Standardiseret dataindsamling til neuromelaninfølsom magnetisk resonansbilleddannelse af Substantia nigra

Summary

Denne protokol viser, hvordan man erhverver neuromelaninfølsomme magnetiske resonansbilleddata fra substantia nigra.

Abstract

Det dopaminerge system spiller en afgørende rolle i sund kognition (fx belønningsindlæring og usikkerhed) og neuropsykiatriske lidelser (fx Parkinsons sygdom og skizofreni). Neuromelanin er et biprodukt af dopaminsyntese, der akkumuleres i dopaminerge neuroner af substantia nigra. Neuromelanin-følsom magnetisk resonansbilleddannelse (NM-MRI) er en ikke-invasiv metode til måling af neuromelanin i disse dopaminerge neuroner, hvilket giver et direkte mål for dopaminergisk celletab i substantia nigra og et proxymål for dopaminfunktion. Selvom NM-MR har vist sig at være nyttig til at studere forskellige neuropsykiatriske lidelser, udfordres den af et begrænset synsfelt i den ringere-overlegne retning, hvilket resulterer i det potentielle tab af data fra utilsigtet udelukkelse af en del af substantia nigra. Derudover mangler feltet en standardiseret protokol til erhvervelse af NM-MR-data, et kritisk skridt i at lette store multisite-undersøgelser og oversættelse til klinikken. Denne protokol beskriver en trinvis NM-MR-volumenplaceringsprocedure og online kvalitetskontrol for at sikre erhvervelse af data af god kvalitet, der dækker hele substantia nigra.

Introduction

Neuromelanin (NM) er et mørkt pigment, der findes i dopaminerge neuroner af substantia nigra (SN) og noradrenerge neuroner i locus coeruleus (LC)^1,2. NM syntetiseres ved jernafhængig oxidation af cytosolisk dopamin og noradrenalin og opbevares i autofagiske vakuoler i soma³. Det forekommer først hos mennesker omkring 2-3 år og akkumuleres med alderen ^1,4,5.

Inden for de NM-holdige vakuoler af SN- og LC-neuroner danner NM komplekser med jern. Disse NM-jernkomplekser er paramagnetiske, hvilket muliggør ikke-invasiv visualisering af NM ved hjælp af magnetisk resonansbilleddannelse (MRI)^6,7. MR-scanninger, der kan visualisere NM, er kendt som NM-følsomme MR (NM-MRI) og bruger enten direkte eller indirekte magnetiseringsoverførselseffekter til at give kontrast mellem regioner med høj NM-koncentration (f.eks. SN) og det omgivende hvide stof ^8,9.

Magnetiseringsoverførselskontrast er resultatet af interaktionen mellem makromolekylærbundne vandprotoner (som er mættet af magnetiseringsoverførselsimpulserne) og de omgivende frie vandprotoner. I NM-MR menes det, at den paramagnetiske natur af NM-jernkomplekser forkorter T₁ af de omgivende frie vandprotoner, hvilket resulterer i reducerede magnetiseringsoverførselseffekter, så regioner med højere NM-koncentration forekommer hyperintense på NM-MR-scanninger¹⁰. Omvendt har det hvide stof omkring SN et højt makromolekylært indhold, hvilket resulterer i store magnetiseringsoverførselseffekter, så disse regioner forekommer hypointense på NM-MR-scanninger, hvilket giver høj kontrast mellem SN og omgivende hvidt stof.

I SN kan NM-MR give en markør for dopaminerg celletab¹¹ og dopaminsystemfunktion¹². Disse to processer er relevante for flere neuropsykiatriske lidelser og understøttes af en stor mængde klinisk og præklinisk arbejde. For eksempel er abnormiteter i dopaminfunktionen blevet bredt observeret i skizofreni; in vivo-undersøgelser ved hjælp af positronemissionstomografi (PET) har vist øget striatal dopaminfrigivelse 13,14,15,16 og øget dopaminsyntesekapacitet 17,18,19,20,21,22 . Desuden har post mortem-undersøgelser vist, at patienter med skizofreni har øgede niveauer af tyrosinhydroxylase – det hastighedsbegrænsende enzym involveret i dopaminsyntese – i basalganglierne²³ og SN^24,25.

Flere undersøgelser har undersøgt mønstre af dopaminerg celletab, især i Parkinsons sygdom. Post mortem-undersøgelser har afsløret, at de pigmenterede dopaminerge neuroner i SN er det primære sted for neurodegeneration i Parkinsons sygdom 26,27, og at mens SN-celletab i Parkinsons sygdom ikke er korreleret med celletab i normal aldring^28, er det korreleret med sygdommens varighed ²⁹ . I modsætning til de fleste metoder til undersøgelse af det dopaminerge system gør den ikke-invasive, omkostningseffektivitet og mangel på ioniserende stråling NM-MR til en alsidig biomarkør³⁰.

NM-MR-protokollen beskrevet i dette papir blev udviklet til at øge både inden for emnet og på tværs af emner reproducerbarhed af NM-MR. Denne protokol sikrer fuld dækning af SN på trods af den begrænsede dækning af NM-MR-scanninger i den ringere-overlegne retning. Protokollen gør brug af sagittale, koronale og aksiale tredimensionelle (3D) T1-vægtede (T1w) billeder, og trinene skal følges for at opnå korrekt placering af skivestak. Protokollen, der er skitseret i dette papir, er blevet brugt i flere undersøgelser^31,32 og blev grundigt testet. Wengler et al. afsluttede en undersøgelse af pålideligheden af denne protokol, hvor NM-MR-billeder blev erhvervet to gange hos hver deltager over flere dage³². Korrelationskoefficienter inden for klassen demonstrerede fremragende test-retest-pålidelighed af denne metode til interesseregion (ROI) -baserede og voxelvise analyser samt høj kontrast i billederne.

Protocol

BEMÆRK: Den forskning, der blev udført for at udvikle denne protokol, blev udført i overensstemmelse med New York State Psychiatric Institute Institutional Review Board retningslinjer (IRB # 7655). Et emne blev scannet til optagelse af protokolvideoen, og der blev indhentet skriftligt informeret samtykke. Se materialetabellen for detaljer om MR-scanneren, der bruges i denne protokol. 1. Parametre for MR-erhvervelse Forbered dig på at erhverve T1w-billeder i høj …

Representative Results

Figur 4 viser de repræsentative resultater fra en 28-årig kvindelig deltager uden psykiatriske eller neurologiske lidelser. NM-MR-protokollen sikrer fuldstændig dækning af SN, opnået ved at følge trin 2 i protokollen beskrevet i figur 1, og tilfredsstillende NM-MR-billeder ved at følge trin 3 i protokollen. Fremragende kontrast mellem SN og nærliggende hvide stofregioner med ubetydelig NM-koncentration (dvs. crus cerebri) kan ses. Disse billeder blev kon…

Discussion

Det dopaminerge system spiller en afgørende rolle i sund kognition og neuropsykiatriske lidelser. Udviklingen af ikke-invasive metoder, der kan bruges til gentagne gange at undersøge det dopaminerge system in vivo , er afgørende for udviklingen af klinisk meningsfulde biomarkører. Protokollen, der er beskrevet her, indeholder trinvise instruktioner til erhvervelse af NM-MR-billeder af SN af god kvalitet, herunder placering af NM-MR-volumen og kvalitetskontrolkontrol for at sikre brugbare data.

<p class="…

Materials

3T Magnetic Resonance Imaging

General Electric

GE SIGNA Premier with 48-channel head coil