Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

黒質のニューロメラニン感受性磁気共鳴イメージングのための標準化されたデータ取得

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

このプロトコルは、黒質のニューロメラニン感受性磁気共鳴画像データを取得する方法を示しています。

Abstract

ドーパミン作動系は、健康な認知(例えば、報酬学習および不確実性)および神経精神障害(例えば、パーキンソン病および統合失調症)において重要な役割を果たす。ニューロメラニンは、黒質のドーパミン作動性ニューロンに蓄積するドーパミン合成の副産物である。ニューロメラニン感受性磁気共鳴画像法(NM-MRI)は、これらのドーパミン作動性ニューロンにおけるニューロメラニンを測定するための非侵襲的方法であり、黒質におけるドーパミン作動性細胞損失の直接測定およびドーパミン機能の代理測定を提供する。NM-MRIはさまざまな神経精神障害の研究に役立つことが示されていますが、劣った優れた方向の視野が限られているため、黒質の一部が誤って除外されるため、データが失われる可能性があります。さらに、この分野には、大規模なマルチサイト研究と臨床への翻訳を促進するための重要なステップであるNM-MRIデータを取得するための標準化されたプロトコルがありません。このプロトコルでは、黒質全体をカバーする高品質のデータを確実に取得するための段階的なNM-MRIボリューム配置手順とオンライン品質管理チェックについて説明します。

Introduction

ニューロメラニン(NM)は、黒質(SN)のドーパミン作動性ニューロンおよびコエルレウス座(LC)のノルアドレナリン作動性ニューロンに見られる暗い色素です1,2。NMは、細胞質ドーパミンとノルエピネフリンの鉄依存性酸化によって合成され、ソーマ3のオートファジー液胞に貯蔵されます。それは2〜3歳頃に人間に最初に現れ、1,4,5歳で蓄積します。

SNおよびLCニューロンのNM含有液胞内では、NMは鉄と複合体を形成する。これらのNM-鉄錯体は常磁性であるため、磁気共鳴画像法(MRI)を用いてNMを非侵襲的に可視化することができます6,7。NMを可視化できるMRIスキャンは、NM感度MRI(NM-MRI)として知られており、直接的または間接的な磁化伝達効果を使用して、NM濃度の高い領域(SNなど)と周囲の白質8,9との間のコントラストを提供します。

磁化移動コントラストは、高分子結合水プロトン(磁化移動パルスによって飽和している)と周囲の自由水プロトンとの間の相互作用の結果である。NM-MRIでは、NM-鉄錯体の常磁性が周囲の自由水陽子のT1 を短くし、その結果、磁化伝達効果が減少し、NM-MRIスキャンでNM濃度の高い領域が高輝度に見えると考えられている10。逆に、SNを取り巻く白質は高分子含有量が高いため、磁化移動効果が大きいため、NM-MRIスキャンではこれらの領域が低信号に見えるため、SNと周囲の白質とのコントラストが高くなります。

SNにおいて、NM−MRIは、ドーパミン作動性細胞喪失11およびドーパミン系機能12のマーカーを提供することができる。これらの2つのプロセスは、いくつかの神経精神障害に関連しており、膨大な量の臨床および前臨床研究によってサポートされています。例えば、ドーパミン機能の異常は統合失調症で広く観察されている。陽電子放出断層撮影(PET)を用いたin vivo研究では、線条体ドーパミン放出の増加13,14,15,16およびドーパミン合成能力の増加が示されています17,18,19,20,21,22.さらに、死後の研究では、統合失調症の患者は、大脳基底核23およびSN24,25におけるチロシンヒドロキシラーゼ(ドーパミン合成に関与する律速酵素)のレベルが上昇していることが示されています。

いくつかの研究は、特にパーキンソン病におけるドーパミン作動性細胞喪失のパターンを調査している。死後の研究では、SNの色素性ドーパミン作動性ニューロンがパーキンソン病の神経変性の主要な部位であり26,27、パーキンソン病のSN細胞喪失は正常な老化における細胞喪失と相関していないことが明らかになりました28、それは疾患の期間と相関しています29.ドーパミン作動系を調査するためのほとんどの方法とは異なり、非侵襲性、費用対効果、および電離放射線の欠如により、NM-MRIは用途の広いバイオマーカーとなっています30。

この論文で説明されているNM-MRIプロトコルは、NM-MRIの被験者内および被験者間の再現性の両方を高めるために開発されました。このプロトコルは、下方-上方向のNM-MRIスキャンのカバレッジが限られているにもかかわらず、SNの完全なカバレッジを保証します。このプロトコルは、矢状、冠状、および軸方向の3次元(3D)T1強調(T1w)画像を利用しており、適切なスライススタック配置を実現するための手順に従う必要があります。この論文で概説されているプロトコルは、複数の研究31,32で利用されており、広範囲にテストされています。Wenglerらは、NM-MRI画像が複数の日にわたって各参加者で2回取得されたこのプロトコルの信頼性の研究を完了しました32。クラス内相関係数は、関心領域(ROI)ベースおよびボクセルワイズ分析に対するこの方法の優れたテスト再テストの信頼性、および画像の高いコントラストを示しました。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

注:このプロトコルを開発するために実施された研究は、ニューヨーク州精神医学研究所の治験審査委員会のガイドライン(IRB#7655)に準拠して実施されました。1人の被験者がプロトコルビデオを録画するためにスキャンされ、書面によるインフォームドコンセントが得られました。このプロトコルで使用されるMRIスキャナーの詳細については、 資料表 を参照してください。

1. MRI取得パラメータ

  1. 次のパラメータを持つ3D磁化準備高速取得勾配エコー(MPRAGE)シーケンスを使用して高解像度T1w画像を取得する準備をします:空間分解能= 0.8 x 0.8 x 0.8 mm3;視野 (FOV) = 176 x 240 x 240 mm3;エコー時間 (TE) = 3.43 ミリ秒;繰り返し時間 (TR) = 2462 ミリ秒;反転時間 (TI) = 1060 ミリ秒;フリップ角度= 8°;面内平行イメージング係数(ARC)= 2。スループレーンパラレルイメージングファクター(ARC)= 233;帯域幅 = 208 Hz/ピクセル;合計取得時間=6分39秒。
  2. 次のパラメータで磁化伝達コントラスト(2D GRE-MTC)を持つ2次元(2D)勾配想起エコーシーケンスを使用してNM-MRI画像を取得する準備をします:解像度= 0.43 x 0.43 mm2;視野 = 220 x 220 mm2;スライスの厚さ= 1.5 mm;20スライス;スライスギャップ= 0mm;TE = 4.8 ミリ秒;TR = 500 ミリ秒;フリップ角度= 40°;帯域幅 = 122 Hz/ピクセル;MT周波数オフセット= 1.2kHz;MTパルス持続時間 = 8 ms;MTフリップ角度= 670°;平均の数= 5;合計取得時間=10分4秒。
    注意: 表示された結果はこれらのMRI取得パラメータを使用しましたが、このプロトコルはさまざまなT1wおよびNM-MRIイメージングプロトコルに有効です。NM-MRIプロトコルは、SNの完全なカバレッジを保証するために、下方-上位方向に~25mmをカバーする必要があります。

2. NM-MRIボリュームの配置

  1. 高解像度のT1w画像(≤1mm等方性ボクセルサイズ)を取得します。画像取得直後にオンラインで再フォーマットを使用して、前後交連(AC-PC)ラインと正中線に整列した高解像度のT1w画像を作成します。
    1. ベンダーが提供するソフトウェアを使用してオンラインで再フォーマットを実行します(たとえば、GEスキャナーでデータを取得する場合:計画のマルチプラナー再構築(MPR)、シーメンススキャナーでデータを取得する場合:3DタスクカードのMPR、フィリップススキャナーでデータを取得する場合:VolumeViewパッケージのレンダリングモードでMPR)。
      1. AC-PCラインに垂直な軸面で3D T1w画像の多面再構成を作成し、最小限のスライスギャップで脳全体をカバーします。
      2. AC-PCラインに垂直な冠状平面で3D T1w画像の多面再構成を作成し、最小限のスライスギャップで脳全体をカバーします。
      3. AC-PCラインに平行な矢状面に3D T1w画像の多面再構成を作成し、最小限のスライスギャップで脳全体をカバーします。
  2. 再フォーマットされた高解像度T1w画像の矢状、冠状、および軸方向のビューをロードし、表示された各スライスの位置を示す参照線が存在することを確認します。
  3. 中脳と視床の間の最大の分離を示す矢状画像を特定します(図1A)。これを行うには、この最大の分離を示すスライスが特定されるまで、再フォーマットされたT1w画像の矢状スライスを目視検査します。
  4. ステップ2.3の終わりの矢状画像を使用して、中脳の最も前方の側面を描く冠状面を視覚的に識別します(図1B)。
  5. ステップ2.4の終わりの冠状画像を使用して、第3脳室の下側を描写する軸面を視覚的に識別します(図1C)。
  6. ステップ2.3の終わりの矢状画像で、NM-MRIボリュームの上境界をステップ2.5で特定された軸面に合わせます(図1D)。
  7. NM-MRIボリュームの上境界を3 mm上方向に動かします(図1E)。
  8. NM-MRIボリュームを軸画像と冠状画像の正中線に合わせます(図1F)。
  9. NM-MRI画像を取得します。

Figure 1
図1: NM-MRIボリュームの配置手順を段階的に示す画像。黄色の線は、プロトコルで説明されているボリューム配置に使用されるスライスの位置を示します。(A)まず、中脳と視床の間の最大の分離を有する矢状像が特定される(プロトコルのステップ2.3)。(B)第2に、 Aからの画像を用いて、中脳の最も前方の側面を描写する冠状平面を特定する(ステップ2.4)。(c)第3に、Bで特定された平面からの冠状画像上に 、 第3脳室の下側面を描写する軸面が特定される(ステップ2.5)。(D)第4に、 C で識別された軸面が A からの矢状像に表示される(ステップ2.6)。(E)第5に、軸面を D から上方向に3mmずらし、この平面がNM-MRIボリュームの上位境界を示す(ステップ2.7)。(F)冠状像が Cに対応し、矢状像が Aに対応し、軸像が Eの軸面に対応する最終的なNM-MRIボリューム配置。NM-MRIボリュームは、冠状および軸画像では脳正中線に、矢状画像ではAC-PCラインに位置合わせされます(ステップ2.8)。この図の一部は、 30日からエルゼビアの許可を得て転載されています。略語:NM-MRI =神経メラニン感受性磁気共鳴画像法;AC-PC =前交連-後交連。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

3. 品質管理チェック

  1. 取得したNM-MRI画像がSN全体をカバーし、SNが中央の画像には表示されているが、NM-MRIボリュームの最も優れた画像または最も劣った画像には表示されないことを確認してください。それ以外の場合は(図2)、手順2.3〜2.9を繰り返して、NM-MRIボリュームが正しく配置されていることを確認します。高解像度T1wスキャンの取得以降、参加者が大幅に移動した場合は、手順2.1〜2.9を繰り返します。

Figure 2
図2: 最初の品質管理チェック(プロトコルのステップ3.1)に失敗したNM-MRI取得の例。20個のNM-MRIスライスのそれぞれを、最も劣ったもの(左上の画像)から最も優れたもの(右下の画像)に表示しました。画像ウィンドウ/レベルは、黒質とクリュス・セレブリのコントラストを誇張するように設定されました。スライス15〜19のオレンジ色の矢印は、それらのスライス内の黒質の位置を示しています。最も優れたスライス(スライス20)の赤い矢印は、このスライスに黒質がまだ表示されていることを示しているため、取得は品質チェックに失敗します。略語:NM-MRI =神経メラニン感受性磁気共鳴画像法。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

  1. 取得したNM-MRIスキャンの各スライスを視覚的に検査することにより、アーティファクト、特にSNと周囲の白質を通過するアーティファクトを確認します。
    1. 通常の解剖学的境界を尊重しない線形パターンで信号強度の急激な変化を探します。たとえば、これは、2つの高強度領域に隣接する低強度領域として表示される場合があります。
    2. アーチファクトが血管の結果である場合(図3A)、これらのアーティファクトは常に存在する可能性が高いため、NM-MRI画像を保持します。
    3. アーチファクトが参加者の頭の動きの結果である場合(図3B)、参加者にできるだけ静止し、ステップ3.2.5に従ってNM-MRI画像を再取得するように通知します。
    4. アーチファクトがあいまいな場合(図3C)、ステップ3.2.5に従ってNM-MRI画像を再取得します。再取得時にアーティファクトが残っている場合は、取得の問題の結果ではなく生物学的である可能性が高いため、これらの画像を進めます。
    5. NM-MRI 画像が手順 3.1 の品質管理チェックに合格した場合は、前の NM-MRI ボリューム配置をコピーします。NM-MRI画像がステップ3.1の品質管理チェックに失敗した場合は、手順2.3〜2.9を繰り返して、NM-MRIボリュームが正しく配置されていることを確認します(参加者が大幅に移動した場合は手順2.1〜2.9)。

Figure 3
図3:2回目の品質管理チェック(プロトコルのステップ3.2)に失敗したNM-MRI取得の例。ケースごとに 1 つの代表的なスライスのみが表示されます。(A)NM-MRI取得で、青い矢印で識別された血管の結果である血管アーチファクト(赤い矢印)が原因で品質管理チェックに失敗した場合。(B)モーションアーチファクト(赤い矢印)のために品質管理チェックに失敗したNM-MRI取得。(C)あいまいなアーティファクト(赤い矢印)のために品質管理チェックに失敗したNM-MRI取得。略語:NM-MRI =神経メラニン感受性磁気共鳴画像法。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

図4 は、精神障害や神経障害のない28歳の女性参加者の代表的な結果を示しています。NM-MRIプロトコルは、 図1で概説したプロトコルのステップ2に従うことによって達成されるSNの完全なカバレッジと、プロトコルのステップ3に従うことによって満足のいくNM-MRI画像を保証します。SNとNM濃度が無視できる近隣の白質領域(すなわち、大脳)との間の優れたコントラストが見られる。これらの画像は、SNの適切なカバレッジを確認し、アーティファクトをチェックするために、取得直後にチェックされました。SNの完全なカバレッジはアーティファクトなしで達成されたため、スキャンは品質チェックに合格し、繰り返す必要はありませんでした。

Figure 4
図4: 代表的なNM-MRI取得の例。20個のNM-MRIスライスのそれぞれを、最も劣ったもの(左上の画像)から最も優れたもの(右下の画像)に表示しました。画像ウィンドウ/レベルは、精神障害または神経障害のない28歳の女性参加者からの黒質とCRUS CEREBRIのコントラストを誇張するように設定されました。NM-MRIプロトコルは、黒質の完全なカバレッジ、遺伝子座の部分的なカバレッジ、および満足のいくNM-MRI画像を保証します。黒質とニューロメラニン濃度のない隣接する白質領域(すなわち、大脳クル)との間の優れたコントラストは、スライス9〜16で見ることができます。下の画像は、スライス13から中脳を拡大して表示したものです。略語:NM-MRI =神経メラニン感受性磁気共鳴画像法。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2 は、精神障害または神経障害のない28歳の女性参加者の代表的な結果を示しており、画像は最初の品質管理チェック(ステップ3.1)に失敗しました。SNは、最も優れたスライス(スライス20)において可視であり、SNの完全なカバレッジが達成されなかったことを示す。この場合、 図1に示すように、プロトコルのステップ2.3〜2.9を繰り返してデータを再集録する必要があります。参加者が最初のT1w画像の取得以降に大きく移動した場合、研究者はステップ2.1に戻ってT1w画像を再取得する必要があります。

図 3 は、2 回目の品質管理チェック (ステップ 3.2) に失敗した画像の例を示しています。ステップ3.2で概説したように、血管に起因するアーチファクトを含むスキャン(図3A)は、すべての取得に存在する可能性が高いため、繰り返す必要はありません。動きに起因するアーチファクト(図3B)またはあいまいなアーチファクト(図3C)を含むスキャンを繰り返す必要があります。あいまいなアーティファクトの場合、再取得後もアーティファクトが残っている場合、アーティファクトは生物学的である可能性が高く、したがってすべての取得に存在するため、スキャンをさらに再取得する必要はありません。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ドーパミン作動系は、健康な認知および神経精神障害において重要な役割を果たします。 in vivo でドーパミン作動系を繰り返し調べるために使用できる非侵襲的方法の開発は、臨床的に意味のあるバイオマーカーの開発に不可欠です。ここで説明するプロトコルは、NM-MRIボリュームの配置や使用可能なデータを確保するための品質管理チェックなど、SNの高品質のNM-MRI画像を取得するための段階的な手順を提供します。

NM-MRIデータの分析のための詳細なプロトコルは他の場所で議論されていますが、完全を期すために、以前の作業の簡単な要約と、NM-MRI画像とボクセルワイズ分析の前処理に関する推奨事項を提供します。このアプローチは、このホワイトペーパーで説明されている取得プロトコルと組み合わせて以前に検証されています。以前の研究では、この方法の利点をより詳細に議論し、その再現性を裏付けるデータを提供しています6,12,32。しかしながら、本明細書に記載される標準化された取得プロトコルは、本明細書に記載されるものだけでなく、任意の処理および分析戦略(ネイティブまたはMNI空間8、32におけるROIベースの分析を含む)に適用可能であることに留意されたい。

NM-MRI画像の解析では、前処理を実行して動きを補正し、個々の被験者データを標準の解剖学的テンプレートに空間的に正規化できます。次の手順で次のツールを使用するには、統計的パラメトリックマッピング(SPM)と高度な正規化ツール(ANT)を組み合わせた次のパイプラインをお勧めします:(1)SPM-Realignは、個別に取得したモーションの平均を再調整および修正し、SPM-ImCalcは再調整された画像を平均化します。(2)T1w画像の脳抽出のための antsBrainExtraction.sh;(3)脳抽出T1w画像のMNI152NLin2009cAsymテンプレート空間への空間正規化のための antsRegistrationSyN.sh(剛体+アフィン+変形可能syn)。(4)NM-MRI画像をT1w(ネイティブ空間内)画像に同時登録する antsRegistrationSyN.sh(リジッド)。(5)アリ適用変換は、ステップ3および4で推定された変換を、NM-MRI画像のMNI空間への空間的正規化のためのシングルステップ変換に結合する。(6)空間的に正規化されたNM-MRI画像の空間平滑化のための1mm全幅半値ガウスカーネルを備えたSPM-Smooth。この処理パイプラインは、SN内の平均クラス内相関係数(ICC)が~0.9032であり、文献で最高のテスト-再テストの信頼性を達成することが以前に示されました。さらに、いくつかの先行研究は、同様の前処理パイプライン12、31、34、35、36、37を使用してきた。

空間正規化後、NM-MRI画像は、各ボクセルでのコントラスト対ノイズ比(CNRV)を計算することによって分析する必要があります。CNRは、各ボクセル(IV)と、NM含有量がほとんどないことが知られている基準白質領域との間のパーセント信号差を測定します12(crus cerebri、I CC)は、次の式で与えられます:CNR V = {[I V-モード(I CC)]/モード(ICC)}*100。CNRV値は、各参加者について平均化してSN全体のCNRを決定することも、SN内のボクセルワイズレベルで分析することもできる。CNR 値が高いほど、そのボクセルまたは ROI の NM コンテンツが増加したことを反映しています。SN ROIをNM-MRI画像の超高輝度領域として定義する他のいくつかの分析方法とは異なり、この推奨される方法は、文献12から取得できるか、または研究のすべての被験者にわたるMNI空間のNM-MRI画像の平均に基づいて描画できる事前定義されたテンプレートROIを使用します(研究固有のテンプレートを使用)。この方法は完全に自動化されているだけでなく、分析の循環性を排除し、SN-VTA複合体内の異質性を考慮し、分析をROIレベル全体に制限しません。 

NM-MRI画像を取得する場合、NM-MRIボリュームを配置するために使用されるT1w画像がAC-PCラインに沿って位置合わせされていることが重要です。そうすることで、スキャンの再現性が向上します。また、NM-MRI画像を取得する前に、T1w画像をできるだけ近い時間で取得することも重要です。T1w画像はNM-MRIボリュームの配置に使用されるため、スキャナー内の参加者の頭の位置を正確に表すことが重要です。参加者がT1wスキャンとNM-MRIスキャンの間を移動した場合、NM-MRIボリュームは適切に配置されません。T1w画像とNM-MRI画像の取得間の時間を最小限に抑えると、参加者がスキャン間を移動する可能性が低くなり、SNの一部がNM-MRIボリュームに含まれない可能性が低くなります。

NM-MRI取得に問題が発生した場合は、プロトコルにいくつかの変更が必要になる場合があります。ボリューム配置を修正した後でもSN全体が一貫してカバーされない場合は、SN全体をキャプチャするためにNM-MRIプロトコルのスライス数を増やす必要がある場合があります。さらに、参加者がNM-MRIスキャン全体を通して静止することが困難であり、一貫したモーションアーチファクトが得られる場合は、個々の繰り返しを取得してオフラインで平均化することができます。たとえば、1 回の 10 分間のスキャンを完了してオンラインで平均 5 回の繰り返しを取得する代わりに、5 回の 2 分間のスキャンをオフラインで取得して平均化することができます。これにより、参加者は繰り返しの間に休憩する機会が与えられ、個々のスキャンの間、参加者が静止しているのに役立つ場合があります。

このプロトコルの1つの制限は、標準的なNM-MRI取得プロトコルでLCを完全にカバーできないため、この方法を使用してノルアドレナリン作動系を徹底的に調査できないことです。LCはNM-MRIを使用して画像化できる構造ですが、このプロトコルにLCを含めると、SNとLCの両方を完全に確実にキャプチャするために必要なスライスの数が増えます。スライスの数を増やすと、このプロトコルのスキャン時間が長くなります。これらのスキャンは動きに敏感であるため、スキャン時間が長くなると、参加者が長期間静止することがより困難になる可能性があるため、低品質の画像が生成される可能性があります。したがって、データ内のモーションアーチファクトの可能性を最小限に抑えるために、このプロトコルにLCを含めないことを選択しました。今後の研究では、SNとLCを同時に画像化するために、より多くのスライスを使用したNM-MRIプロトコルの信頼性を調査する必要があります。

このプロトコルの第2の制限は、NM−MRIボリュームのAC-PCアライメントがSNをイメージングするための最適な向きを提供しない可能性があることである。AC-PCラインは簡単に識別できますが、SNに対して完全に垂直ではないため、この方向は部分的なボリューム効果を完全に最小化することはできません。以前の研究では、SN38,39,40を画像化するために、第4脳室の床に垂直な斜めの軸断面を利用していた。このボリューム配置、または大脳水道に垂直なボリューム配置は、AC-PCアライメントよりも部分的なボリューム効果が少ない可能性がありますが、明確に定義されたランドマークを考慮して、AC-PCラインを使用することを選択しました。このアライメントの有効性は、上記で概説したプロトコルを利用した以前の研究で示され、優れたテスト-再テストの信頼性が達成されました32。AC-PCアライメントは、他のいくつかの研究でも使用されています。Cassidyらは、コカイン中毒の患者が対照よりもSN CNR値が高いことを発見しました35。晩年うつ病患者の研究において、Wenglerらは精神運動機能がSN CNR値36と相関していることを発見した。3番目の論文では、パーキンソン病患者がSNのCNRを低下させ、精神病の患者がSN12のCNRを増加させたこともわかりました。

ただし、異なるボリューム配置方法を直接比較した研究はなく、これは、複数の取得にわたってどの方法が最高のテスト再テストの信頼性を提供するかを判断するために、将来の研究が調査する必要がある領域です。3D NM-MRI配列は、取得後の再フォーマットの柔軟性が高いため、代替ソリューションを提供できます。さらに、3Dシーケンスは2Dシーケンスよりも高い信号対雑音比を達成し、より高い空間分解能を可能にする可能性がありますが、動きに対する感度が向上するという犠牲を伴います。現在、2D-GRE MTは、広範に検証された唯一のNM-MRIシーケンスであり、このプロトコルに使用する動機付けの要因となっています。今後の研究では、3DシーケンスからのNM-MRIシグナルをNM濃度および線条体ドーパミン機能と比較し、広く採用される前の2D-GREMTと比較した再現性を比較する必要があります。

このプロトコルは、NM-MRIボリュームの配置に簡単に識別できるランドマークを提供し、再現性が高いため、他のNM-MRIプロトコルよりも優れています。また、他のNM-MRIプロトコルには含まれていないオンライン品質チェックも提供します。これらの品質チェックにより、実験者は、単にその被写体を分析から除外するのではなく、画像の品質が悪い場合に画像を再取得できます。

NM-MRIは、いくつかの神経精神障害を調査するために使用されてきた貴重なツールです。NM-MRIは、黒質線条体経路12におけるドーパミン機能の代理尺度であり、したがって、PETなどの侵襲的処置を必要としないin vivoドーパミン作動系を調べる方法を提供する。統合失調症の患者は、SN38,41のNMシグナルを増加させており、統合失調症におけるドーパミン作動性機能の増加を明らかにした以前の研究を支持しています。SNのNM-MRIシグナルは、統合失調症患者および統合失調症のリスクが高い患者の精神病の重症度とも相関しています12。研究はまた、コカイン使用障害のある人はSN35の腹外側領域でNM-MRI信号を増加させ、晩年うつ病の患者では、SNのNM-MRI信号の低下が運動減速と相関していることも示されています36。さらに、NM-MRIは、パーキンソン病などの状態におけるドーパミン作動性細胞喪失の研究に使用されています。

今回、Kitaoたちは、SNのNM-MRIシグナルがSN11の色素性ドーパミン作動性ニューロンの数と相関していることを立証し、パーキンソン病ではSNドーパミン作動性ニューロンのNM-MRIシグナルが減少することを示した6,9,39,40。パーキンソン病患者におけるさらなる研究では、NM-MRIを使用して、SN細胞喪失のトポグラフィーパターン12と疾患の経過に伴うSN細胞喪失の進行をマッピングしました37。全体として、これは、NM-MRIが神経精神障害の根底にある化学成分への洞察を提供するだけでなく、疾患の発症と重症度を予測する際のバイオマーカーとしても役立つ可能性があることを示唆しています。ここで紹介する標準化されたプロトコルが、NM-MRI30に基づく臨床的に有用なバイオマーカーを開発するための将来の研究を促進することを願っています。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ホルガ博士とウェングラー博士はそれぞれ、中枢神経系疾患におけるニューロメラニンイメージングの分析と使用に関する特許(WO2021034770A1、WO2020077098A1)を保有していると報告し、Terran Biosciencesにライセンス供与されましたが、ロイヤルティは受け取っていません。

Acknowledgments

ホルガ博士はNIMH(R01-MH114965、R01-MH117323)から支援を受けました。ウェングラー博士はNIMH(F32-MH125540)から支援を受けました。

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

神経科学、第175号、
黒質のニューロメラニン感受性磁気共鳴イメージングのための標準化されたデータ取得
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