Acquisition de données normalisées pour l’imagerie par résonance magnétique sensible à la neuromélanine de la substance noire

Summary

Ce protocole montre comment acquérir des données d’imagerie par résonance magnétique sensibles à la neuromélanine de la substance noire.

Abstract

Le système dopaminergique joue un rôle crucial dans la cognition saine (p. ex., l’apprentissage de récompense et l’incertitude) et les troubles neuropsychiatriques (p. ex., la maladie de Parkinson et la schizophrénie). La neuromélanine est un sous-produit de la synthèse de la dopamine qui s’accumule dans les neurones dopaminergiques de la substance noire. L’imagerie par résonance magnétique sensible à la neuromélanine (NM-IRM) est une méthode non invasive pour mesurer la neuromélanine dans ces neurones dopaminergiques, fournissant une mesure directe de la perte de cellules dopaminergiques dans la substance noire et une mesure indirecte de la fonction dopaminergique. Bien que l’IRM-NM se soit révélée utile pour étudier divers troubles neuropsychiatriques, elle est mise à l’épreuve par un champ de vision limité dans la direction inférieure-supérieure, ce qui entraîne la perte potentielle de données due à l’exclusion accidentelle d’une partie de la substance noire. En outre, le domaine ne dispose pas d’un protocole normalisé pour l’acquisition de données d’IRM-NM, une étape cruciale pour faciliter les études multicentriques à grande échelle et leur traduction en clinique. Ce protocole décrit une procédure étape par étape de placement du volume d’IRM-NM et des contrôles de qualité en ligne pour assurer l’acquisition de données de bonne qualité couvrant l’ensemble de la substance noire.

Introduction

La neuromélanine (NM) est un pigment foncé présent dans les neurones dopaminergiques de la substance noire (SN) et les neurones noradrénergiques du locus coeruleus (LC)^1,2. Le NM est synthétisé par l’oxydation dépendante du fer de la dopamine cytosolique et de la noradrénaline et est stocké dans des vacuoles autophagiques dans le soma³. Il apparaît d’abord chez l’homme vers l’âge de 2-3 ans et s’accumule avec l’âge de ^1,4,5.

Dans les vacuoles contenant NM des neurones SN et LC, NM forme des complexes avec le fer. Ces complexes NM-fer sont paramagnétiques, ce qui permet une visualisation non invasive de la MN à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique (IRM)^6,7. Les IRM qui peuvent visualiser la NM sont connues sous le nom d’IRM sensible à la NM (IRM-NM) et utilisent des effets de transfert d’aimantation directs ou indirects pour fournir un contraste entre les régions à forte concentration de NM (par exemple, le SN) et la substance blanche environnante ^8,9.

Le contraste de transfert de magnétisation est le résultat de l’interaction entre les protons d’eau liés aux macromolécules (qui sont saturés par les impulsions de transfert de magnétisation) et les protons d’eau libre environnants. En NM-IRM, on pense que la nature paramagnétique des complexes NM-fer raccourcit le T₁ des protons d’eau libre environnants, ce qui entraîne une réduction des effets de transfert d’aimantation, de sorte que les régions à concentration de NM plus élevée apparaissent hyperintenses sur les IRM-NM¹⁰. Inversement, la substance blanche entourant le SN a un contenu macromoléculaire élevé, ce qui entraîne de grands effets de magnétisation-transfert de sorte que ces régions apparaissent hypointenses sur les IRM-NM, offrant ainsi un contraste élevé entre le SN et la substance blanche environnante.

Dans le SN, l’IRM-NM peut fournir un marqueur de la perte de cellules dopaminergiques¹¹ et de la fonction du système dopaminergique¹². Ces deux processus sont pertinents pour plusieurs troubles neuropsychiatriques et sont soutenus par un vaste corpus de travaux cliniques et précliniques. Par exemple, des anomalies de la fonction dopaminergique ont été largement observées dans la schizophrénie; des études in vivo utilisant la tomographie par émission de positrons (TEP) ont montré une augmentation de la libération de dopamine striatale 13,14,15,16 et une augmentation de la capacité de synthèse de la dopamine 17,18,19,20,21,22 . En outre, des études post-mortem ont montré que les patients atteints de schizophrénie ont augmenté les niveaux de tyrosine hydroxylase – l’enzyme limitant le taux impliquée dans la synthèse de la dopamine – dans les noyaux gris centraux²³ et SN^24,25.

Plusieurs études ont étudié les modèles de perte de cellules dopaminergiques, en particulier dans la maladie de Parkinson. Des études post-mortem ont révélé que les neurones dopaminergiques pigmentés du SN sont le principal site de neurodégénérescence dans la maladie de Parkinson 26,27, et que, bien que la perte de cellules SN dans la maladie de Parkinson ne soit pas corrélée à la perte cellulaire dans le vieillissement normal^28, elle est corrélée avec la durée de la maladie ²⁹ . Contrairement à la plupart des méthodes d’étude du système dopaminergique, le caractère non invasif, la rentabilité et l’absence de rayonnement ionisant font de l’IRM-NM un biomarqueur polyvalent³⁰.

Le protocole d’IRM-NM décrit dans cet article a été développé pour augmenter la reproductibilité de l’IRM-NM à la fois intra-sujet et entre les sujets. Ce protocole assure une couverture complète du SN malgré la couverture limitée des IRM-NM dans la direction inférieure-supérieure. Le protocole utilise des images tridimensionnelles (T1w) sagittales, coronales et axiales tridimensionnelles (3D) pondérées en T1, et les étapes doivent être suivies pour obtenir un placement correct de la pile de tranches. Le protocole décrit dans cet article a été utilisé dans de multiples études^31,32 et a été largement testé. Wengler et coll. ont réalisé une étude sur la fiabilité de ce protocole dans laquelle des images d’IRM-NM ont été acquises deux fois chez chaque participant sur plusieurs jours³². Les coefficients de corrélation intra-classe ont démontré une excellente fiabilité test-retest de cette méthode pour les analyses basées sur la région d’intérêt (ROI) et voxelwise, ainsi qu’un contraste élevé dans les images.

Protocol

REMARQUE: La recherche menée pour développer ce protocole a été réalisée conformément aux lignes directrices du conseil d’examen institutionnel de l’Institut psychiatrique de l’État de New York (IRB #7655). Un sujet a été scanné pour enregistrer la vidéo du protocole, et un consentement éclairé écrit a été obtenu. Reportez-vous au tableau des matériaux pour plus de détails sur le scanner IRM utilisé dans ce protocole. 1. Paramètres d’acquisition de l…

Representative Results

La figure 4 montre les résultats représentatifs d’une participante de 28 ans sans troubles psychiatriques ou neurologiques. Le protocole NM-IRM assure une couverture complète du SN, obtenue en suivant l’étape 2 du protocole décrit à la figure 1, et des images NM-IRM satisfaisantes en suivant l’étape 3 du protocole. On peut observer un excellent contraste entre le SN et les régions voisines de la substance blanche avec une concentration négligeable…

Discussion

Le système dopaminergique joue un rôle crucial dans la cognition saine et les troubles neuropsychiatriques. Le développement de méthodes non invasives pouvant être utilisées pour étudier de manière répétée le système dopaminergique in vivo est essentiel au développement de biomarqueurs cliniquement significatifs. Le protocole décrit ici fournit des instructions étape par étape pour l’acquisition d’images IRM-NM de bonne qualité du SN, y compris le placement du volume de l’IRM-NM et les con…

Materials

3T Magnetic Resonance Imaging

General Electric

GE SIGNA Premier with 48-channel head coil