Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Substantia Nigra'nın Nöromelanine Duyarlı Manyetik Rezonans Görüntülemesi için Standartlaştırılmış Veri Toplama

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

Bu protokol, substantia nigra'nın nöromelanine duyarlı manyetik rezonans görüntüleme verilerinin nasıl elde edileceğini gösterir.

Abstract

Dopaminerjik sistem, sağlıklı bilişte (örneğin, ödül öğrenme ve belirsizlik) ve nöropsikiyatrik bozukluklarda (örneğin, Parkinson hastalığı ve şizofreni) çok önemli bir rol oynar. Nöromelanin, substantia nigra'nın dopaminerjik nöronlarında biriken dopamin sentezinin bir yan ürünüdür. Nöromelanine duyarlı manyetik rezonans görüntüleme (NM-MRG), bu dopaminerjik nöronlardaki nöromelanini ölçmek için invaziv olmayan bir yöntemdir, substantia nigra'daki dopaminerjik hücre kaybının doğrudan bir ölçüsünü ve dopamin fonksiyonunun bir vekil ölçüsünü sağlar. NM-MRG'nin çeşitli nöropsikiyatrik bozuklukları incelemek için yararlı olduğu gösterilmiş olmasına rağmen, substantia nigra'nın bir kısmının kazara dışlanmasından kaynaklanan potansiyel veri kaybına neden olan aşağı-üstün yönde sınırlı bir görüş alanı ile zorlanmaktadır. Ek olarak, alan, NM-MRI verilerinin elde edilmesi için standartlaştırılmış bir protokolden yoksundur; bu, büyük ölçekli çok bölgeli çalışmaları ve kliniğe çeviriyi kolaylaştırmada kritik bir adımdır. Bu protokol, tüm substantia nigra'yı kapsayan kaliteli verilerin elde edilmesini sağlamak için adım adım NM-MRI hacim yerleştirme prosedürünü ve çevrimiçi kalite kontrol kontrollerini açıklamaktadır.

Introduction

Nöromelanin (NM), substantia nigra'nın (SN) dopaminerjik nöronlarında ve locus coeruleus'un (LC) noradrenerjik nöronlarında bulunan koyu renkli bir pigmenttir 1,2. NM, sitozolik dopamin ve norepinefrinin demire bağımlı oksidasyonu ile sentezlenir ve soma3'teki otofajik vakuollerde depolanır. İlk olarak insanlarda 2-3 yaş civarında ortaya çıkar ve 1,4,5 yaşla birlikte birikir.

SN ve LC nöronlarının NM içeren vakuolleri içinde NM, demir ile kompleksler oluşturur. Bu NM-demir kompleksleri paramanyetiktir ve manyetik rezonans görüntüleme (MRG) kullanılarak NM'nin noninvaziv olarak görselleştirilmesine izin verir6,7. NM'yi görselleştirebilen MRI taramaları, NM'ye duyarlı MRI (nm-mri) olarak bilinir ve yüksek NM konsantrasyonuna sahip bölgeler (örneğin, SN) ve çevresindeki beyaz madde 8,9 arasında kontrast sağlamak için doğrudan veya dolaylı mıknatıslanma transfer etkilerini kullanır.

Manyetizasyon transfer kontrastı, makromoleküler bağlı su protonları (mıknatıslanma transfer darbeleri tarafından doyurulmuş) ile çevresindeki serbest su protonları arasındaki etkileşimin sonucudur. NM-MRG'de, NM-demir komplekslerinin paramanyetik doğasının, çevredeki serbest su protonlarınınT1'ini kısalttığına ve mıknatıslanma-transfer etkilerinin azalmasına neden olduğuna, böylece daha yüksek NM konsantrasyonuna sahip bölgelerin NM-MRI taramalarında hiperintens göründüğüne inanılmaktadır10. Tersine, SN'yi çevreleyen beyaz madde yüksek bir makromoleküler içeriğe sahiptir, bu da büyük mıknatıslanma-transfer etkilerine neden olur, böylece bu bölgeler NM-MRI taramalarında hipointens görünür, böylece SN ve çevresindeki beyaz madde arasında yüksek kontrast sağlar.

SN'DE, NM-MR, dopaminerjik hücre kaybı11 ve dopamin sistemi fonksiyonu12'nin bir belirtecini sağlayabilir. Bu iki süreç çeşitli nöropsikiyatrik bozukluklarla ilgilidir ve çok sayıda klinik ve klinik öncesi çalışma ile desteklenmektedir. Örneğin, dopamin fonksiyonundaki anormallikler şizofrenide yaygın olarak gözlenmiştir; pozitron emisyon tomografisi (PET) kullanan in vivo çalışmalar, striatal dopamin salınımının arttığını göstermiştir 13,14,15,16 ve dopamin sentez kapasitesinin arttığını göstermiştir 17,18,19,20,21,22 . Ayrıca, ölüm sonrası çalışmalar, şizofreni hastalarının bazal gangliyon23 ve SN 24,25'te tirozin hidroksilaz (dopamin sentezinde rol oynayan hız sınırlayıcı enzim) düzeylerinin arttığını göstermiştir.

Birçok çalışma, özellikle Parkinson hastalığında dopaminerjik hücre kaybı modellerini araştırmıştır. Post-mortem çalışmalar, SN'nin pigmentli dopaminerjik nöronlarının Parkinson hastalığında nörodejenerasyonun birincil bölgesi olduğunu ortaya koymuştur 26,27 ve Parkinson hastalığında SN hücre kaybı normal yaşlanmada hücre kaybı ile ilişkili olmasa da28, hastalığın süresi ile ilişkilidir 29 . Dopaminerjik sistemi araştırmak için kullanılan çoğu yöntemin aksine, invaziv olmama, maliyet etkinliği ve iyonlaştırıcı radyasyon eksikliği, NM-MRG'yi çok yönlü bir biyobelirteç30 yapar.

Bu yazıda açıklanan NM-MRG protokolü, NM-MRG'nin hem denek içi hem de denekler arası tekrarlanabilirliğini arttırmak için geliştirilmiştir. Bu protokol, NM-MRI taramalarının düşük-üstün yönde sınırlı kapsama alanına rağmen, SN'nin tam kapsama alanını sağlar. Protokol, sagital, koronal ve eksenel üç boyutlu (3D) T1 ağırlıklı (T1w) görüntüleri kullanır ve uygun dilim yığını yerleşimini sağlamak için adımlar izlenmelidir. Bu yazıda özetlenen protokol31,32 sayılı birçok çalışmada kullanılmış ve kapsamlı bir şekilde test edilmiştir. Wengler ve ark., NM-MRI görüntülerinin her katılımcıda birkaç gün boyunca iki kez elde edildiği bu protokolün güvenilirliği üzerine bir çalışmayı tamamladı32. Sınıf içi korelasyon katsayıları, ilgi bölgesi (ROI) tabanlı ve vokselistik analizlerin yanı sıra görüntülerdeki yüksek kontrast için bu yöntemin mükemmel test-tekrar test güvenilirliğini göstermiştir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

NOT: Bu protokolü geliştirmek için yapılan araştırma, New York Eyaleti Psikiyatri Enstitüsü Kurumsal İnceleme Kurulu yönergelerine (IRB #7655) uygun olarak gerçekleştirilmiştir. Bir denek protokol videosunun kaydedilmesi için tarandı ve yazılı bilgilendirilmiş onam alındı. Bu protokolde kullanılan MRI tarayıcısı hakkında ayrıntılar için Malzeme Tablosuna bakın.

1. MRG edinme parametreleri

  1. Aşağıdaki parametrelerle hazırlanmış bir 3D mıknatıslanma ile yüksek çözünürlüklü T1w görüntüleri elde etmeye hazırlanın: uzamsal çözünürlük = 0,8 x 0,8 x 0,8 mm3; görüş alanı (FOV) = 176 x 240 x 240 mm3; yankı süresi (TE) = 3.43 ms; tekrarlama süresi (TR) = 2462 ms; ters çevirme süresi (TI) = 1060 ms; çevirme açısı = 8°; düzlem içi paralel görüntüleme faktörü (ARC) = 2; düzlem boyunca paralel görüntüleme faktörü (ARC) = 233; bant genişliği = 208 Hz/piksel; toplam satın alma süresi = 6 dakika 39 sn.
  2. Aşağıdaki parametrelerle mıknatıslanma aktarım kontrastına (2D GRE-MTC) sahip iki boyutlu (2D) gradyan geri çağrılan yankı dizisi kullanarak NM-MRI görüntüleri elde etmeye hazırlanın: çözünürlük = 0,43 x 0,43mm2; FOV = 220 x 220 mm2; dilim kalınlığı = 1,5 mm; 20 dilim; dilim boşluğu = 0 mm; TE = 4,8 ms; TR = 500 ms; çevirme açısı = 40°; bant genişliği = 122 Hz/piksel; MT frekans ofseti = 1,2 kHz; MT darbe süresi = 8 ms; MT çevirme açısı = 670°; ortalama sayısı = 5; toplam edinme süresi = 10 dakika 4 sn.
    NOT: Görüntülenen sonuçlar bu MRG alma parametrelerini kullanmasına rağmen, bu protokol çeşitli T1w ve NM-MRI görüntüleme protokolleri için geçerlidir. NM-MRI protokolü, SN'nin tam kapsamını garanti etmek için ~ 25 mm'yi düşük-üstün yönde kapsamalıdır.

2. NM-MRG hacminin yerleştirilmesi

  1. Yüksek çözünürlüklü bir T1w görüntü elde edin (≤1 mm izotropik voksel boyutu). Ön komissür-posterior commissure (AC-PC) çizgisine ve orta hatta hizalanmış yüksek çözünürlüklü T1w görüntüler oluşturmak için görüntü alımından hemen sonra çevrimiçi yeniden biçimlendirmeyi kullanın.
    1. Satıcı tarafından sağlanan yazılımı kullanarak çevrimiçi yeniden biçimlendirme gerçekleştirin (örneğin, bir GE tarayıcısında veri alıyorsanız: Planlamada MultiPlanar Reconstruction (MPR); Siemens tarayıcısında veri alıyorsanız: 3B Görev Kartında MPR; Philips tarayıcısında veri alıyorsanız: VolumeView Paketinin İşleme Modunda MPR).
      1. AC-PC hattına dik eksenel düzlemde 3D T1w görüntüsünün çok düzlemli rekonstrüksiyonlarını oluşturarak tüm beyni minimum dilim boşluğu ile kaplayın.
      2. Tüm beyni minimum dilim boşluğu ile kaplamak için AC-PC hattına dik koronal düzlemde 3D T1w görüntüsünün çok düzlemli rekonstrüksiyonlarını oluşturun.
      3. Tüm beyni minimum dilim boşluğu ile kaplamak için AC-PC hattına paralel sagital düzlemde 3D T1w görüntüsünün çok düzlemli rekonstrüksiyonlarını oluşturun.
  2. Yeniden biçimlendirilmiş yüksek çözünürlüklü T1w görüntünün sagital, koronal ve eksenel görünümlerini yükleyin ve görüntülenen her dilimin konumunu gösteren referans çizgilerinin bulunduğundan emin olun.
  3. Orta beyin ve talamus arasındaki en büyük ayrımı gösteren sagital görüntüyü tanımlayın (Şekil 1A). Bunu yapmak için, bu en büyük ayrımı gösteren dilim tanımlanana kadar yeniden biçimlendirilmiş T1w görüntüsünün sagital dilimlerini görsel olarak inceleyin.
  4. Adım 2.3'ün sonundaki sagital görüntüyü kullanarak, orta beynin en ön yönünü tanımlayan koronal düzlemi görsel olarak tanımlayın (Şekil 1B).
  5. Adım 2.4'ün sonundaki koronal görüntüyü kullanarak, üçüncü ventrikülün alt yönünü tanımlayan eksenel düzlemi görsel olarak tanımlayın (Şekil 1C).
  6. Adım 2.3'ün sonundaki sagital görüntüde, NM-MRI hacminin üst sınırını adım 2.5'te tanımlanan eksenel düzleme hizalayın (Şekil 1D).
  7. NM-MRI hacminin üst sınırını 3 mm üst yönde hareket ettirin (Şekil 1E).
  8. NM-MRI hacmini eksenel ve koronal görüntülerde orta hatta hizalayın (Şekil 1F).
  9. NM-MRI görüntülerini edinin.

Figure 1
Şekil 1: Adım adım NM-MRI hacim yerleştirme prosedürünü gösteren görüntüler. Sarı çizgiler, protokolde açıklandığı gibi hacim yerleşimi için kullanılan dilimlerin konumunu gösterir. (A) İlk olarak, orta beyin ve talamus arasında en büyük ayrıma sahip sagital görüntü tanımlanır (protokolün 2.3. adımı). (B) İkincisi, A'dan gelen görüntü kullanılarak, orta beynin en ön yönünü tanımlayan koronal düzlem tanımlanır (adım 2.4). (C) Üçüncüsü, B'de tanımlanan düzlemden alınan koronal görüntüde , üçüncü ventrikülün alt yönünü tanımlayan eksenel düzlem tanımlanır (adım 2.5). (D) Dördüncüsü, C'de tanımlanan eksenel düzlem, A'dan gelen sagital görüntüde görüntülenir (adım 2.6). (E) Beşincisi, D'den eksenel düzlem üstün yönde 3 mm kaydırılır ve bu düzlem NM-MRG hacminin üstün sınırını gösterir (adım 2.7). (F) Koronal görüntünün C'ye, sagital görüntünün A'ya ve eksenel görüntünün E'deki eksenel düzleme karşılık geldiği son NM-MRI hacim yerleşimi. NM-MRI hacmi, koronal ve eksenel görüntülerde beyin orta hattına ve sagital görüntüdeki AC-PC hattına hizalanır (adım 2.8). Bu rakamın bir kısmı Elsevier'in 30 yıllık izniyle yeniden basılmıştır. Kısaltmalar: NM-MRI = nöromelanine duyarlı manyetik rezonans görüntüleme; AC-PC = anterior commissure-posterior commissure. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

3. Kalite kontrol kontrolleri

  1. Elde edilen NM-MRI görüntülerinin tüm SN'yi kapladığından ve SN'nin merkezi görüntülerde göründüğünden, ancak NM-MRI hacminin en üstün veya en düşük görüntülerinde görünmediğinden emin olun. Aksi takdirde (Şekil 2), doğru NM-MRI hacim yerleşimini sağlamak için 2.3-2.9 arasındaki adımları tekrarlayın. Katılımcı, yüksek çözünürlüklü T1w taramasının alınmasından bu yana önemli ölçüde hareket ettiyse, 2.1-2.9 arasındaki adımları tekrarlayın.

Figure 2
Şekil 2: İlk kalite kontrol kontrolünde başarısız olan bir NM-MRI alımı örneği (protokolün 3.1. adımı). 20 NM-MRI diliminin her biri, en aşağıdan (sol üstteki görüntü) en üstteki görüntüye (sağ alt görüntü) kadar görüntülenir; görüntü penceresi/seviyesi, substantia nigra ve crus cerebri arasındaki kontrastı abartacak şekilde ayarlanmıştır. 15-19 dilimlerindeki turuncu oklar, substantia nigra'nın bu dilimlerdeki yerini gösterir. En üstün dilimdeki (dilim 20) kırmızı ok, substantia nigra'nın bu dilimde hala görünür olduğunu ve bu nedenle satın almanın kalite kontrolünde başarısız olduğunu gösterir. Kısaltma: NM-MRI = nöromelanine duyarlı manyetik rezonans görüntüleme. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

  1. Elde edilen NM-MRI taramasının her bir dilimini görsel olarak inceleyerek artefaktları, özellikle SN ve çevresindeki beyaz maddeden geçenleri kontrol edin.
    1. Normal anatomik sınırlara uymayan doğrusal bir modelle sinyal yoğunluğundaki ani değişiklikleri arayın. Örneğin, bu, iki yüksek yoğunluklu bölge tarafından kuşatılmış düşük yoğunluklu bir bölge olarak görünebilir.
    2. Artefakt kan damarlarının sonucuysa (Şekil 3A), NM-MRI görüntülerini saklayın, çünkü bu artefaktlar büyük olasılıkla her zaman mevcut olacaktır.
    3. Eserler katılımcının kafa hareketinin sonucuysa (Şekil 3B), katılımcıya mümkün olduğunca hareketsiz kalmasını ve NM-MRI görüntülerini adım 3.2.5'e göre yeniden edinmesini hatırlatın.
    4. Yapılar belirsizse (Şekil 3C), NM-MRI görüntülerini adım 3.2.5'e göre yeniden alın. Yeniden edinimden sonra, eserler mevcut kalırsa, edinim sorunlarının bir sonucu olmaktan ziyade muhtemelen biyolojik oldukları için bu görüntülerle devam edin.
    5. NM-MRI görüntüleri adım 3.1'deki kalite kontrol kontrolünden geçerse, önceki NM-MRI ses düzeyi yerleşimini kopyalayın. NM-MRI görüntüleri adım 3.1'deki kalite kontrol kontrolünde başarısız olursa, doğru NM-MRI ses yerleşimini sağlamak için 2.3-2.9 numaralı adımları (veya katılımcı önemli ölçüde hareket ettiyse adım 2.1-2.9) tekrarlayın.

Figure 3
Şekil 3: İkinci kalite kontrol kontrolünde başarısız olan NM-MRG alımlarına örnekler (protokolün 3.2. adımı). Her servis talebi için yalnızca bir temsili dilim gösterilir. (A) Mavi oklarla tanımlanan kan damarının sonucu olan bir kan damarı artefaktı (kırmızı oklar) nedeniyle kalite kontrol kontrolünde başarısız olan bir NM-MRI edinimi. (B) Hareket artefaktları (kırmızı oklar) nedeniyle kalite kontrol kontrolünde başarısız olan bir NM-MRI alımı. (C) Belirsiz bir eser (kırmızı oklar) nedeniyle kalite kontrol kontrolünde başarısız olan bir NM-MRI edinimi. Kısaltma: NM-MRI = nöromelanine duyarlı manyetik rezonans görüntüleme. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Şekil 4 , psikiyatrik veya nörolojik bozukluğu olmayan 28 yaşındaki bir kadın katılımcının temsili sonuçlarını göstermektedir. NM-MRI protokolü, Şekil 1'de özetlenen protokolün 2. adımını izleyerek elde edilen SN'nin tam kapsamını ve protokolün 3. adımını izleyerek tatmin edici NM-MRI görüntülerini sağlar. SN ile ihmal edilebilir NM konsantrasyonuna sahip komşu beyaz cevher bölgeleri (yani crus cerebri) arasında mükemmel kontrast görülebilir. Bu görüntüler, SN'nin uygun şekilde kapsanmasını sağlamak ve eserleri kontrol etmek için edinimden hemen sonra kontrol edildi. SN'nin tam kapsamı herhangi bir eser olmadan elde edildiğinden, tarama kalite kontrollerinden geçti ve tekrarlanmasına gerek kalmadı.

Figure 4
Şekil 4: Temsili bir NM-MRG edinimi örneği. 20 NM-MRI diliminin her biri, en aşağıdan (sol üstteki görüntü) en üstteki görüntüye (sağ alt görüntü) kadar görüntülenir; görüntü penceresi/seviyesi, psikiyatrik veya nörolojik bozukluğu olmayan 28 yaşındaki bir kadın katılımcının substantia nigra ve crus cerebri arasındaki kontrastı abartacak şekilde ayarlandı. NM-MRI protokolü, substantia nigra'nın tam kapsamını, locus coeruleus'un kısmi kapsamını ve tatmin edici NM-MRI görüntülerini sağlar. Substantia nigra ile nöromelanin konsantrasyonu olmayan komşu beyaz cevher bölgeleri (yani crus cerebrus) arasındaki mükemmel kontrast, 9-16 dilimlerinde görülebilir. Alttaki görüntü, orta beynin 13. dilimden yakınlaştırılmış bir görünümünü göstermektedir. Kısaltma: NM-MRI = nöromelanine duyarlı manyetik rezonans görüntüleme. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2 , görüntüleri ilk kalite kontrol kontrolünde başarısız olan psikiyatrik veya nörolojik bozukluğu olmayan 28 yaşındaki bir kadın katılımcının temsili sonuçlarını göstermektedir (adım 3.1). SN, en üstün dilimde (dilim 20) görülebilir, bu da SN'nin tam kapsama alanının sağlanamadığını gösterir. Bu durumda, Şekil 1'de gösterildiği gibi, protokolün 2.3-2.9 numaralı adımları tekrarlanarak veriler yeniden alınmalıdır. Katılımcı ilk T1w görüntüsünün alınmasından bu yana önemli ölçüde hareket etmişse, araştırmacı T1w görüntüsünü yeniden elde etmek için adım 2.1'e geri dönmelidir.

Şekil 3, ikinci kalite kontrol kontrolünde başarısız olan örnek görüntüleri göstermektedir (adım 3.2). Adım 3.2'de belirtildiği gibi, kan damarlarına bağlı artefaktlar içeren taramaların (Şekil 3A) tekrarlanmasına gerek yoktur, çünkü bu eserler muhtemelen her edinimde mevcut olacaktır. Hareketten kaynaklanan yapılar (Şekil 3B) veya belirsiz yapılar (Şekil 3C) içeren taramalar tekrarlanmalıdır. Belirsiz eserler söz konusu olduğunda, eserler yeniden edinimden sonra mevcut kalırsa, eserler muhtemelen biyolojik olduğundan ve bu nedenle her edinimde bulunacağından, taramanın daha fazla yeniden edinilmesine gerek yoktur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dopaminerjik sistem sağlıklı biliş ve nöropsikiyatrik bozukluklarda çok önemli bir rol oynar. Dopaminerjik sistemi in vivo olarak tekrar tekrar araştırmak için kullanılabilecek noninvaziv yöntemlerin geliştirilmesi, klinik olarak anlamlı biyobelirteçlerin gelişimi için kritik öneme sahiptir. Burada açıklanan protokol, kullanılabilir verileri sağlamak için NM-MRI hacminin yerleştirilmesi ve kalite kontrol kontrolleri de dahil olmak üzere SN'nin kaliteli NM-MRI görüntülerini elde etmek için adım adım talimatlar sağlar.

NM-MRI verilerinin analizi için ayrıntılı protokoller başka yerlerde tartışılmış olsa da, eksiksizlik için, önceki çalışmalarımızın kısa bir özetini ve NM-MRI görüntülerinin ve vokselwise analizlerinin ön işlenmesi için önerilerde bulunuyoruz. Bu yaklaşım daha önce bu makalede açıklanan satın alma protokolü ile birlikte doğrulanmıştır. Önceki çalışmalar bu yöntemin avantajlarını daha ayrıntılı olarak tartışmakta vetekrarlanabilirliğini destekleyen veriler sağlamaktadır 6,12,32. Bununla birlikte, burada açıklanan standartlaştırılmış satın alma protokolünün, yalnızca burada açıklananlara değil, herhangi bir işleme ve analiz stratejisine (yerel veya MNI alanı 8,32'deki YG tabanlı analiz dahil) uygulanabilir olduğunu unutmayın.

NM-MRI görüntülerinin analizi için, hareketi düzeltmek ve bireysel konu verilerini standart bir anatomik şablona mekansal olarak normalleştirmek için ön işleme yapılabilir. Aşağıdaki adımları kullanmak için İstatistiksel Parametrik Eşleme (SPM) ve Gelişmiş Normalleştirme Araçları'nı (ANT) birleştiren aşağıdaki işlem hattını öneririz: (1) hareket için ayrı ayrı alınan ortalamaları yeniden hizalamak ve düzeltmek için SPM-Realign ve yeniden hizalanmış görüntülerin ortalamasını almak için SPM-ImCalc; (2) T1w görüntüsünün beyin ekstraksiyonu için antsBrainExtraction.sh; (3) antsRegistrationSyN.sh (sert + afin + deforme edilebilir syn) beyinden çıkarılan T1w görüntüsünün MNI152NLin2009cAsym şablon uzayına uzamsal normalleştirilmesi; (4) NM-MRI görüntüsünü T1w (doğal alanda) görüntüsüne birlikte kaydetmek için antsRegistrationSyN.sh (sert); (5) antsApplyTransforms, adım 3 ve 4'te tahmin edilen dönüşümleri, NM-MRI görüntülerinin MNI uzayına uzamsal normalleştirilmesi için tek adımlı bir dönüşümde birleştirmek için; ve (6) uzamsal olarak normalleştirilmiş NM-MRI görüntüsünün uzamsal düzgünleştirilmesi için 1 mm tam genişlikte maksimum yarım Gauss çekirdeğine sahip SPM-Pürüzsüz. Bu işleme boru hattının daha önce literatürdeki en yüksek test-tekrar test güvenilirliğini elde ettiği ve SN içinde ~ 0.9032'lik bir ortalama sınıf içi korelasyon katsayısı (ICC) olduğu gösterilmiştir. Ayrıca, önceki birkaç çalışmadabenzer ön işleme boru hatları kullanılmıştır 12,31,34,35,36,37.

Uzamsal normalleştirmeden sonra, NM-MRI görüntüleri her vokseldeki kontrast-gürültü oranı (CNRV) hesaplanarak analiz edilmelidir. CNR, aşağıdaki formülle verilen her voksel (I V) ile çok az NM içeriği12 (crus cerebri, I CC) olduğu bilinen bir referans beyaz cevher bölgesi arasındaki yüzde sinyal farkını ölçer: CNR V = {[I V- modu (I CC)] / mod (I CC)} * 100. CNRV değerleri, tüm SN'nin CNR'sini belirlemek için her katılımcı için ortalama alınabilir veya SN içindeki vokselwise seviyesinde analiz edilebilir. Daha yüksek CNR değerleri, bu voksel veya ROI'deki artan NM içeriğini yansıtır. SN ROI'yi bir NM-MRI görüntüsündeki hiperyoğun bölge olarak tanımlayan diğer bazı analiz yöntemlerinden farklı olarak, önerilen bu yöntem, literatür12'den elde edilebilecek veya çalışmadaki tüm deneklerde MNI uzayındaki NM-MRI görüntülerinin ortalamasına göre çizilebilecek önceden tanımlanmış şablon YG'leri kullanır (çalışmaya özgü bir şablon kullanarak). Bu yöntem sadece tamamen otomatik olmakla kalmaz, aynı zamanda analizdeki döngüselliği ortadan kaldırır, SN-VTA kompleksi içindeki heterojenliği hesaba katar ve analizi tüm yatırım getirisi seviyesiyle sınırlamaz. 

NM-MRI görüntüleri alınırken, NM-MRI birimini yerleştirmek için kullanılan T1w görüntülerinin AC-PC hattı boyunca hizalanması çok önemlidir. Bunu yapmak, taramaların tekrarlanabilirliğini artıracaktır. NM-MRI görüntülerini elde etmeden önce T1w görüntülerini mümkün olduğunca yakın sürede elde etmek de önemlidir. T1w görüntüsü NM-MRI ses seviyesi yerleşimi için kullanıldığından, katılımcının kafasının tarayıcıdaki konumunu doğru bir şekilde temsil etmesi önemlidir. Katılımcı T1w taraması ile NM-MRI taraması arasında hareket etmişse, NM-MRI hacmi uygun şekilde yerleştirilmeyecektir. T1w görüntülerinin ve NM-MRI görüntülerinin elde edilmesi arasındaki süreyi en aza indirmek, katılımcının taramalar arasında hareket etme olasılığını azaltacak ve bu nedenle SN'nin bir kısmının NM-MRI hacmine dahil edilmeme olasılığını azaltacaktır.

NM-MRG edinimi ile ilgili sorunlar ortaya çıkarsa protokolde bazı değişiklikler gerekebilir. Hacim yerleşimi düzeltildikten sonra bile tüm SN tutarlı bir şekilde kaplanmamışsa, tüm SN'yi yakalamak için NM-MRI protokolündeki dilim sayısının arttırılması gerekebilir. Ek olarak, katılımcı NM-MRI taramasının tamamı boyunca hareketsiz kalmakta zorlanırsa ve bu da tutarlı hareket artefaktlarıyla sonuçlanırsa, bireysel tekrarlar çevrimdışı olarak edinilebilir ve ortalaması alınabilir. Örneğin, çevrimiçi olarak ortalaması alınan beş tekrarı alan 10 dakikalık bir taramayı tamamlamak yerine, beş adet 2 dakikalık tarama alınabilir ve çevrimdışı ortalaması alınabilir. Bu, katılımcıya tekrarlar arasında molalar için fırsatlar verir ve bireysel taramalar süresince hareketsiz kalmalarına yardımcı olabilir.

Bu protokolün bir sınırlaması, standart NM-MRG edinme protokolleri ile LC'nin tam kapsamını sağlamaması ve noradrenerjik sistemin bu yöntem kullanılarak kapsamlı bir şekilde araştırılmasını önlemesidir. LC, NM-MRI kullanılarak görüntülenebilen bir yapı olsa da, LC'yi bu protokole dahil etmek, hem SN hem de LC'yi bütünüyle güvenilir bir şekilde yakalamak için gereken dilim sayısını artıracaktır. Dilim sayısını artırmak, bu protokol için tarama süresini de artıracaktır. Bu taramalar harekete duyarlı olduğundan, tarama süresindeki bir artış, katılımcılar daha uzun süre hareketsiz kalmayı daha zor bulabileceğinden, özellikle klinik popülasyonlarda sorunlu olabileceğinden, daha düşük kaliteli görüntüler üretebilir. Bu nedenle, verilerdeki hareket artefaktları potansiyelini en aza indirmek için LC'yi bu protokole dahil etmemeyi seçtik. Gelecekteki çalışmalar, SN ve LC'yi aynı anda görüntülemek için daha fazla sayıda dilimle NM-MRI protokollerinin güvenilirliğini araştırmalıdır.

Bu protokolün ikinci bir sınırlaması, NM-MRI hacminin AC-PC hizalamasının SN'yi görüntülemek için en uygun oryantasyonu sağlamayabileceğidir. AC-PC hattının tanımlanması kolay olsa da, bu yönlendirme SN'ye mükemmel şekilde dik olmadığı için kısmi hacim etkilerini tamamen en aza indirmez. Önceki çalışmalar, SN 38,39,40'ı görüntülemek için dördüncü ventrikülün tabanına dik eğik bir eksenel kesit kullanmıştır. Bu hacim yerleşimi veya serebral su kemerine dik bir tane, AC-PC hizalamasından daha az kısmi hacim etkileri sağlayabilirken, açıkça tanımlanmış yer işaretleri göz önüne alındığında AC-PC hattını kullanmayı seçtik. Bu hizalamanın geçerliliği, yukarıda özetlenen protokolü kullanan önceki çalışmalarda gösterilmiştir ve burada mükemmel test-tekrar test güvenilirliği elde edilmiştir32. AC-PC hizalaması diğer birçok çalışmada da kullanılmıştır. Cassidy ve ark., kokain bağımlılığı olan hastaların kontrollerden daha yüksek SN CNR değerlerine sahip olduğunu bulmuşlardır35. Geç yaşam depresyonu olan hastalar üzerinde yapılan bir çalışmada, Wengler ve ark. psikomotor fonksiyonun SN CNR değerleri36 ile ilişkili olduğunu bulmuşlardır. Üçüncü bir makale ayrıca, Parkinson hastalarının SN'de CNR'yi azalttığını, psikozlu hastaların SN12'de CNR'yi arttırdığını bulmuştur.

Bununla birlikte, hiçbir çalışma farklı hacim yerleştirme yöntemlerini doğrudan karşılaştırmamıştır ve bu, gelecekteki araştırmaların hangi yöntemin birden fazla edinimde en iyi test-tekrar test güvenilirliğini sağladığını belirlemek için araştırması gereken bir alandır. 3D NM-MRI dizileri, edinimden sonra yeniden biçimlendirmede daha fazla esneklik sağladıkları için alternatif bir çözüm sağlayabilir. Ayrıca, 3D diziler, 2D dizilerden daha yüksek bir sinyal-gürültü oranı elde eder, bu da potansiyel olarak daha yüksek uzamsal çözünürlüğe izin verir, ancak harekete karşı artan hassasiyet pahasına gelir. Şu anda, 2D-GRE MT, kapsamlı olarak doğrulanmış tek NM-MRI dizisidir - bu protokol için kullanmak için motive edici faktördür. Gelecekteki çalışmalar, 3D dizilerden NM-MRI sinyalini NM konsantrasyonu ve striatal dopamin fonksiyonu ile ve yaygın olarak benimsenmeden önce 2D-GRE MT'ye kıyasla tekrarlanabilirliği karşılaştırmalıdır.

Bu protokolün diğer NM-MRI protokollerine göre avantajları vardır, çünkü NM-MRI hacim yerleşimi için kolayca tanımlanabilir işaretler sağlar ve bu da onu yüksek oranda tekrarlanabilir hale getirir. Ayrıca, başka hiçbir NM-MRI protokolünün içermediği çevrimiçi kalite kontrolleri de sağlar. Bu kalite kontrolleri, deneycinin, söz konusu konuyu analizden dışlamak yerine, düşük kalitede olmaları durumunda görüntüleri yeniden elde etmesini sağlar.

NM-MRG, çeşitli nöropsikiyatrik bozuklukları araştırmak için kullanılan değerli bir araçtır. NM-MRG, nigrostriatal yol12'deki dopamin fonksiyonunun bir vekil ölçüsüdür, bu nedenle PET gibi invaziv prosedürler gerektirmeyen in vivo dopaminerjik sistemi incelemek için bir yöntem sunar. Şizofreni hastaları, SN 38,41'de NM sinyalini arttırmış ve şizofrenide dopaminerjik fonksiyonun arttığını ortaya koyan önceki çalışmaları desteklemiştir. SN'deki NM-MRG sinyali ayrıca şizofreni hastalarında ve şizofreni için yüksek risk altında olanlarda psikoz şiddeti ile ilişkilidir12. Araştırmalar ayrıca, kokain kullanım bozukluğu olan bireylerin SN35'in ventrolateral bölgelerinde NM-MRI sinyalini arttırdığını ve geç yaşam depresyonu olan hastalarda, SN'deki düşük NM-MRI sinyalinin motor yavaşlama36 ile ilişkili olduğunu göstermiştir. Ek olarak, NM-MRG, Parkinson hastalığı gibi durumlarda dopaminerjik hücre kaybını incelemek için kullanılmıştır.

Kitao ve meslektaşları, SN'deki NM-MRI sinyalinin SN11'deki pigmentli dopaminerjik nöronların sayısı ile ilişkili olduğunu ve diğerlerinin SN dopaminerjik nöronlarındaki NM-MRI sinyalinin Parkinson hastalığında azaldığını göstermiştir 6,9,39,40. Parkinson hastalarında yapılan daha ileri araştırmalar, SN hücre kaybı12'nin topografik paternini ve SN hücre kaybının hastalık boyunca ilerlemesini haritalamak için NM-MRG'yi kullanmıştır37. Toplamda, bu, NM-MRG'nin sadece nöropsikiyatrik bozuklukların altında yatan kimyasal bileşenler hakkında fikir vermekle kalmayıp, aynı zamanda hastalığın başlangıcını ve şiddetini tahmin etmede bir biyobelirteç olarak da yararlı olabileceğini düşündürmektedir. Burada sunulan standartlaştırılmış protokolün, NM-MRI30'a dayalı klinik olarak yararlı biyobelirteçler geliştirmek için gelecekteki çalışmaları kolaylaştıracağını umuyoruz.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Dr. Horga ve Wengler, merkezi sinir sistemi bozukluklarında nöromelanin görüntülemenin analizi ve kullanımı için patentlere sahip olduklarını bildirdiler (WO2021034770A1, WO2020077098A1), Terran Biosciences'a lisanslı, ancak telif hakkı almadılar.

Acknowledgments

Dr. Horga, NIMH'den (R01-MH114965, R01-MH117323) destek aldı. Dr. Wengler, NIMH'den (F32-MH125540) destek aldı.

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

Nörobilim Sayı 175
Substantia Nigra'nın Nöromelanine Duyarlı Manyetik Rezonans Görüntülemesi için Standartlaştırılmış Veri Toplama
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