Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Standardiserad datainsamling för neuromelaninkänslig magnetisk resonansavbildning av 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

Detta protokoll visar hur man förvärvar neuromelaninkänsliga magnetiska resonansavbildningsdata från substantia nigra.

Abstract

Det dopaminerga systemet spelar en avgörande roll för hälsosam kognition (t.ex. belöningsinlärning och osäkerhet) och neuropsykiatriska störningar (t.ex. Parkinsons sjukdom och schizofreni). Neuromelanin är en biprodukt av dopaminsyntes som ackumuleras i dopaminerga neuroner i substantia nigra. Neuromelaninkänslig magnetisk resonanstomografi (NM-MRI) är en icke-invasiv metod för att mäta neuromelanin i dessa dopaminerga neuroner, vilket ger ett direkt mått på dopaminerg cellförlust i substantia nigra och ett proxymått på dopaminfunktionen. Även om NM-MRI har visat sig vara användbart för att studera olika neuropsykiatriska störningar, utmanas det av ett begränsat synfält i underlägsen-överlägsen riktning vilket resulterar i potentiell förlust av data från oavsiktlig uteslutning av en del av substantia nigra. Dessutom saknar fältet ett standardiserat protokoll för insamling av NM-MRI-data, ett kritiskt steg för att underlätta storskaliga multisitestudier och översättning till kliniken. Detta protokoll beskriver ett steg-för-steg NM-MRI-volymplaceringsförfarande och online-kvalitetskontrollkontroller för att säkerställa insamling av data av god kvalitet som täcker hela substantia nigra.

Introduction

Neuromelanin (NM) är ett mörkt pigment som finns i dopaminerga neuroner av substantia nigra (SN) och noradrenerga neuroner i locus coeruleus (LC)1,2. NM syntetiseras genom järnberoende oxidation av cytosoliskt dopamin och noradrenalin och lagras i autofagiska vakuoler i soma3. Det förekommer först hos människor runt 2-3 års ålder och ackumuleras medålder 1,4,5.

Inom de NM-innehållande vakuolerna av SN- och LC-neuroner bildar NM komplex med järn. Dessa NM-järnkomplex är paramagnetiska, vilket möjliggör icke-invasiv visualisering av NM med hjälp av magnetisk resonanstomografi (MRI)6,7. MR-skanningar som kan visualisera NM kallas NM-känsliga MRI (NM-MRI) och använder antingen direkta eller indirekta magnetiseringsöverföringseffekter för att ge kontrast mellan regioner med hög NM-koncentration (t.ex. SN) och den omgivande vita substansen 8,9.

Magnetiseringsöverföringskontrast är resultatet av interaktionen mellan makromolekylärbundna vattenprotoner (som är mättade av magnetiseringsöverföringspulserna) och de omgivande fria vattenprotonerna. I NM-MRI antas det att den paramagnetiska naturen hos NM-järnkomplex förkortar T1 för de omgivande fria vattenprotonerna, vilket resulterar i minskade magnetiseringsöverföringseffekter så att regioner med högre NM-koncentration verkar hyperintense på NM-MRI-skanningar10. Omvänt har den vita substansen som omger SN ett högt makromolekylärt innehåll, vilket resulterar i stora magnetiseringsöverföringseffekter så att dessa regioner verkar hypoinenta vid NM-MRI-skanningar, vilket ger hög kontrast mellan SN och omgivande vit substans.

I SN kan NM-MR ge en markör för dopaminerg cellförlust11 och dopaminsystemfunktion12. Dessa två processer är relevanta för flera neuropsykiatriska funktionsnedsättningar och stöds av ett stort antal kliniska och prekliniska arbeten. Till exempel, avvikelser i dopamin funktion har observerats allmänt i schizofreni; in vivo-studier med positronemissionstomografi (PET) har visat ökad striatal dopaminfrisättning 13,14,15,16 och ökad dopaminsynteskapacitet 17,18,19,20,21,22 . Dessutom har obduktionsstudier visat att patienter med schizofreni har ökade nivåer av tyrosinhydroxylas-det hastighetsbegränsande enzymet som är involverat i dopaminsyntesen-i de basala ganglierna23 och SN24,25.

Flera studier har undersökt mönster för dopaminerg cellförlust, särskilt vid Parkinsons sjukdom. Post-mortem-studier har visat att de pigmenterade dopaminerga neuronerna i SN är den primära platsen för neurodegeneration vid Parkinsons sjukdom 26,27, och att medan SN-cellförlust vid Parkinsons sjukdom inte är korrelerad med cellförlust vid normalt åldrande28, är det korrelerat med sjukdomens varaktighet 29 . Till skillnad från de flesta metoder för att undersöka det dopaminerga systemet gör icke-invasivitet, kostnadseffektivitet och brist på joniserande strålning NM-MRI till en mångsidig biomarkör30.

NM-MRI-protokollet som beskrivs i detta dokument utvecklades för att öka både reproducerbarheten av NM-MRI inom ämnet och över ämnet. Detta protokoll säkerställer full täckning av SN trots den begränsade täckningen av NM-MR-skanningar i sämre överlägsen riktning. Protokollet använder sagittala, koronala och axiella tredimensionella (3D) T1-viktade (T1w) bilder, och stegen bör följas för att uppnå korrekt placering av skivstapeln. Protokollet som beskrivs i detta dokument har använts i flera studier31,32 och testades omfattande. slutförde en studie av tillförlitligheten i detta protokoll där NM-MRI-bilder förvärvades två gånger hos varje deltagare under flera dagar32. Korrelationskoefficienter inom klassen visade utmärkt test-retest-tillförlitlighet för denna metod för ROI-baserade och voxelwise-analyser (region of interest), samt hög kontrast i bilderna.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

OBS: Forskningen som genomfördes för att utveckla detta protokoll utfördes i enlighet med New York State Psychiatric Institute Institutional Review Board riktlinjer (IRB #7655). Ett ämne skannades för inspelning av protokollvideon och skriftligt informerat samtycke erhölls. Se materialförteckningen för mer information om MR-skannern som används i detta protokoll.

1. Parametrar för MR-förvärv

  1. Förbered dig på att skaffa högupplösta T1w-bilder med hjälp av en 3D-magnetiseringsförberedd MPRAGE-sekvens (Rapid Acquisition Gradient Echo) med följande parametrar: rumslig upplösning = 0,8 x 0,8 x 0,8 mm3; synfält (FOV) = 176 x 240 x 240 mm3; ekotid (TE) = 3,43 ms; repetitionstid (TR) = 2462 ms; inversionstid (TI) = 1060 ms; vändvinkel = 8°; parallell avbildningsfaktor i plan (ARC) = 2; parallell avbildningsfaktor genom planet (ARC) = 233; bandbredd = 208 Hz/pixel; total förvärvstid = 6 min 39 s.
  2. Förbered dig på att förvärva NM-MRI-bilder med hjälp av en tvådimensionell (2D) gradient återkallad ekosekvens med magnetiseringsöverföringskontrast (2D GRE-MTC) med följande parametrar: upplösning = 0,43 x 0,43 mm2; synfält = 220 x 220 mm2; skivtjocklek = 1,5 mm; 20 skivor; skivmellanrum = 0 mm; TE = 4, 8 ms; TR = 500 ms; vändvinkel = 40°; bandbredd = 122 Hz/pixel; MT-frekvensförskjutning = 1,2 kHz; MT-pulsvaraktighet = 8 ms; MT vändvinkel = 670°; antal medelvärden = 5; total förvärvstid = 10 min 4 s.
    OBS: Även om de visade resultaten använde dessa MR-förvärvsparametrar, är detta protokoll giltigt för olika T1w- och NM-MRI-avbildningsprotokoll. NM-MRI-protokollet bör täcka ~ 25 mm i underlägsen-överlägsen riktning för att garantera fullständig täckning av SN.

2. Placering av NM-MR-volym

  1. Skaffa en högupplöst T1w-bild (≤1 mm isotrop voxelstorlek). Använd onlineformatering direkt efter bildförvärv för att skapa högupplösta T1w-bilder justerade mot den främre AC-PC-linjen (commissure-posterior commissure) och mittlinjen.
    1. Utför omformatering online med hjälp av programvaran som tillhandahålls av leverantören (t.ex. om du hämtar data på en GE-skanner: MultiPlanar Reconstruction (MPR) i planeringen; om du hämtar data på en Siemens-skanner: MPR i 3D-uppgiftskortet; om du hämtar data på en Philips-skanner: MPR i renderingsläget för VolumeView-paketet).
      1. Skapa multiplanära rekonstruktioner av 3D T1w-bilden i det axiella planet vinkelrätt mot AC-PC-linjen för att täcka hela hjärnan med minimalt skivgap.
      2. Skapa multiplanära rekonstruktioner av 3D T1w-bilden i koronalplanet vinkelrätt mot AC-PC-linjen för att täcka hela hjärnan med minimalt skivgap.
      3. Skapa multiplanära rekonstruktioner av 3D T1w-bilden i sagittalplanet parallellt med AC-PC-linjen för att täcka hela hjärnan med minimal skivgap.
  2. Ladda sagittal-, koronal- och axiella vyer av den omformaterade högupplösta T1w-bilden och se till att referenslinjer som visar platsen för varje visad skiva finns.
  3. Identifiera den sagittala bilden som visar den största separationen mellan mellanhjärnan och thalamus (figur 1A). För att göra detta, inspektera visuellt sagittalsegmenten i den omformaterade T1w-bilden tills segmentet som visar denna största separation identifieras.
  4. Använd sagittalbilden från slutet av steg 2.3 för att visuellt identifiera det koronala planet som avgränsar den mest främre aspekten av mellanhjärnan (figur 1B).
  5. Använd koronalbilden från slutet av steg 2.4, identifiera visuellt det axiella planet som avgränsar den underlägsna aspekten av den tredje ventrikeln (figur 1C).
  6. På sagittalbilden från slutet av steg 2.3, justera den överlägsna gränsen för NM-MRI-volymen till det axiella planet som identifieras i steg 2.5 (figur 1D).
  7. Flytta den överlägsna gränsen för NM-MRI-volymen 3 mm i den överlägsna riktningen (figur 1E).
  8. Rikta in NM-MRI-volymen mot mittlinjen i de axiella bilderna och koronabilderna (figur 1F).
  9. Skaffa NM-MRI-bilderna.

Figure 1
Bild 1: Bilder som visar steg-för-steg NM-MRI-volymplaceringsproceduren. Gula linjer anger platsen för de segment som används för volymplacering enligt beskrivningen i protokollet. (A) Först identifieras sagittalbilden med den största separationen mellan mellanhjärnan och thalamus (steg 2.3 i protokollet). (B) För det andra, med hjälp av bilden från A, identifieras det koronala planet som avgränsar den mest främre aspekten av mellanhjärnan (steg 2.4). (C) För det tredje, på koronalbilden från det plan som identifieras i B, identifieras det axiella planet som avgränsar den underlägsna aspekten av den tredje ventrikeln (steg 2.5). (D) För det fjärde visas det axiella plan som identifieras i C på sagittalbilden från A (steg 2.6). (E) För det femte förskjuts det axiella planet från D 3 mm i överlägsen riktning, och detta plan indikerar den överlägsna gränsen för NM-MRI-volymen (steg 2.7). (F) Den slutliga NM-MRI-volymplaceringen där koronalbilden motsvarar C, sagittalbilden motsvarar A och den axiella bilden motsvarar det axiella planet i E. NM-MR-volymen är inriktad på hjärnans mittlinje i korona- och axiella bilder och AC-PC-linjen i sagittalbilden (steg 2.8). En del av denna siffra har tryckts om med tillstånd från Elsevier från 30. Förkortningar: NM-MRI = neuromelaninkänslig magnetisk resonanstomografi; AC-PC = främre kommissur-posterior commissure. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

3. Kvalitetskontroll

  1. Se till att de förvärvade NM-MRI-bilderna täcker hela SN och att SN är synlig i de centrala bilderna men inte i de mest överlägsna eller mest sämre bilderna av NM-MRI-volymen. Annars (figur 2), upprepa steg 2.3-2.9 för att säkerställa korrekt NM-MR-volymplacering. Om deltagaren har rört sig avsevärt sedan förvärvet av den högupplösta T1w-skanningen, upprepa steg 2.1-2.9.

Figure 2
Figur 2: Exempel på ett NM-MRI-förvärv som misslyckades med den första kvalitetskontrollen (steg 3.1 i protokollet). Var och en av de 20 NM-MRI-skivorna visas från mest sämre (övre vänstra bilden) till mest överlägsna (nedre högra bilden); Bildfönstret/nivån var inställd på att överdriva kontrasten mellan substantia nigra och crus cerebri. De orange pilarna i skivorna 15-19 visar platsen för substantia nigra i dessa skivor. Den röda pilen i den mest överlägsna skivan (skiva 20) visar att substantia nigra fortfarande är synlig i denna skiva, och därmed misslyckas förvärvet med kvalitetskontrollen. Förkortning: NM-MRI = neuromelaninkänslig magnetisk resonanstomografi. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. Sök efter artefakter, särskilt sådana som går igenom SN och den omgivande vita substansen, genom att visuellt inspektera varje del av den förvärvade NM-MRI-skanningen.
    1. Leta efter plötsliga förändringar i signalintensitet med ett linjärt mönster som inte respekterar normala anatomiska gränser. Detta kan till exempel visas som en lågintensiv region som flankeras av två högintensiva regioner.
    2. Om artefakten är resultatet av blodkärl (figur 3A), behåll NM-MRI-bilderna eftersom dessa artefakter troligen alltid kommer att finnas.
    3. Om artefakterna är resultatet av deltagarens huvudrörelse (figur 3B), påminn deltagaren om att hålla sig så stilla som möjligt och återskaffa NM-MRI-bilderna enligt steg 3.2.5.
    4. Om artefakterna är tvetydiga (figur 3C) återförvärvar du NM-MRI-bilderna enligt steg 3.2.5. Vid återförvärv, om artefakterna förblir närvarande, fortsätt med dessa bilder eftersom de sannolikt är biologiska snarare än ett resultat av förvärvsproblem.
    5. Om NM-MRI-bilderna klarar kvalitetskontrollen i steg 3.1, kopiera den tidigare NM-MRI-volymplaceringen. Om NM-MRI-bilderna misslyckas med kvalitetskontrollen i steg 3.1, upprepa steg 2.3-2.9 för att säkerställa korrekt NM-MRI-volymplacering (eller steg 2.1-2.9 om deltagaren rörde sig avsevärt).

Figure 3
Figur 3: Exempel på NM-MRI-förvärv som misslyckades med den andra kvalitetskontrollen (steg 3.2 i protokollet). Endast ett representativt segment visas för varje enskilt fall. (A) Ett NM-MRI-förvärv som misslyckas med kvalitetskontrollen på grund av en blodkärlsartefakt (röda pilar) som är resultatet av blodkärlet som identifieras av de blå pilarna. (B) Ett NM-MRI-förvärv som misslyckas med kvalitetskontrollen på grund av rörelseartefakter (röda pilar). (C) Ett NM-MRI-förvärv som misslyckas med kvalitetskontrollen på grund av en tvetydig artefakt (röda pilar). Förkortning: NM-MRI = neuromelaninkänslig magnetisk resonanstomografi. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 4 visar de representativa resultaten från en 28-årig kvinnlig deltagare utan psykiatriska eller neurologiska störningar. NM-MRI-protokollet säkerställer fullständig täckning av SN, vilket uppnås genom att följa steg 2 i protokollet som beskrivs i figur 1, och tillfredsställande NM-MRI-bilder genom att följa steg 3 i protokollet. Utmärkt kontrast mellan SN och angränsande regioner med vit substans med försumbar NM-koncentration (dvs crus cerebri) kan ses. Dessa bilder kontrollerades omedelbart efter förvärvet för att säkerställa korrekt täckning av SN och för att kontrollera artefakter. Eftersom full täckning av SN uppnåddes utan några artefakter klarade skanningen kvalitetskontrollerna och behövde inte upprepas.

Figure 4
Figur 4: Exempel på ett representativt NM-MRI-förvärv. Var och en av de 20 NM-MRI-skivorna visas från mest sämre (övre vänstra bilden) till mest överlägsna (nedre högra bilden); Bildfönstret/nivån var inställd på att överdriva kontrasten mellan substantia nigra och crus cerebri från en 28-årig kvinnlig deltagare utan psykiatriska eller neurologiska störningar. NM-MRI-protokollet säkerställer fullständig täckning av substantia nigra, partiell täckning av locus coeruleus och tillfredsställande NM-MRI-bilder. Utmärkt kontrast mellan substantia nigra och angränsande regioner med vit substans utan neuromelaninkoncentration (dvs crus cerebrus) kan ses på skivorna 9-16. Bilden längst ned visar en inzoomad vy av mitthjärnan från segment 13. Förkortning: NM-MRI = neuromelaninkänslig magnetisk resonanstomografi. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2 visar de representativa resultaten från en 28-årig kvinnlig deltagare utan psykiatriska eller neurologiska störningar vars bilder misslyckades med den första kvalitetskontrollen (steg 3.1). SN är synlig i den mest överlägsna skivan (segment 20), vilket indikerar att full täckning av SN inte uppnåddes. I det här fallet måste data förvärvas igen genom att upprepa steg 2.3-2.9 i protokollet, som visas i figur 1. Om deltagaren har rört sig avsevärt sedan förvärvet av den ursprungliga T1w-bilden, bör forskaren återgå till steg 2.1 för att förvärva T1w-bilden igen.

Bild 3 visar exempelbilder som misslyckades med den andra kvalitetskontrollen (steg 3.2). Som beskrivs i steg 3.2 behöver skanningar som innehåller artefakter på grund av blodkärl (figur 3A) inte upprepas, eftersom dessa artefakter sannolikt kommer att finnas i varje förvärv. Genomsökningar som innehåller artefakter som är resultatet av rörelse (bild 3B) eller tvetydiga artefakter (bild 3C) bör upprepas. När det gäller tvetydiga artefakter, om artefakterna förblir närvarande efter återförvärv, behöver skanningen inte förvärvas ytterligare eftersom artefakterna sannolikt är biologiska och därför kommer att finnas i varje förvärv.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Det dopaminerga systemet spelar en avgörande roll i hälsosam kognition och neuropsykiatriska störningar. Utvecklingen av icke-invasiva metoder som kan användas för att upprepade gånger undersöka det dopaminerga systemet in vivo är avgörande för utvecklingen av kliniskt meningsfulla biomarkörer. Protokollet som beskrivs här ger steg-för-steg-instruktioner för att skaffa NM-MRI-bilder av god kvalitet av SN, inklusive placering av NM-MRI-volymen och kvalitetskontrollkontroller för att säkerställa användbara data.

Även om detaljerade protokoll för analys av NM-MRI-data har diskuterats någon annanstans, för fullständighet, ger vi en kort sammanfattning av vårt tidigare arbete och rekommendationer för förbehandling av NM-MRI-bilder och voxelwise-analyser. Denna metod har validerats tidigare i samband med det förvärvsprotokoll som beskrivs i detta dokument. Tidigare studier diskuterar fördelarna med denna metod mer detaljerat och ger data som stöder dess reproducerbarhet 6,12,32. Observera dock att det standardiserade förvärvsprotokollet som beskrivs häri är tillämpligt på alla bearbetnings- och analysstrategier (inklusive ROI-baserad analys i inbyggt eller MNI-utrymme 8,32) och inte bara det som beskrivs här.

För analys av NM-MRI-bilder kan förbehandling utföras för att korrigera för rörelse och för att rumsligt normalisera enskilda ämnesdata till en standard anatomisk mall. Vi rekommenderar följande pipeline som kombinerar statistisk parametrisk mappning (SPM) och avancerade normaliseringsverktyg (ANTs) för att använda följande verktyg i följande steg: (1) SPM-Realign för att justera och korrigera separat förvärvade medelvärden för rörelse och SPM-ImCalc för att medelvärdet av de justerade bilderna; (2) antsBrainExtraction.sh för hjärnextraktion av T1w-bilden; (3) antsRegistrationSyN.sh (styv + affine + deformerbar syn) för rumslig normalisering av den hjärnextraherade T1w-bilden till MNI152NLin2009cAsym-mallutrymmet; (4) antsRegistrationSyN.sh (styv) för att samregistrera NM-MRI-bilden till T1w-bilden (i ursprungligt utrymme); (5) antsApplyTransforms för att kombinera de transformationer som uppskattas i steg 3 och 4 till en enstegstransformation för rumslig normalisering av NM-MRI-bilderna till MNI-rymden; och (6) SPM-Smooth med en 1 mm fullbredd-vid-vid-halv-maximal Gaussian-kärna för rumslig utjämning av den rumsligt normaliserade NM-MRI-bilden. Denna bearbetningspipeline har tidigare visat sig uppnå den högsta test-retest-tillförlitligheten i litteraturen, med en genomsnittlig korrelationskoefficient inom klassen (ICC) inom SN på ~ 0,9032. Dessutom har flera tidigare studier använt liknande förbehandlingsledningar 12,31,34,35,36,37.

Efter rumslig normalisering bör NM-MRI-bilderna analyseras genom att beräkna kontrast-till-brus-förhållandet vid varje voxel (CNRV). CNR mäter den procentuella signalskillnaden mellan varje voxel (I V) och ett referensområde med vit substans som är känt för att ha liten NM-halt 12 (crus cerebri, I CC), givet med följande formel: CNR V = {[I V- mode(I CC)] / mode(I CC)}*100. CNRV-värden kan medelvärdes för varje deltagare för att bestämma CNR för hela SN eller kan analyseras på voxelwise nivå inom SN. Högre CNR-värden återspeglar ökat NM-innehåll i den voxelen eller ROI. Till skillnad från vissa andra analysmetoder som definierar SN ROI som hyperintense-regionen i en NM-MRI-bild, använder denna rekommenderade metod fördefinierade mall-ROI som kan erhållas från litteraturen12 eller ritas i genomsnitt av NM-MRI-bilder i MNI-rymden över alla ämnen i studien (med hjälp av en studiespecifik mall). Denna metod är inte bara helt automatiserad, den tar också bort cirkularitet i analysen, står för heterogenitet inom SN-VTA-komplexet och begränsar inte analysen till hela ROI-nivån. 

Vid förvärv av NM-MRI-bilder är det viktigt att T1w-bilderna som används för att placera NM-MRI-volymen är inriktade längs AC-PC-linjen. Om du gör det kommer skanningarnas reproducerbarhet att förbättras. Det är också viktigt att skaffa T1w-bilderna så nära i tid innan du skaffar NM-MRI-bilderna som möjligt. Eftersom T1w-bilden används för NM-MRI-volymplacering är det viktigt att den korrekt representerar platsen för deltagarens huvud i skannern. Om deltagaren har flyttat mellan T1w-skanningen och NM-MR-skanningen, kommer NM-MRI-volymen inte att placeras på lämpligt sätt. Att minimera tiden mellan förvärv av T1w-bilderna och NM-MRI-bilderna minskar sannolikheten för att deltagaren har flyttat mellan skanningar och minskar därför sannolikheten för att en del av SN inte ingår i NM-MRI-volymen.

Vissa ändringar av protokollet kan krävas om problem med NM-MRI-förvärvet uppstår. Om hela SN inte täcks konsekvent, även efter korrigering av volymplaceringen, kan antalet skivor i NM-MRI-protokollet behöva ökas för att fånga hela SN. Dessutom, om deltagaren har svårt att hålla sig stilla under hela NM-MR-skanningen, vilket resulterar i konsekventa rörelseartefakter, kan enskilda repetitioner förvärvas och i genomsnitt offline. Till exempel, istället för att slutföra en 10-minuters skanning som förvärvar fem repetitioner i genomsnitt online, kan fem 2-minuters skanningar förvärvas och i genomsnitt offline. Detta skulle ge deltagaren möjligheter till pauser mellan repetitionerna och kan hjälpa dem att vara stilla under de enskilda skanningarna.

En begränsning av detta protokoll är att det inte ger full täckning av LC med standard NM-MRI-förvärvsprotokoll, vilket förhindrar att det noradrenerga systemet undersöks noggrant med denna metod. Medan LC är en struktur som kan avbildas med NM-MRI, inklusive LC i detta protokoll skulle öka antalet skivor som krävs för att på ett tillförlitligt sätt fånga både SN och LC i sin helhet. Att öka antalet skivor skulle i sin tur öka skanningstiden för detta protokoll. Eftersom dessa skanningar är känsliga för rörelse kan en ökning av skanningstiden ge bilder av lägre kvalitet eftersom deltagarna kan ha svårare att vara stilla under längre perioder - särskilt problematiskt i kliniska populationer. Därför valde vi att inte inkludera LC i detta protokoll för att minimera risken för rörelseartefakter i data. Framtida studier bör undersöka tillförlitligheten hos NM-MRI-protokoll med ett större antal skivor för att samtidigt avbilda SN och LC.

En andra begränsning av detta protokoll är att AC-PC-justeringen av NM-MRI-volymen kanske inte ger den optimala orienteringen för avbildning av SN. Medan AC-PC-linjen är lätt att identifiera, minimerar denna orientering inte helt partiella volymeffekter eftersom den inte är helt vinkelrätt mot SN. Tidigare arbete har använt en sned axiell sektion vinkelrätt mot golvet i den fjärde ventrikeln för att avbilda SN38,39,40. Även om denna volymplacering, eller en vinkelrätt mot hjärnakvedukten, kan ge mindre partiella volymeffekter än AC-PC-inriktning, valde vi att använda AC-PC-linjen med tanke på dess tydligt definierade landmärken. Giltigheten av denna anpassning visades i tidigare arbete med hjälp av protokollet som beskrivs ovan, där utmärkt test-retest-tillförlitlighet uppnåddes32. AC-PC-justering har också använts i flera andra studier. fann att patienter med kokainberoende hade högre SN CNR-värden än kontroller35. fann i en studie av patienter med depression i slutet av livet, Wengler et al. fann att psykomotorisk funktion var korrelerad med SN CNR-värden36. En tredje artikel fann också att Parkinsons patienter hade minskat CNR i SN medan patienter med psykos hade ökat CNR i SN12.

Ingen studie har dock direkt jämfört olika volymplaceringsmetoder, och detta är ett område som framtida forskning bör utforska för att avgöra vilken metod som ger den bästa test-retest-tillförlitligheten över flera förvärv. 3D NM-MRI-sekvenser kan ge en alternativ lösning eftersom de ger större flexibilitet vid omformatering efter förvärv. Dessutom uppnår 3D-sekvenser ett högre signal-brusförhållande än 2D-sekvenser, vilket potentiellt möjliggör högre rumslig upplösning men kommer på bekostnad av ökad känslighet för rörelse. För närvarande är 2D-GRE MT den enda omfattande validerade NM-MRI-sekvensen - den motiverande faktorn för att använda den för detta protokoll. Framtida studier bör jämföra NM-MRI-signal från 3D-sekvenser med NM-koncentration och striatal dopaminfunktion och reproducerbarhet jämfört med 2D-GRE MT före utbredd adoption.

Detta protokoll har fördelar jämfört med andra NM-MRI-protokoll eftersom det ger lätt identifierbara landmärken för NM-MRI-volymplacering, vilket gör det mycket reproducerbart. Det tillhandahåller också kvalitetskontroller online, som inget annat NM-MRI-protokoll har inkluderat. Dessa kvalitetskontroller gör det möjligt för experimenteraren att återförvärva bilder om de är av dålig kvalitet snarare än att bara utesluta ämnet från analysen.

NM-MR är ett värdefullt verktyg som har använts för att utreda flera neuropsykiatriska funktionsnedsättningar. NM-MR är ett proxymått på dopaminfunktionen i den nigrostriatala vägen12, vilket erbjuder en metod för att undersöka det dopaminerga in vivo-systemet som inte kräver invasiva procedurer som PET. Patienter med schizofreni har ökad NM-signal i SN38,41, vilket stöder tidigare studier som har avslöjat ökad dopaminerg funktion vid schizofreni. NM-MR-signalen i SN korrelerar också med psykos svårighetsgrad hos patienter med schizofreni och de med hög risk för schizofreni12. Forskning har också visat att individer med kokainanvändningsstörning har ökad NM-MR-signal i de ventrolaterala regionerna i SN35, och att hos patienter med depression i slutet av livet är lägre NM-MR-signal i SN korrelerad med motorisk avmattning36. Dessutom, NM-MRI har använts för att studera dopaminerg cellförlust i tillstånd såsom Parkinsons sjukdom.

Kitao och kollegor fastställde att NM-MR-signalen i SN är korrelerad med antalet pigmenterade dopaminerga neuroner i SN11, och andra har visat att NM-MRI-signalen i SN dopaminerga neuroner minskar vid Parkinsons sjukdom 6,9,39,40. Ytterligare forskning på Parkinsonpatienter har använt NM-MRI för att kartlägga det topografiska mönstret för SN-cellförlust12 och utvecklingen av SN-cellförlust under sjukdomsförloppet37. Sammantaget tyder detta på att NM-MR inte bara ger insikt i de underliggande kemiska komponenterna i neuropsykiatriska störningar, utan det kan också vara användbart som en biomarkör för att förutsäga sjukdomsdebut och svårighetsgrad. Vi hoppas att det standardiserade protokollet som presenteras här kommer att underlätta det framtida arbetet med att utveckla kliniskt användbara biomarkörer baserade på NM-MRI30.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Drs Horga och Wengler rapporterade var och en att de hade patent för analys och användning av neuromelaninavbildning vid störningar i centrala nervsystemet (WO2021034770A1, WO2020077098A1), licensierade till Terran Biosciences, men har inte fått några royalties.

Acknowledgments

Dr Horga fick stöd från NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). Dr Wengler fick stöd från 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

Neurovetenskap nummer 175
Standardiserad datainsamling för neuromelaninkänslig magnetisk resonansavbildning av 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