JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Neuroscienze

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

Published: September 08, 2021
doi:
10.3791/62493
, , ,
1New York State Psychiatric Institute, 2Department of Psychiatry,Columbia University

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.

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 получе…

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 удовлетворитель…

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 клини?…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Д-р Хорга получил поддержку от NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). Д-р Венглер получил поддержку от NIMH (F32-MH125540).

Materials

3T Magnetic Resonance Imaging General Electric GE SIGNA Premier with 48-channel head coil
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  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

Keywords: Neuromelanin-sensitive MRIStandardized Data AcquisitionSubstantia NigraParkinson’s DiseaseBiomarkersNeuroanatomyT1-weighted ImagingQuality ControlPlacement Procedure
check_url/it/62493?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
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).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image