Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Стандартизированный сбор данных для нейромеланин-чувствительной магнитно-резонансной томографии Черной субстанции

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

Этот протокол показывает, как получить данные нейромеланин-чувствительной магнитно-резонансной томографии черной субстанции.

Abstract

Дофаминергическая система играет решающую роль в здоровом познании (например, обучение вознаграждению и неопределенность) и нервно-психических расстройствах (например, болезнь Паркинсона и шизофрения). Нейромеланин является побочным продуктом синтеза дофамина, который накапливается в дофаминергических нейронах черной субстанции. Нейромеланин-чувствительная магнитно-резонансная томография (NM-MRI) является неинвазивным методом измерения нейромеланина в этих дофаминергических нейронах, обеспечивая прямую меру потери дофаминергических клеток в черной субстанции и прокси-меру функции дофамина. Хотя было показано, что NM-МРТ полезна для изучения различных нервно-психических расстройств, она оспаривается ограниченным полем зрения в направлении ниже-выше, что приводит к потенциальной потере данных от случайного исключения части черной субстанции. Кроме того, в этой области отсутствует стандартизированный протокол для получения данных НМ-МРТ, что является важным шагом в облегчении крупномасштабных многосайтовых исследований и перевода в клинику. Этот протокол описывает пошаговую процедуру размещения объема NM-MRI и онлайн-проверки качества для обеспечения получения данных хорошего качества, охватывающих всю черную субстанцию.

Introduction

Нейромеланин (NM) является темным пигментом, обнаруженным в дофаминергических нейронах черной субстанции (SN) и норадренергических нейронах locus coeruleus (LC)1,2. НМ синтезируется железозависимым окислением цитозольного дофамина и норадреналина и хранится в аутофагических вакуолях в соме3. Впервые он появляется у людей в возрасте около 2-3 лет и накапливается в возрасте 1,4,5 лет.

В NM-содержащих вакуолях нейронов SN и LC NM образует комплексы с железом. Эти комплексы NM-железа являются парамагнитными, что позволяет проводить неинвазивную визуализацию НМ с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ)6,7. МРТ-сканирование, которое может визуализировать НМ, известно как НМ-чувствительная МРТ (НМ-МРТ) и использует либо прямые, либо косвенные эффекты переноса намагниченности для обеспечения контраста между областями с высокой концентрацией НМ (например, SN) и окружающим белым веществом 8,9.

Контраст переноса намагниченности является результатом взаимодействия между макромолекулярными связанными протонами воды (которые насыщаются импульсами переноса намагниченности) и окружающими протонами свободной воды. В NM-MRI считается, что парамагнитная природа комплексов NM-железа укорачиваетT1 окружающих протонов свободной воды, что приводит к снижению эффектов намагниченности-переноса, так что области с более высокой концентрацией NM кажутся гиперинтенсивными на НМ-МРТ-сканировании10. И наоборот, белое вещество, окружающее SN, имеет высокое макромолекулярное содержание, что приводит к большим эффектам намагниченности-переноса, так что эти области кажутся гипоинтенсными на НМ-МРТ-сканировании, обеспечивая тем самым высокий контраст между SN и окружающим белым веществом.

В SN NM-MRI может обеспечить маркер потери дофаминергических клеток11 и функции12 дофаминовой системы. Эти два процесса актуальны для нескольких нервно-психических расстройств и поддерживаются обширным объемом клинической и доклинической работы. Например, нарушения функции дофамина широко наблюдались при шизофрении; Исследования in vivo с использованием позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) показали увеличение стриатального высвобождения дофамина 13,14,15,16 и увеличение способности синтеза дофамина 17,18,19,20,21,22 . Кроме того, посмертные исследования показали, что у пациентов с шизофренией повышен уровень тирозингидроксилазы — фермента, ограничивающего скорость, участвующего в синтезе дофамина — в базальныхганглиях 23 и SN24,25.

В нескольких исследованиях изучались закономерности потери дофаминергических клеток, особенно при болезни Паркинсона. Патологоанатомические исследования показали, что пигментированные дофаминергические нейроны SN являются основным местом нейродегенерации при болезни Паркинсона26,27, и что, хотя потеря клеток SN при болезни Паркинсона не коррелирует с потерей клеток в нормальном возрасте28 лет, она коррелирует с продолжительностью заболевания29 . В отличие от большинства методов исследования дофаминергической системы, неинвазивность, экономическая эффективность и отсутствие ионизирующего излучения делают НМ-МРТ универсальным биомаркером30.

Протокол NM-MRI, описанный в этой статье, был разработан для повышения воспроизводимости NM-MRI как внутри субъекта, так и между субъектами. Этот протокол обеспечивает полное покрытие SN, несмотря на ограниченный охват NM-MRI сканирования в направлении ниже-выше. Протокол использует сагиттальные, корональные и осевые трехмерные (3D) T1-взвешенные (T1w) изображения, и шаги должны быть выполнены для достижения правильного размещения стека срезов. Протокол, изложенный в этой статье, был использован в многочисленных исследованиях31,32 и был тщательно протестирован. Wengler et al. завершили исследование надежности этого протокола, в котором изображения NM-MRI были получены дважды у каждого участника в течение нескольких дней32. Внутриклассовые коэффициенты корреляции продемонстрировали отличную надежность этого метода для анализа интересующих регионов (ROI) и воксельных анализов, а также высокую контрастность изображений.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ПРИМЕЧАНИЕ: Исследование, проведенное для разработки этого протокола, было выполнено в соответствии с руководящими принципами Совета по институциональному обзору Психиатрического института штата Нью-Йорк (IRB #7655). Один субъект был отсканирован для записи видео протокола, и было получено письменное информированное согласие. Обратитесь к Таблице материалов для получения подробной информации о МРТ-сканере, используемом в этом протоколе.

1. Параметры получения МРТ

  1. Подготовьтесь к получению изображений высокого разрешения T1w с помощью 3D намагниченной намагниченности подготовленной быстрой градиентной эхо-последовательности (MPRAGE) со следующими параметрами: пространственное разрешение = 0,8 x 0,8 x 0,8 мм3; поле зрения (FOV) = 176 x 240 x 240 мм3; время эха (TE) = 3,43 мс; время повторения (TR) = 2462 мс; время инверсии (TI) = 1060 мс; угол переворачивания = 8°; коэффициент параллельного изображения в плоскости (ARC) = 2; сквозной коэффициент параллельной визуализации (ARC) = 233; полоса пропускания = 208 Гц/пиксель; общее время захвата = 6 мин 39 с.
  2. Подготовка к получению изображений НМ-МРТ с использованием двумерного (2D) градиента отзываемой эхо-последовательности с контрастом передачи намагниченности (2D GRE-MTC) со следующими параметрами: разрешение = 0,43 x 0,43мм2; FOV = 220 x 220 мм2; толщина среза = 1,5 мм; 20 ломтиков; зазор среза = 0 мм; TE = 4,8 мс; TR = 500 мс; угол сальто = 40°; полоса пропускания = 122 Гц/пиксель; Смещение частоты MT = 1,2 кГц; Длительность импульса МТ = 8 мс; Угол наклона MT = 670°; количество средних значений = 5; общее время съемки = 10 мин 4 с.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Хотя в отображаемых результатах использовались эти параметры сбора МРТ, этот протокол действителен для различных протоколов визуализации T1w и NM-MRI. Протокол NM-MRI должен охватывать ~ 25 мм в направлении ниже-выше, чтобы гарантировать полное покрытие SN.

2. Размещение объема НМ-МРТ

  1. Получите изображение t1w с высоким разрешением (изотропный размер вокселя ≤1 мм). Используйте онлайн-переформатирование непосредственно после получения изображения для создания изображений с высоким разрешением T1w, выровненных по передней линии commissure-posterior commissure (AC-PC) и средней линии.
    1. Осуществлять онлайн-переформатирование с использованием программного обеспечения, предоставленного поставщиком (например, при получении данных на сканере GE: MultiPlanar Reconstruction (MPR) in Planning; при получении данных на сканере Siemens: MPR в 3D Task Card; при получении данных на сканере Philips: MPR в режиме рендеринга пакета VolumeView).
      1. Создание многопланарных реконструкций изображения 3D T1w в осевой плоскости, перпендикулярной линии AC-PC, чтобы покрыть весь мозг с минимальным зазором.
      2. Создание многопланарных реконструкций изображения 3D T1w в корональной плоскости, перпендикулярной линии AC-PC, чтобы покрыть весь мозг с минимальным разрывом среза.
      3. Создание многопланарных реконструкций 3D-изображения T1w в сагиттальной плоскости, параллельной линии AC-PC, чтобы покрыть весь мозг с минимальным зазором.
  2. Загрузите сагиттальный, корональный и осевой виды переформатированного изображения T1w с высоким разрешением и убедитесь, что в нем присутствуют контрольные линии, изображающие местоположение каждого отображаемого фрагмента.
  3. Определите сагиттальное изображение, на котором показано наибольшее расстояние между средним мозгом и таламусом (рисунок 1А). Для этого визуально осмотрите сагиттальные срезы переформатированного изображения T1w до тех пор, пока не будет идентифицирован срез, показывающий это наибольшее разделение.
  4. Используя сагиттальное изображение из конца шага 2.3, визуально определите корональную плоскость, которая очерчивает самый передний аспект среднего мозга (рисунок 1B).
  5. Используя корональное изображение из конца шага 2.4, визуально идентифицируйте осевую плоскость, которая очерчивает нижний аспект третьего желудочка (рисунок 1C).
  6. На сагиттальном изображении с конца шага 2.3 выровняйте верхнюю границу объема НМ-МРТ по осевой плоскости, определенной на шаге 2.5 (рисунок 1D).
  7. Переместите верхнюю границу объема НМ-МРТ на 3 мм в верхнем направлении (рисунок 1Е).
  8. Выровняйте объем NM-MRI по средней линии на осевых и корональных изображениях (рисунок 1F).
  9. Получение изображений NM-MRI.

Figure 1
Рисунок 1: Изображения, отображающие пошаговую процедуру размещения объема NM-MRI. Желтыми линиями обозначено расположение фрагментов, используемых для размещения тома, как описано в протоколе. (А) Во-первых, идентифицируется сагиттальное изображение с наибольшим разделением между средним мозгом и таламусом (этап 2.3 протокола). (B) Во-вторых, используя изображение из A, идентифицируется корональная плоскость, очерчивающая наиболее передний аспект среднего мозга (этап 2.4). (C) В-третьих, на корональном изображении с плоскости, идентифицированной в B, идентифицируется осевая плоскость, очерчивающая нижний аспект третьего желудочка (этап 2.5). (D) В-четвертых, осевая плоскость, идентифицированная в С , отображается на сагиттальном изображении из А (этап 2.6). (E) В-пятых, осевая плоскость от D смещена на 3 мм в верхнем направлении, и эта плоскость указывает на верхнюю границу объема НМ-МРТ (шаг 2.7). (F) Окончательное расположение объема НМ-МРТ, где корональное изображение соответствует С, сагиттальное изображение соответствует А, а осевое изображение соответствует осевой плоскости в Е. Объем NM-MRI выровнен по средней линии мозга на корональном и осевом изображениях и линии AC-PC на сагиттальном изображении (шаг 2.8). Часть этой цифры была перепечатана с разрешения Elsevier от 30. Сокращения: NM-MRI = нейромеланин-чувствительная магнитно-резонансная томография; AC-PC = передняя комиссура-задняя комиссура. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

3. Контроль качества

  1. Убедитесь, что полученные изображения NM-MRI охватывают всю SN и что SN видна на центральных изображениях, но не на самых превосходных или самых низких изображениях объема NM-MRI. В противном случае (рисунок 2) повторите шаги 2.3-2.9, чтобы обеспечить правильное размещение объема NM-MRI. Если участник значительно продвинулся с момента получения сканирования T1w с высоким разрешением, повторите шаги 2.1-2.9.

Figure 2
Рисунок 2: Пример приобретения NM-MRI, которое не прошло первую проверку контроля качества (шаг 3.1 протокола). Каждый из 20 срезов NM-MRI отображается от самого низкого (верхнее левое изображение) до самого верхнего (нижнее правое изображение); окно/уровень изображения был настроен на преувеличение контраста между черной субстанцией и crus cerebri. Оранжевые стрелки в ломтиках 15-19 показывают расположение черной субстанции в этих ломтиках. Красная стрелка в самом превосходном срезе (срез 20) показывает, что черная субстанция все еще видна в этом срезе, и, таким образом, приобретение не проходит проверку качества. Аббревиатура: NM-MRI = нейромеланин-чувствительная магнитно-резонансная томография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

  1. Проверьте наличие артефактов, особенно тех, которые проходят через SN и окружающее белое вещество, визуально осмотрев каждый срез полученного NM-MRI-сканирования.
    1. Ищите резкие изменения интенсивности сигнала с линейной картиной, которая не уважает нормальные анатомические границы. Например, это может выглядеть как область низкой интенсивности, которая окружена двумя областями высокой интенсивности.
    2. Если артефакт является результатом кровеносных сосудов (рисунок 3A), сохраните изображения NM-MRI, потому что эти артефакты, скорее всего, всегда будут присутствовать.
    3. Если артефакты являются результатом движения головы участника (рисунок 3B), напомните участнику, чтобы он оставался как можно более неподвижным и повторно получил изображения NM-MRI в соответствии с шагом 3.2.5.
    4. Если артефакты неоднозначны (рисунок 3C), повторно приобретите изображения NM-MRI в соответствии с шагом 3.2.5. После повторного приобретения, если артефакты остаются, продолжайте использовать эти изображения, поскольку они, скорее всего, являются биологическими, а не результатом проблем с приобретением.
    5. Если изображения NM-MRI проходят проверку качества на шаге 3.1, скопируйте предыдущее размещение объема NM-MRI. Если изображения NM-MRI не проходят проверку качества на шаге 3.1, повторите шаги 2.3-2.9, чтобы обеспечить правильное размещение объема NM-MRI (или шаги 2.1-2.9, если участник значительно переместился).

Figure 3
Рисунок 3: Примеры приобретений НМ-МРТ, которые не прошли вторую проверку контроля качества (этап 3.2 протокола). Для каждого случая отображается только один репрезентативный срез. (A) Приобретение NM-MRI, которое не проходит проверку контроля качества из-за артефакта кровеносного сосуда (красные стрелки), который является результатом кровеносного сосуда, идентифицированного синими стрелками. (B) Получение NM-MRI, которое не проходит проверку контроля качества из-за артефактов движения (красные стрелки). (C) Приобретение NM-MRI, которое не проходит проверку контроля качества из-за неоднозначного артефакта (красные стрелки). Аббревиатура: NM-MRI = нейромеланин-чувствительная магнитно-резонансная томография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

На рисунке 4 показаны репрезентативные результаты 28-летней участницы без психических или неврологических расстройств. Протокол NM-MRI обеспечивает полное покрытие SN, достигаемое путем выполнения шага 2 протокола, описанного на рисунке 1, и удовлетворительные изображения NM-MRI путем выполнения шага 3 протокола. Можно увидеть отличный контраст между SN и соседними областями белого вещества с незначительной концентрацией NM (т.е. crus cerebri). Эти изображения были проверены сразу после получения, чтобы обеспечить надлежащее покрытие SN и проверить наличие артефактов. Поскольку полное покрытие SN было достигнуто без каких-либо артефактов, сканирование прошло проверку качества и не нуждалось в повторении.

Figure 4
Рисунок 4: Пример репрезентативного получения НМ-МРТ. Каждый из 20 срезов NM-MRI отображается от самого низкого (верхнее левое изображение) до самого верхнего (нижнее правое изображение); окно /уровень изображения было установлено, чтобы преувеличить контраст между черной субстанцией и crus cerebri от 28-летней участницы без психических или неврологических расстройств. Протокол NM-MRI обеспечивает полное покрытие черной субстанции, частичное покрытие locus coeruleus и удовлетворительные изображения NM-MRI. Отличный контраст между черной субстанцией и соседними областями белого вещества без концентрации нейромеланина (т.е. крестообразным) можно увидеть на срезах 9-16. На изображении внизу показан увеличенный вид среднего мозга из фрагмента 13. Аббревиатура: NM-MRI = нейромеланин-чувствительная магнитно-резонансная томография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

На рисунке 2 показаны репрезентативные результаты 28-летней женщины-участницы без психических или неврологических расстройств, чьи изображения не прошли первую проверку качества (шаг 3.1). SN виден в самом превосходном срезе (срез 20), что указывает на то, что полное покрытие SN не было достигнуто. В этом случае данные должны быть повторно получены путем повторения шагов 2.3-2.9 протокола, как показано на рисунке 1. Если участник значительно продвинулся с момента получения исходного изображения T1w, то исследователь должен вернуться к шагу 2.1, чтобы повторно получить изображение T1w.

На рисунке 3 показаны примеры изображений, которые не прошли вторую проверку контроля качества (шаг 3.2). Как указано в шаге 3.2, сканирование, содержащее артефакты, обусловленные кровеносными сосудами (рисунок 3A), не нужно повторять, поскольку эти артефакты, вероятно, будут присутствовать при каждом приобретении. Сканирование, содержащее артефакты, полученные в результате движения (рисунок 3B) или неоднозначные артефакты (рисунок 3C), должно быть повторено. В случае неоднозначных артефактов, если артефакты остаются присутствующими после повторного приобретения, то сканирование не нужно повторно приобретать, поскольку артефакты, вероятно, являются биологическими и, следовательно, будут присутствовать в каждом приобретении.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Дофаминергическая система играет решающую роль в здоровом познании и нервно-психических расстройствах. Разработка неинвазивных методов, которые могут быть использованы для многократного исследования дофаминергической системы in vivo, имеет решающее значение для разработки клинически значимых биомаркеров. Протокол, описанный здесь, содержит пошаговые инструкции по получению высококачественных изображений NM-MRI SN, включая размещение объема NM-MRI и проверки качества для обеспечения пригодных для использования данных.

Несмотря на то, что подробные протоколы анализа данных НМ-МРТ обсуждались в других местах, для полноты картины мы приводим краткое резюме нашей предыдущей работы и рекомендации по предварительной обработке изображений НМ-МРТ и воксельного анализа. Этот подход был ранее подтвержден в сочетании с протоколом приобретения, описанным в настоящем документе. Предыдущие исследования обсуждают преимущества этого метода более подробно и предоставляют данные, подтверждающие его воспроизводимость 6,12,32. Обратите внимание, однако, что стандартизированный протокол сбора, описанный в настоящем документе, применим к любой стратегии обработки и анализа (включая анализ на основе ROI в нативном пространстве или пространстве MNI 8,32), а не только к описанному здесь.

Для анализа изображений НМ-МРТ может быть выполнена предварительная обработка для коррекции движения и пространственной нормализации отдельных данных субъекта в стандартный анатомический шаблон. Мы рекомендуем использовать следующий конвейер, объединяющий статистическое параметрическое отображение (SPM) и инструменты расширенной нормализации (ANT), чтобы использовать следующие инструменты на следующих этапах: (1) SPM-Reign для выравнивания и корректировки отдельно полученных средних значений для движения и SPM-ImCalc для усреднения перестроенных изображений; (2) antsBrainExtraction.sh для извлечения мозгом изображения T1w; (3) antsRegistrationSyN.sh (жесткий + аффинный + деформируемый syn) для пространственной нормализации извлеченного мозгом изображения T1w в пространство шаблонов MNI152NLin2009cAsym; (4) antsRegistrationSyN.sh (жесткий) для сопоставления изображения NM-MRI с изображением T1w (в нативном пространстве); (5) antsApplyTransforms для объединения преобразований, оцененных на этапах 3 и 4, в одноступенчатое преобразование для пространственной нормализации изображений NM-MRI в пространстве MNI; и (6) SPM-Smooth с ядром Гаусса полной шириной 1 мм при половине максимума для пространственного сглаживания пространственно нормализованного изображения НМ-МРТ. Ранее было показано, что этот технологический конвейер достигает наивысшей в литературе надежности испытаний-повторных испытаний со средним внутриклассовым коэффициентом корреляции (ICC) в пределах SN ~ 0,9032. Кроме того, в нескольких предыдущих исследованиях использовались аналогичные конвейеры предварительной обработки 12,31,34,35,36,37.

После пространственной нормализации изображения NM-MRI должны быть проанализированы путем расчета отношения контрастности к шуму на каждом вокселе (CNRV). CNR измеряет процентную разницу сигналов между каждым вокселем (IV) и эталонной областью белого вещества, которая, как известно, имеет небольшое содержание NM12 (crus cerebri, ICC), заданную следующей формулой: CNRV = {[IV-mode(ICC)] / mode(ICC)}*100. Значения CNRV могут быть усреднены для каждого участника для определения CNR всего SN или могут быть проанализированы на уровне воксельного излучения в SN. Более высокие значения CNR отражают повышенное содержание NM в этом вокселе или ROI. В отличие от некоторых других методов анализа, которые определяют рентабельность инвестиций в SN как гиперинтенсивную область в изображении NM-MRI, этот рекомендуемый метод использует предопределенные шаблонные ROI, которые могут быть получены из литературы12 или нарисованы на среднем изображении NM-MRI в пространстве MNI для всех субъектов в исследовании (с использованием шаблона, специфичного для исследования). Мало того, что этот метод полностью автоматизирован, он также устраняет цикличность в анализе, учитывает неоднородность в комплексе SN-VTA и не ограничивает анализ уровнем полной рентабельности инвестиций. 

При получении изображений NM-MRI крайне важно, чтобы изображения T1w, используемые для размещения объема NM-MRI, были выровнены вдоль линии AC-PC. Это улучшит воспроизводимость сканов. Также важно получить изображения T1w как можно ближе по времени, прежде чем получать изображения NM-MRI. Поскольку изображение T1w используется для размещения объема NM-MRI, важно, чтобы оно точно представляло местоположение головы участника в сканере. Если участник перешел между сканированием T1w и сканированием NM-MRI, то объем NM-MRI не будет размещен надлежащим образом. Минимизация количества времени между получением изображений T1w и изображений NM-MRI уменьшит вероятность того, что участник перешел между сканированиями, и, следовательно, уменьшит вероятность того, что часть SN не будет включена в объем NM-MRI.

Некоторые изменения в протоколе могут потребоваться, если возникнут проблемы с приобретением NM-MRI. Если вся SN не покрывается последовательно, даже после коррекции размещения объема, то количество срезов в протоколе NM-MRI может потребоваться увеличить, чтобы захватить всю SN. Кроме того, если участник испытывает трудности с тем, чтобы оставаться неподвижным в течение всего сканирования NM-MRI, что приводит к последовательным артефактам движения, отдельные повторения могут быть получены и усреднены в автономном режиме. Например, вместо выполнения одного 10-минутного сканирования, которое получает пять повторений, усредненных онлайн, пять 2-минутных сканирований могут быть получены и усреднены в автономном режиме. Это даст участникам возможность для перерывов между повторениями и может помочь им оставаться неподвижными в течение всего времени отдельных сканирований.

Одним из ограничений этого протокола является то, что он не обеспечивает полного покрытия LC стандартными протоколами сбора NM-MRI, что препятствует тщательному исследованию норадренергической системы с использованием этого метода. Хотя LC является структурой, которая может быть изображена с помощью NM-MRI, включение LC в этот протокол увеличит количество срезов, необходимых для надежного захвата как SN, так и LC в полном объеме. Увеличение количества срезов, в свою очередь, увеличит время сканирования для этого протокола. Поскольку эти сканирования чувствительны к движению, увеличение времени сканирования может привести к получению изображений более низкого качества, поскольку участникам может быть труднее оставаться неподвижными в течение более длительных периодов времени, особенно проблематично в клинических популяциях. Таким образом, мы решили не включать LC в этот протокол, чтобы свести к минимуму потенциал артефактов движения в данных. Будущие исследования должны исследовать надежность протоколов NM-MRI с большим количеством срезов для одновременного изображения SN и LC.

Второе ограничение этого протокола заключается в том, что выравнивание AC-PC объема NM-MRI может не обеспечивать оптимальную ориентацию для визуализации SN. Хотя линию AC-PC легко идентифицировать, эта ориентация не полностью минимизирует эффекты частичного объема, поскольку она не идеально перпендикулярна SN. Предыдущая работа использовала косое осевое сечение, перпендикулярное полу четвертого желудочка, для изображения SN 38,39,40. Хотя это расположение объема, или перпендикулярное церебральному акведуку, может обеспечить менее частичные объемные эффекты, чем выравнивание AC-PC, мы решили использовать линию AC-PC, учитывая ее четко определенные ориентиры. Обоснованность этого выравнивания была показана в предыдущей работе с использованием протокола, описанного выше, в котором была достигнута отличная надежность испытаний-повторных испытаний32. Выравнивание AC-PC также использовалось в нескольких других исследованиях. Cassidy et al. обнаружили, что пациенты с кокаиновой зависимостью имели более высокие значения SN CNR, чем контрольнаягруппа 35. В исследовании пациентов с депрессией в позднем возрасте Wengler et al. обнаружили, что психомоторная функция коррелирует со значениями SN CNR36. В третьей статье также было обнаружено, что у пациентов с болезнью Паркинсона снизился CNR в SN, в то время как у пациентов с психозом увеличился CNR в SN12.

Тем не менее, ни в одном исследовании напрямую не сравнивались различные методы размещения объема, и это область, которую будущие исследования должны изучить, чтобы определить, какой метод обеспечивает наилучшую надежность повторного тестирования при нескольких приобретениях. Последовательности 3D NM-MRI могут обеспечить альтернативное решение, поскольку они обеспечивают большую гибкость при переформатировании после приобретения. Кроме того, 3D-последовательности достигают более высокого отношения сигнал/шум, чем 2D-последовательности, что потенциально позволяет получить более высокое пространственное разрешение, но происходит за счет повышенной чувствительности к движению. В настоящее время 2D-GRE MT является единственной широко проверенной последовательностью NM-MRI — мотивирующим фактором для ее использования для этого протокола. Будущие исследования должны сравнивать сигнал NM-MRI от 3D-последовательностей с концентрацией NM и функцией стриатального дофамина, а также воспроизводимость по сравнению с 2D-GRE MT до широкого распространения.

Этот протокол имеет преимущества перед другими протоколами NM-MRI, поскольку он обеспечивает легко идентифицируемые ориентиры для размещения объема NM-MRI, что делает его очень воспроизводимым. Он также обеспечивает онлайн-проверку качества, которую не включал ни один другой протокол NM-MRI. Эти проверки качества позволяют экспериментатору повторно получать изображения, если они имеют низкое качество, а не просто исключать этот объект из анализа.

NM-MRI является ценным инструментом, который использовался для исследования нескольких нервно-психических расстройств. NM-MRI является прокси-мерой функции дофамина в нигростриатальном пути12, таким образом, предлагая метод исследования дофаминергической системы in vivo, который не требует инвазивных процедур, таких как ПЭТ. Пациенты с шизофренией имеют повышенный сигнал NM в SN38,41, что подтверждает предыдущие исследования, которые выявили повышенную дофаминергическую функцию при шизофрении. Сигнал NM-MRI в SN также коррелирует с тяжестью психоза у пациентов с шизофренией и пациентов с высоким риском развития шизофрении12. Исследования также показали, что люди с расстройством, связанным с употреблением кокаина, имеют повышенный сигнал NM-MRI в вентролатеральных областях SN35, и что у пациентов с депрессией в позднем возрасте более низкий сигнал NM-MRI в SN коррелирует с замедлением моторики36. Кроме того, NM-MRI используется для изучения потери дофаминергических клеток при таких состояниях, как болезнь Паркинсона.

Китао и его коллеги установили, что сигнал NM-MRI в SN коррелирует с количеством пигментированных дофаминергических нейронов в SN11, а другие показали, что сигнал NM-MRI в дофаминергических нейронах SN снижается при болезни Паркинсонана 6,9,39,40. Дальнейшие исследования у пациентов с болезнью Паркинсона использовали NM-MRI для отображения топографической картины потери клеток SN12 и прогрессирования потери клеток SN в течение заболевания37. В целом, это говорит о том, что НМ-МРТ не только дает представление об основных химических компонентах нервно-психических расстройств, но также может быть полезна в качестве биомаркера для прогнозирования начала и тяжести заболевания. Мы надеемся, что стандартизированный протокол, представленный здесь, облегчит будущую работу по разработке клинически полезных биомаркеров на основе NM-MRI30.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Доктора Хорга и Венглер сообщили, что имеют патенты на анализ и использование визуализации нейромеланина при расстройствах центральной нервной системы (WO2021034770A1, WO2020077098A1), лицензированные Terran Biosciences, но не получили никаких роялти.

Acknowledgments

Д-р Хорга получил поддержку от NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). Д-р Венглер получил поддержку от 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

Неврология выпуск 175
Стандартизированный сбор данных для нейромеланин-чувствительной магнитно-резонансной томографии Черной субстанции
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