplamı kaydedin.

<li> bir F-haritası hesaplayın

Maske her voksel de F-istatistik hesaplayarak kareler haritalar toplamı bir F-haritası oluşturun. F-istatistik, ilgili uyan içinde serbestlik derecesi farklılıklar için düzeltme, WSSR _MRTM için WSSR _lp-ntPET karşılaştırır.

8. Eşik F-haritası

   Bir olasılık çeviren bir değer eşik F-Harita p <0.05 (modele uygun olarak serbestlik derecesi bağlı olarak). Eşik değeri, her voksel aynıdır. PET TAC MRTM ile daha lp-ntPET daha (istatistiksel olarak) uygun olan striatum yalnızca voksellerden korur yeni bir "Önemi Maske" yapmak için harita binarize.

9. Önemi Maske Filtre

   Gürültü nedeniyle olduğu varsayalım voksellerin küçük, izole kümeleri ortadan kaldırmak için Önemi Maske üzerinde morfolojik "açılım" (dilatasyon takip erozyon) gerçekleştirin. Izotropik 2 x 2 x 2 voksel çekirdeği yeniden kullanılır2 voksellerden veya daha küçük çaplarda voksellerin izole grupları taşıyın. Şimdi bir Final Önemi Maske var.

10. Renkli 4D dopamin film oluşturmak

    Final Signifcance Maske her voksel de k _2a ile normalize tahmini dopamin eğrisinin değerini saklayın. Bu veriler "normalize dopamin görüntüleri" oluşturan ve 4 boyutlu olacaktır. Bunlar, etkili bir şekilde, her bir voksel için her bir zaman noktasında nispi dopamin değeri uyaran için önemli bir dopamin yanıt sahip olduğu bulunmuştur. Normalize dopamin görüntülere bir renk arama tablosu uygulayarak bir renk kodlu resim serisi oluşturun. Ilgili MR şablon görüntü üzerindeki renk kodlu dopamin görüntüleri kaplaması. Bir *. Png dosyası olarak renk kodlu görüntü serisi kaydedin. Bu bir tek dilim "dopamin film" dir. Bir film haline ventral striatum içeren her dilim için dopamin film düzenleyin. Bu düzenleme bir çok kesitli dopamin film.

11. Sigara veri ve kontrol veri sim analizilarly

    Incelenmesi gereken her deneysel durum verilere aynı analizi yapın. Bu proje için, biz satın aldı ve iki ayrı koşullarda her konu için verileri analiz: sigara ve kontrol (sigara).

12. Bir kompozit dopamin film oluşturarak kontrol etmek için sigara karşılaştırın

    Farklı koşullar, örneğin başlangıç ​​veya sahte görev vs sigara aynı konu için dopamin film üretin. Başlangıç ​​ve sigara için striatum her dilim için bir konu için bir "kompozit dopamin film" üretin.

13. Film çalıştırın

    Sigara sigara için beynin benzersiz dopaminerjik yanıt oluşturan mekansal ve zamansal desenleri ortaya çıkarmak için "çok kesitli dopamin film" (sonuçlarında gösterilen) oynayın.

Representative Results

Şekil 2. Tek striatal voksel de zaman faaliyet verilerinin düzgünlüğü iki farklı HYPR mekansal filtreler etkileri. Üst satır: (5 x 5 x 5 voksel çekirdek tarafından filtre bir 3 x 3 x 3 voksel çekirdek, süzülür filtre değil) 46.5 dakika merkezli bir 3 dakika çerçeveden ¹¹ C-rakloprid PET emisyon görüntüleri. Orta sıra: (5 x 5 x 5 voksel çekirdek tarafından filtre bir 3 x 3 x 3 voksel çekirdek, süzülür filtre değil) 61.5 dakika merkezli bir 3 dakika çerçeveden ¹¹ C-rakloprid PET emisyon görüntüleri. Alt satır: Sol dorsal kaudat aynı tek voksel yerden Sorumlu zaman aktivite eğrileri. Gürültü daha fazla filtre boyutu ile azalmaktadır da sigara sırasında ¹¹ C-rakloprit alımı (dopamin serbest bir sonucu olarak) belirgin bir daldırma korunmuş olduğunu not edin.

Şekil 3,. Ön-com vardı temsilcisi dopamin tepki fonksiyonları bir seçimNormandin ve ark. ⁷ göre her voksel de PET zaman faaliyet verileri için lp-ntPET modeli montaj için puted. Izleyici enjeksiyon başlar sonra sigara paradigma durumunda, sigara 45 dakika başlar. Nedeniyle sigara kehanette sigara veya diğer ipuçları taşınması örneğin, - - striatal dopamin yanıtları sigara beklentisiyle kodlamak bile biz tepki fonksiyonları güvenli bir şekilde önce sigaraya 5 dakika daha erken başlangıca çıkarmak eğrileri ile sınırlı olabilir gerekçeli (a). Benzer şekilde, eğriler en geç sigara başladıktan sonra 15 dakika daha kat-çıkarmak sınırlıydı. 40 dakika zaman zaman kalkış ile Curves beklentisi nedeniyle mümkün dopaminerjik tepkileri temsil (b) Temsilcisi tepki fonksiyonları her 45 dakika başlangıca kalktıktan;. Sigara başlar zaman. 500 farklı makul tepki fonksiyonları oluşturulur. Örnek için, içinde araziler <strong> (a) ve (b) sadece bir eğri şekiller örnekleme ve kalkış kez göstermektedir.

Şekil 4. Lp-ntPET modeli için (a) operasyonel denklemi. Bu model, striatal maske içindeki her voksel parametre tahminlerinin hızlı hesaplama izin veren (R _1, k _2, K _2a, γ) parametreleri doğrusaldır. (B) 'parametrik görüntü (R _1, k _2, K _2a, γ ) tek bir konu için tek koronal beyin dilim için. Tek başına γ bir dopamin yanıt büyüklüğü, aynı anda tüm 4 izleyici parametrelerin tahmini her voksel de zaman faaliyet verileri için model uygun gerekli kodlar parametre olmasına rağmen.

Şekil 5,. Sol kaudat bir voksel gelen zaman faaliyet verileri için (lp-ntPET) geleneksel (MRTM) ve yeni modellerin uyan. MRTM uygun mavi olduğunu. lp-ntPET uygun kırmızı olduğunu.

Şekil 6. (a) MRTM gelen kare artıkların ağırlıklı toplamı (WSSR) gösterir ve (b) lp-ntPET her striatal voksel de verilere uyuyor. Aynı verilerden üretilen iki WSSR görüntü (c) 'de gösterildiği gibi, her voksel (örneğin, bir F-haritası), önceki F oranı bir haritasını üretmek için karşılaştırılır. (D) F-harita p <0.05 eşiklenir ikili bir önem harita üretmek için (protokolün adım 2.10 'a bakın). N zaman dilimleri ve lp-ntPET modelinin 4 parametreleri, bir olasılık seviyesine karşılık gelen F-istatistik için eşik için, p <0.05 (e (3 dakikalık kare binned veri 90 dakika, eşik 4.23) ) önemi haritası gürültü temsil etmek büyük olasılıkla voksellerin küçük kümeleri ortadan kaldırmak için bir morfolojik filtre (bir "açılım") ile süzülür. Final Önemi Maske olan TAC daha uygun olan striatum sadece bu vokselleri (istatistik koruristically) geleneksel MRTM modeline karşı ve bu nedenle sigara bir dopaminerjik yanıt içeren inanılıyor olarak lp-ntPET modeli. Bu eşik, çoklu karşılaştırmalar için doğru değildir. Bunun yerine, yanlış pozitif bulgular karşı korumak için, biz son önemi bir kontrol koşulu için maskeler de (- 1.10 Şekil 7 ve Protokol Adımlar 1.8 bakınız) oluşturun.

Şekil 7. (A) tek bir konuda sigara durum için son Önemi Maske biri koronal dilim gösterir. Şekil (b) temel durumda karşılık gelen nesne ve bir dilim için son Önemi Maske gösterir. Kontrolü dopamin filmleri (aşağıya bakınız) gürültü ile ilgili sadece şans olaylar veya olaylar olmadığını çekişme destekler maske kümelerin yakın olmaması aksine sigara maskesi tutulan voksellerin kümelerinin varlığı veri. (Not: enjekte aktivite - bird böylece gürültü oranı sinyal - temel ve sigara koşullarda benzerdi).

Şekil 8. Koronal yönde beyin tek bir dilim dopamin film bazal (dinlenme) dopamin seviyesine göre kare-kare dopamin düzeyini gösterir. (A) temel durumun film gösterir ve (b) ve film gösterileri sigara durumu. Dopamin seviyeleri renkli kodlanmıştır. Özellikle, renkleri - karşılık gelen sayısal değerleri ile renk çubuğunda gösterilir - bazal bir yüzde olarak bazal seviyesinden dopamin değişimi temsil eder. Yine, dopamin seviyeleri sadece p <0.05 anlamlılık düzeyinde aşan Final Önemi Maske voksellerden için gösterilmiştir.

9 Şekil. Ventral striatum tüm dilimleri ile Şekil 8'de aynı konu için çok kesitli, çok durumu dopamin film aynı anda f görüntülenir ya da başlangıç ​​ve sigara koşulları.

Şekil 1. Deney ve görüntü analizi işlemleri (AC) bir akış şeması. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .

Şekil 2. Görüntü (üst ve orta) ve tek voksel zaman aktivite eğrileri (alt) farklı çekirdek büyüklükte HYPR filtre Etkileri. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .

/ Files/ftp_upload/50358/50358fig3.jpg "/>
Şekil 3,. Dopamin tepki fonksiyonları örnekleri (a) 40 dakika veya (b) 45 dakika sonrası izleyici enjeksiyon de take-off.

Şekil 4. PET veri LP-ntPET operasyonel denklem (a) montaj tarafından oluşturulan resim parametre. (B) modeli, R _1, k _2, K _2a, γ, bir 4 parametrelerini gösteren görüntüler striatum için değerlendirilir ve gösterilir ilgili MR dilim üst üste. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .

iles/ftp_upload/50358/50358fig5.jpg "/>
Şekil 5,. Tek bir voksel zaman-faaliyet verileri için MRTM (mavi) ve lp-ntPET (kırmızı) modelleri uyan.

6 Şekil. (A) MRTM ve (b) LP-ntPET. Ilgili WSSR harita da ikili bir maskesi (D) eşiklenir ve daha sonra süzüldü, F-haritası (c) oluşturmak için karşılaştırılır için WSSR parametrik görüntüleri Final Önemi Maske üretmek. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .

Şekil 7. Sigara (a) ve kontrol için son Signifcance maskeler Karşılaştırılması

Tek kontrol konu ('Rest') ve sigara koşulları için Şekil 8.Single-dilim dopamin film. Şekil 8 görmek için buraya tıklayın .

(Üst) sigara ve (alt) kontrolü ('Rest') koşullarında tek bir konu için Şekil 9.Multi-dilim dopamin film. Şekil 9 görmek için buraya tıklayın .

Discussion

Sigara dopamin yanıt PET literatürde bulgular ^13-18 tutarsız. Bunun birçok nedeni olabilir. Çeşitli metodolojik zorluklar görüntü sigara için herhangi bir girişimi ile ortaya çıkar. En azından, bir veri, araştırmacılar için ikinci el duman maruz kalma, izleyici alımını ve tutma sadece ince değişikliklere neden dopamin mütevazı ve kısa ömürlü değişiklikler, ¹¹ mümkün hareket eserler ile uğraşmak gerekir C-rakloprid .

Dopamin büyük ve kalıcı yanıt yapay indüksiyon nikotin büyük bir doz bir IV enjeksiyon uygulanması ile mümkün olabilir. Ancak, bu sigara dopamin film oluşturmak bizim temel amaçlarına aykırı olacaktır. Amacımız dikkatle mümkün sigara tüm davranış dopaminerjik yanıt incelemektir. Bağımlılığı araştırmada, önemli bir fark pasif yönetimi arasında yapılırBir konu ve öz-yönetim için ilaç. Amacımız görüntü kendi kendine uygulama oldu - bir sigara içen onun / sigara kendi tercih edilen bir marka - yakalamak ve sigara için kısa dopaminerjik yanıt karakterize etmek amacıyla. PET analizleri genellikle bir ilaç veya başka bir sorun etkilerini tarama süresi uzun ömürlü göreceli olduğunu varsayıyorum. Görüntüleme sigara böylece modelleme ve PET ile deney yenilikler gereklidir.

Bizim protokol Kritik Adımlar

Tarayıcı sigara kolaylaştırılması

1. Görüntü öz-yönetim için (yani, sigara) biz bizim Çevre Sağlığı ve Güvenliği bölümü memnuniyetini ikinci el duman ortadan kaldırmak zorunda kaldı. Bu partiküler madde kaldırmak için bir HEPA filtreden konu çevreleyen hava çeker taşınabilir Hava Filtrasyon sistemi aracılığıyla gerçekleştirildi. Ünite t üzerinde düşürülebilir açık bir kubbe şeklinde alımı kapağı ile donatılmıştıro kişinin yüzünün ama / onu sigara engel değil.
2. Sigara kafa hareketleri neden - Sigara içenlerin kendi el hareket ve kafa hala tutmak için talimat bile. Zaman çerçevesi tek sırasında hareket tarayıcının nokta dağılım fonksiyonu düşürür. Yani, bu görüntülerde bulanıklık katkıda bulunur. Tarama esnasında kafa hareketi de baş emisyon ve iletim sırasında farklı pozisyonlarda olduğu anlamına gelir. Bu uyumsuzluk iletim tarama zayıflama düzeltmek için uygulanır eserler yol açabilir. Vicra baş-izleme sistemi bu konularda hem adresleri ve genellikle sorunu ²⁶ için state-of-the-art çözümü temsil olarak kabul edilir.

Dopamin seviyeleri küçük değişikliklere ¹¹ C-rakloprid alımını hassasiyeti en üst düzeye çıkarma

3. Izleyici yönetici ise bizim grup tarafından önceki simülasyon çalışmaları dopamin seviyelerindeki değişikliklere duyarlılık tarama süresi boyunca düzgün olmadığını belirtti, bir bolus enjeksiyonu ²⁷ yoluyla makta olan. Öte yandan, izli bir ilk bolus yavaş infüzyon ölçüde tarama sırasında herhangi bir zamanda sigara PET veri hassasiyeti eşitlemek için görünür izledi.
4. Dopamin sigara kaynaklı değişiklikler PET veri kendilerini gürültü göre nispeten küçük. Yüksek Kısıtlı Geriçatma İmar (HYPR) ^8,24 son zamanlarda PET uygulanmıştır fMRI veri düzeltme popüler bir yöntemdir. Bu düzlemsel yumuşatma tekniği biz bu, endojen dopamin ile izleyici rekabet temsil zaman-aktivite eğrileri sapmaları olan ilgilendiğiniz verilerin zamansal özelliklerini bozulması olmadan gürültüyü azaltır. Bizim ön çalışma ²⁸ sigara ve temel Condit arasında eşiklenir F-haritalar (yani, muhafaza vokseller sayısı farkı) arasındaki fark maksimize HYPR filtrenin optimal bir tercih olduğunu gösteririyonları. Optimal filtre (sunulan veriler için seçilen) muhtemelen aktivasyon alanının yaklaşık boyutu (Bakınız Şekil 2) için HYPR çekirdek boyutu doğru eşleştirme bağlıdır.
5. Dopamin sigara kaynaklı değişiklikler kısadır. Geleneksel PET analiz yöntemleri geçici nörotransmitter olayların ^25,29 ve yakalama için çok uygundur değildir. Biz simülasyon çalışmaları ve insan verileri ³⁰ kullanarak çeşitli geleneksel analiz eksiklikleri nitelendirmiştir. Bu nedenlerle, bizim laboratuar PET veri ^1-7 dopamin geçici etkisini modellemek için matematiksel bir takım teknikler geliştirdi ve teyit edilmiştir. Normandin ve arkadaşları tarafından yeni bir yenilik. ⁷ bu voksel düzeyde uygulanabilir böylece bizim orijinal ntPET modeli linearize oldu. Bunu yaparken sonucu burada sunulan olanlar gibi bir dopamin film. PET veri dopamin geçici tahmin için yöntemler temel yönlerini previousl onaylanmıştıry: eşzamanlı PET ve Mikrodiyaliz ⁴ geçiren sıçanlarda ve insanlarda görev ^3,4 dokunarak bir parmak yerine.
6. Istatistik testi çeşit şans olaylardan farklı olarak dopamin bonafide değişiklikler izole etmek için gereklidir. Biz tespit ve ölçülebilir dopamin yanıtları içeren büyük olasılıkla resmin bölgelerinde (yani, vokseller) tanımlamak için F-istatistik ("F-oranı" aka) kullanmayı seçtim. F-istatistik, aynı zamanda-faaliyet verileri için iki iç içe modellerin uyan karelerinin toplamları karşılaştırmak için kullanılır. Bu durumda, biz uygun karşılaştırma geleneksel bir model gidememiş bir zaman değişen dopamin dalgalanmalar için bir zamana bağlı vadeli içerir bizim son tanıtılan lp-ntPET modeli dönem ile dopamin. F oranı belirli bir istatistiksel eşiği aşan için sadece bu vokselleri son dopamin filmde korunur.

Sunulan sonuç yorumlanmasına Sınırlamalar

<ol>

Burada sunulan örnek bir sonucu olarak, tabii ki, tam bir çalışmadır. Hareket eser (yukarıya bakınız) farklı olarak - sigara ayrıntılı bir çalışma bir temel koşulu, bir sigara durumu ve hareket kaynaklı dopamin salınımını kontrol etmek için bir sahte sigara durumu içerecektir. Bu çalışmalar Laboratuvarımızda devam etmektedir.

Bu, uygun bir sahte duman oluşumu yapımında çok basit olduğu not edilmelidir. Sigara içenler için, ağızlarına bir sönük sigara getirme sadece hareket dopamin serbest ödüllendirici ve bu nedenle olabilir. Bu nedenle, ancak beklenti için hareket için bir kontrol muhtemelen herhangi bir şekilde bu tür basarak düğme veya manuel nesne manipülasyon gibi sigara ile ilişkili değil bir sigara ponponları alarak benzer çaba ve frekans yönlendirilmiş bir motor hareket değil, bir hareket olacaktır .

Bu yeterince iyi karşılaştırma yapılırsa, belirli bir istatistiksel eşik fazla şans bulgular olacağı kabul edilmektedir ³¹ eski. Biz yapıyoruz karşılaştırmalar geleneksel modelin uyum ve striatum tüm vokseller de lp-ntPET modelinin uyum arasındadır. Şu anda, biz (örneğin, "Bonferroni düzeltmesi") çoklu-karşılaştırmalar için resmi düzeltmek değildir. Bunun yerine, bir sigara duruma ek olarak bir temel durumuna dopamin film analizi uyguladık. Sigara bizim dopamin film sadece tesadüfler sonucu olsaydı, biz sigara veri olarak temel aktivasyon alanların aynı yoğunlukta (supra-eşik voksellerden sayısı) beklenebilir. O (bkz. Şekil 7) açık bir durum değildir.

Elbette, bizim tekniğin tekrarlanabilirliği önemli bir ilgili bir konudur. Biri sigara içen beyin bir sigara bugün ya da yarın ya da gelecek hafta sigara benzer cevap gerektiğini beklenebilir. Biz şu anda bizim dopamin filmlerin test-tekrar test tekrarlanabilirliği değerlendirirken ilgileniyoruz.

Gelecek

jove_content "> Endojen nörotransmiter düzeyindeki bir kısa süreli dalgalanma varlığında PET tracer madde yeni bir modeli geliştirdik. modeli parametreleri lineer olduğu için, çok vokseller hızla ve kolaylıkla hesaplanabilir. uygun bu tür uç Bir voksel-by-voksel olarak PET verileri için bir model bir "film" dir. D2 reseptör izleyici, ¹¹ ile çalışmalar için C-rakloprid, uç nokta bir dopamin film. Dopamin beynin işleme yer alan önemli nörotransmitter bağımlılığı yol açar. bazı uyaranlar (özellikle sigara ve alkol) kısa ömürlü sadece hafif ve muhtemelen dopamin değişiklikleri üretmek için tatmin edici uyaranların, film bu iki uyaranların kötüye çalışmak için onların en büyük potansiyeli olabilir. kullandığımız Eğer bizim bağımlılığı veya kötüye riski göstergesidir dopamin salınımını zamansal ve mekansal biçimlerini belirlemek için dopamin film, daha sonra bu desenleri hastalık hastalığı, risk belirteçleri olarak hizmet, ve olabilir- Desen geri alınamaz varsayarak - göstergeleri (farmakolojik veya bilişsel-) tedavi etkinliği.

Dopamin sistemi onları kısıtlar bizim filmler hakkında bir şey yok. Gerekli olan tek şey aynı hedef için endojen ligand olarak (kolayca değiştirilebilir, yani) dalgalanmalara duyarlı ilgi bir hedef için bir PET izleyici olduğunu. Bugüne kadar, dopamin dışında endojen nörotransmitterlerin güvenilir duyarlı PET tracer tanımlamak için ilerleme durdurma edilmiştir. 2010 yılında serotonin literatür gözden Örneğin, PET ³² ile serotonin salınım tespit etmek için mevcut sınırlı yeteneği ayılma resim boyalı. Son zamanlarda, bazı cesaret verici gelişmeler olmuştur. Bazı yayınlar, insan-olmayan primatlarda ^33-36 endojen serotonin yükselme serotoninin ajanları hassasiyet bildirdi ancak alan insanlar içindeki gösteriler beklemektedir. Biz başka bir yerde tartışıldığı gibi <> 37 destek, endojen nörotransmiter konsantrasyon değişiklikleri duyarlılık dokudan kana radyofarmasötiğin akış kolaylığı ile birlikte reseptörden bir değiştirme optimal oranı oluşan görünmektedir. Serotonin ligandlar doğrulanır ve bu özelliklere sahip olduğu gösterilmiştir sonra, sonra serotonin filmler de mümkün olacaktır.

Halen, reseptör-izleyiciler ile en PET çalışmalarında parametrik görüntülerin nesil yol açar. Bir parametrik görüntü nesne her voksel (yani, beyin) değerlendirildi belirli bir izleyici kinetik model parametrenin bir haritasıdır. Bu SRTM ^38,39 veya bir veya iki doku bölmesi modeli Ri parametrik görüntüleri, bölgesel akış parametre veya BP, bölgesel bağlama potansiyel değeri verir gibi geleneksel modellerin uygulanması. Bu parametrelerin hem kararlı olan süreçler olduğuna inanılmaktadır fizyolojik sabitlerdir. Ancak bazen sistem ve / veya int sürecitutuklandı kararsız. Diğer bir deyişle, bunlar geçicidir. Bu sigara için dopamin kısa ömürlü tepki ile olduğu. Bu gibi durumlarda, tek bir parametre ile görüntü ile geçici dopamin karakterize etmek mümkün değildir. Ne de parametrelerinde kesinlikle zamanla değişmeyen bir model ile veri modellemek için uygundur. Sigara yanıt olarak striatumda dopamin konsantrasyonu değişikliği açıklamak için bir zaman-değişken süresi olan bir model için bir ihtiyaç vardır. Bir dopamin izleyici ile kullanılan bu tür bir modelin doğal çıkış, dopamin bir film. Bu büyük olasılıkla kendi programını en üst düzeye çıkarmak için analiz yeni formlar teşvik ve gerektirecektir fonksiyonel görüntü çıkışının yeni bir şeklidir.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Vicra	NDI Systems, Waterloo, Canada
HRRT	Siemens
Air Filter	Movex, Inc, Northampton, PA	LFK 175	With extractor and clear hood
11C-raclopride			prepared at Yale PET Center from O-Desmethyl precursor
O-Desmethylraclopride	ABX advanced biochemical compounds, Radeberg, Germany	Product #1510	Precursor of 11C-raclopride
Table 1. Materials used.