Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Standardiseret dataindsamling til neuromelaninfølsom magnetisk resonansbilleddannelse af Substantia nigra

Published: September 8, 2021 doi: 10.3791/62493
Automatic Translation
1, 1, *1,2, *1,2
1New York State Psychiatric Institute, 2Department of Psychiatry, Columbia University
* These authors contributed equally

Summary

Denne protokol viser, hvordan man erhverver neuromelaninfølsomme magnetiske resonansbilleddata fra substantia nigra.

Abstract

Det dopaminerge system spiller en afgørende rolle i sund kognition (fx belønningsindlæring og usikkerhed) og neuropsykiatriske lidelser (fx Parkinsons sygdom og skizofreni). Neuromelanin er et biprodukt af dopaminsyntese, der akkumuleres i dopaminerge neuroner af substantia nigra. Neuromelanin-følsom magnetisk resonansbilleddannelse (NM-MRI) er en ikke-invasiv metode til måling af neuromelanin i disse dopaminerge neuroner, hvilket giver et direkte mål for dopaminergisk celletab i substantia nigra og et proxymål for dopaminfunktion. Selvom NM-MR har vist sig at være nyttig til at studere forskellige neuropsykiatriske lidelser, udfordres den af et begrænset synsfelt i den ringere-overlegne retning, hvilket resulterer i det potentielle tab af data fra utilsigtet udelukkelse af en del af substantia nigra. Derudover mangler feltet en standardiseret protokol til erhvervelse af NM-MR-data, et kritisk skridt i at lette store multisite-undersøgelser og oversættelse til klinikken. Denne protokol beskriver en trinvis NM-MR-volumenplaceringsprocedure og online kvalitetskontrol for at sikre erhvervelse af data af god kvalitet, der dækker hele substantia nigra.

Introduction

Neuromelanin (NM) er et mørkt pigment, der findes i dopaminerge neuroner af substantia nigra (SN) og noradrenerge neuroner i locus coeruleus (LC)1,2. NM syntetiseres ved jernafhængig oxidation af cytosolisk dopamin og noradrenalin og opbevares i autofagiske vakuoler i soma3. Det forekommer først hos mennesker omkring 2-3 år og akkumuleres med alderen 1,4,5.

Inden for de NM-holdige vakuoler af SN- og LC-neuroner danner NM komplekser med jern. Disse NM-jernkomplekser er paramagnetiske, hvilket muliggør ikke-invasiv visualisering af NM ved hjælp af magnetisk resonansbilleddannelse (MRI)6,7. MR-scanninger, der kan visualisere NM, er kendt som NM-følsomme MR (NM-MRI) og bruger enten direkte eller indirekte magnetiseringsoverførselseffekter til at give kontrast mellem regioner med høj NM-koncentration (f.eks. SN) og det omgivende hvide stof 8,9.

Magnetiseringsoverførselskontrast er resultatet af interaktionen mellem makromolekylærbundne vandprotoner (som er mættet af magnetiseringsoverførselsimpulserne) og de omgivende frie vandprotoner. I NM-MR menes det, at den paramagnetiske natur af NM-jernkomplekser forkorter T1 af de omgivende frie vandprotoner, hvilket resulterer i reducerede magnetiseringsoverførselseffekter, så regioner med højere NM-koncentration forekommer hyperintense på NM-MR-scanninger10. Omvendt har det hvide stof omkring SN et højt makromolekylært indhold, hvilket resulterer i store magnetiseringsoverførselseffekter, så disse regioner forekommer hypointense på NM-MR-scanninger, hvilket giver høj kontrast mellem SN og omgivende hvidt stof.

I SN kan NM-MR give en markør for dopaminerg celletab11 og dopaminsystemfunktion12. Disse to processer er relevante for flere neuropsykiatriske lidelser og understøttes af en stor mængde klinisk og præklinisk arbejde. For eksempel er abnormiteter i dopaminfunktionen blevet bredt observeret i skizofreni; in vivo-undersøgelser ved hjælp af positronemissionstomografi (PET) har vist øget striatal dopaminfrigivelse 13,14,15,16 og øget dopaminsyntesekapacitet 17,18,19,20,21,22 . Desuden har post mortem-undersøgelser vist, at patienter med skizofreni har øgede niveauer af tyrosinhydroxylase - det hastighedsbegrænsende enzym involveret i dopaminsyntese - i basalganglierne23 og SN24,25.

Flere undersøgelser har undersøgt mønstre af dopaminerg celletab, især i Parkinsons sygdom. Post mortem-undersøgelser har afsløret, at de pigmenterede dopaminerge neuroner i SN er det primære sted for neurodegeneration i Parkinsons sygdom 26,27, og at mens SN-celletab i Parkinsons sygdom ikke er korreleret med celletab i normal aldring28, er det korreleret med sygdommens varighed 29 . I modsætning til de fleste metoder til undersøgelse af det dopaminerge system gør den ikke-invasive, omkostningseffektivitet og mangel på ioniserende stråling NM-MR til en alsidig biomarkør30.

NM-MR-protokollen beskrevet i dette papir blev udviklet til at øge både inden for emnet og på tværs af emner reproducerbarhed af NM-MR. Denne protokol sikrer fuld dækning af SN på trods af den begrænsede dækning af NM-MR-scanninger i den ringere-overlegne retning. Protokollen gør brug af sagittale, koronale og aksiale tredimensionelle (3D) T1-vægtede (T1w) billeder, og trinene skal følges for at opnå korrekt placering af skivestak. Protokollen, der er skitseret i dette papir, er blevet brugt i flere undersøgelser31,32 og blev grundigt testet. Wengler et al. afsluttede en undersøgelse af pålideligheden af denne protokol, hvor NM-MR-billeder blev erhvervet to gange hos hver deltager over flere dage32. Korrelationskoefficienter inden for klassen demonstrerede fremragende test-retest-pålidelighed af denne metode til interesseregion (ROI) -baserede og voxelvise analyser samt høj kontrast i billederne.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

BEMÆRK: Den forskning, der blev udført for at udvikle denne protokol, blev udført i overensstemmelse med New York State Psychiatric Institute Institutional Review Board retningslinjer (IRB # 7655). Et emne blev scannet til optagelse af protokolvideoen, og der blev indhentet skriftligt informeret samtykke. Se materialetabellen for detaljer om MR-scanneren, der bruges i denne protokol.

1. Parametre for MR-erhvervelse

  1. Forbered dig på at erhverve T1w-billeder i høj opløsning ved hjælp af en 3D-magnetiseringsforberedt MPRAGE-sekvens (Rapid Acquisition Gradient echo) med følgende parametre: rumlig opløsning = 0,8 x 0,8 x 0,8 mm3; synsfelt (FOV) = 176 x 240 x 240 mm3; ekkotid (TE) = 3,43 ms; gentagelsestid (TR) = 2462 ms; inversionstid (TI) = 1060 ms; flip vinkel = 8°; in-plane parallel billeddannelsesfaktor (ARC) = 2; gennemgående plan parallel billeddannelsesfaktor (ARC) = 233; båndbredde = 208 Hz/pixel; Samlet anskaffelsestid = 6 min 39 s.
  2. Forbered dig på at erhverve NM-MR-billeder ved hjælp af en todimensionel (2D) gradient tilbagekaldt ekkosekvens med magnetiseringsoverførselskontrast (2D GRE-MTC) med følgende parametre: opløsning = 0,43 x 0,43 mm2; FOV = 220 x 220 mm2; skive-tykkelse = 1,5 mm; 20 skiver; skivegab = 0 mm; TE = 4,8 ms; TR = 500 ms; flip vinkel = 40°; båndbredde = 122 Hz/pixel; MT-frekvensforskydning = 1,2 kHz; MT puls varighed = 8 ms; MT flip vinkel = 670°; antal gennemsnit = 5; Samlet anskaffelsestid = 10 min 4 s.
    BEMÆRK: Selvom de viste resultater brugte disse MR-anskaffelsesparametre, er denne protokol gyldig for forskellige T1w- og NM-MR-billeddannelsesprotokoller. NM-MR-protokollen skal dække ~ 25 mm i den ringere-overlegne retning for at garantere fuldstændig dækning af SN.

2. Placering af NM-MR-volumen

  1. Få et T1w-billede i høj opløsning (≤1 mm isotrop voxelstørrelse). Brug online omformatering direkte efter billedoptagelse til at oprette T1w-billeder i høj opløsning, der er justeret til den forreste commissure-posterior commissure (AC-PC) linje og midterlinjen.
    1. Udfør online omformatering ved hjælp af den software, der leveres af leverandøren (f.eks. hvis du indsamler data om en GE-scanner: MultiPlanar Reconstruction (MPR) i planlægningen; hvis du henter data på en Siemens-scanner: MPR i 3D-opgavekortet; hvis du henter data på en Philips-scanner: MPR i gengivelsestilstanden for VolumeView-pakken).
      1. Opret multiplanar rekonstruktioner af 3D T1w-billedet i det aksiale plan vinkelret på AC-PC-linjen for at dække hele hjernen med minimal skiveafstand.
      2. Opret multiplanar rekonstruktioner af 3D T1w-billedet i koronaplanet vinkelret på AC-PC-linjen for at dække hele hjernen med minimal skivegab.
      3. Opret multiplanar rekonstruktioner af 3D T1w-billedet i sagittalplanet parallelt med AC-PC-linjen for at dække hele hjernen med minimal skivegab.
  2. Indlæs sagittal-, koronale og aksiale visninger af det omformaterede T1w-billede i høj opløsning, og sørg for, at referencelinjer, der viser placeringen af hvert vist udsnit, er til stede.
  3. Identificer det sagittale billede, der viser den største adskillelse mellem mellemhjernen og thalamus (figur 1A). For at gøre dette skal du visuelt inspicere sagittalskiverne i det omformaterede T1w-billede, indtil udsnittet, der viser denne største adskillelse, er identificeret.
  4. Brug det sagittale billede fra slutningen af trin 2.3 til visuelt at identificere det koronale plan, der afgrænser det mest forreste aspekt af mellemhjernen (figur 1B).
  5. Brug koronabilledet fra slutningen af trin 2.4 til visuelt at identificere det aksiale plan, der afgrænser det ringere aspekt af den tredje ventrikel (figur 1C).
  6. På det sagittale billede fra slutningen af trin 2.3 justeres den overlegne grænse for NM-MR-volumenet til det aksiale plan, der er identificeret i trin 2.5 (figur 1D).
  7. Flyt den overlegne grænse for NM-MR-volumenet 3 mm i den overlegne retning (figur 1E).
  8. Juster NM-MR-volumenet til midterlinjen i de aksiale og koronale billeder (figur 1F).
  9. Anskaf NM-MR-billederne.

Figure 1
Figur 1: Billeder, der viser den trinvise NM-MR-volumenplaceringsprocedure. Gule linjer angiver placeringen af de skiver, der bruges til volumenplacering som beskrevet i protokollen. (A) For det første identificeres det sagittale billede med den største adskillelse mellem mellemhjernen og thalamus (trin 2.3 i protokollen). (B) For det andet identificeres koronalplanet ved hjælp af billedet fra A (trin 2.4), der afgrænser det mest forreste aspekt af mellemhjernen (trin 2.4). (C) For det tredje identificeres det aksiale plan, der afgrænser det ringere aspekt af den tredje ventrikel på koronalbilledet fra det plan, der er identificeret i B, (trin 2.5). (D) For det fjerde vises det aksiale plan, der er identificeret i C , på sagittalbilledet fra A (trin 2.6). (E) For det femte forskydes det aksiale plan fra D 3 mm i den overlegne retning, og dette plan angiver den overlegne grænse for NM-MR-volumenet (trin 2.7). (F) Den endelige NM-MR-volumenplacering, hvor koronabilledet svarer til C, det sagittale billede svarer til A, og det aksiale billede svarer til det aksiale plan i E. NM-MR-volumen er justeret til hjernens midterlinje i koronale og aksiale billeder og AC-PC-linjen i det sagittale billede (trin 2.8). En del af dette tal er genoptrykt med tilladelse fra Elsevier fra 30. Forkortelser: NM-MR = neuromelaninfølsom magnetisk resonansbilleddannelse; AC-PC = forreste kommission-posterior kommission. Klik her for at se en større version af denne figur.

3. Kvalitetskontrol

  1. Sørg for, at de erhvervede NM-MR-billeder dækker hele SN, og at SN er synlig i de centrale billeder, men ikke i de mest overlegne eller mest ringere billeder af NM-MR-volumenet. Ellers (figur 2) gentages trin 2.3-2.9 for at sikre korrekt NM-MR-volumenplacering. Hvis deltageren har bevæget sig betydeligt siden erhvervelsen af T1w-scanningen med høj opløsning, gentages trin 2.1-2.9.

Figure 2
Figur 2: Eksempel på en NM-MR-erhvervelse, der mislykkedes den første kvalitetskontrol (trin 3.1 i protokollen). Hver af de 20 NM-MR-skiver, der vises fra de fleste ringere (øverste venstre billede) til mest overlegne (nederste højre billede); Billedvinduet/niveauet blev indstillet til at overdrive kontrasten mellem Substantia nigra og crus cerebri. De orange pile i skiver 15-19 viser placeringen af substantia nigra i disse skiver. Den røde pil i den mest overlegne skive (skive 20) viser, at substantia nigra stadig er synlig i denne skive, og dermed fejler erhvervelsen kvalitetskontrollen. Forkortelse: NM-MR = neuromelaninfølsom magnetisk resonansbilleddannelse. Klik her for at se en større version af denne figur.

  1. Kontroller for artefakter, især dem, der går gennem SN og det omgivende hvide stof, ved visuelt at inspicere hvert udsnit af den erhvervede NM-MR-scanning.
    1. Se efter pludselige ændringer i signalintensitet med et lineært mønster, der ikke respekterer normale anatomiske grænser. For eksempel kan dette forekomme som en lavintensitetsregion, der er flankeret af to højintensitetsregioner.
    2. Hvis artefakten er resultatet af blodkar (figur 3A), skal du beholde NM-MR-billederne, fordi disse artefakter sandsynligvis altid vil være til stede.
    3. Hvis artefakterne er resultatet af deltagerens hovedbevægelse (figur 3B), skal du minde deltageren om at forblive så stille som muligt og generhverve NM-MR-billederne i henhold til trin 3.2.5.
    4. Hvis artefakterne er tvetydige (figur 3C), skal du generhverve NM-MR-billederne i henhold til trin 3.2.5. Ved generhvervelse, hvis artefakterne forbliver til stede, skal du fortsætte med disse billeder, da de sandsynligvis er biologiske snarere end et resultat af erhvervelsesproblemer.
    5. Hvis NM-MR-billederne består kvalitetskontrollen i trin 3.1, skal du kopiere den tidligere NM-MR-volumenplacering. Hvis NM-MR-billederne ikke opfylder kvalitetskontrollen i trin 3.1, gentages trin 2.3-2.9 for at sikre korrekt NM-MR-volumenplacering (eller trin 2.1-2.9, hvis deltageren bevægede sig betydeligt).

Figure 3
Figur 3: Eksempler på NM-MR-anskaffelser, der mislykkedes den anden kvalitetskontrol (trin 3.2 i protokollen). Der vises kun ét repræsentativt udsnit for hvert enkelt tilfælde. (A) En NM-MR-erhvervelse, der mislykkes kvalitetskontrollen på grund af en blodkarartefakt (røde pile), der er resultatet af blodkaret identificeret af de blå pile. (B) En NM-MR-erhvervelse, der ikke består kvalitetskontrollen på grund af bevægelsesartefakter (røde pile). (C) En NM-MR-erhvervelse, der mislykkes kvalitetskontrollen på grund af en tvetydig artefakt (røde pile). Forkortelse: NM-MR = neuromelaninfølsom magnetisk resonansbilleddannelse. Klik her for at se en større version af denne figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 4 viser de repræsentative resultater fra en 28-årig kvindelig deltager uden psykiatriske eller neurologiske lidelser. NM-MR-protokollen sikrer fuldstændig dækning af SN, opnået ved at følge trin 2 i protokollen beskrevet i figur 1, og tilfredsstillende NM-MR-billeder ved at følge trin 3 i protokollen. Fremragende kontrast mellem SN og nærliggende hvide stofregioner med ubetydelig NM-koncentration (dvs. crus cerebri) kan ses. Disse billeder blev kontrolleret umiddelbart efter erhvervelsen for at sikre korrekt dækning af SN og for at kontrollere artefakter. Fordi fuld dækning af SN blev opnået uden artefakter, bestod scanningen kvalitetskontrollen og behøvede ikke at blive gentaget.

Figure 4
Figur 4: Eksempel på en repræsentativ NM-MR-erhvervelse. Hver af de 20 NM-MR-skiver, der vises fra de fleste ringere (øverste venstre billede) til mest overlegne (nederste højre billede); Billedvinduet/niveauet var sat til at overdrive kontrasten mellem substantia nigra og crus cerebri fra en 28-årig kvindelig deltager uden psykiatriske eller neurologiske lidelser. NM-MR-protokollen sikrer fuldstændig dækning af substantia nigra, delvis dækning af locus coeruleus og tilfredsstillende NM-MR-billeder. Fremragende kontrast mellem substantia nigra og nærliggende hvide stofregioner uden neuromelaninkoncentration (dvs. crus cerebrus) kan ses på skiver 9-16. Billedet nederst viser et zoomet billede af mellemhjernen fra skive 13. Forkortelse: NM-MR = neuromelaninfølsom magnetisk resonansbilleddannelse. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 2 viser de repræsentative resultater fra en 28-årig kvindelig deltager uden psykiatriske eller neurologiske lidelser, hvis billeder ikke bestod den første kvalitetskontrol (trin 3.1). SN er synlig i den mest overlegne skive (skive 20), hvilket indikerer, at der ikke blev opnået fuld dækning af SN. I dette tilfælde skal dataene generhverves ved at gentage trin 2.3-2.9 i protokollen, som vist i figur 1. Hvis deltageren har bevæget sig væsentligt siden erhvervelsen af det oprindelige T1w-billede, skal forskeren vende tilbage til trin 2.1 for at generhverve T1w-billedet.

Figur 3 viser eksempler på billeder, der ikke bestod den anden kvalitetskontrol (trin 3.2). Som beskrevet i trin 3.2 behøver scanninger, der indeholder artefakter på grund af blodkar (figur 3A), ikke gentages, da disse artefakter sandsynligvis vil være til stede ved enhver erhvervelse. Scanninger, der indeholder artefakter, der stammer fra bevægelse (figur 3B) eller tvetydige artefakter (figur 3C), skal gentages. I tilfælde af tvetydige artefakter, hvis artefakterne forbliver til stede efter generhvervelse, behøver scanningen ikke at blive generhvervet yderligere, da artefakterne sandsynligvis er biologiske og derfor vil være til stede i hver erhvervelse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Det dopaminerge system spiller en afgørende rolle i sund kognition og neuropsykiatriske lidelser. Udviklingen af ikke-invasive metoder, der kan bruges til gentagne gange at undersøge det dopaminerge system in vivo , er afgørende for udviklingen af klinisk meningsfulde biomarkører. Protokollen, der er beskrevet her, indeholder trinvise instruktioner til erhvervelse af NM-MR-billeder af SN af god kvalitet, herunder placering af NM-MR-volumen og kvalitetskontrolkontrol for at sikre brugbare data.

Selvom detaljerede protokoller til analyse af NM-MR-data er blevet diskuteret andetsteds, giver vi for fuldstændighed et kort resumé af vores tidligere arbejde og anbefalinger til forbehandling af NM-MR-billeder og voxelwise-analyser. Denne tilgang er tidligere blevet valideret i forbindelse med den anskaffelsesprotokol, der er beskrevet i dette papir. Tidligere undersøgelser diskuterer fordelene ved denne metode mere detaljeret og giver data, der understøtter dens reproducerbarhed 6,12,32. Bemærk dog, at den standardiserede anskaffelsesprotokol, der er beskrevet heri, gælder for enhver behandlings- og analysestrategi (herunder ROI-baseret analyse i native eller MNI-rum 8,32) og ikke kun den, der er beskrevet her.

Til analyse af NM-MR-billeder kan forbehandling udføres for at korrigere for bevægelse og for rumligt at normalisere individuelle emnedata til en standard anatomisk skabelon. Vi anbefaler følgende pipeline, der kombinerer statistisk parametrisk kortlægning (SPM) og avancerede normaliseringsværktøjer (ANT'er) for at bruge følgende værktøjer i følgende trin: (1) SPM-Realign for at justere og korrigere separat erhvervede gennemsnit for bevægelse og SPM-ImCalc for at gennemsnit de justerede billeder; (2) antsBrainExtraction.sh til hjerneekstraktion af T1w-billedet; (3) antsRegistrationSyN.sh (stiv + affin + deformerbar syn) til rumlig normalisering af det hjerneudtrukne T1w-billede til MNI152NLin2009cAsym-skabelonrummet; (4) antsRegistrationSyN.sh (stiv) til at koregistrere NM-MR-billedet til T1w-billedet (i det oprindelige rum) (5) myrerApplyTransforms for at kombinere transformationerne estimeret i trin 3 og 4 til en enkelttrinstransformation til rumlig normalisering af NM-MR-billederne til MNI-rummet; og (6) SPM-Smooth med en 1 mm gaussisk kerne i fuld bredde ved halv maksimum til rumlig udjævning af det rumligt normaliserede NM-MR-billede. Denne behandlingspipeline har tidligere vist sig at opnå den højeste test-retest-pålidelighed i litteraturen med en gennemsnitlig korrelationskoefficient inden for klassen (ICC) inden for SN på ~0,9032. Desuden har flere tidligere undersøgelser brugt lignende forbehandlingsrørledninger 12,31,34,35,36,37.

Efter rumlig normalisering skal NM-MR-billederne analyseres ved at beregne kontrast-støj-forholdet ved hver voxel (CNRV). CNR måler den procentvise signalforskel mellem hver voxel (I V) og et referenceområde med hvidt stof, der vides at have lidt NM-indhold 12 (crus cerebri, I CC), givet ved følgende formel: CNR V = {[I V- mode (I CC)] / mode (I CC)}*100. CNRV-værdier kan beregnes som gennemsnit for hver deltager for at bestemme CNR for hele SN eller kan analyseres på voxelwise-niveau inden for SN. Højere CNR-værdier afspejler øget NM-indhold i den pågældende voxel eller ROI. I modsætning til nogle andre analysemetoder, der definerer SN ROI som den hyperintense region i et NM-MR-billede, bruger denne anbefalede metode foruddefinerede skabelon-ROI'er, der kan opnås fra litteraturen12 eller tegnes i gennemsnit af NM-MR-billeder i MNI-rummet på tværs af alle emner i undersøgelsen (ved hjælp af en undersøgelsesspecifik skabelon). Ikke alene er denne metode fuldt automatiseret, den fjerner også cirkularitet i analysen, tegner sig for heterogenitet inden for SN-VTA-komplekset og begrænser ikke analysen til hele ROI-niveauet. 

Ved erhvervelse af NM-MR-billeder er det afgørende, at de T1w-billeder, der bruges til at placere NM-MR-volumenet, er justeret langs AC-PC-linjen. Dette vil forbedre reproducerbarheden af scanningerne. Det er også vigtigt at erhverve T1w-billederne så tæt på tiden, før de erhverver NM-MR-billederne som muligt. Da T1w-billedet bruges til NM-MR-volumenplacering, er det vigtigt, at det nøjagtigt repræsenterer placeringen af deltagerens hoved i scanneren. Hvis deltageren har bevæget sig mellem T1w-scanningen og NM-MR-scanningen, vil NM-MR-volumen ikke blive placeret korrekt. Minimering af tidsrummet mellem erhvervelse af T1w-billederne og NM-MR-billederne vil mindske sandsynligheden for, at deltageren har bevæget sig mellem scanninger og dermed mindske sandsynligheden for, at en del af SN ikke er inkluderet i NM-MR-volumenet.

Nogle ændringer af protokollen kan være nødvendige, hvis der opstår problemer med NM-MR-erhvervelsen. Hvis hele SN ikke er konsekvent dækket, selv efter at have korrigeret volumenplaceringen, skal antallet af skiver i NM-MR-protokollen muligvis øges for at fange hele SN. Derudover, hvis deltageren har svært ved at forblive stille i hele NM-MR-scanningen, hvilket resulterer i konsistente bevægelsesartefakter, kan individuelle gentagelser erhverves og beregnes i gennemsnit offline. For eksempel, i stedet for at gennemføre en 10-minutters scanning, der erhverver fem gentagelser i gennemsnit online, kunne fem 2-minutters scanninger erhverves og gennemsnitligt offline. Dette vil give deltageren mulighed for pauser mellem gentagelser og kan hjælpe dem med at forblive stille under de enkelte scanninger.

En begrænsning ved denne protokol er, at den ikke giver fuld dækning af LC med standard NM-MR-anskaffelsesprotokoller, hvilket forhindrer det noradrenerge system i at blive grundigt undersøgt ved hjælp af denne metode. Mens LC er en struktur, der kan afbildes ved hjælp af NM-MR, vil inkludering af LC i denne protokol øge antallet af skiver, der kræves for pålideligt at fange både SN og LC i deres helhed. Forøgelse af antallet af skiver vil igen øge scanningstiden for denne protokol. Fordi disse scanninger er følsomme over for bevægelse, kan en stigning i scanningstiden producere billeder af lavere kvalitet, da deltagerne kan have sværere ved at forblive stille i længere perioder - især problematisk i kliniske populationer. Derfor valgte vi ikke at inkludere LC i denne protokol for at minimere potentialet for bevægelsesartefakter i dataene. Fremtidige undersøgelser bør undersøge pålideligheden af NM-MR-protokoller med et større antal skiver for samtidig at afbilde SN og LC.

En anden begrænsning af denne protokol er, at AC-PC-justeringen af NM-MR-volumen muligvis ikke giver den optimale orientering til billeddannelse af SN. Mens AC-PC-linjen er let at identificere, minimerer denne orientering ikke helt delvise volumeneffekter, da den ikke er perfekt vinkelret på SN. Tidligere arbejde har brugt en skrå aksial sektion vinkelret på gulvet i den fjerde ventrikel til at afbilde SN38,39,40. Mens denne volumenplacering eller en vinkelret på cerebral akvædukten kan give mindre delvise volumeneffekter end AC-PC-justering, valgte vi at bruge AC-PC-linjen på grund af dens klart definerede vartegn. Gyldigheden af denne justering blev vist i tidligere arbejde ved hjælp af den ovenfor skitserede protokol, hvor fremragende test-retest-pålidelighed blev opnået32. AC-PC-justering er også blevet brugt i flere andre undersøgelser. Cassidy et al. fandt ud af, at patienter med kokainafhængighed havde højere SN CNR-værdier end kontrol35. I en undersøgelse af patienter med depression i det sene liv fandt Wengler et al., at psykomotorisk funktion var korreleret med SN CNR-værdier36. Et tredje papir fandt også, at Parkinsons patienter havde reduceret CNR i SN, mens patienter med psykose havde øget CNR i SN12.

Ingen undersøgelse har imidlertid direkte sammenlignet forskellige volumenplaceringsmetoder, og dette er et område, som fremtidig forskning bør undersøge for at bestemme, hvilken metode der giver den bedste test-retest-pålidelighed på tværs af flere erhvervelser. 3D NM-MR-sekvenser kan give en alternativ løsning, fordi de giver større fleksibilitet i omformatering efter erhvervelse. Desuden opnår 3D-sekvenser et højere signal-støj-forhold end 2D-sekvenser, hvilket potentielt giver mulighed for højere rumlig opløsning, men kommer på bekostning af øget følsomhed over for bevægelse. I øjeblikket er 2D-GRE MT den eneste omfattende validerede NM-MR-sekvens - den motiverende faktor for at bruge den til denne protokol. Fremtidige undersøgelser bør sammenligne NM-MR-signal fra 3D-sekvenser med NM-koncentration og striatal dopaminfunktion og reproducerbarhed i sammenligning med 2D-GRE MT før udbredt vedtagelse.

Denne protokol har fordele i forhold til andre NM-MR-protokoller, fordi den giver let identificerbare vartegn til NM-MR-volumenplacering, hvilket gør den meget reproducerbar. Det giver også online kvalitetskontrol, som ingen anden NM-MR-protokol har inkluderet. Disse kvalitetskontroller gør det muligt for eksperimentatoren at generhverve billeder, hvis de er af dårlig kvalitet i stedet for blot at udelukke emnet fra analysen.

NM-MR er et værdifuldt værktøj, der er blevet brugt til at undersøge flere neuropsykiatriske lidelser. NM-MR er et proxy-mål for dopaminfunktion i nigrostriatalvejen12 og tilbyder således en metode til undersøgelse af in vivo dopaminerge system, der ikke kræver invasive procedurer såsom PET. Patienter med skizofreni har øget NM-signalet i SN38,41, hvilket understøtter tidligere undersøgelser, der har afsløret øget dopaminerg funktion i skizofreni. NM-MR-signal i SN korrelerer også med psykose sværhedsgrad hos patienter med skizofreni og dem med høj risiko for skizofreni12. Forskning har også vist, at personer med kokainbrugsforstyrrelse har øget NM-MR-signal i de ventrolaterale regioner i SN35, og at hos patienter med depression i det sene liv er lavere NM-MR-signal i SN korreleret med motorisk afmatning36. Derudover er NM-MR blevet brugt til at studere dopaminerge celletab i tilstande som Parkinsons sygdom.

Kitao og kolleger fastslog, at NM-MR-signal i SN er korreleret med antallet af pigmenterede dopaminerge neuroner i SN11, og andre har vist, at NM-MR-signal i SN dopaminerge neuroner er nedsat i Parkinsons sygdom 6,9,39,40. Yderligere forskning i Parkinsons patienter har brugt NM-MR til at kortlægge det topografiske mønster af SN-celletab12 og progressionen af SN-celletab i løbet af sygdommen37. Alt i alt tyder dette på, at NM-MR ikke kun giver indsigt i de underliggende kemiske komponenter i neuropsykiatriske lidelser, men det kan også være nyttigt som biomarkør til forudsigelse af sygdomsdebut og sværhedsgrad. Vi håber, at den standardiserede protokol, der præsenteres her, vil lette det fremtidige arbejde med at udvikle klinisk nyttige biomarkører baseret på NM-MR30.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Dr. Horga og Wengler rapporterede hver især at have patenter til analyse og brug af neuromelaninbilleddannelse i sygdomme i centralnervesystemet (WO2021034770A1, WO2020077098A1), licenseret til Terran Biosciences, men har ikke modtaget nogen royalties.

Acknowledgments

Dr. Horga modtog støtte fra NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). Dr. Wengler modtog støtte fra NIMH (F32-MH125540).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3T Magnetic Resonance Imaging General Electric GE SIGNA Premier with 48-channel head coil

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Zecca, L., et al. New melanic pigments in the human brain that accumulate in aging and block environmental toxic metals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (45), 17567-17572 (2008).
  2. Zucca, F. A., et al. The neuromelanin of human substantia nigra: physiological and pathogenic aspects. Pigment Cell Research. 17 (6), 610-617 (2004).
  3. Sulzer, D., et al. Neuromelanin biosynthesis is driven by excess cytosolic catecholamines not accumulated by synaptic vesicles. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 97 (22), 11869-11874 (2000).
  4. Cowen, D. The melanoneurons of the human cerebellum (nucleus pigmentosus cerebellaris) and homologues in the monkey. Journal of Neuropathology & Experimental Neurology. 45 (3), 205-221 (1986).
  5. Zecca, L., et al. The absolute concentration of nigral neuromelanin, assayed by a new sensitive method, increases throughout the life and is dramatically decreased in Parkinson's disease. FEBS Letters. 510 (3), 216-220 (2002).
  6. Sulzer, D., et al. Neuromelanin detection by magnetic resonance imaging (MRI) and its promise as a biomarker for Parkinson's disease. NPJ Parkinson's Disease. 4 (1), 11 (2018).
  7. Zucca, F. A., et al. Neuromelanin organelles are specialized autolysosomes that accumulate undegraded proteins and lipids in aging human brain and are likely involved in Parkinson's disease. NPJ Parkinson's Disease. 4 (1), 17 (2018).
  8. Chen, X., et al. Simultaneous imaging of locus coeruleus and substantia nigra with a quantitative neuromelanin MRI approach. Magnetic Resonance Imaging. 32 (10), 1301-1306 (2014).
  9. Sasaki, M., et al. Neuromelanin magnetic resonance imaging of locus ceruleus and substantia nigra in Parkinson's disease. Neuroreport. 17 (11), 1215-1218 (2006).
  10. Trujillo, P., et al. Contrast mechanisms associated with neuromelanin-MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 78 (5), 1790-1800 (2017).
  11. Kitao, S., et al. Correlation between pathology and neuromelanin MR imaging in Parkinson's disease and dementia with Lewy bodies. Neuroradiology. 55 (8), 947-953 (2013).
  12. Cassidy, C. M., et al. Neuromelanin-sensitive MRI as a noninvasive proxy measure of dopamine function in the human brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (11), 5108-5117 (2019).
  13. Abi-Dargham, A., et al. Increased striatal dopamine transmission in schizophrenia: confirmation in a second cohort. American Journal of Psychiatry. 155 (6), 761-767 (1998).
  14. Laruelle, M., et al. Single photon emission computerized tomography imaging of amphetamine-induced dopamine release in drug-free schizophrenic subjects. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 93 (17), 9235-9240 (1996).
  15. Breier, A., et al. Schizophrenia is associated with elevated amphetamine-induced synaptic dopamine concentrations: evidence from a novel positron emission tomography method. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 94 (6), 2569-2574 (1997).
  16. Abi-Dargham, A., et al. Increased baseline occupancy of D-2 receptors by dopamine in schizophrenia. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 97 (14), 8104-8109 (2000).
  17. Hietala, J., et al. Presynaptic dopamine function in striatum of neuroleptic-naive schizophrenic patients. Lancet. 346 (8983), 1130-1131 (1995).
  18. Lindström, L. H., et al. Increased dopamine synthesis rate in medial prefrontal cortex and striatum in schizophrenia indicated by L-(β-11C) DOPA and PET. Biological Psychiatry. 46 (5), 681-688 (1999).
  19. Meyer-Lindenberg, A., et al. Reduced prefrontal activity predicts exaggerated striatal dopaminergic function in schizophrenia. Nature Neuroscience. 5 (3), 267-271 (2002).
  20. McGowan, S., Lawrence, A. D., Sales, T., Quested, D., Grasby, P. Presynaptic dopaminergic dysfunction in schizophrenia: a positron emission tomographic [18F] fluorodopa study. Archives of General Psychiatry. 61 (2), 134-142 (2004).
  21. Bose, S. K., et al. Classification of schizophrenic patients and healthy controls using [18F] fluorodopa PET imaging. Schizophrenia Research. 106 (2-3), 148-155 (2008).
  22. Kegeles, L. S., et al. Increased synaptic dopamine function in associative regions of the striatum in schizophrenia. Archives of General Psychiatry. 67 (3), 231-239 (2010).
  23. Toru, M., et al. Neurotransmitters, receptors and neuropeptides in post-mortem brains of chronic schizophrenic patients. Acta Psychiatrica Scandinavica. 78 (2), 121-137 (1988).
  24. Perez-Costas, E., Melendez-Ferro, M., Rice, M. W., Conley, R. R., Roberts, R. C. Dopamine pathology in schizophrenia: analysis of total and phosphorylated tyrosine hydroxylase in the substantia nigra. Frontiers in Psychiatry. 3, 31 (2012).
  25. Howes, O. D., et al. Midbrain dopamine function in schizophrenia and depression: a post-mortem and positron emission tomographic imaging study. Brain. 136 (11), 3242-3251 (2013).
  26. Bernheimer, H., Birkmayer, W., Hornykiewicz, O., Jellinger, K., Seitelberger, F. Brain dopamine and the syndromes of Parkinson and Huntington Clinical, morphological and neurochemical correlations. Journal of the Neurological Sciences. 20 (4), 415-455 (1973).
  27. Hirsch, E., Graybiel, A. M., Agid, Y. A. Melanized dopaminergic neurons are differentially susceptible to degeneration in Parkinson's disease. Nature. 334 (6180), 345 (1988).
  28. Fearnley, J. M., Lees, A. J. Ageing and Parkinson's disease: substantia nigra regional selectivity. Brain. 114 (5), 2283-2301 (1991).
  29. Damier, P., Hirsch, E., Agid, Y., Graybiel, A. The substantia nigra of the human brain: II. Patterns of loss of dopamine-containing neurons in Parkinson's disease. Brain. 122 (8), 1437-1448 (1999).
  30. Horga, G., Wengler, K., Cassidy, C. M. Neuromelanin-sensitive magnetic resonance imaging as a proxy marker for catecholamine function in psychiatry. JAMA Psychiatry. 78 (7), 788-789 (2021).
  31. Wengler, K., et al. Cross-scanner harmonization of neuromelanin-sensitive MRI for multisite studies. Journal of Magnetic Resonance Imaging. , (2021).
  32. Wengler, K., He, X., Abi-Dargham, A., Horga, G. Reproducibility assessment of neuromelanin-sensitive magnetic resonance imaging protocols for region-of-interest and voxelwise analyses. NeuroImage. 208, 116457 (2020).
  33. Griswold, M. A., et al. Generalized autocalibrating partially parallel acquisitions (GRAPPA). Magnetic Resonance in Medicine. 47 (6), 1202-1210 (2002).
  34. vander Pluijm, M., et al. Reliability and reproducibility of neuromelanin-sensitive imaging of the substantia nigra: a comparison of three different sequences. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 53 (5), 712-721 (2020).
  35. Cassidy, C. M., et al. Evidence for dopamine abnormalities in the substantia nigra in cocaine addiction revealed by neuromelanin-sensitive MRI. American Journal of Psychiatry. 177 (11), 1038-1047 (2020).
  36. Wengler, K., et al. Association between neuromelanin-sensitive MRI signal and psychomotor slowing in late-life depression. Neuropsychopharmacology. 46, 1233-1239 (2020).
  37. Biondetti, E., et al. Spatiotemporal changes in substantia nigra neuromelanin content in Parkinson's disease. Brain. 143 (9), 2757-2770 (2020).
  38. Shibata, E., et al. Use of neuromelanin-sensitive MRI to distinguish schizophrenic and depressive patients and healthy individuals based on signal alterations in the substantia nigra and locus ceruleus. Biological Psychiatry. 64 (5), 401-406 (2008).
  39. Fabbri, M., et al. Substantia nigra neuromelanin as an imaging biomarker of disease progression in Parkinson's disease. Journal of Parkinson's Disease. 7 (3), 491-501 (2017).
  40. Matsuura, K., et al. Neuromelanin magnetic resonance imaging in Parkinson's disease and multiple system atrophy. European Neurology. 70 (1-2), 70-77 (2013).
  41. Watanabe, Y., et al. Neuromelanin magnetic resonance imaging reveals increased dopaminergic neuron activity in the substantia nigra of patients with schizophrenia. PLoS One. 9 (8), 104619 (2014).

Tags

Neurovidenskab udgave 175
Standardiseret dataindsamling til neuromelaninfølsom magnetisk resonansbilleddannelse af Substantia nigra
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Salzman, G., Kim, J., Horga, G.,… More

Salzman, G., Kim, J., Horga, G., Wengler, K. Standardized Data Acquisition for Neuromelanin-Sensitive Magnetic Resonance Imaging of the Substantia Nigra. J. Vis. Exp. (175), e62493, doi:10.3791/62493 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter