Acquisizione dati standardizzata per la risonanza magnetica sensibile alla neuromelanina della Substantia Nigra

Summary

Questo protocollo mostra come acquisire dati di risonanza magnetica sensibile alla neuromelanina della substantia nigra.

Abstract

Il sistema dopaminergico svolge un ruolo cruciale nella cognizione sana (ad esempio, ricompensa l’apprendimento e l’incertezza) e disturbi neuropsichiatrici (ad esempio, morbo di Parkinson e schizofrenia). La neuromelanina è un sottoprodotto della sintesi della dopamina che si accumula nei neuroni dopaminergici della substantia nigra. La risonanza magnetica sensibile alla neuromelanina (NM-MRI) è un metodo non invasivo per misurare la neuromelanina in quei neuroni dopaminergici, fornendo una misura diretta della perdita di cellule dopaminergiche nella substantia nigra e una misura proxy della funzione della dopamina. Sebbene la risonanza magnetica NM abbia dimostrato di essere utile per lo studio di vari disturbi neuropsichiatrici, è sfidata da un campo visivo limitato nella direzione inferiore-superiore con conseguente potenziale perdita di dati dall’esclusione accidentale di parte della substantia nigra. Inoltre, nel campo manca un protocollo standardizzato per l’acquisizione dei dati NM-MRI, un passo fondamentale per facilitare studi multisito su larga scala e la traduzione in clinica. Questo protocollo descrive una procedura passo-passo di posizionamento del volume NM-MRI e controlli di qualità online per garantire l’acquisizione di dati di buona qualità che coprono l’intera substantia nigra.

Introduction

La neuromelanina (NM) è un pigmento scuro presente nei neuroni dopaminergici della substantia nigra (SN) e nei neuroni noradrenergici del locus coeruleus (LC)^1,2. La NM è sintetizzata dall’ossidazione ferro-dipendente della dopamina citosolica e della noradrenalina ed è immagazzinata in vacuoli autofagici nel soma³. Appare per la prima volta nell’uomo intorno ai 2-3 anni di età e si accumula con l’età ^{di 1,4,5} anni.

All’interno dei vacuoli contenenti NM dei neuroni SN e LC, la NM forma complessi con il ferro. Questi complessi NM-ferro sono paramagnetici, consentendo la visualizzazione non invasiva della NM utilizzando la risonanza magnetica (MRI)^6,7. Le scansioni MRI in grado di visualizzare la NM sono note come MRI NM-SENSITIVE (NM-MRI) e utilizzano effetti di trasferimento di magnetizzazione diretti o indiretti per fornire contrasto tra regioni con alta concentrazione di NM (ad esempio, SN) e la sostanza bianca circostante ^8,9.

Il contrasto di trasferimento di magnetizzazione è il risultato dell’interazione tra protoni d’acqua legati macromolecolari (che sono saturi dagli impulsi di trasferimento della magnetizzazione) e i protoni di acqua libera circostanti. Nella NM-MRI, si ritiene che la natura paramagnetica dei complessi NM-ferro accorci il T₁ dei protoni di acqua libera circostanti, con conseguente riduzione degli effetti di magnetizzazione-trasferimento in modo che le regioni con maggiore concentrazione di NM appaiano iperintense sulle scansioni NM-MRI¹⁰. Al contrario, la sostanza bianca che circonda il SN ha un alto contenuto macromolecolare, con conseguenti grandi effetti di trasferimento della magnetizzazione in modo che queste regioni appaiano ipointense sulle scansioni NM-MRI, fornendo così un elevato contrasto tra il SN e la sostanza bianca circostante.

Nel SN, NM-MRI può fornire un marker di perdita di cellule dopaminergiche¹¹ e funzione del sistema dopaminergico¹². Questi due processi sono rilevanti per diversi disturbi neuropsichiatrici e sono supportati da un vasto corpus di lavori clinici e preclinici. Ad esempio, anomalie nella funzione della dopamina sono state ampiamente osservate nella schizofrenia; studi in vivo che utilizzano la tomografia ad emissione di positroni (PET) hanno mostrato un aumento del rilascio di dopamina striatale 13,14,15,16 e un aumento della capacità di sintesi della dopamina 17,18,19,20,21,22 . Inoltre, studi post-mortem hanno dimostrato che i pazienti con schizofrenia hanno aumentato i livelli di tirosina idrossilasi – l’enzima limitante la velocità coinvolto nella sintesi della dopamina – nei gangli della base²³ e SN^24,25.

Diversi studi hanno studiato i modelli di perdita di cellule dopaminergiche, in particolare nella malattia di Parkinson. Studi post-mortem hanno rivelato che i neuroni dopaminergici pigmentati del SN sono il sito primario della neurodegenerazione nella malattia di Parkinson 26,27 e che, mentre la perdita di cellule SN nella malattia di Parkinson non è correlata con la perdita di cellule nel normale invecchiamento^28, è correlata con la durata della malattia ²⁹ . A differenza della maggior parte dei metodi per studiare il sistema dopaminergico, la non invasività, l’economicità e la mancanza di radiazioni ionizzanti rendono la NM-MRI un biomarcatore versatile³⁰.

Il protocollo NM-MRI descritto in questo articolo è stato sviluppato per aumentare sia la riproducibilità all’interno del soggetto che quella trasversale della NM-MRI. Questo protocollo garantisce una copertura completa del SN nonostante la copertura limitata delle scansioni NM-MRI nella direzione inferiore-superiore. Il protocollo utilizza immagini sagittali, coronali e assiali tridimensionali (3D) pesate in T1 (T1w) e i passaggi devono essere seguiti per ottenere il corretto posizionamento dello stack di sezioni. Il protocollo delineato in questo documento è stato utilizzato in più studi^31,32 ed è stato ampiamente testato. Wengler et al. hanno completato uno studio sull’affidabilità di questo protocollo in cui le immagini NM-MRI sono state acquisite due volte in ciascun partecipante in più giorni³². I coefficienti di correlazione intra-classe hanno dimostrato un’eccellente affidabilità test-retest di questo metodo per le analisi basate sulla regione di interesse (ROI) e voxelwise, nonché un elevato contrasto nelle immagini.

Protocol

NOTA: La ricerca condotta per sviluppare questo protocollo è stata eseguita in conformità con le linee guida del New York State Psychiatric Institute Institutional Review Board (IRB # 7655). Un soggetto è stato scansionato per la registrazione del video del protocollo ed è stato ottenuto il consenso informato scritto. Fare riferimento alla Tabella dei materiali per informazioni dettagliate sullo scanner MRI utilizzato in questo protocollo. 1. Parametri di acquisizione MRI</p…

Representative Results

La figura 4 mostra i risultati rappresentativi di una partecipante di 28 anni senza disturbi psichiatrici o neurologici. Il protocollo NM-MRI garantisce una copertura completa del SN, ottenuta seguendo la fase 2 del protocollo delineata nella Figura 1, e immagini NM-MRI soddisfacenti seguendo la fase 3 del protocollo. Si può osservare un eccellente contrasto tra la SN e le regioni limitrofe della sostanza bianca con una concentrazione di NM trascurabile (cioè …

Discussion

Il sistema dopaminergico svolge un ruolo cruciale nella cognizione sana e nei disturbi neuropsichiatrici. Lo sviluppo di metodi non invasivi che possono essere utilizzati per studiare ripetutamente il sistema dopaminergico in vivo è fondamentale per lo sviluppo di biomarcatori clinicamente significativi. Il protocollo qui descritto fornisce istruzioni dettagliate per l’acquisizione di immagini NM-MRI di buona qualità del SN, incluso il posizionamento del volume NM-MRI e controlli di controllo qualità per gara…

Materials

3T Magnetic Resonance Imaging

General Electric

GE SIGNA Premier with 48-channel head coil