Skapa dynamiska bilder av kortlivat Dopamin Fluktuationer med lp-ntPET: Dopamin Filmer av cigarettrökning

Behavior
 

Summary

Vi presenterar en ny metod PET imaging för att fånga dopamin fluktuationer orsakade av cigarettrökning. Ämnen röka i PET-scannern. Dynamiska PET-bilder modelleras voxel-by-voxel i tid genom lp-ntPET, som innehåller en tidsvarierande dopamin sikt. Resultatet är "filmer" av dopamin fluktuationer i striatum under rökning.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Morris, E. D., Kim, S. J., Sullivan, J. M., Wang, S., Normandin, M. D., Constantinescu, C. C., Cosgrove, K. P. Creating Dynamic Images of Short-lived Dopamine Fluctuations with lp-ntPET: Dopamine Movies of Cigarette Smoking. J. Vis. Exp. (78), e50358, doi:10.3791/50358 (2013).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Vi beskriver experimentella och statistiska steg för att skapa dopamin filmer av hjärnan från dynamiska PET-data. Filmerna representerar minut för minut fluktuationer av dopamin induceras av att röka en cigarett. Rökaren avbildas under en naturlig rökning erfarenhet medan andra eventuella störande effekter (t.ex. huvud rörelse, förväntan, krimskrams, eller motvilja mot rökning gånger) minimeras.

Vi presenterar detaljerna i vårt unika analys. Konventionella metoder för PET tidsinvarianta analys uppskattning kinetiska modellen parametrar som inte kan fånga kortsiktiga fluktuationer i neurotransmitterfrisättning. Vår analys - vilket ger en dopamin film - är baserad på vårt arbete med kinetiska modeller och andra tekniker nedbrytningsprodukter som möjliggör för tidsvarierande parametrar 1-7. Denna aspekt av analysen - temporal-variant - är nyckeln till vårt arbete. Eftersom vår modell är även linjär i parametrarna, är det praktiskt, beräkningsmässigt, att gälla vid the voxel nivå. Den analysteknik består av fem huvudsakliga steg: förbehandling, modellering, statistisk jämförelse, maskning och visualisering. Förbehandling appliceras på PET-data med en unik "HYPR 'rymdfiltret 8 som reducerar rumsbrus men bevarar kritisk temporal information. Modellering identifierar tidsvarierande funktion som bäst beskriver dopamin effekt på 11 C-rakloprid upptag. Den statistiska steget jämför passning av vår (lp-ntPET) Modell 7 till en konventionell modell 9. Maskering begränsar behandling till dessa voxlar bäst beskrivs av den nya modellen. Visualisering Kartor dopamin funktion vid varje voxel till en färgskala och producerar en dopamin film. Delresultat och prov filmer dopamin av cigarettrökning presenteras.

Introduction

Trots överväldigande bevis för de medicinska riskerna är tobaksrökning fortfarande ett stort hälsoproblem. Det är helt enkelt mycket svårt att sluta röka. Över 20% av den vuxna amerikanska befolkningen fortsätter att röka och de flesta rökare som försöker sluta återfall inom den första månaden 10. Tyvärr, det finns få tillgängliga behandlingar till stöd i rökavvänjning och / eller minska nikotinberoende. I vårt labb, är vi intresserade av att använda PET imaging att förstå missbruk och beroende i syfte att bidra till utvecklingen av nya läkemedel för rökavvänjning och andra dopning.

Den snabba ökningen av dopamin i striatum tros koda beroendeframkallande ansvar av droger och beteenden 11 och en snabb återgång av dopamin till baslinjen kan vara relaterad till återkallelse och efterföljande drog-sökande. För vissa beroendeframkallande ämnen och beteenden som rökning, är höjden av striatal dopamin mycket kortlivade (minuter), the storleken på ökningen är inte stor (1-2X baslinjen), och den geografiska omfattningen av dessa svar kan begränsas till små delregioner i striatum.

Djurförsök visar tydligt att nikotin orsakar dopaminfrisättning i nucleus accumbens hos råttor 12. Men tidigare försök-användning av konventionella analyser - att uppskatta dopamin förändringar hos människa under eller efter nikotin eller rökning har gett otillförlitliga och motsägelsefulla resultat 13-18. Vissa av dessa studier tillät rökare att röka utanför skannern. Andra levererade bara nikotin till ämnet. För att på bästa studien beroende av cigaretter, satte vi ut för att utveckla bättre avbildning protokoll och komplettera dem med avancerade analyser som skulle tillåta oss att fånga hjärnans reaktion på ett skenbart naturligt rökvanor.

Positron Emission Tomography (PET) är unik bland hjärnan scanning tekniker i dess förmåga att sondera neurokemi av den mänskliga hjärnan < em> in vivo. Många PET spårämnen finns för att spåra dopaminreceptorer och många är känsliga för konkurrens med endogent dopamin. Olyckligtvis konventionella metoder för PET bildanalys uppskatta steady state förhållandet av bundet till fri tracer, känd som bindande potential (analog med in vitro-metoder), från dynamiska PET-bilder. En märkbar förändring i det steady state förhållandet (t.ex. från baslinjen till rökning skick) tas för att indikera dopamin förändring. Men de dopamin förändringar relevanta för missbruk är naturligt övergående så uppskattningar av en steady-state kvantitet är bristfällig. Dessutom, de typiska region av intresse analys genomsnitt spårämneskoncentrationen över stora anatomiskt definierade områden och kommer sannolikt att missa mycket lokala hjärnsvar - såsom de vi förväntar oss från cigarettrökning. Tidigare PET-studier av rökning kan också ha lidit av förflyttning av rökarna huvuden under rökning i skannern.

jove_content "> Funktionell MRI (fMRI) ger den nödvändiga rumsliga och temporal upplösning som skulle behövas för att fånga händelser som inträffar i delregioner i striatum på minuten tidsskalan men fMRI saknar den molekylära specificitet PET. den djärve signalen härrör från . förändringar i blodflödet och är därför neuronalt och molekylärt ospecifik alltså utnyttjade vi PET - men på ett nytt sätt Målet med detta protokoll var att uppskatta de korta och lokaliserade dopamin svar till rökning eftersom de tros ligga bakom den neurokemiska manifestation. begäret och drog-sökande uppförande.

För att uppskatta dopamin transienter som fångas i dynamiska PET-bilder gjorda med dopamin-receptor ligander, introducerade vi tidigare en serie av kinetiska modeller, gemensamt kallade "ntPET" för signalsubstansen PET 1,5,6,19, som baserades på konventionell två-vävnad kompartmentmodell men utökades med termer för tid-variationen i dopamin och samspelet mellan dopamin och spårämnet (dvs. konkurrens). Dessa modeller har validerats mot en guldmyntfot. Specifikt har vi visat att våra modeller förutsäger dopaminkoncentrationer över tid från PET-data från råttor som är i god överensstämmelse med samtidigt förvärvade mikrodialys mätningar 4,7 Fördelar:. Den senaste av våra modeller har antingen linjära och icke-parametrisk (np -ntPET) 1 eller linjär och parametriska (lp-ntPET) 7. Den senare modellen härrör från en tidigare linjära modellen infördes av Alpert et al. 20. Linjärisering är en viktig utveckling eftersom det försäkrar att tillämpa de modeller för dynamiska data på Voxel nivå är beräkningsmässigt enkelt. I en nyligen proof-of-concept papper, kunde vi skapa dopamin filmer av en människa som utför en motorisk uppgift 3 och visar att filmerna var känslig för tidpunkten för motorisk uppgift som kan förväntas. Movies är representationer av tidsförloppet av dopamin nivåer vid varje voxel i bilden. Voxel-by-voxel metoder i PET i allmänhet lider av låg signal-brusförhållande, så för att minimera brus inneboende i voxel-baserade tid-aktivitetssamband kurvor (TAC), tillämpar vi en innovativ spatialfilter, 'HYPR', 8 som en pre -processteg. Detta steg bevarar viktiga temporala egenskaper hos de svarande voxels samtidigt minska bullret.

Rökning är mer än nikotin leverans. Cigaretter innehåller 4000 kemikalier förutom nikotin. Även nikotin tros ha huvudansvaret för de inledande beroendeframkallande effekter, alla andra signaler och sensoriska komponenter av rökning blir förstärkande till en vanerökare. Vi valde att studera hela beteende rökning vilket innebar att vi behövde för att kunna avbilda rökare röker medan inuti PET-scannern. Tyvärr, med rökning kommer head rörelse. För att eliminera artefakter head rörelse i våra bilder, använder vi Vicra motioN-tracking system (NDI Systems, Waterloo, Kanada) och händelse-by-händelsen rörelse korrigering som en del av en iterativ, upplösning återhämtning rekonstruktionsalgoritm 21.

Våra nya skanning och analysmetoder är utformade för att framkalla och fånga korta och lokaliserade dopamin transienter som är de unika signaturer av hjärnans reaktion på beroendeframkallande droger och beteenden. Framförd voxel-by-Voxel, våra modeller ger en dynamisk uppsättning bilder av striatala dopamin svängningar - dvs "dopamin filmer". Dessa filmer representerar en ny tid och rum biomarkör för missbruk och kan tjäna som en direkt, flerdimensionell riskindikator för missbruk och / eller indikator på behandlingseffekt.

Protocol

En översikt av hela proceduren, som beskrivs nedan, för att producera multi-slice dopamin filmer sammanfattas i flödesschemat i figur 1.

  1. Pre-PET MR scan

    Skaffa en strukturell MR på en separat dag från PET-scan. MR scan ger en anatomisk referens för PET-bilderna. Typiska ackvisitionsparametrar för strukturell MRI är: 3D MPRAGE MR pulssekvens med TE = 3,3 ms, flip vinkel = 7 grader, skiva tjocklek = 1,0 mm, 0,98 x 0,98 mm pixlar.

    1. Öva PET / Rökning Session

      Ordna för ämnet att öva rökning rörelse i PET-scannern antingen före skanningen eller, helst, på ett tidigare besök på PET-centrum. Detta kommer att undvika förvirring eller obehag under själva PET-scan. Det kommer också att eliminera nyhet av att vara i skannern för första gången. Eftersom Siemens HRRT är en högupplöst hjärna scanner, är tunneln smaloch det finns minimalt spel för rökaren att bringa cigaretten för att hans / hennes mun. Även om vi har ett sofistikerat system för att hantera huvud rörelse, är det fortfarande lämpligt att ha rökning rökaren praktiken samtidigt som man försöker att inte röra hans / hennes huvud.

    2. Patient Prep
      1. IV linje

        En IV måste införas av en legitimerad sjuksköterska och klar för senare montering på pump som levererar spårämnet. Tracer kommer att injiceras i patienten genom en IV linje.

      2. Head Motion Bildskärm

        Anbringa reflekterande sfärer till hjässan i ämnet. Den Vicra head-tracking systems lasrar opinionsundersökning ställning reflekterande sfärer med en hastighet av 20 Hz. Sfärerna är fästa i stela, korsformiga "verktyg" och verktyget är fäst vid en Lycra simma cap bärs av ämnet. En realtidsvisning av verktygets position bör använda det till personalen att övervaka huvudet rörelse och se till att lasern systema m har en fri sikt av verktyget och spelar in huvudet positionen kontinuerligt för senare användning i bilden rekonstruktion.

    3. Förbered Insprutningspump
      1. Programmera pumpen med rätt infusion paradigm för rakloprid att maximera känsligheten hos PET bilder till dopamin fluktuationer under hela genomsökningen, administrera spårämne, 11 C-rakloprid, som en initial bolus följt av en konstant infusion. För att bestämma de riktiga relativa mängderna av spårämne som skall levereras i initial bolus vs infusionen, följer vi den metod för Carson et al. 22 att beräkna förhållandet mellan dos i bolus till infusionshastigheten ("Kbol" i enheter av minuter ) given kunskap av impulssvaret funktion av 11 C-rakloprid i människa. Leveransen av spårämne enligt ett givet protokoll styrs av en intern datorprogram som driver en programmerbar infusionspump.
    4. Starta Luftfiltert "> För att eliminera passiv rökning från PET sviten under rökningen, läget intaget av en luft-filter (Movex Inc, Northampton, PA) framför scannern och framför försökspersonens huvud. Lämna utrymme för en patient att få cigarett till hans / hennes mun under rökning. Filtret är påslagen före studien och används i alla förhållanden om flera skanningar utförs.

    5. Transmission scan

      Skaffa en 9 min sändning skanna före injektion av spårämne och förvärv av PET-scan. Transmissionen förvärvas för att skapa en 3D-karta över den linjära dämpningskoefficienten i hela hjärnan. Dämpningen karta används i återuppbyggnaden av utsläppsrätter (PET) bilder.

  2. PET Scan
    1. Starta injektion och PET-undersökning

      En certifierad nukleärmedicin teknikern måste administrera spårämne. Generellt, initierar ett team av två teknologer spårämne administration och PET datainsamling samtidig ly.

    2. Skattningsskalor vid tidpunkten för rökning

      Administrera enkla enkäter, oralt, till ämnet omedelbart före och efter rökning. Rökaren måste bedöma hans / hennes begär, tillfredsställer begäret, nikotin high, och känslor av motvilja på en skala från 1-100.

    3. Rökning

      För att fånga den dopamin svar på en naturalistisk rökning erfarenhet, instruera rökaren att röka i sin egen takt, röker sitt eget märke av cigaretter, och viktigast, utföra röka själv, snarare än att ha nikotin eller cigaretten administreras av studie personal. Rökare - som har varit avhållsamma sedan föregående midnatt - röka två cigaretter i följd. De tar i allmänhet ca 10 min att fylla båda cigaretter.

    4. Betygskalor efter rökning (som nämnts ovan).
  3. Post-PET-undersökning
    1. Komplett scanna, skicka till återuppbyggnaden via Molar med Vicra uppgifterontent "> När förvärvet är genomfört, rekonstruera lista-moddata (en post för varje enskild förfall händelsen med sin tid och plats) i utsläpp bilderna. Återuppbyggnaden algoritm som används i vårt center är en iterativ algoritm (Carson, Barker et al . 21) som korrigerar för rörelse på evenemanget nivån med högfrekventa Vicra inspelningar. Korrigeringar för scatter, dämpning, dödtid, och normalisering, scanner geometri, och punkt-spread-funktionen ingår också i algoritmen. Rekonstruktionen producerar en dynamisk serie 3D PET-bilderna på förhand utvalda tidsramar.

    2. MR förbehandling och MR-PET registrering

      Använd vanliga algoritmer för att ta bort skallen från ämnet MR bild 23. MR måste vara de-skulled innan du riktar med PET eftersom de flesta spårämnen inte tas upp av skallen.

  4. Filtrera de dynamiska PET-data med HYPR

    Applicera en variant avspatial filtrering metod, Highly Constrained återprojektion (HYPR-LR) till alla PET-bilder i en bildruta för bildruta sätt efter arbetet i Christian et al. 8,24. Överklagandet av HYPR-LR är att det minskar rumsbrus utan att försämra den temporala informationen vid varje voxel som vi kommer att använda för att skapa våra dopamin filmer.

  5. Justera PET-data till MR mall

    Rikta PET till motivets MR data ger transformationsmatrisen 1. (Detta görs vanligtvis med en bild från tidigt i PET-scan.) Till en standard MR mall för att ge transformationsmatris 2 registrera Jyri uppgifter. Kombinera transformationer 1 och 2 för att registrera HYPR-filtrerade PET-data till standardmall rymden. Uppgifterna finns nu i en standard anatomiska utrymme med isotropa voxlar (2 mm x 2 mm x 2 mm).

  6. Applicera Striatal Mask

    Rakloprid har tillräcklig signal till bakgrund kontrast till endast användas i striatum. Detta är det område av hjärnansom är inblandad i drogmissbruk. Efter Martinez et al. 25 tillämpa en mask av pre-commissural striatum (ventral striatum, rygg caudatus, rygg putamen) till alla PET-data i mallen rymden.

  7. Voxel-baserade anfall av två modeller
    1. Välj dopamin svarsfunktioner för lp-ntPET

      Välj response functions som är förenliga med eventuella dopamin svar på stimulans. Genom att välja en viss uppsättning svarsfunktioner, kan man begränsa formen och tidpunkten för de uppskattade dopamin svar på kurvor som förväntas för vår särskilda stimulans. För rökning, förväntar vi oss en unimodal uppgång och fall av dopamin koncentration (en "gamma-variate" formad kurva). När det gäller rökning på 45 min i skanningen, familjer svarsfunktioner med "take-off" tider av 40 minuter (för att tillåta viss förväntan) och senare ingår.

    2. Applicera lp-ntPET modell

      Montera lp-ntPET model till PET-TAC vid varje enskild voxel i det maskerade området i enlighet med metoden av Normandin et al. 7. Den operativa ekvation av modellen visas i figur 3a. Integralen av produkten av PET TAC med varje svar funktion blir en uppsättning linjära basfunktioner som bidrar till modellen (se sista termen i den operativa ekvationen). Eftersom lp-ntPET är en linjär, bas-funktion-baserad metod för montering av dynamiska PET-data, kan det genomföras för att snabbt uppskatta både (a) kinetiska parametrar som styr verkan av spårämnet, och (b) en tid-profil relativ dopamin koncentration förändring under genomsökningen session, vid varje voxel.

      1. Skapa WSSR kartor

        Notera den viktade summan av kvadrerade residualer (WSSR) karta över passformen hos lp-ntPET till data vid varje voxel (WSSR lp-ntPET) för användning, nedan. Montering av modellen vid varje voxel producerar bilder av spårämnet parametrar: R 1, k 2 </ Sub>, k 2a, och γ. R1 är den relativa flödesvärde, k är 2 utflödet hastigheten i referens-regionen, är k 2a den skenbara efflux hastigheten i målregionen, och γ är storleken på den dopamin signalen. Den viktade summan av kvadrerade residualerna vid varje voxel kan ses som en bild också.

    3. Applicera (konventionella) multilinear Model Reference Tissue (MRTM)

      Montera MRTM modellen efter 9 till PET tid-aktivitetsdata vid varje enskild voxel i det maskerade området. MRTM är en linjär modell - vanligen för dynamiska PET-data - som är identisk med lp-ntPET förutom att den saknar en tidsvarierande dopamin sikt. Montering MRTM till Voxel-kloka uppgifter avkastning uppskattningar av endast tre parametriska bilder: R 1, k 2, k 2a. Anteckna den viktade summan av kvadraterna karta över passningen av MRTM (WSSR MRTM) till data vid varje voxel liksom.

  8. <li> Beräkna en F-karta

    Skapa en F-karta från kvadratsumman kartor genom att beräkna F-statistik på varje voxel i masken. F-statistik jämför WSSR LP-ntPET till WSSR MRTM, korrigera för skillnader i frihetsgrader i respektive passar.

  9. Tröskelvärde för F-kartan

    Tröskelvärde för F-karta på ett värde som översätter till en sannolikhet på p <0,05 (baserad på frihetsgrader i modellen passar). Tröskeln är densamma vid varje voxel. Binärisera på kartan för att göra en ny "Betydelse Mask" som behåller endast de voxlar i striatum vars PET TAC är fit (statistiskt) bättre med lp-ntPET än med MRTM.

  10. Filtrera Betydelse Mask

    Utför en morfologisk "öppning" (erosion följt av dilation) om innebörden Mask för att eliminera små, isolerade grupper av voxlar som vi antar vara på grund av buller. En isotrop 2 x 2 x 2 voxel kärna som används för att återflytta isolerade grupper av voxlar med en diameter mellan 2 voxlar eller mindre. Vi har nu en Final Betydelse Mask.

  11. Skapa 4D dopamin film i färg

    Lagra värdet av den beräknade dopamin kurvan normaliseras genom k 2a vid varje voxel i finalen Signifcance Mask. Dessa data utgör "normaliserade dopamin bilder" och kommer att vara 4-dimensionell. De är, faktiskt, hittade den relativa dopamin värde vid varje tidpunkt för varje voxel att ha en betydande dopamin reaktion på stimulus. Skapa ett färgkodat bildserie genom att tillämpa en tabell färg lookup till de normaliserade dopamin bilderna. Överlagra färgkodade dopamin bilder på motsvarande MR mallbilden. Spara den serie av färgkodade bilder som en *. Png-fil. Detta är en singel-skiva "dopamin movie". Ordna dopamin filmer för varje skiva som innehåller ventrala striatum i en film. Detta arrangemang är ett multi-slice dopamin film.

  12. Analysera röka data och kontrolldata similarly

    Utför samma analys på data från varje experimentell tillstånd som skall undersökas. För detta projekt har vi förvärvat och analyserade data för varje ämne i två separata villkor: rökning och kontroll (ingen rökning).

  13. Jämför röka att styra genom att konstruera en sammansatt dopamin film

    Producerar dopamin filmer för samma ämne i olika förhållanden, t.ex. baslinjen eller sham uppgift kontra rökning. Producera en "komposit dopamin filmen" för ett ämne för alla skivor av striatum för baslinje och rökning.

  14. Kör filmen

    Spela "multi-slice dopamin movie" (visad i resultaten) för att avslöja rumsliga och tidsmässiga mönster som utgör hjärnans unika dopaminerga svar till att röka cigaretter.

Representative Results

Figur 2. Effekterna av två olika HYPR spatialfiltren på jämnhet i tid-aktivitetsdata på en enda striatal voxel. Övre raden: 11 C-rakloprid PET utsläpp bilder från en 3 minuters ram centrerad vid 46,5 minuter (inte filtreras, filtreras med en 3 x 3 x 3 voxel kärna, filtreras av ett 5 x 5 x 5 voxel kärna). Mellersta raden: 11 C-rakloprid PET utsläpp bilder från en 3 minuters ram centrerad vid 61,5 minuter (inte filtreras, filtreras med en 3 x 3 x 3 voxel kärna, filtreras av ett 5 x 5 x 5 voxel kärna). Nedre raden: motsvarande tidpunkt aktivitet kurvor från samma enda voxel plats i vänster dorsala caudatus. Notera att den uppenbara dopp i 11 C-rakloprid upptag (på grund av utsläpp av dopamin) vid tidpunkten för rökning är bevarad även om buller minskas med större filter väljas.

Figur 3. Ett urval av representativa dopamin svarsfunktioner som var pre-computed för montering av lp-ntPET modellen PET tid-aktivitetsdata på varje voxel enligt Normandin et al. 7. I fallet med vår rökning paradigm, börjar cigarettrökning 45 minuter efter spårämne injektionen börjar. Även om striatala dopamin svar koda väntan på rökning - t.ex. på grund av hanteringen av cigaretten eller andra ledtrådar som förutsäger röka - vi motiverade att svarsfunktioner säkert kunde begränsas till kurvor som tar ledigt från baslinjen tidigast 5 minuter före rökning (a). Likaså var kurvor begränsade till take-off tider senast 15 minuter efter start av rökning. Kurvor med take-off tider på 40 minuter representerar möjliga dopaminerga reaktioner på grund av förväntningar (b) Representativa svarsfunktioner alla som tar av från baseline vid 45 minuter,. Den tid då rökning påbörjas. 500 olika plausibla svarsfunktioner genereras. För illustration, tomter i <strong> (a) och (b) visar endast ett urval av kurvformer och take-off tider.

Figur 4. (A) Den operativa Ekvationen för lp-ntPET modell. Modellen är linjär i parametrarna (R 1, k 2, k 2a, γ) som möjliggör snabb beräkning av parameterskattningar vid varje voxel i striatum masken. (B) parametriska bilder av (R 1, k 2, k 2a, γ ) för en enda koronalt hjärnan skiva för ett enda ämne. Även γ ensam är den parameter som kodar storleken av en dopamin reaktion, samtidig uppskattning av alla 4 spårämne parametrar är nödvändigt för att passa modellen till tid-aktivitetsdata på varje voxel.

Figur 5. Passar för de konventionella (MRTM) och nya (lp-ntPET) modeller till TIME-aktivitetsdata från en voxel i vänstra caudatus. MRTM passformen är i blått. lp-ntPET passformen är i rött.

Figur 6. (a) visar den viktade summan av kvadrerade residualerna (WSSR) från MRTM och (b) från lp-ntPET passar till data vid varje striatum voxel. De två WSSR bilder som produceras från samma data jämförs för att producera en karta av F-kvoten vid varje voxel (dvs. en F-map), som visas i (c). (D) F-kartan trösklas vid p <0,05 att producera en binär signifikans karta (se steg 2.10 i protokollet). För n tidsramar, och 4 parametrar för lp-ntPET modell, tröskeln för F-statistik som motsvarar en sannolikhet nivå, p <0,05 (för 90 minuters data binned i 3-minuten ramar, är tröskeln 4.23) (e ) Betydelsen karta filtreras med ett morfologiskt filter (en "öppning") för att eliminera små kluster av voxlar som är mest sannolikt att representera buller. The Final Betydelse Mask bevarar bara de voxlar i striatum vars TAC bättre passform (statistically) av lp-ntPET modell i motsats till den konventionella MRTM modell, utan tros innehålla en dopaminerg reaktion på rökning. Detta tröskelvärde korrigerar inte för multipla jämförelser. Istället för att skydda sig mot falska positiva resultat, skapar vi Final Betydelse Masker för en kontrollgrupp samt (se Figur 7 och protokollsteg 1,8-1,10).

Figur 7. (A) visar en koronal bit av finalen Betydelse Mask för rökning tillstånd i ett enda ämne. Figur (b) visar den slutliga Betydelse Mask för motsvarande ämne och skiva i det ursprungliga tillståndet. Förekomsten av kluster av balanserade voxels i masken av rökning i motsats till den nästan fullständiga frånvaron av kluster i masken kontroll stöder påståendet att de dopamin-filmer (se nedan) är inte helt enkelt tillfälligheter eller händelser relaterade till buller i data. (Obs: den injicerade aktiviteten - ettd således signal-brus-förhållande - i baslinjen och villkor rökning var jämförbara).

Figur 8. Den dopamin film av en enda bit av hjärnan i koronala orientering visar bildruta för bildruta dopamin nivå i förhållande till den basala (vila) dopamin nivå. (A) visar filmen av det ursprungliga tillståndet och (b) visar filmen på rökning skick. Dopamin nivåerna kodas i färg. Specifikt, färgerna - visas i den färg baren med motsvarande numeriska värden - representerar den förändring i dopamin ovanför den basala nivån som en procent av basal. Återigen är de dopamin nivåerna visas endast för voxels i finalen Betydelse Mask som överstiger p <0,05 signifikansnivå.

Figur 9. Den multi-slice, multi-condition dopamin film för samma ämne som i figur 8 med alla skivor av den ventrala striatum visas samtidigt f eller baslinjen och villkor rökning.

Figur 1
Figur 1. Flödesschema av experiment och bild analysmetoderna (AC). Klicka här för att visa en större bild .

Figur 2
Figur 2. Effekter av HYPR filter av olika kornstorlek på bilderna (topp och mitten) och på tid aktiviteten kurvor (botten) i en enda voxel. Klicka här för att visa en större bild .

/ Files/ftp_upload/50358/50358fig3.jpg "/>
Figur 3. Exempel på dopamin svarsfunktioner som take-off på (a) 40 min eller (b) 45 min efter spårämne injektion.

Figur 4
Figur 4. Parametriska bilder som genereras genom att montera lp-ntPET operativa ekvation (a) till PET-data. (B) Bilder motsvarar de 4 parametrarna i modellen, 1 R, k 2, k 2a, γ, utvärderas för striatum och visat överlagd på motsvarande MR slice. Klicka här för att visa en större bild .

iles/ftp_upload/50358/50358fig5.jpg "/>
Figur 5. Passar för MRTM (blå) och LP-ntPET (röd) modeller till tid-aktivitetsdata från en enda voxel.

Figur 6
Figur 6. Parametriska bilder av WSSR för (a) MRTM och (b) lp-ntPET. De respektive kartor WSSR jämförs för att skapa F-kartan (c), som i sin tur trösklas till en binär mask (d) och filtrerades därefter för ger de slutliga Betydelse Mask. Klicka här för att visa en större bild .

Figur 7
Figur 7. Jämförelse av Final Signifcance Masker för rökning (a) och kontroll

Figur 8.Single-slice dopamin film för fristående kontroll ("Övriga") och villkor för rökning. Klicka här för att se figur 8 .

Figur 9.Multi-slice dopamin film för enskilt ämne i (övre) rökning och (botten) kontroll ("Övriga") förhållanden. Klicka här för att se figur 9 .

Discussion

Fynden i PET litteraturen på dopamin reaktion på rökning är inkonsekvent 13-18. Det kan finnas många orsaker till detta. Olika metodologiska svårigheter uppstår med alla försök att bilden cigarettrökning. Åtminstone måste man brottas med möjliga rörelseartefakter i data, passiv rökning exponering för forskare, blygsamma och kortvariga förändringar i dopamin som orsakar endast subtila förändringar i upptag och retention av spårämnet, 11 C-rakloprid .

Artificiell induktion av en stor och ihållande svar av dopamin kan vara möjligt genom att administrera en intravenös injektion av en stor dos av nikotin. Detta skulle emellertid strida mot våra underliggande mål att skapa dopamin filmer av cigarettrökning. Vår avsikt var att undersöka så noggrant som möjligt den dopaminerga svar på hela beteendet av rökning. I missbruk forskning, är en viktig distinktion mellan passiv förvaltningav läkemedel till en patient och självförvaltning. Vårt mål var att bilden självstyre - en rökare röker hans / hennes egen favorit märke av cigaretter - för att fånga och karakterisera korta dopaminerga svar till rökning. PET analyser förutsätter normalt att effekterna av ett läkemedel eller annan utmaning är långlivat förhållande till scan-durationen. Imaging rökning krävs således innovationer inom modellering och experiment med PET.

Kritiska steg i våra protokoll

Underlätta rökning i skannern

  1. För att bilden egenadministration (dvs., rökning) var vi tvungna att eliminera passiv rökning till belåtenhet för vår miljö, hälsa och säkerhet avdelning. Detta åstadkoms genom användning av en portabel luftfiltreringssystem som drar luften omger föremålet genom ett HEPA-filter för att avlägsna partikelformigt material. Enheten är utrustad med en tydlig kupolformad intag huva som kan sänkas under than motivets ansikte men inte hindra hans / hennes rökning.
  2. Rökning inducerar head rörelse - även om rökare instrueras att flytta sin hand och hålla huvudet stilla. Motion under en enda tidsram försämrar point-spread funktion av skannern. Det är, bidrar den till att sudda i bilderna. Head rörelse under scanning innebär också att huvudet är i olika positioner under emission och överföring. Denna obalans kan leda till artefakter när överföringen scan tillämpas för att korrigera för dämpning. Den Vicra head-tracking system tar upp båda dessa frågor, och anses allmänt representera state-of-the-art lösning på problemet 26.

Maximera känslighet 11 C-rakloprid upptag för små förändringar i nivåerna av dopamin

  1. Föregående simulering arbete av vår grupp har visat att känsligheten för förändringar i dopamin nivåer är inte enhetlig i hela scan-durationen om spårämnet är adminsationsnummer via en bolusinjektion 27. Å andra sidan, följde en initial bolus på spårämne av en långsam infusion verkar kraftigt utjämna känsligheten hos de PET-data till rökning när som helst under sökningen.
  2. Rökning-inducerade förändringar i dopamin är liten i förhållande till brus i PET-data själva. Mycket Constrained återprojektion återuppbyggnad (HYPR) 8,24 är en populär metod för utjämning av fMRI data som nyligen har tillämpats på PET. Denna spatial utjämning teknik minskar buller utan att utplåna de tidsmässiga uppgifternas egenskaper som vi är intresserade i. Det är, nedtryckningen av de tid-aktivitet kurvor som representerar konkurrens av spårämnet med endogent dopamin. Vårt förberedande arbete 28 indikerar att det finns ett optimalt val av HYPR filter som maximerar skillnaden i thresholded F-kartor (dvs skillnad i antalet kvarhållna voxels) mellan rökning och baslinjen Conditjoner. Den optimala filter (som valts för de uppgifter som presenteras) beror nog på god matchning av HYPR kärnstorlek till den ungefärliga storleken på aktivering området (se figur 2).
  3. Rökning-inducerade förändringar i dopamin är korta. Konventionella PET analysmetoder inte är väl lämpade för att fånga övergående signalsubstans händelser 25,29. Vi har kännetecknat bristerna i olika konventionella analyser med hjälp av simulering studier och humandata 30. Av dessa skäl har vårt labb utvecklat och validerat ett antal matematiska metoder för att modellera effekten av dopamin transienter på PET-data 1-7. En ny innovation från Normandin et al. 7 var att linjärisera vår ursprungliga ntPET modellen så att den kan tillämpas på voxeln nivå. Resultatet av detta är en dopamin film som de som presenteras häri. Viktiga aspekter av våra metoder för skattning av dopamin transienter i PET-data har validerats previously: i råttor som genomgick samtidig PET och mikrodialys 4 och i människor som utför ett finger tapping uppgift 3,4.
  4. Någon form av statistiska test för att isolera Bonafide förändringar i dopamin som distinkt från tillfälligheter. Vi har valt att använda F-statistik (aka "F-ratio") för att identifiera de regioner (dvs. de voxlar) av bilden som är mest sannolikt att innehålla detekterbara och kvantifierbara dopamin svar. Den F-statistik används för att jämföra kvadratsummorna av anfall av två nästlade modeller till samma tid-aktivitetsdata. I det här fallet, jämför vi den passformen av en konventionell modell-frånvarande en tidsvarierande dopamin term-med vår nyligen introducerade lp-ntPET modell som innehåller en tidsberoende term för dopamin svängningar. Endast de voxlar där F-förhållandet överstiger en given statistisk tröskel finns kvar i den slutliga dopamin filmen.

Begränsningar för tolkningen av det presenterade resultatet

<ol>
  • Provet Resultatet som presenteras här är, naturligtvis, inte en fullständig studie. En grundlig undersökning av rökning skulle innebära en ursprungliga tillståndet, en rökare tillstånd, och en bluff röka förutsättning att kontrollera för rörelse-inducerad dopaminfrisättning - till skillnad från rörelseartefakt (se ovan). Dessa studier pågår i vårt laboratorium.

    Det bör noteras att konstruera en lämplig sham rökning tillstånd är långt ifrån enkel. För rökare, kan blotta handlingen att föra en släckt cigarett till munnen vara givande och därmed frigöra dopamin. Således skulle en kontroll för rörelse men inte för förväntningar förmodligen en riktad motor rörelse jämförbar ansträngning och frekvens att ta bloss på en cigarett men inte en rörelse som inte på något sätt kunde förknippas med rökning såsom knapptryckningar eller manuell objektmanipulering .

  • Det är väl känt att om tillräckligt många jämförelser görs, kommer det att finnas chans fynd som överstiger en given statistisk tröska gamla 31. De jämförelser vi gör är mellan passning av den konventionella modellen och passformen av lp-ntPET modellen vid alla voxlar i striatum. För närvarande är vi korrigera inte formellt för multipla-jämförelser (t.ex. "Bonferroni korrigering"). Istället har vi tillämpat dopamin filmen analysen till en ursprungliga tillståndet förutom en rökare tillstånd. Om vår dopamin film av rökning var helt enkelt resultatet av en slump, skulle vi förvänta oss samma densitet aktivering områden (antal överstatliga tröskel voxels) i baslinjen som i de rykande uppgifter. Så är uppenbarligen inte fallet (se Figur 7).
  • Visst, är reproducerbarheten för vår teknik en viktig relaterad fråga. Man skulle tro att hjärnan hos en rökare bör reagera på samma sätt som att röka en cigarett idag eller i morgon eller nästa vecka. Vi är för närvarande engagerade i bedömningen av test-retest reproducerbarhet våra dopamin filmer.
  • Framtida

    jove_content "> Vi har utvecklat en ny modell av PET spårämne upptag i närvaro av en kortsiktig fluktuation i endogen signalsubstans nivå. Eftersom modellen är linjär i parametrarna, kan det beräknas snabbt och enkelt på många voxlar. Slutpunkten för montering sådan en modell för PET-data på en Voxel-för-Voxel grund är en "film". För studier med D2 receptor markör, 11 C-rakloprid, är slutpunkten en dopamin film. Dopamin är den viktigaste neurotransmittorn i hjärnans bearbetning att belöna stimuli som leder till beroende. Eftersom vissa stimuli (notably cigaretter och alkohol) producerar endast milda och troligen kortlivad dopamin förändringar, kan filmerna har sin största potential för att studera missbruket av dessa två stimuli. Om vi ​​kan använda vår dopamin filmer att identifiera rumsliga och tidsmässiga mönster dopaminfrisättning som är vägledande för beroende eller risk för missbruk, då dessa mönster skulle kunna fungera som markörer för sjukdomen, risken för sjukdomar, och- Förutsatt att mönstren är vändbara - indikatorer (farmakologisk-eller kognitiv-) behandlingseffekt.

    Det finns ingenting om våra filmer som begränsar dem till dopaminsystemet. Allt som behövs är en PET spårämne för ett mål av intresse som är känsligt för (dvs., lätt flyttbar med) fluktuationer i den endogena liganden för samma mål. Hittills har det varit skraltigt framsteg för att identifiera PET spårämnen som är tillförlitligt känslig för endogena signalsubstanser än dopamin. En översyn av serotonin litteratur under 2010, till exempel, målade nyktra bild av vår nuvarande begränsade förmåga att upptäcka serotoninfrisättning med PET 32. Nyligen har det funnits positiva utvecklingstendenser. Ett antal publikationer har rapporterat känslighet serotonin spårämnen till höjder i endogent serotonin i icke-humana primater 33-36 men fältet väntar liknande demonstrationer i människor. Som vi har diskuterat någon annanstans <sup> 37, känslighet för förändringar i endogen neurotransmittor koncentration förefaller utgöras av en optimal grad av förskjutning från receptorn i kombination med en enkel utströmning av spårämnet från vävnad till blod. När serotonin ligander har godkänts och visat sig ha sådana egenskaper, då serotonin filmer kommer också att vara möjligt.

    För närvarande, de flesta PET-studier med receptor-spårämnen leda till genereringen av parametriska bilder. En parametrisk bild är en karta över ett visst spårämne kinetiska modellen parameter utvärderas vid varje voxel i objektet (dvs hjärnan). Tillämpning av konventionella modeller såsom SRTM 38,39 eller en-eller två-vävnad kompartmentmodell ger parametriska bilder av Ri, den regionala flödesparameter, eller BP, den regionala bindande potentiella värde. Båda dessa parametrar är fysiologiska konstanter som tros representera processer som är i stationärt tillstånd. Ibland kan emellertid systemet, och / eller processen att interested är ostadiga. Det vill säga, de är övergående. Så är fallet med den kortlivade respons av dopamin till cigarettrökning. Under sådana omständigheter är det inte möjligt att karakterisera dopamin övergående med en enda parametrisk bild. Det är inte heller lämpligt att modellera data med en modell som är strikt tidsinvariant i parametrarna. Det finns ett behov av en modell med en tidsvarierande term för att beskriva dopamin koncentrationsförändringar i striatum som svar till rökning. Den naturliga produktionen av en sådan modell när den används med en dopamin spårämne, är en film av dopamin. Detta är en ny form av funktionell bildutsignal som sannolikt kommer att sporra och kräva nya former av analys för att maximera sin nytta.

    Disclosures

    Alla Författarna uppger att de har inget att lämna.

    Acknowledgements

    Författarna tackar medlemmarna i Yale PET Center kemi laget för spårämne syntes, avbildning laget för spårämne injektion och bildtagning och Ms Sheila Huang för expert flödesschema design.

    Mycket av utvecklingen av de ntPET tekniker stöddes av R21 AA15077 till E. Morris. K. Cosgrove stöds av K02 DA031750.

    Materials

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

    DOWNLOAD MATERIALS LIST

    References

    1. Constantinescu, C. C., Bouman, C., Morris, E. D. Nonparametric extraction of transient changes in neurotransmitter concentration from dynamic PET data. IEEE Trans. Med. Imaging. 26, 359-373 (2007).
    2. Constantinescu, C. C., et al. Estimation from PET data of transient changes in dopamine concentration induced by alcohol: support for a non-parametric signal estimation method. Phys. Med Biol. 53, 1353-1367 (2008).
    3. Morris, E. D., Constantinescu, C. C., Sullivan, J. M., Normandin, M. D., Christopher, L. A. Noninvasive visualization of human dopamine dynamics from PET images. NeuroImage. 51, 135-144 (2010).
    4. Morris, E. D., Normandin, M. D., Schiffer, W. K. Initial comparison of ntPET with microdialysis measurements of methamphetamine-induced dopamine release in rats: support for estimation of dopamine curves from PET data. Molecular imaging and biology : MIB : the official publication of the Academy of Molecular Imaging. 10, 67-73 (2008).
    5. Morris, E. D., et al. ntPET: a new application of PET imaging for characterizing the kinetics of endogenous neurotransmitter release. Molecular Imaging. 4, 473-489 (2005).
    6. Normandin, M. D., Morris, E. D. Estimating neurotransmitter kinetics with ntPET: A simulation study of temporal precision and effects of biased data. NeuroImage. 39, 1162-1179 (2008).
    7. Normandin, M. D., Schiffer, W. K., Morris, E. D. A linear model for estimation of neurotransmitter response profiles from dynamic PET data. NeuroImage. 59, 2689-2699 (2012).
    8. Christian, B. T., Vandehey, N. T., Floberg, J. M., Mistretta, C. A. Dynamic PET denoising with HYPR processing. Journal of Nuclear Medicine: Official publication, Society of Nuclear Medicine. 51, 1147-1154 (2010).
    9. Ichise, M., et al. Linearized reference tissue parametric imaging methods: application to [11C]DASB positron emission tomography studies of the serotonin transporter in human brain. Journal of cerebral blood flow and metabolism : official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 23, 1096-1112 (2003).
    10. Benowitz, N. L. Pharmacology of nicotine: addiction, smoking-induced disease, and therapeutics. Annual review of pharmacology and toxicology. 49, 57-71 (2009).
    11. Volkow, N. D., Swanson, J. M. Variables that affect the clinical use and abuse of methylphenidate in the treatment of ADHD. The American journal of psychiatry. 160-1918 (2003).
    12. Di Chiara, G., Imperato, A. Drugs abused by humans preferentially increase synaptic dopamine concentrations in the mesolimbic system of freely moving rats. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 85, 5274-5278 (1988).
    13. Barrett, S. P., Boileau, I., Okker, J., Pihl, R. O., Dagher, A. The hedonic response to cigarette smoking is proportional to dopamine release in the human striatum as measured by positron emission tomography and [11C]raclopride. Synapse. 54, 65-71 (2004).
    14. Brody, A. L., et al. Gene variants of brain dopamine pathways and smoking-induced dopamine release in the ventral caudate/nucleus accumbens. Arch. Gen. Psychiatry. 63, 808-816 (2006).
    15. Brody, A. L., et al. Smoking-induced ventral striatum dopamine release. The American journal of psychiatry. 161, 1211-1218 (2004).
    16. Montgomery, A. J., Lingford-Hughes, A. R., Egerton, A., Nutt, D. J., Grasby, P. M. The effect of nicotine on striatal dopamine release in man: A [11C]raclopride PET study. Synapse. 61, 637-645 (2007).
    17. Scott, D. J., et al. Smoking modulation of mu-opioid and dopamine D2 receptor-mediated neurotransmission in humans. Neuropsychopharmacology: official publication of the American College of Neuropsychopharmacology. 32, 450-457 (2007).
    18. Takahashi, H., et al. Enhanced dopamine release by nicotine in cigarette smokers: a double-blind, randomized, placebo-controlled pilot study. Int. J. Neuropsychopharmacol. 11, 413-417 (2008).
    19. Morris, E. D., Fisher, R. E., Alpert, N. M., Rauch, S. L., Fischman, A. J. In vivo imaging of neuromodulation using positron emission tomography: Optimal ligand characteristics and task length for detection of activation. Human Brain Mapping. 3, 35-55 (1995).
    20. Alpert, N. M., Badgaiyan, R. D., Livni, E., Fischman, A. J. A novel method for noninvasive detection of neuromodulatory changes in specific neurotransmitter systems. NeuroImage. 19, 1049-1060 (2003).
    21. Carson, R. E., Barker, W. C., Jeih-San, L., Johnson, C. A. Nuclear Science Symposium Conference Record. 2003 IEEE. 3285, 3281-3285 (2003).
    22. Carson, R. E., et al. Comparison of bolus and infusion methods for receptor quantitation: application to [18F]cyclofoxy and positron emission tomography. Journal of cerebral blood flow and metabolism : official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 13, 24-42 (1993).
    23. Smith, S. M. Fast robust automated brain extraction. Human brain mapping. 17, 143-155 (2002).
    24. Floberg, J. M., et al. Improved kinetic analysis of dynamic PET data with optimized HYPR-LR. Medical physics. 39, 3319-3331 (2012).
    25. Martinez, D., et al. Imaging human mesolimbic dopamine transmission with positron emission tomography. Part II: amphetamine-induced dopamine release in the functional subdivisions of the striatum. Journal of cerebral blood flow and metabolism : official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 23, 285-300 (2003).
    26. Montgomery, A. J., et al. Correction of head movement on PET studies: comparison of methods. Journal of nuclear medicine : official publication, Society of Nuclear Medicine. 47, 1936-1944 (2006).
    27. Yoder, K. K., Wang, C., Morris, E. D. Change in binding potential as a quantitative index of neurotransmitter release is highly sensitive to relative timing and kinetics of the tracer and the endogenous ligand. Journal of nuclear medicine : official publication, Society of Nuclear Medicine. 45, 903-911 (2004).
    28. Wang, S., et al. The 9th International Symposium on Functional Neuroreceptor Mapping of the Living Brain, (2012).
    29. Ginovart, N. Imaging the dopamine system with in vivo [11C]raclopride displacement studies: understanding the true mechanism. Molecular imaging and biology : MIB : the official publication of the Academy of Molecular Imaging. 7, 45-52 (2005).
    30. Sullivan, J. M., Kim, S. J., Cosgrove, K. P., Morris, E. D. The 9th International Symposium on Functional Neuroreceptor Mapping of the Living Brain., NRM12, (2012).
    31. Miller, R. G. Simultaneous Statistical Inference. 2nd, (1981).
    32. Paterson, L. M., Tyacke, R. J., Nutt, D. J., Knudsen, G. M. Measuring endogenous 5-HT release by emission tomography: promises and pitfalls. Journal of cerebral blood flow and metabolism : official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 30, 1682-1706 (2010).
    33. Ridler, K., et al. Characterization of in vivo pharmacological properties and sensitivity to endogenous serotonin of [11C] P943: a positron emission tomography study in Papio anubis. Synapse. 65, 1119-1127 (2011).
    34. Cosgrove, K. P., et al. Assessing the sensitivity of [(1)(1)C]p943, a novel 5-HT1B radioligand, to endogenous serotonin release. Synapse. 65, (1), 1113-1117 (2011).
    35. Finnema, S. J., et al. Fenfluramine-induced serotonin release decreases [11C]AZ10419369 binding to 5-HT1B-receptors in the primate brain. Synapse. 64, 573-577 (2010).
    36. Finnema, S. J., Varrone, A., Hwang, T. J., Halldin, C., Farde, L. Confirmation of fenfluramine effect on 5-HT(1B) receptor binding of [(11)C]AZ10419369 using an equilibrium approach. Journal of cerebral blood flow and metabolism : official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 32, (11), 685-695 (2012).
    37. Morris, E. D., Yoder, K. K. Positron emission tomography displacement sensitivity: predicting binding potential change for positron emission tomography tracers based on their kinetic characteristics. Journal of cerebral blood flow and metabolism : official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 27, 606-617 (2007).
    38. Gunn, R. N., Lammertsma, A. A., Hume, S. P., Cunningham, V. J. Parametric imaging of ligand-receptor binding in PET using a simplified reference region model. NeuroImage. 6, 279-287 (1997).
    39. Lammertsma, A. A., et al. Comparison of methods for analysis of clinical [11C]raclopride studies. Journal of cerebral blood flow and metabolism : official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 16, 42-52 (1996).

    Comments

    0 Comments


      Post a Question / Comment / Request

      You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

      Usage Statistics