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Neuroscience

Acquisizione dati standardizzata per la risonanza magnetica sensibile alla neuromelanina della 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

Questo protocollo mostra come acquisire dati di risonanza magnetica sensibile alla neuromelanina della substantia nigra.

Abstract

Il sistema dopaminergico svolge un ruolo cruciale nella cognizione sana (ad esempio, ricompensa l'apprendimento e l'incertezza) e disturbi neuropsichiatrici (ad esempio, morbo di Parkinson e schizofrenia). La neuromelanina è un sottoprodotto della sintesi della dopamina che si accumula nei neuroni dopaminergici della substantia nigra. La risonanza magnetica sensibile alla neuromelanina (NM-MRI) è un metodo non invasivo per misurare la neuromelanina in quei neuroni dopaminergici, fornendo una misura diretta della perdita di cellule dopaminergiche nella substantia nigra e una misura proxy della funzione della dopamina. Sebbene la risonanza magnetica NM abbia dimostrato di essere utile per lo studio di vari disturbi neuropsichiatrici, è sfidata da un campo visivo limitato nella direzione inferiore-superiore con conseguente potenziale perdita di dati dall'esclusione accidentale di parte della substantia nigra. Inoltre, nel campo manca un protocollo standardizzato per l'acquisizione dei dati NM-MRI, un passo fondamentale per facilitare studi multisito su larga scala e la traduzione in clinica. Questo protocollo descrive una procedura passo-passo di posizionamento del volume NM-MRI e controlli di qualità online per garantire l'acquisizione di dati di buona qualità che coprono l'intera substantia nigra.

Introduction

La neuromelanina (NM) è un pigmento scuro presente nei neuroni dopaminergici della substantia nigra (SN) e nei neuroni noradrenergici del locus coeruleus (LC)1,2. La NM è sintetizzata dall'ossidazione ferro-dipendente della dopamina citosolica e della noradrenalina ed è immagazzinata in vacuoli autofagici nel soma3. Appare per la prima volta nell'uomo intorno ai 2-3 anni di età e si accumula con l'età di 1,4,5 anni.

All'interno dei vacuoli contenenti NM dei neuroni SN e LC, la NM forma complessi con il ferro. Questi complessi NM-ferro sono paramagnetici, consentendo la visualizzazione non invasiva della NM utilizzando la risonanza magnetica (MRI)6,7. Le scansioni MRI in grado di visualizzare la NM sono note come MRI NM-SENSITIVE (NM-MRI) e utilizzano effetti di trasferimento di magnetizzazione diretti o indiretti per fornire contrasto tra regioni con alta concentrazione di NM (ad esempio, SN) e la sostanza bianca circostante 8,9.

Il contrasto di trasferimento di magnetizzazione è il risultato dell'interazione tra protoni d'acqua legati macromolecolari (che sono saturi dagli impulsi di trasferimento della magnetizzazione) e i protoni di acqua libera circostanti. Nella NM-MRI, si ritiene che la natura paramagnetica dei complessi NM-ferro accorci il T1 dei protoni di acqua libera circostanti, con conseguente riduzione degli effetti di magnetizzazione-trasferimento in modo che le regioni con maggiore concentrazione di NM appaiano iperintense sulle scansioni NM-MRI10. Al contrario, la sostanza bianca che circonda il SN ha un alto contenuto macromolecolare, con conseguenti grandi effetti di trasferimento della magnetizzazione in modo che queste regioni appaiano ipointense sulle scansioni NM-MRI, fornendo così un elevato contrasto tra il SN e la sostanza bianca circostante.

Nel SN, NM-MRI può fornire un marker di perdita di cellule dopaminergiche11 e funzione del sistema dopaminergico12. Questi due processi sono rilevanti per diversi disturbi neuropsichiatrici e sono supportati da un vasto corpus di lavori clinici e preclinici. Ad esempio, anomalie nella funzione della dopamina sono state ampiamente osservate nella schizofrenia; studi in vivo che utilizzano la tomografia ad emissione di positroni (PET) hanno mostrato un aumento del rilascio di dopamina striatale 13,14,15,16 e un aumento della capacità di sintesi della dopamina 17,18,19,20,21,22 . Inoltre, studi post-mortem hanno dimostrato che i pazienti con schizofrenia hanno aumentato i livelli di tirosina idrossilasi - l'enzima limitante la velocità coinvolto nella sintesi della dopamina - nei gangli della base23 e SN24,25.

Diversi studi hanno studiato i modelli di perdita di cellule dopaminergiche, in particolare nella malattia di Parkinson. Studi post-mortem hanno rivelato che i neuroni dopaminergici pigmentati del SN sono il sito primario della neurodegenerazione nella malattia di Parkinson 26,27 e che, mentre la perdita di cellule SN nella malattia di Parkinson non è correlata con la perdita di cellule nel normale invecchiamento28, è correlata con la durata della malattia 29 . A differenza della maggior parte dei metodi per studiare il sistema dopaminergico, la non invasività, l'economicità e la mancanza di radiazioni ionizzanti rendono la NM-MRI un biomarcatore versatile30.

Il protocollo NM-MRI descritto in questo articolo è stato sviluppato per aumentare sia la riproducibilità all'interno del soggetto che quella trasversale della NM-MRI. Questo protocollo garantisce una copertura completa del SN nonostante la copertura limitata delle scansioni NM-MRI nella direzione inferiore-superiore. Il protocollo utilizza immagini sagittali, coronali e assiali tridimensionali (3D) pesate in T1 (T1w) e i passaggi devono essere seguiti per ottenere il corretto posizionamento dello stack di sezioni. Il protocollo delineato in questo documento è stato utilizzato in più studi31,32 ed è stato ampiamente testato. Wengler et al. hanno completato uno studio sull'affidabilità di questo protocollo in cui le immagini NM-MRI sono state acquisite due volte in ciascun partecipante in più giorni32. I coefficienti di correlazione intra-classe hanno dimostrato un'eccellente affidabilità test-retest di questo metodo per le analisi basate sulla regione di interesse (ROI) e voxelwise, nonché un elevato contrasto nelle immagini.

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Protocol

NOTA: La ricerca condotta per sviluppare questo protocollo è stata eseguita in conformità con le linee guida del New York State Psychiatric Institute Institutional Review Board (IRB # 7655). Un soggetto è stato scansionato per la registrazione del video del protocollo ed è stato ottenuto il consenso informato scritto. Fare riferimento alla Tabella dei materiali per informazioni dettagliate sullo scanner MRI utilizzato in questo protocollo.

1. Parametri di acquisizione MRI

  1. Prepararsi ad acquisire immagini T1w ad alta risoluzione utilizzando una sequenza di eco a gradiente di acquisizione rapida preparata con magnetizzazione 3D (MPRAGE) con i seguenti parametri: risoluzione spaziale = 0,8 x 0,8 x 0,8 mm3; campo visivo (FOV) = 176 x 240 x 240 mm3; tempo di eco (TE) = 3,43 ms; tempo di ripetizione (TR) = 2462 ms; tempo di inversione (TI) = 1060 ms; angolo di rotazione = 8°; fattore di imaging parallelo nel piano (ARC) = 2; fattore di imaging parallelo (ARC) sul piano passante = 233; larghezza di banda = 208 Hz/pixel; Tempo totale di acquisizione = 6 min 39 s.
  2. Prepararsi ad acquisire immagini NM-MRI utilizzando una sequenza di eco richiamata con gradiente bidimensionale (2D) con contrasto di trasferimento di magnetizzazione (2D GRE-MTC) con i seguenti parametri: risoluzione = 0,43 x 0,43 mm2; FOV = 220 x 220 mm2; spessore fetta = 1,5 mm; 20 fette; spazio tra fette = 0 mm; TE = 4,8 ms; TR = 500 ms; angolo di rotazione = 40°; larghezza di banda = 122 Hz/pixel; Offset di frequenza MT = 1,2 kHz; Durata dell'impulso MT = 8 ms; Angolo di rotazione MT = 670°; numero di medie = 5; Tempo totale di acquisizione = 10 min 4 s.
    NOTA: Sebbene i risultati visualizzati utilizzino questi parametri di acquisizione MRI, questo protocollo è valido per vari protocolli di imaging T1w e NM-MRI. Il protocollo NM-MRI dovrebbe coprire ~ 25 mm nella direzione inferiore-superiore per garantire una copertura completa del SN.

2. Posizionamento del volume NM-MRI

  1. Acquisire un'immagine T1w ad alta risoluzione (dimensione voxel isotropa ≤1 mm). Utilizza la riformattazione online subito dopo l'acquisizione delle immagini per creare immagini T1w ad alta risoluzione allineate alla linea di commissura-commusura posteriore anteriore (AC-PC) e alla linea mediana.
    1. Eseguire la riformattazione online utilizzando il software fornito dal fornitore (ad esempio, se si acquisiscono dati su uno scanner GE: MultiPlanar Reconstruction (MPR) in Planning; se si acquisiscono dati su uno scanner Siemens: MPR nella scheda attività 3D; se si acquisiscono dati su uno scanner Philips: MPR nella modalità di rendering del pacchetto VolumeView).
      1. Crea ricostruzioni multiplanari dell'immagine 3D T1w nel piano assiale perpendicolare alla linea AC-PC per coprire l'intero cervello con uno slice-gap minimo.
      2. Crea ricostruzioni multiplanari dell'immagine 3D T1w nel piano coronale perpendicolare alla linea AC-PC per coprire l'intero cervello con uno slice-gap minimo.
      3. Crea ricostruzioni multiplanari dell'immagine 3D T1w nel piano sagittale parallelo alla linea AC-PC per coprire l'intero cervello con uno slice-gap minimo.
  2. Caricate le viste sagittale, coronale e assiale dell'immagine T1w riformattata ad alta risoluzione e assicuratevi che siano presenti linee di riferimento che rappresentano la posizione di ciascuna sezione visualizzata.
  3. Identificare l'immagine sagittale che mostra la più grande separazione tra il mesencefalo e il talamo (Figura 1A). Per fare ciò, ispezionare visivamente le sezioni sagittali dell'immagine T1w riformattata fino a identificare la fetta che mostra questa separazione maggiore.
  4. Utilizzando l'immagine sagittale alla fine del passaggio 2.3, identificare visivamente il piano coronale che delinea l'aspetto più anteriore del mesencefalo (Figura 1B).
  5. Utilizzando l'immagine coronale dalla fine del passaggio 2.4, identificare visivamente il piano assiale che delinea l'aspetto inferiore del terzo ventricolo (Figura 1C).
  6. Nell'immagine sagittale alla fine del passaggio 2.3, allineare il limite superiore del volume NM-MRI al piano assiale identificato nel punto 2.5 (Figura 1D).
  7. Spostare il limite superiore del volume NM-MRI di 3 mm nella direzione superiore (Figura 1E).
  8. Allineare il volume NM-MRI alla linea mediana nelle immagini assiale e coronale (Figura 1F).
  9. Acquisire le immagini NM-MRI.

Figure 1
Figura 1: Immagini che mostrano la procedura passo-passo di posizionamento del volume NM-MRI. Le linee gialle indicano la posizione delle sezioni utilizzate per il posizionamento del volume come descritto nel protocollo. (A) In primo luogo, viene identificata l'immagine sagittale con la maggiore separazione tra il mesencefalo e il talamo (fase 2.3 del protocollo). (B) In secondo luogo, utilizzando l'immagine da A, viene identificato il piano coronale che delinea l'aspetto più anteriore del mesencefalo (passo 2.4). (C) In terzo luogo, sull'immagine coronale dal piano identificato in B, viene identificato il piano assiale che delinea l'aspetto inferiore del terzo ventricolo (passo 2.5). (D) In quarto luogo, il piano assiale identificato in C viene visualizzato sull'immagine sagittale da A (passo 2.6). (E) In quinto luogo, il piano assiale da D è spostato di 3 mm nella direzione superiore e questo piano indica il limite superiore del volume NM-MRI (passo 2.7). (F) Il posizionamento finale del volume NM-MRI in cui l'immagine coronale corrisponde a C, l'immagine sagittale corrisponde ad A e l'immagine assiale corrisponde al piano assiale in E. Il volume NM-MRI è allineato alla linea mediana del cervello nelle immagini coronali e assiali e alla linea AC-PC nell'immagine sagittale (passo 2.8). Parte di questa cifra è stata ristampata con il permesso di Elsevier da 30. Abbreviazioni: NM-MRI = neuromelanina-sensibile alla risonanza magnetica; AC-PC = commissura anteriore-posteriore. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

3. Controlli di qualità

  1. Assicurarsi che le immagini NM-MRI acquisite coprano l'intero SN e che il SN sia visibile nelle immagini centrali ma non nelle immagini più superiori o più inferiori del volume NM-MRI. In caso contrario (Figura 2), ripetere i passaggi 2.3-2.9 per garantire il corretto posizionamento del volume NM-MRI. Se il partecipante si è spostato in modo significativo dall'acquisizione della scansione T1w ad alta risoluzione, ripetere i passaggi 2.1-2.9.

Figure 2
Figura 2: Esempio di acquisizione NM-MRI che non ha superato il primo controllo di qualità (passo 3.1 del protocollo). Ciascuna delle 20 sezioni NM-MRI visualizzate dalla più inferiore (immagine in alto a sinistra) alla più superiore (immagine in basso a destra); La finestra/livello dell'immagine è stata impostata per esagerare il contrasto tra la substantia nigra e il crus cerebri. Le frecce arancioni nelle sezioni 15-19 mostrano la posizione della substantia nigra in quelle fette. La freccia rossa nella fetta più alta (fetta 20) indica che la substantia nigra è ancora visibile in questa fetta e, quindi, l'acquisizione non supera il controllo di qualità. Abbreviazione: NM-MRI = risonanza magnetica sensibile alla neuromelanina. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

  1. Verificare la presenza di artefatti, in particolare quelli che attraversano il SN e la sostanza bianca circostante, ispezionando visivamente ogni fetta della scansione NM-MRI acquisita.
    1. Cerca bruschi cambiamenti nell'intensità del segnale con uno schema lineare che non rispetta i normali confini anatomici. Ad esempio, questa può apparire come una regione a bassa intensità che è affiancata da due regioni ad alta intensità.
    2. Se l'artefatto è il risultato di vasi sanguigni (Figura 3A), conservare le immagini NM-MRI perché questi artefatti saranno molto probabilmente sempre presenti.
    3. Se gli artefatti sono il risultato del movimento della testa del partecipante (Figura 3B), ricordare al partecipante di rimanere il più fermo possibile e riacquisire le immagini NM-MRI secondo il passaggio 3.2.5.
    4. Se gli artefatti sono ambigui (Figura 3C), riacquisire le immagini NM-MRI secondo il passaggio 3.2.5. Al momento della riacquisizione, se gli artefatti rimangono presenti, procedere con queste immagini in quanto sono probabilmente biologiche piuttosto che il risultato di problemi di acquisizione.
    5. Se le immagini NM-MRI superano il controllo di qualità al punto 3.1, copiare il posizionamento precedente del volume NM-MRI. Se le immagini NM-MRI non superano il controllo di qualità nella fase 3.1, ripetere i passaggi 2.3-2.9 per garantire il corretto posizionamento del volume NM-MRI (o i passaggi 2.1-2.9 se il partecipante si è spostato in modo significativo).

Figure 3
Figura 3: Esempi di acquisizioni NM-MRI che non hanno superato il secondo controllo di qualità (passo 3.2 del protocollo). Per ogni caso viene mostrata una sola fetta rappresentativa. (A) Un'acquisizione NM-MRI che non supera il controllo di qualità a causa di un artefatto dei vasi sanguigni (frecce rosse) che è il risultato del vaso sanguigno identificato dalle frecce blu. (B) Un'acquisizione NM-MRI che non supera il controllo di qualità a causa di artefatti di movimento (frecce rosse). (C) Un'acquisizione NM-MRI che non supera il controllo di qualità a causa di un artefatto ambiguo (frecce rosse). Abbreviazione: NM-MRI = risonanza magnetica sensibile alla neuromelanina. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

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Representative Results

La figura 4 mostra i risultati rappresentativi di una partecipante di 28 anni senza disturbi psichiatrici o neurologici. Il protocollo NM-MRI garantisce una copertura completa del SN, ottenuta seguendo la fase 2 del protocollo delineata nella Figura 1, e immagini NM-MRI soddisfacenti seguendo la fase 3 del protocollo. Si può osservare un eccellente contrasto tra la SN e le regioni limitrofe della sostanza bianca con una concentrazione di NM trascurabile (cioè crus cerebri). Queste immagini sono state controllate immediatamente dopo l'acquisizione per garantire la corretta copertura del SN e per verificare la presenza di artefatti. Poiché la copertura completa del SN è stata ottenuta senza artefatti, la scansione ha superato i controlli di qualità e non ha dovuto essere ripetuta.

Figure 4
Figura 4: Esempio di acquisizione NM-MRI rappresentativa. Ciascuna delle 20 sezioni NM-MRI visualizzate dalla più inferiore (immagine in alto a sinistra) alla più superiore (immagine in basso a destra); La finestra / livello dell'immagine è stata impostata per esagerare il contrasto tra la substantia nigra e il crus cerebri di una partecipante di 28 anni senza disturbi psichiatrici o neurologici. Il protocollo NM-MRI garantisce una copertura completa della substantia nigra, una copertura parziale del locus coeruleus e immagini NM-MRI soddisfacenti. Un eccellente contrasto tra la substantia nigra e le regioni limitrofe della sostanza bianca senza concentrazione di neuromelanina (cioè crus cerebrus) può essere visto sulle fette 9-16. L'immagine in basso mostra una vista ingrandita del mesencefalo dalla sezione 13. Abbreviazione: NM-MRI = risonanza magnetica sensibile alla neuromelanina. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

La figura 2 mostra i risultati rappresentativi di una partecipante di 28 anni senza disturbi psichiatrici o neurologici le cui immagini non hanno superato il primo controllo di qualità (fase 3.1). Il SN è visibile nella fetta più superiore (fetta 20), indicando che la copertura completa del SN non è stata raggiunta. In questo caso, i dati devono essere riacquisiti ripetendo i passaggi 2.3-2.9 del protocollo, come illustrato nella Figura 1. Se il partecipante si è spostato in modo significativo dall'acquisizione dell'immagine T1w iniziale, il ricercatore dovrebbe tornare al passaggio 2.1 per riacquisire l'immagine T1w.

Nella Figura 3 vengono illustrate immagini di esempio che non hanno superato il secondo controllo di qualità (passaggio 3.2). Come descritto nel passaggio 3.2, le scansioni contenenti artefatti dovuti ai vasi sanguigni (Figura 3A) non devono essere ripetute, poiché tali artefatti saranno probabilmente presenti in ogni acquisizione. Le scansioni che contengono artefatti risultanti da movimenti (Figura 3B) o artefatti ambigui (Figura 3C) devono essere ripetute. Nel caso di artefatti ambigui, se gli artefatti rimangono presenti dopo la riacquisizione, la scansione non ha bisogno di essere riacquisita ulteriormente poiché gli artefatti sono probabilmente biologici e quindi saranno presenti in ogni acquisizione.

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Discussion

Il sistema dopaminergico svolge un ruolo cruciale nella cognizione sana e nei disturbi neuropsichiatrici. Lo sviluppo di metodi non invasivi che possono essere utilizzati per studiare ripetutamente il sistema dopaminergico in vivo è fondamentale per lo sviluppo di biomarcatori clinicamente significativi. Il protocollo qui descritto fornisce istruzioni dettagliate per l'acquisizione di immagini NM-MRI di buona qualità del SN, incluso il posizionamento del volume NM-MRI e controlli di controllo qualità per garantire dati utilizzabili.

Anche se i protocolli dettagliati per l'analisi dei dati NM-MRI sono stati discussi altrove, per completezza, forniamo un breve riassunto del nostro lavoro precedente e raccomandazioni per la pre-elaborazione delle immagini NM-MRI e delle analisi voxelwise. Questo approccio è stato convalidato in precedenza in combinazione con il protocollo di acquisizione descritto in questo documento. Studi precedenti discutono i vantaggi di questo metodo in modo più dettagliato e forniscono dati a supporto della sua riproducibilità 6,12,32. Si noti tuttavia che il protocollo di acquisizione standardizzato descritto nel presente documento è applicabile a qualsiasi strategia di elaborazione e analisi (inclusa l'analisi basata sul ROI nello spazio nativo o MNI 8,32) e non solo a quella qui descritta.

Per l'analisi delle immagini NM-MRI, è possibile eseguire la pre-elaborazione per correggere il movimento e normalizzare spazialmente i dati dei singoli soggetti in un modello anatomico standard. È consigliabile che la seguente pipeline combini la mappatura statistica parametrica (SPM) e gli strumenti di normalizzazione avanzati (ANT) utilizzi i seguenti strumenti nei passaggi seguenti: (1) SPM-Realign per riallineare e correggere le medie acquisite separatamente per il movimento e SPM-ImCalc per calcolare la media delle immagini riallineate; (2) antsBrainExtraction.sh per l'estrazione cerebrale dell'immagine T1w; (3) antsRegistrationSyN.sh (syn rigido + affine + deformabile) per la normalizzazione spaziale dell'immagine T1w estratta dal cervello nello spazio del template MNI152NLin2009cAsym; (4) antsRegistrationSyN.sh (rigido) per coregistrare l'immagine NM-MRI nell'immagine T1w (nello spazio nativo); (5) antsApplyTransforms per combinare le trasformazioni stimate nelle fasi 3 e 4 in una trasformazione a singolo passo per la normalizzazione spaziale delle immagini NM-MRI nello spazio MNI; e (6) SPM-Smooth con un kernel gaussiano a larghezza intera a metà massima di 1 mm per la levigatura spaziale dell'immagine NM-MRI normalizzata spazialmente. Questa pipeline di elaborazione ha precedentemente dimostrato di raggiungere la massima affidabilità test-retest in letteratura, con un coefficiente di correlazione intra-classe (ICC) medio all'interno del SN di ~ 0,9032. Inoltre, diversi studi precedenti hanno utilizzato pipeline di pre-elaborazione simili 12,31,34,35,36,37.

Dopo la normalizzazione spaziale, le immagini NM-MRI dovrebbero essere analizzate calcolando il rapporto contrasto-rumore ad ogni voxel (CNRV). Il CNR misura la differenza percentuale di segnale tra ciascun voxel (I V) e una regione di sostanza bianca di riferimento nota per avere poco contenuto di NM 12 (crus cerebri, I CC), data dalla seguente formula: CNR V = {[I V- mode(I CC)] / mode(I CC)}*100. I valori del CNRV possono essere mediati per ciascun partecipante per determinare il CNR dell'intero SN o possono essere analizzati a livello voxelwise all'interno del SN. Valori CNR più elevati riflettono l'aumento del contenuto di NM in quel voxel o ROI. A differenza di altri metodi di analisi che definiscono il ROI SN come la regione iperintensa in un'immagine NM-MRI, questo metodo raccomandato utilizza ROI modello predefinito che possono essere ottenuti dalla letteratura12 o disegnati sulla media delle immagini NM-MRI nello spazio MNI in tutti i soggetti dello studio (utilizzando un modello specifico dello studio). Questo metodo non solo è completamente automatizzato, ma rimuove anche la circolarità nell'analisi, tiene conto dell'eterogeneità all'interno del complesso SN-VTA e non limita l'analisi al livello dell'intero ROI. 

Quando si acquisiscono immagini NM-MRI, è fondamentale che le immagini T1w utilizzate per posizionare il volume NM-MRI siano allineate lungo la linea AC-PC. Ciò migliorerà la riproducibilità delle scansioni. È anche importante acquisire le immagini T1w il più vicino possibile nel tempo prima di acquisire le immagini NM-MRI. Poiché l'immagine T1w viene utilizzata per il posizionamento del volume NM-MRI, è importante che rappresenti accuratamente la posizione della testa del partecipante nello scanner. Se il partecipante si è spostato tra la scansione T1w e la scansione NM-MRI, il volume NM-MRI non verrà posizionato in modo appropriato. Ridurre al minimo la quantità di tempo tra l'acquisizione delle immagini T1w e le immagini NM-MRI diminuirà la probabilità che il partecipante si sia spostato tra le scansioni e quindi diminuirà la probabilità che parte del SN non sia inclusa nel volume NM-MRI.

Alcune modifiche al protocollo potrebbero essere necessarie se sorgono problemi con l'acquisizione NM-MRI. Se l'intero SN non è coperto in modo coerente, anche dopo aver corretto il posizionamento del volume, potrebbe essere necessario aumentare il numero di sezioni nel protocollo NM-MRI per catturare l'intero SN. Inoltre, se il partecipante ha difficoltà a rimanere fermo per l'intera scansione NM-MRI, con conseguenti artefatti di movimento coerenti, le singole ripetizioni potrebbero essere acquisite e mediate offline. Ad esempio, invece di completare una scansione di 10 minuti che acquisisce cinque ripetizioni mediate online, è possibile acquisire cinque scansioni di 2 minuti e calcolare la media offline. Ciò darebbe al partecipante l'opportunità di pause tra le ripetizioni e potrebbe aiutarli a rimanere fermi per tutta la durata delle singole scansioni.

Una limitazione di questo protocollo è che non fornisce una copertura completa della LC con protocolli di acquisizione NM-MRI standard, impedendo al sistema noradrenergico di essere studiato a fondo utilizzando questo metodo. Mentre la LC è una struttura che può essere ripresa utilizzando NM-MRI, includere la LC in questo protocollo aumenterebbe il numero di sezioni necessarie per catturare in modo affidabile sia la SN che la LC nella loro interezza. L'aumento del numero di sezioni aumenterebbe, a sua volta, il tempo di scansione per questo protocollo. Poiché queste scansioni sono sensibili al movimento, un aumento del tempo di scansione può produrre immagini di qualità inferiore poiché i partecipanti potrebbero trovare più difficile rimanere fermi per periodi più lunghi, particolarmente problematici nelle popolazioni cliniche. Pertanto, abbiamo scelto di non includere LC in questo protocollo per ridurre al minimo il potenziale di artefatti di movimento nei dati. Studi futuri dovrebbero indagare l'affidabilità dei protocolli NM-MRI con un numero maggiore di fette per visualizzare simultaneamente SN e LC.

Una seconda limitazione di questo protocollo è che l'allineamento AC-PC del volume NM-MRI potrebbe non fornire l'orientamento ottimale per l'imaging del SN. Mentre la linea AC-PC è facile da identificare, questo orientamento non minimizza completamente gli effetti di volume parziale in quanto non è perfettamente perpendicolare al SN. Il lavoro precedente ha utilizzato una sezione assiale obliqua perpendicolare al pavimento del quarto ventricolo per fotografare la SN38,39,40. Mentre questo posizionamento del volume, o uno perpendicolare all'acquedotto cerebrale, può fornire effetti di volume meno parziali rispetto all'allineamento AC-PC, abbiamo scelto di utilizzare la linea AC-PC dati i suoi punti di riferimento chiaramente definiti. La validità di questo allineamento è stata dimostrata in lavori precedenti utilizzando il protocollo sopra delineato, in cui è stata raggiunta un'eccellente affidabilità test-retest32. L'allineamento AC-PC è stato utilizzato anche in diversi altri studi. Cassidy et al. hanno scoperto che i pazienti con dipendenza da cocaina avevano valori SN CNR più alti rispetto ai controlli35. In uno studio su pazienti con depressione in età avanzata, Wengler et al. hanno scoperto che la funzione psicomotoria era correlata con i valori SN CNR36. Un terzo articolo ha anche scoperto che i pazienti di Parkinson avevano ridotto il CNR nel SN mentre i pazienti con psicosi avevano aumentato il CNR nel SN12.

Tuttavia, nessuno studio ha confrontato direttamente diversi metodi di posizionamento del volume, e questa è un'area che la ricerca futura dovrebbe esplorare per determinare quale metodo fornisce la migliore affidabilità test-retest tra più acquisizioni. Le sequenze 3D NM-MRI potrebbero fornire una soluzione alternativa perché offrono una maggiore flessibilità nella riformattazione dopo l'acquisizione. Inoltre, le sequenze 3D raggiungono un rapporto segnale-rumore più elevato rispetto alle sequenze 2D, consentendo potenzialmente una risoluzione spaziale più elevata, ma al costo di una maggiore sensibilità al movimento. Attualmente, 2D-GRE MT è l'unica sequenza NM-MRI ampiamente convalidata, il fattore motivante per utilizzarla per questo protocollo. Studi futuri dovrebbero confrontare il segnale NM-MRI da sequenze 3D con la concentrazione di NM e la funzione della dopamina striatale e la riproducibilità rispetto a 2D-GRE MT prima dell'adozione diffusa.

Questo protocollo presenta vantaggi rispetto ad altri protocolli NM-MRI perché fornisce punti di riferimento facilmente identificabili per il posizionamento del volume NM-MRI, rendendolo altamente riproducibile. Fornisce anche controlli di qualità online, che nessun altro protocollo NM-MRI ha incluso. Questi controlli di qualità consentono allo sperimentatore di riacquisire le immagini se sono di scarsa qualità piuttosto che escludere semplicemente quel soggetto dall'analisi.

La risonanza magnetica NM è uno strumento prezioso che è stato utilizzato per indagare diversi disturbi neuropsichiatrici. La NM-MRI è una misura proxy della funzione della dopamina nella via nigrostriatale12, offrendo così un metodo di esame del sistema dopaminergico in vivo che non richiede procedure invasive come la PET. I pazienti con schizofrenia hanno aumentato il segnale NM nel SN38,41, supportando studi precedenti che hanno rivelato un aumento della funzione dopaminergica nella schizofrenia. Il segnale NM-MRI nel SN è anche correlato con la gravità della psicosi nei pazienti con schizofrenia e quelli ad alto rischio di schizofrenia12. La ricerca ha anche dimostrato che gli individui con disturbo da uso di cocaina hanno aumentato il segnale NM-MRI nelle regioni ventrolaterali del SN35 e che nei pazienti con depressione in età avanzata, il segnale NM-MRI più basso nel SN è correlato al rallentamento motorio36. Inoltre, NM-MRI è stato utilizzato per studiare la perdita di cellule dopaminergiche in condizioni come il morbo di Parkinson.

Kitao e colleghi hanno stabilito che il segnale NM-MRI nel SN è correlato con il numero di neuroni dopaminergici pigmentati nel SN11, e altri hanno dimostrato che il segnale NM-MRI nei neuroni dopaminergici SN è diminuito nella malattia di Parkinson 6,9,39,40. Ulteriori ricerche in pazienti con Parkinson hanno utilizzato la risonanza magnetica NM per mappare il modello topografico della perdita di cellule SN12 e la progressione della perdita di cellule SN nel corso della malattia37. Nel complesso, questo suggerisce che non solo la NM-MRI fornisce informazioni sui componenti chimici sottostanti dei disturbi neuropsichiatrici, ma può anche essere utile come biomarcatore nel prevedere l'insorgenza e la gravità della malattia. Speriamo che il protocollo standardizzato qui presentato faciliti il lavoro futuro per sviluppare biomarcatori clinicamente utili basati su NM-MRI30.

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Disclosures

Horga e Wengler hanno entrambi riferito di avere brevetti per l'analisi e l'uso dell'imaging della neuromelanina nei disturbi del sistema nervoso centrale (WO2021034770A1, WO2020077098A1), concessi in licenza a Terran Biosciences, ma non hanno ricevuto royalties.

Acknowledgments

Il Dr. Horga ha ricevuto il supporto del NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). Il Dr. Wengler ha ricevuto il supporto del 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

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Neuroscienze Numero 175
Acquisizione dati standardizzata per la risonanza magnetica sensibile alla neuromelanina della Substantia Nigra
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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).

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