الحصول على بيانات موحدة للتصوير بالرنين المغناطيسي الحساس للميلانين العصبي للمادة السوداء
Summary
يوضح هذا البروتوكول كيفية الحصول على بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي الحساسة للميلانين العصبي للمادة السوداء.
Abstract
يلعب نظام الدوبامين دورا حاسما في الإدراك الصحي (على سبيل المثال ، مكافأة التعلم وعدم اليقين) والاضطرابات العصبية والنفسية (مثل مرض باركنسون والفصام). الميلانين العصبي هو منتج ثانوي لتخليق الدوبامين الذي يتراكم في الخلايا العصبية الدوبامينية في المادة السوداء. التصوير بالرنين المغناطيسي الحساس للميلانين العصبي (NM-MRI) هو طريقة غير جراحية لقياس الميلانين العصبي في تلك الخلايا العصبية الدوبامينية ، مما يوفر مقياسا مباشرا لفقدان خلايا الدوبامين في المادة السوداء ومقياسا بديلا لوظيفة الدوبامين. على الرغم من أن التصوير بالرنين المغناطيسي NM-MRI قد ثبت أنه مفيد لدراسة الاضطرابات العصبية والنفسية المختلفة ، إلا أنه يواجه تحديا من خلال مجال رؤية محدود في الاتجاه الأدنى والأعلى مما يؤدي إلى فقدان محتمل للبيانات من الاستبعاد العرضي لجزء من المادة السوداء. بالإضافة إلى ذلك ، يفتقر المجال إلى بروتوكول موحد للحصول على بيانات NM-MRI ، وهي خطوة حاسمة في تسهيل الدراسات متعددة المواقع على نطاق واسع والترجمة إلى العيادة. يصف هذا البروتوكول إجراء وضع حجم NM-MRI خطوة بخطوة وفحوصات مراقبة الجودة عبر الإنترنت لضمان الحصول على بيانات عالية الجودة تغطي المادة السوداء بأكملها.
Introduction
Neuromelanin (NM) هو صبغة داكنة موجودة في الخلايا العصبية الدوبامينية في المادة السوداء (SN) والخلايا العصبية النورادرينالية في الموضع الأزرق (LC) 1،2. يتم تصنيع NM عن طريق الأكسدة المعتمدة على الحديد من الدوبامين الخلوي والنورادرينالين ويتم تخزينها في فجوات الالتهام الذاتي في سوما3. يظهر لأول مرة في البشر حوالي 2-3 سنوات من العمر ويتراكم مع سن1،4،5.
داخل الفجوات المحتوية على NM للخلايا العصبية SN و LC ، تشكل NM مجمعات بالحديد. هذه المعقدات NM-iron هي مغناطيسية ، مما يسمح بالتصور غير الجراحي ل NM باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)6,7. تعرف فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي التي يمكنها تصور NM باسم التصوير بالرنين المغناطيسي الحساس ل NM (NM-MRI) وتستخدم إما تأثيرات نقل المغنطة المباشرة أو غير المباشرة لتوفير تباين بين المناطق ذات التركيز العالي ل NM (على سبيل المثال ، SN) والمادة البيضاء المحيطة 8,9.
تباين نقل المغنطة هو نتيجة التفاعل بين بروتونات الماء المرتبطة بالجزيئات الكبيرة (المشبعة بنبضات نقل المغنطة) وبروتونات الماء الحرة المحيطة. في NM-MRI ، يعتقد أن الطبيعة المغناطيسية لمجمعات NM-iron تقصر T1 من بروتونات الماء الحرة المحيطة ، مما يؤدي إلى تقليل تأثيرات نقل المغنطة بحيث تظهر المناطق ذات التركيز العالي NM شديدة الكثافة في فحوصات NM-MRI10. على العكس من ذلك ، تحتوي المادة البيضاء المحيطة ب SN على نسبة عالية من الجزيئات الكبيرة ، مما يؤدي إلى تأثيرات نقل مغنطة كبيرة بحيث تظهر هذه المناطق منخفضة الكثافة في فحوصات NM-MRI ، مما يوفر تباينا عاليا بين SN والمادة البيضاء المحيطة.
في SN ، يمكن أن يوفر التصوير بالرنين المغناطيسي NM-MRI علامة على فقدان خلايا الدوبامين11 ووظيفة نظام الدوبامين12. هاتان العمليتان مناسبتان للعديد من الاضطرابات العصبية والنفسية وتدعمهما مجموعة واسعة من الأعمال السريرية وما قبل السريرية. على سبيل المثال ، لوحظت تشوهات في وظيفة الدوبامين على نطاق واسع في مرض انفصام الشخصية. أظهرت الدراسات التي أجريت في الجسم الحي باستخدام التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) زيادة في إطلاق الدوبامين المخطط13،14،15،16 وزيادة قدرة تخليق الدوبامين17،18،19،20،21،22 . علاوة على ذلك ، أظهرت دراسات ما بعد الوفاة أن مرضى الفصام لديهم مستويات متزايدة من هيدروكسيلاز التيروزين – الإنزيم المحدد للمعدل المتورط في تخليق الدوبامين – في العقد القاعدية23 و SN24,25.
بحثت العديد من الدراسات في أنماط فقدان خلايا الدوبامين ، خاصة في مرض باركنسون. كشفت دراسات ما بعد الوفاة أن الخلايا العصبية الدوبامينية المصطبغة في SN هي الموقع الرئيسي للتنكس العصبي في مرض باركنسون 26,27 ، وأنه في حين أن فقدان خلايا SN في مرض باركنسون لا يرتبط بفقدان الخلايا في الشيخوخة الطبيعية28 ، إلا أنه يرتبط بمدة المرض 29 . على عكس معظم طرق التحقيق في نظام الدوبامين ، فإن عدم التدخل الجراحي والفعالية من حيث التكلفة ونقص الإشعاع المؤين يجعل NM-MRI علامة حيوية متعددة الاستخدامات30.
تم تطوير بروتوكول NM-MRI الموصوف في هذه الورقة لزيادة قابلية استنساخ NM-MRI داخل الموضوع وعبر الموضوع. يضمن هذا البروتوكول تغطية كاملة ل SN على الرغم من التغطية المحدودة لفحوصات NM-MRI في الاتجاه الأدنى الأعلى. يستخدم البروتوكول الصور السهمية والإكليلية والمحورية ثلاثية الأبعاد (3D) T1-weighted (T1w) ، ويجب اتباع الخطوات لتحقيق وضع مكدس الشرائح المناسب. تم استخدام البروتوكول المبين في هذه الورقة في دراسات متعددة31,32 وتم اختباره على نطاق واسع. أكمل Wengler et al. دراسة لموثوقية هذا البروتوكول حيث تم الحصول على صور NM-MRI مرتين في كل مشارك عبر أيام متعددة32. أظهرت معاملات الارتباط داخل الفئة موثوقية ممتازة للاختبار وإعادة الاختبار لهذه الطريقة للتحليلات القائمة على منطقة الاهتمام (ROI) و voxelwise ، بالإضافة إلى التباين العالي في الصور.
Protocol
Representative Results
Discussion
يلعب نظام الدوبامين دورا حاسما في الإدراك الصحي والاضطرابات العصبية والنفسية. يعد تطوير طرق غير جراحية يمكن استخدامها للتحقيق بشكل متكرر في نظام الدوبامين في الجسم الحي أمرا بالغ الأهمية لتطوير مؤشرات حيوية ذات مغزى سريري. يوفر البروتوكول الموصوف هنا إرشادات خطوة بخطوة للحصول على ص…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تلقى الدكتور هورغا الدعم من NIMH (R01-MH114965 ، R01-MH117323). تلقى الدكتور فينجلر الدعم من NIMH (F32-MH125540).
Materials
| 3T Magnetic Resonance Imaging | General Electric | GE SIGNA Premier with 48-channel head coil |
References
- 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).
- Zucca, F. A., et al. The neuromelanin of human substantia nigra: physiological and pathogenic aspects. Pigment Cell Research. 17 (6), 610-617 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sasaki, M., et al. Neuromelanin magnetic resonance imaging of locus ceruleus and substantia nigra in Parkinson’s disease. Neuroreport. 17 (11), 1215-1218 (2006).
- Trujillo, P., et al. Contrast mechanisms associated with neuromelanin-MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 78 (5), 1790-1800 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hietala, J., et al. Presynaptic dopamine function in striatum of neuroleptic-naive schizophrenic patients. Lancet. 346 (8983), 1130-1131 (1995).
- 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).
- Meyer-Lindenberg, A., et al. Reduced prefrontal activity predicts exaggerated striatal dopaminergic function in schizophrenia. Nature Neuroscience. 5 (3), 267-271 (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- Toru, M., et al. Neurotransmitters, receptors and neuropeptides in post-mortem brains of chronic schizophrenic patients. Acta Psychiatrica Scandinavica. 78 (2), 121-137 (1988).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Fearnley, J. M., Lees, A. J. Ageing and Parkinson’s disease: substantia nigra regional selectivity. Brain. 114 (5), 2283-2301 (1991).
- 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).
- 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).
- Wengler, K., et al. Cross-scanner harmonization of neuromelanin-sensitive MRI for multisite studies. Journal of Magnetic Resonance Imaging. , (2021).
- 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).
- Griswold, M. A., et al. Generalized autocalibrating partially parallel acquisitions (GRAPPA). Magnetic Resonance in Medicine. 47 (6), 1202-1210 (2002).
- 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).
- 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).
- Wengler, K., et al. Association between neuromelanin-sensitive MRI signal and psychomotor slowing in late-life depression. Neuropsychopharmacology. 46, 1233-1239 (2020).
- Biondetti, E., et al. Spatiotemporal changes in substantia nigra neuromelanin content in Parkinson’s disease. Brain. 143 (9), 2757-2770 (2020).
- 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).
- 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).
- Matsuura, K., et al. Neuromelanin magnetic resonance imaging in Parkinson’s disease and multiple system atrophy. European Neurology. 70 (1-2), 70-77 (2013).
- 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).
