Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Gestandaardiseerde data-acquisitie voor neuromelanine-gevoelige magnetische resonantie beeldvorming van de 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

Dit protocol laat zien hoe neuromelanine-gevoelige magnetische resonantie beeldvormingsgegevens van de substantia nigra kunnen worden verkregen.

Abstract

Het dopaminerge systeem speelt een cruciale rol bij gezonde cognitie (bijv. beloningsleren en onzekerheid) en neuropsychiatrische stoornissen (bijv. Ziekte van Parkinson en schizofrenie). Neuromelanine is een bijproduct van dopaminesynthese dat zich ophoopt in dopaminerge neuronen van de substantia nigra. Neuromelanine-gevoelige magnetische resonantie beeldvorming (NM-MRI) is een niet-invasieve methode voor het meten van neuromelanine in die dopaminerge neuronen, het verstrekken van een directe maat van dopaminerge celverlies in de substantia nigra en een proxy maat voor dopamine functie. Hoewel NM-MRI nuttig is gebleken voor het bestuderen van verschillende neuropsychiatrische aandoeningen, wordt het uitgedaagd door een beperkt gezichtsveld in de inferieure-superieure richting, wat resulteert in het potentiële verlies van gegevens door de toevallige uitsluiting van een deel van de substantia nigra. Bovendien ontbreekt het veld aan een gestandaardiseerd protocol voor het verkrijgen van NM-MRI-gegevens, een cruciale stap in het faciliteren van grootschalige multisite-studies en vertaling naar de kliniek. Dit protocol beschrijft een stapsgewijze NM-MRI-volumeplaatsingsprocedure en online kwaliteitscontroles om de verwerving van gegevens van goede kwaliteit te garanderen die de hele substantia nigra bestrijken.

Introduction

Neuromelanine (NM) is een donker pigment dat voorkomt in dopaminerge neuronen van de substantia nigra (SN) en noradrenerge neuronen van de locus coeruleus (LC)1,2. NM wordt gesynthetiseerd door de ijzerafhankelijke oxidatie van cytosolische dopamine en noradrenaline en wordt opgeslagen in autofagische vacuolen in de soma3. Het verschijnt voor het eerst bij mensen rond de leeftijd van 2-3 jaar en accumuleert met de leeftijdvan 1,4,5.

Binnen de NM-bevattende vacuolen van SN- en LC-neuronen vormt NM complexen met ijzer. Deze NM-ijzercomplexen zijn paramagnetisch, waardoor niet-invasieve visualisatie van NM mogelijk is met behulp van magnetische resonantie beeldvorming (MRI)6,7. MRI-scans die NM kunnen visualiseren, staan bekend als NM-gevoelige MRI (NM-MRI) en gebruiken directe of indirecte magnetisatie-overdrachtseffecten om contrast te bieden tussen regio's met een hoge NM-concentratie (bijvoorbeeld de SN) en de omliggende witte stof 8,9.

Magnetisatie transfer contrast is het resultaat van de interactie tussen macromoleculair gebonden water protonen (die verzadigd zijn door de magnetisatie transfer pulsen) en de omringende vrije water protonen. In NM-MRI wordt aangenomen dat de paramagnetische aard van NM-ijzercomplexen de T1 van de omringende vrije waterprotonen verkort, wat resulteert in verminderde magnetisatie-overdrachtseffecten, zodat regio's met een hogere NM-concentratie hyperintense lijken op NM-MRI-scans10. Omgekeerd heeft de witte stof rond de SN een hoog macromoleculair gehalte, wat resulteert in grote magnetisatie-overdrachtseffecten, zodat deze gebieden hypointense lijken op NM-MRI-scans, waardoor een hoog contrast tussen het SN en de omliggende witte stof ontstaat.

In de SN kan NM-MRI een marker van dopaminerge celverlies11 en dopaminesysteemfunctie12 bieden. Deze twee processen zijn relevant voor verschillende neuropsychiatrische aandoeningen en worden ondersteund door een enorme hoeveelheid klinisch en preklinisch werk. Afwijkingen in de dopaminefunctie zijn bijvoorbeeld op grote schaal waargenomen bij schizofrenie; in vivo studies met positronemissietomografie (PET) hebben een verhoogde striatale dopamine-afgifteaangetoond 13,14,15,16 en een verhoogde dopaminesynthesecapaciteit 17,18,19,20,21,22 . Bovendien hebben postmortale studies aangetoond dat patiënten met schizofrenie verhoogde niveaus van tyrosinehydroxylase hebben - het snelheidsbeperkende enzym dat betrokken is bij dopaminesynthese - in de basale ganglia23 en SN24,25.

Verschillende studies hebben patronen van dopaminerge celverlies onderzocht, met name bij de ziekte van Parkinson. Postmortemstudies hebben aangetoond dat de gepigmenteerde dopaminerge neuronen van de SN de primaire plaats zijn van neurodegeneratie bij de ziekte van Parkinson26,27, en dat, hoewel SN-celverlies bij de ziekte van Parkinson niet gecorreleerd is met celverlies bij normale veroudering28, het is gecorreleerd met de duur van de ziekte29 . In tegenstelling tot de meeste methoden voor het onderzoeken van het dopaminerge systeem, maken de niet-invasiviteit, kosteneffectiviteit en het ontbreken van ioniserende straling NM-MRI een veelzijdige biomarker30.

Het NM-MRI-protocol dat in dit artikel wordt beschreven, is ontwikkeld om zowel de reproduceerbaarheid binnen als over het onderwerp van NM-MRI te vergroten. Dit protocol zorgt voor volledige dekking van het SN ondanks de beperkte dekking van NM-MRI-scans in de inferieur-superieure richting. Het protocol maakt gebruik van sagittale, coronale en axiale driedimensionale (3D) T1-gewogen (T1w) afbeeldingen en de stappen moeten worden gevolgd om de juiste plaatsing van de slice stack te bereiken. Het protocol dat in dit artikel wordt beschreven, is gebruikt in meerdere onderzoeken31,32 en is uitgebreid getest. Wengler et al. voltooiden een studie naar de betrouwbaarheid van dit protocol waarbij NM-MRI-beelden twee keer werden verkregen in elke deelnemer gedurende meerdere dagen32. Intra-class correlatiecoëfficiënten toonden een uitstekende test-hertest betrouwbaarheid van deze methode voor regio van belang (ROI) -gebaseerde en voxelwise analyses, evenals een hoog contrast in de afbeeldingen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

OPMERKING: Het onderzoek dat is uitgevoerd om dit protocol te ontwikkelen, is uitgevoerd in overeenstemming met de richtlijnen van de New York State Psychiatric Institute Institutional Review Board (IRB # 7655). Eén onderwerp werd gescand voor het opnemen van de protocolvideo en schriftelijke geïnformeerde toestemming werd verkregen. Raadpleeg de tabel met materialen voor meer informatie over de MRI-scanner die in dit protocol wordt gebruikt.

1. MRI-acquisitieparameters

  1. Bereid u voor op het verkrijgen van T1w-beelden met hoge resolutie met behulp van een 3D-magnetisatiegeprepareerde MPRAGE-reeks (Rapid Acquisition Gradient Echo) met de volgende parameters: ruimtelijke resolutie = 0,8 x 0,8 x 0,8 mm3; gezichtsveld (FOV) = 176 x 240 x 240 mm3; echotijd (TE) = 3,43 ms; herhalingstijd (TR) = 2462 ms; inversietijd (TI) = 1060 ms; fliphoek = 8°; in-plane parallelle beeldvormingsfactor (ARC) = 2; doorvlaksparallel beeldvormingsfactor (ARC) = 233; bandbreedte = 208 Hz/pixel; totale acquisitietijd = 6 min 39 s.
  2. Bereid je voor op het verkrijgen van NM-MRI-beelden met behulp van een tweedimensionale (2D) gradiënt opgeroepen echosequentie met magnetisatieoverdrachtcontrast (2D GRE-MTC) met de volgende parameters: resolutie = 0,43 x 0,43 mm2; FOV = 220 x 220 mm2; plakdikte = 1,5 mm; 20 plakjes; snijspleet = 0 mm; TE = 4,8 ms; TR = 500 ms; flip hoek = 40°; bandbreedte = 122 Hz/pixel; MT frequentie offset = 1,2 kHz; MT-pulsduur = 8 ms; MT flip hoek = 670 °; aantal gemiddelden = 5; totale acquisitietijd = 10 min 4 s.
    OPMERKING: Hoewel de weergegeven resultaten deze MRI-acquisitieparameters gebruikten, is dit protocol geldig voor verschillende T1w- en NM-MRI-beeldvormingsprotocollen. Het NM-MRI-protocol moet ~ 25 mm in de inferieure-superieure richting bedekken om volledige dekking van de SN te garanderen.

2. Plaatsing van NM-MRI volume

  1. Verkrijg een T1w-afbeelding met hoge resolutie (≤1 mm isotrope voxelgrootte). Gebruik online opnieuw formatteren direct na het verkrijgen van afbeeldingen om T1w-afbeeldingen met hoge resolutie te maken die zijn uitgelijnd op de voorste commissure-posterior commissure (AC-PC) lijn en de middellijn.
    1. Voer online opnieuw formatteren uit met behulp van de door de leverancier geleverde software (bijvoorbeeld bij het verkrijgen van gegevens op een GE-scanner: MultiPlanar Reconstruction (MPR) in Planning; bij het verkrijgen van gegevens op een Siemens-scanner: MPR in de 3D-taakkaart; bij het verkrijgen van gegevens op een Philips-scanner: MPR in de rendermodus van het VolumeView-pakket).
      1. Maak multiplanaire reconstructies van het 3D T1w-beeld in het axiale vlak loodrecht op de AC-PC-lijn om de hele hersenen te bedekken met minimale slice-gap.
      2. Maak multiplanaire reconstructies van het 3D T1w-beeld in het coronale vlak loodrecht op de AC-PC-lijn om de hele hersenen te bedekken met minimale slice-gap.
      3. Maak multiplanaire reconstructies van het 3D T1w-beeld in het sagittale vlak parallel aan de AC-PC-lijn om de hele hersenen te bedekken met minimale slice-gap.
  2. Laad de sagittale, coronale en axiale weergaven van de opnieuw geformatteerde T1w-afbeelding met hoge resolutie en zorg ervoor dat referentielijnen die de locatie van elk weergegeven segment weergeven, aanwezig zijn.
  3. Identificeer het sagittale beeld dat de grootste scheiding tussen de middenhersenen en thalamus laat zien (figuur 1A). Om dit te doen, inspecteert u visueel de sagittale segmenten van de opnieuw geformatteerde T1w-afbeelding totdat het segment met deze grootste scheiding is geïdentificeerd.
  4. Identificeer met behulp van het sagittale beeld van het einde van stap 2.3 visueel het coronale vlak dat het meest voorste aspect van de middenhersenen afbakent (figuur 1B).
  5. Identificeer met behulp van het coronale beeld van het einde van stap 2.4 visueel het axiale vlak dat het inferieure aspect van de derde ventrikel afbakent (figuur 1C).
  6. Lijn op het sagittale beeld van het einde van stap 2.3 de superieure grens van het NM-MRI-volume uit op het axiale vlak dat is geïdentificeerd in stap 2.5 (figuur 1D).
  7. Beweeg de superieure grens van het NM-MRI-volume 3 mm in de superieure richting (figuur 1E).
  8. Lijn het NM-MRI-volume uit op de middellijn in de axiale en coronale beelden (figuur 1F).
  9. Verkrijg de NM-MRI-beelden.

Figure 1
Figuur 1: Afbeeldingen met de stapsgewijze NM-MRI-volumeplaatsingsprocedure. Gele lijnen geven de locatie aan van de segmenten die worden gebruikt voor volumeplaatsing zoals beschreven in het protocol. (A) Ten eerste wordt het sagittale beeld met de grootste scheiding tussen de middenhersenen en thalamus geïdentificeerd (stap 2.3 van het protocol). (B) Ten tweede wordt met behulp van de afbeelding van A het coronale vlak geïdentificeerd dat het meest voorste aspect van de middenhersenen afbakent (stap 2.4). (C) Ten derde wordt op de coronale afbeelding van het in B geïdentificeerde vlak het axiale vlak geïdentificeerd dat het inferieure aspect van de derde ventrikel afbakent, geïdentificeerd (stap 2.5). (D) Ten vierde wordt het in C geïdentificeerde axiale vlak weergegeven op het sagittale beeld van A (stap 2.6). (E) Ten vijfde wordt het axiale vlak van D 3 mm in de superieure richting verschoven en dit vlak geeft de superieure grens van het NM-MRI-volume aan (stap 2.7). (F) De uiteindelijke NM-MRI-volumeplaatsing waarbij het coronale beeld overeenkomt met C, het sagittale beeld overeenkomt met A en het axiale beeld overeenkomt met het axiale vlak in E. Het NM-MRI-volume is uitgelijnd met de hersenmiddenlijn in de coronale en axiale beelden en de AC-PC-lijn in het sagittale beeld (stap 2.8). Een deel van deze figuur is met toestemming van Elsevier uit 30 herdrukt. Afkortingen: NM-MRI = neuromelanine-sensitive magnetic resonance imaging; AC-PC = anterieure commissure-posterior commissure. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

3. Kwaliteitscontroles

  1. Zorg ervoor dat de verkregen NM-MRI-beelden het volledige SN bestrijken en dat het SN zichtbaar is in de centrale beelden, maar niet in de meest superieure of meest inferieure beelden van het NM-MRI-volume. Herhaal anders (figuur 2) stap 2.3-2.9 om te zorgen voor een correcte plaatsing van het NM-MRI-volume. Als de deelnemer aanzienlijk is verhuisd sinds de aanschaf van de T1w-scan met hoge resolutie, herhaalt u stap 2.1-2.9.

Figure 2
Figuur 2: Voorbeeld van een NM-MRI-acquisitie die de eerste kwaliteitscontrole niet doorstond (stap 3.1 van het protocol). Elk van de 20 NM-MRI-segmenten weergegeven van meest inferieur (afbeelding linksboven) tot meest superieur (afbeelding rechtsonder); het beeldvenster/niveau was ingesteld om het contrast tussen de substantia nigra en crus cerebri te overdrijven. De oranje pijlen in plakjes 15-19 tonen de locatie van de substantia nigra in die plakjes. De rode pijl in de meest superieure plak (plak 20) geeft aan dat de substantia nigra nog steeds zichtbaar is in dit segment, en dus slaagt de acquisitie niet voor de kwaliteitscontrole. Afkorting: NM-MRI = neuromelanine-sensitive magnetic resonance imaging. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

  1. Controleer op artefacten, met name die welke door de SN en de omliggende witte stof gaan, door elk deel van de verkregen NM-MRI-scan visueel te inspecteren.
    1. Zoek naar abrupte veranderingen in signaalintensiteit met een lineair patroon dat de normale anatomische grenzen niet respecteert. Dit kan bijvoorbeeld worden weergegeven als een gebied met een lage intensiteit dat wordt geflankeerd door twee regio's met een hoge intensiteit.
    2. Als het artefact het resultaat is van bloedvaten (figuur 3A), behoud dan de NM-MRI-beelden omdat deze artefacten hoogstwaarschijnlijk altijd aanwezig zullen zijn.
    3. Als de artefacten het resultaat zijn van de beweging van het hoofd van de deelnemer (figuur 3B), herinner de deelnemer er dan aan om zo stil mogelijk te blijven en de NM-MRI-beelden opnieuw te verkrijgen volgens stap 3.2.5.
    4. Als de artefacten dubbelzinnig zijn (figuur 3C), moet u de NM-MRI-beelden opnieuw verkrijgen volgens stap 3.2.5. Bij heracquisitie, als de artefacten aanwezig blijven, ga dan verder met deze afbeeldingen omdat ze waarschijnlijk biologisch zijn in plaats van een gevolg van acquisitieproblemen.
    5. Als de NM-MRI-beelden de kwaliteitscontrole in stap 3.1 doorstaan, kopieert u de vorige NM-MRI-volumeplaatsing. Als de NM-MRI-beelden de kwaliteitscontrole in stap 3.1 niet doorstaan, herhaal dan stap 2.3-2.9 om te zorgen voor een correcte plaatsing van het NM-MRI-volume (of stappen 2.1-2.9 als de deelnemer aanzienlijk bewoog).

Figure 3
Figuur 3: Voorbeelden van NM-MRI-acquisities die de tweede kwaliteitscontrole niet doorstonden (stap 3.2 van het protocol). Voor elk geval wordt slechts één representatief segment weergegeven. (A) Een NM-MRI-acquisitie die de kwaliteitscontrole niet doorstaat vanwege een bloedvatartefact (rode pijlen) dat het resultaat is van het bloedvat dat wordt geïdentificeerd door de blauwe pijlen. (B) Een NM-MRI-acquisitie die de kwaliteitscontrole niet doorstaat vanwege bewegingsartefacten (rode pijlen). (C) Een NM-MRI-acquisitie die de kwaliteitscontrole niet doorstaat vanwege een dubbelzinnig artefact (rode pijlen). Afkorting: NM-MRI = neuromelanine-sensitive magnetic resonance imaging. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figuur 4 toont de representatieve resultaten van een 28-jarige vrouwelijke deelnemer zonder psychiatrische of neurologische aandoeningen. Het NM-MRI-protocol zorgt voor volledige dekking van het SN, bereikt door stap 2 van het protocol beschreven in figuur 1 te volgen, en bevredigende NM-MRI-beelden door stap 3 van het protocol te volgen. Uitstekend contrast tussen de SN en naburige witte stofgebieden met een verwaarloosbare NM-concentratie (d.w.z. crus cerebri) is te zien. Deze beelden werden onmiddellijk na de verwerving gecontroleerd om de juiste dekking van de SN te garanderen en om te controleren op artefacten. Omdat volledige dekking van de SN werd bereikt zonder artefacten, doorstond de scan de kwaliteitscontroles en hoefde deze niet te worden herhaald.

Figure 4
Figuur 4: Voorbeeld van een representatieve NM-MRI acquisitie. Elk van de 20 NM-MRI-segmenten weergegeven van meest inferieur (afbeelding linksboven) tot meest superieur (afbeelding rechtsonder); het beeldvenster/niveau was ingesteld om het contrast tussen de substantia nigra en crus cerebri van een 28-jarige vrouwelijke deelnemer zonder psychiatrische of neurologische aandoeningen te overdrijven. Het NM-MRI-protocol zorgt voor volledige dekking van de substantia nigra, gedeeltelijke dekking van de locus coeruleus en bevredigende NM-MRI-beelden. Uitstekend contrast tussen de substantia nigra en naburige witte stofgebieden zonder neuromelanineconcentratie (d.w.z. crus cerebrus) is te zien op plakjes 9-16. De afbeelding onderaan toont een ingezoomde weergave van de middenhersenen van plak 13. Afkorting: NM-MRI = neuromelanine-sensitive magnetic resonance imaging. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2 toont de representatieve resultaten van een 28-jarige vrouwelijke deelnemer zonder psychiatrische of neurologische aandoeningen wiens beelden de eerste kwaliteitscontrole niet doorstonden (stap 3.1). De SN is zichtbaar in het meest superieure segment (segment 20), wat aangeeft dat de volledige dekking van de SN niet is bereikt. In dit geval moeten de gegevens opnieuw worden verkregen door stap 2.3-2.9 van het protocol te herhalen, zoals weergegeven in figuur 1. Als de deelnemer aanzienlijk is verhuisd sinds de verwerving van de eerste T1w-afbeelding, moet de onderzoeker terugkeren naar stap 2.1 om de T1w-afbeelding opnieuw te verkrijgen.

Figuur 3 toont voorbeeldafbeeldingen die niet zijn geslaagd voor de tweede kwaliteitscontrole (stap 3.2). Zoals beschreven in stap 3.2, hoeven scans met artefacten als gevolg van bloedvaten (figuur 3A) niet te worden herhaald, omdat die artefacten waarschijnlijk bij elke acquisitie aanwezig zullen zijn. Scans die artefacten bevatten die het gevolg zijn van beweging (figuur 3B) of dubbelzinnige artefacten (figuur 3C) moeten worden herhaald. In het geval van dubbelzinnige artefacten, als de artefacten aanwezig blijven na heracquisitie, hoeft de scan niet verder te worden verkregen, omdat de artefacten waarschijnlijk biologisch zijn en daarom aanwezig zullen zijn in elke acquisitie.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Het dopaminerge systeem speelt een cruciale rol bij gezonde cognitie en neuropsychiatrische stoornissen. De ontwikkeling van niet-invasieve methoden die kunnen worden gebruikt om het dopaminerge systeem in vivo herhaaldelijk te onderzoeken, is van cruciaal belang voor de ontwikkeling van klinisch zinvolle biomarkers. Het hier beschreven protocol bevat stapsgewijze instructies voor het verkrijgen van NM-MRI-beelden van goede kwaliteit van de SN, inclusief plaatsing van het NM-MRI-volume en kwaliteitscontroles om bruikbare gegevens te garanderen.

Hoewel gedetailleerde protocollen voor de analyse van NM-MRI-gegevens elders zijn besproken, geven we voor de volledigheid een korte samenvatting van ons eerdere werk en aanbevelingen voor de voorbewerking van NM-MRI-beelden en voxelwise analyses. Deze aanpak is eerder gevalideerd in combinatie met het acquisitieprotocol dat in dit artikel wordt beschreven. Eerdere studies bespreken de voordelen van deze methode in meer detail en bieden gegevens die de reproduceerbaarheid ondersteunen 6,12,32. Merk echter op dat het hierin beschreven gestandaardiseerde acquisitieprotocol van toepassing is op elke verwerkings- en analysestrategie (inclusief ROI-gebaseerde analyse in native of MNI-ruimte 8,32) en niet alleen op degene die hier wordt beschreven.

Voor de analyse van NM-MRI-beelden kan voorbewerking worden uitgevoerd om te corrigeren voor beweging en om individuele patiëntgegevens ruimtelijk te normaliseren naar een standaard anatomisch sjabloon. We raden de volgende pijplijn aan die Statistische Parametrische Mapping (SPM) en Advanced Normalization Tools (ANTs) combineert om de volgende hulpmiddelen te gebruiken in de volgende stappen: (1) SPM-Realign om afzonderlijk verkregen gemiddelden voor beweging opnieuw uit te lijnen en te corrigeren, en SPM-ImCalc om het gemiddelde van de opnieuw uitgelijnde afbeeldingen te berekenen; (2) antsBrainExtraction.sh voor hersenextractie van het T1w-beeld; (3) antsRegistrationSyN.sh (rigide + affiene + vervormbaar syn) voor ruimtelijke normalisatie van het door de hersenen geëxtraheerde T1w-beeld naar de MNI152NLin2009cAsym-sjabloonruimte; (4) antsRegistrationSyN.sh (rigide) om het NM-MRI-beeld samen te registreren bij het T1w-beeld (in de oorspronkelijke ruimte); (5) antsApplyTransforms om de transformaties geschat in stap 3 en 4 te combineren tot een eenstapstransformatie voor ruimtelijke normalisatie van de NM-MRI-beelden naar de MNI-ruimte; en (6) SPM-Smooth met een 1 mm full-width-at-half-maximum Gaussische kernel voor ruimtelijke afvlakking van het ruimtelijk genormaliseerde NM-MRI-beeld. Eerder werd aangetoond dat deze verwerkingspijplijn de hoogste test-hertestbetrouwbaarheid in de literatuur bereikte, met een gemiddelde intra-class correlatiecoëfficiënt (ICC) binnen het SN van ~ 0,9032. Bovendien hebben verschillende eerdere studies vergelijkbare voorverwerkingspijplijnen gebruikt 12,31,34,35,36,37.

Na ruimtelijke normalisatie moeten de NM-MRI-beelden worden geanalyseerd door de contrast-ruisverhouding bij elke voxel (CNRV) te berekenen. De CNR meet het procentuele signaalverschil tussen elke voxel (IV) en een referentiewitstofgebied waarvan bekend is dat het weinig NM-gehalte12 heeft (crus cerebri, ICC), gegeven door de volgende formule: CNRV = {[IV- mode(ICC)] / mode(ICC)}*100. CNRV-waarden kunnen voor elke deelnemer worden gemiddeld om de CNR van het gehele SN te bepalen of kunnen worden geanalyseerd op voxelwise niveau binnen het SN. Hogere CNR-waarden weerspiegelen een verhoogd NM-gehalte in die voxel of ROI. In tegenstelling tot sommige andere analysemethoden die de SN ROI definiëren als het hyperintense gebied in een NM-MRI-afbeelding, gebruikt deze aanbevolen methode vooraf gedefinieerde sjabloon-ROI's die kunnen worden verkregen uit de literatuur12 of getekend op het gemiddelde van NM-MRI-beelden in de MNI-ruimte over alle onderwerpen in de studie (met behulp van een studiespecifieke sjabloon). Deze methode is niet alleen volledig geautomatiseerd, maar verwijdert ook circulariteit in de analyse, houdt rekening met heterogeniteit binnen het SN-VTA-complex en beperkt de analyse niet tot het hele ROI-niveau. 

Bij het verkrijgen van NM-MRI-beelden is het van cruciaal belang dat de T1w-beelden die worden gebruikt om het NM-MRI-volume te plaatsen, langs de AC-PC-lijn worden uitgelijnd. Dit zal de reproduceerbaarheid van de scans verbeteren. Het is ook belangrijk om de T1w-beelden zo dicht mogelijk bij elkaar te krijgen voordat u de NM-MRI-beelden aanschaft. Omdat het T1w-beeld wordt gebruikt voor nm-mri-volumeplaatsing, is het belangrijk dat het de locatie van het hoofd van de deelnemer in de scanner nauwkeurig weergeeft. Als de deelnemer zich tussen de T1w-scan en de NM-MRI-scan heeft verplaatst, wordt het NM-MRI-volume niet op de juiste manier geplaatst. Het minimaliseren van de hoeveelheid tijd tussen de verwerving van de T1w-beelden en de NM-MRI-beelden vermindert de kans dat de deelnemer tussen scans is verplaatst en vermindert daarom de kans dat een deel van het SN niet is opgenomen in het NM-MRI-volume.

Sommige wijzigingen in het protocol kunnen nodig zijn als er problemen optreden met de NM-MRI-acquisitie. Als het hele SN niet consistent wordt gedekt, zelfs na het corrigeren van de volumeplaatsing, moet het aantal segmenten in het NM-MRI-protocol mogelijk worden verhoogd om het volledige SN vast te leggen. Bovendien, als de deelnemer moeite heeft om stil te blijven gedurende het geheel van de NM-MRI-scan, wat resulteert in consistente bewegingsartefacten, kunnen individuele herhalingen worden verkregen en offline worden gemiddeld. In plaats van bijvoorbeeld één scan van 10 minuten te voltooien die gemiddeld vijf herhalingen online verwerft, kunnen vijf scans van 2 minuten offline worden verkregen en gemiddeld. Dit zou de deelnemer mogelijkheden geven voor pauzes tussen herhalingen en kan hen helpen stil te blijven voor de duur van de individuele scans.

Een beperking van dit protocol is dat het geen volledige dekking van de LC biedt met standaard NM-MRI-acquisitieprotocollen, waardoor het noradrenerge systeem niet grondig kan worden onderzocht met behulp van deze methode. Hoewel de LC een structuur is die kan worden afgebeeld met BEHULP VAN NM-MRI, zou het opnemen van de LC in dit protocol het aantal segmenten verhogen dat nodig is om zowel de SN als de LC in hun geheel betrouwbaar vast te leggen. Het verhogen van het aantal segmenten zou op zijn beurt de scantijd voor dit protocol verlengen. Omdat deze scans gevoelig zijn voor beweging, kan een toename van de scantijd beelden van lagere kwaliteit opleveren, omdat deelnemers het moeilijker kunnen vinden om langer stil te blijven, met name problematisch in klinische populaties. Daarom hebben we ervoor gekozen om de LC niet in dit protocol op te nemen om het potentieel voor bewegingsartefacten in de gegevens te minimaliseren. Toekomstige studies moeten de betrouwbaarheid van NM-MRI-protocollen onderzoeken met een groter aantal segmenten om tegelijkertijd de SN en LC in beeld te brengen.

Een tweede beperking van dit protocol is dat de AC-PC-uitlijning van het NM-MRI-volume mogelijk niet de optimale oriëntatie biedt voor het in beeld brengen van het SN. Hoewel de AC-PC-lijn gemakkelijk te identificeren is, minimaliseert deze oriëntatie gedeeltelijke volume-effecten niet volledig, omdat deze niet perfect loodrecht op de SN staat. Eerder werk heeft een schuin axiale sectie loodrecht op de vloer van de vierde ventrikel gebruikt om de SN 38,39,40 in beeld te brengen. Hoewel deze volumeplaatsing, of één loodrecht op het cerebrale aquaduct, minder gedeeltelijke volume-effecten kan bieden dan AC-PC-uitlijning, hebben we ervoor gekozen om de AC-PC-lijn te gebruiken vanwege de duidelijk gedefinieerde oriëntatiepunten. De validiteit van deze uitlijning werd aangetoond in eerder werk met behulp van het hierboven beschreven protocol, waarin een uitstekende test-hertestbetrouwbaarheid werd bereikt32. AC-PC-uitlijning is ook gebruikt in verschillende andere studies. Cassidy et al. vonden dat patiënten met cocaïneverslaving hogere SN CNR-waarden hadden dan controles35. In een studie van patiënten met depressie op latere leeftijd vonden Wengler et al. dat de psychomotorische functie gecorreleerd was met SN CNR-waarden36. Een derde paper vond ook dat Parkinson-patiënten de CNR in het SN hadden verlaagd, terwijl patiënten met psychose de CNR in de SN12 hadden verhoogd.

Geen enkele studie heeft echter rechtstreeks verschillende methoden voor volumeplaatsing vergeleken, en dit is een gebied dat toekomstig onderzoek zou moeten onderzoeken om te bepalen welke methode de beste test-hertestbetrouwbaarheid biedt voor meerdere acquisities. 3D NM-MRI-sequenties kunnen een alternatieve oplossing bieden omdat ze meer flexibiliteit bieden bij het opnieuw formatteren na acquisitie. Bovendien bereiken 3D-sequenties een hogere signaal-ruisverhouding dan 2D-sequenties, waardoor mogelijk een hogere ruimtelijke resolutie mogelijk is, maar dit ten koste gaat van een verhoogde gevoeligheid voor beweging. Momenteel is 2D-GRE MT de enige uitgebreid gevalideerde NM-MRI-sequentie - de motiverende factor voor het gebruik ervan voor dit protocol. Toekomstige studies moeten NM-MRI-signaal van 3D-sequenties vergelijken met NM-concentratie en striatale dopaminefunctie, en reproduceerbaarheid in vergelijking met 2D-GRE MT voordat wijdverspreide acceptatie op grote schaal wordt toegepast.

Dit protocol heeft voordelen ten opzichte van andere NM-MRI-protocollen omdat het gemakkelijk identificeerbare oriëntatiepunten biedt voor NM-MRI-volumeplaatsing, waardoor het zeer reproduceerbaar is. Het biedt ook online kwaliteitscontroles, die geen enkel ander NM-MRI-protocol heeft opgenomen. Deze kwaliteitscontroles stellen de experimentator in staat om afbeeldingen opnieuw te verkrijgen als ze van slechte kwaliteit zijn in plaats van dat onderwerp eenvoudigweg uit te sluiten van de analyse.

NM-MRI is een waardevol hulpmiddel dat is gebruikt om verschillende neuropsychiatrische aandoeningen te onderzoeken. NM-MRI is een proxy-maat voor de dopaminefunctie in de nigrostriatale route12 en biedt daarmee een methode voor het onderzoeken van het in vivo dopaminerge systeem waarvoor geen invasieve procedures zoals PET nodig zijn. Patiënten met schizofrenie hebben een verhoogd NM-signaal in de SN38,41, ter ondersteuning van eerdere studies die een verhoogde dopaminerge functie bij schizofrenie hebben aangetoond. NM-MRI-signaal in het SN correleert ook met de ernst van de psychose bij patiënten met schizofrenie en patiënten met een hoog risico op schizofrenie12. Onderzoek heeft ook aangetoond dat personen met een cocaïnegebruiksstoornis een verhoogd NM-MRI-signaal hebben in de ventrolaterale regio's van de SN35, en dat bij patiënten met een depressie op latere leeftijd een lager NM-MRI-signaal in het SN gecorreleerd is met motorische vertraging36. Bovendien is NM-MRI gebruikt om dopaminerge celverlies te bestuderen bij aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson.

Kitao en collega's stelden vast dat het NM-MRI-signaal in het SN gecorreleerd is met het aantal gepigmenteerde dopaminerge neuronen in de SN11, en anderen hebben aangetoond dat het NM-MRI-signaal in SN dopaminerge neuronen is afgenomen bij de ziekte van Parkinson 6,9,39,40. Verder onderzoek bij Parkinsonpatiënten heeft NM-MRI gebruikt om het topografische patroon van SN-celverlies12 en de progressie van SN-celverlies in de loop van de ziekte in kaart tebrengen 37. Al met al suggereert dit dat NM-MRI niet alleen inzicht geeft in de onderliggende chemische componenten van neuropsychiatrische aandoeningen, maar het kan ook nuttig zijn als biomarker bij het voorspellen van het begin en de ernst van de ziekte. We hopen dat het hier gepresenteerde gestandaardiseerde protocol toekomstig werk zal vergemakkelijken om klinisch bruikbare biomarkers te ontwikkelen op basis van NM-MRI30.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Drs Horga en Wengler meldden elk patenten te hebben voor analyse en gebruik van neuromelanine beeldvorming bij aandoeningen van het centrale zenuwstelsel (WO2021034770A1, WO2020077098A1), in licentie gegeven aan Terran Biosciences, maar hebben geen royalty's ontvangen.

Acknowledgments

Dr. Horga kreeg steun van het NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). Dr. Wengler kreeg steun van 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

Neurowetenschappen Nummer 175
Gestandaardiseerde data-acquisitie voor neuromelanine-gevoelige magnetische resonantie beeldvorming van de 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