Gestandaardiseerde data-acquisitie voor neuromelanine-gevoelige magnetische resonantie beeldvorming van de Substantia Nigra

Summary

Dit protocol laat zien hoe neuromelanine-gevoelige magnetische resonantie beeldvormingsgegevens van de substantia nigra kunnen worden verkregen.

Abstract

Het dopaminerge systeem speelt een cruciale rol bij gezonde cognitie (bijv. beloningsleren en onzekerheid) en neuropsychiatrische stoornissen (bijv. Ziekte van Parkinson en schizofrenie). Neuromelanine is een bijproduct van dopaminesynthese dat zich ophoopt in dopaminerge neuronen van de substantia nigra. Neuromelanine-gevoelige magnetische resonantie beeldvorming (NM-MRI) is een niet-invasieve methode voor het meten van neuromelanine in die dopaminerge neuronen, het verstrekken van een directe maat van dopaminerge celverlies in de substantia nigra en een proxy maat voor dopamine functie. Hoewel NM-MRI nuttig is gebleken voor het bestuderen van verschillende neuropsychiatrische aandoeningen, wordt het uitgedaagd door een beperkt gezichtsveld in de inferieure-superieure richting, wat resulteert in het potentiële verlies van gegevens door de toevallige uitsluiting van een deel van de substantia nigra. Bovendien ontbreekt het veld aan een gestandaardiseerd protocol voor het verkrijgen van NM-MRI-gegevens, een cruciale stap in het faciliteren van grootschalige multisite-studies en vertaling naar de kliniek. Dit protocol beschrijft een stapsgewijze NM-MRI-volumeplaatsingsprocedure en online kwaliteitscontroles om de verwerving van gegevens van goede kwaliteit te garanderen die de hele substantia nigra bestrijken.

Introduction

Neuromelanine (NM) is een donker pigment dat voorkomt in dopaminerge neuronen van de substantia nigra (SN) en noradrenerge neuronen van de locus coeruleus (LC)^1,2. NM wordt gesynthetiseerd door de ijzerafhankelijke oxidatie van cytosolische dopamine en noradrenaline en wordt opgeslagen in autofagische vacuolen in de soma³. Het verschijnt voor het eerst bij mensen rond de leeftijd van 2-3 jaar en accumuleert met de leeftijd^{van 1,4,5}.

Binnen de NM-bevattende vacuolen van SN- en LC-neuronen vormt NM complexen met ijzer. Deze NM-ijzercomplexen zijn paramagnetisch, waardoor niet-invasieve visualisatie van NM mogelijk is met behulp van magnetische resonantie beeldvorming (MRI)^6,7. MRI-scans die NM kunnen visualiseren, staan bekend als NM-gevoelige MRI (NM-MRI) en gebruiken directe of indirecte magnetisatie-overdrachtseffecten om contrast te bieden tussen regio’s met een hoge NM-concentratie (bijvoorbeeld de SN) en de omliggende witte stof ^8,9.

Magnetisatie transfer contrast is het resultaat van de interactie tussen macromoleculair gebonden water protonen (die verzadigd zijn door de magnetisatie transfer pulsen) en de omringende vrije water protonen. In NM-MRI wordt aangenomen dat de paramagnetische aard van NM-ijzercomplexen de T₁ van de omringende vrije waterprotonen verkort, wat resulteert in verminderde magnetisatie-overdrachtseffecten, zodat regio’s met een hogere NM-concentratie hyperintense lijken op NM-MRI-scans¹⁰. Omgekeerd heeft de witte stof rond de SN een hoog macromoleculair gehalte, wat resulteert in grote magnetisatie-overdrachtseffecten, zodat deze gebieden hypointense lijken op NM-MRI-scans, waardoor een hoog contrast tussen het SN en de omliggende witte stof ontstaat.

In de SN kan NM-MRI een marker van dopaminerge celverlies¹¹ en dopaminesysteemfunctie¹² bieden. Deze twee processen zijn relevant voor verschillende neuropsychiatrische aandoeningen en worden ondersteund door een enorme hoeveelheid klinisch en preklinisch werk. Afwijkingen in de dopaminefunctie zijn bijvoorbeeld op grote schaal waargenomen bij schizofrenie; in vivo studies met positronemissietomografie (PET) hebben een verhoogde striatale dopamine-afgifte^{aangetoond 13,14,15,16} en een verhoogde dopaminesynthesecapaciteit 17,18,19,20,21,22 . Bovendien hebben postmortale studies aangetoond dat patiënten met schizofrenie verhoogde niveaus van tyrosinehydroxylase hebben – het snelheidsbeperkende enzym dat betrokken is bij dopaminesynthese – in de basale ganglia²³ en SN^24,25.

Verschillende studies hebben patronen van dopaminerge celverlies onderzocht, met name bij de ziekte van Parkinson. Postmortemstudies hebben aangetoond dat de gepigmenteerde dopaminerge neuronen van de SN de primaire plaats zijn van neurodegeneratie bij de ziekte van Parkinson^26,27, en dat, hoewel SN-celverlies bij de ziekte van Parkinson niet gecorreleerd is met celverlies bij normale veroudering²⁸, het is gecorreleerd met de duur van de ziekte²⁹ . In tegenstelling tot de meeste methoden voor het onderzoeken van het dopaminerge systeem, maken de niet-invasiviteit, kosteneffectiviteit en het ontbreken van ioniserende straling NM-MRI een veelzijdige biomarker³⁰.

Het NM-MRI-protocol dat in dit artikel wordt beschreven, is ontwikkeld om zowel de reproduceerbaarheid binnen als over het onderwerp van NM-MRI te vergroten. Dit protocol zorgt voor volledige dekking van het SN ondanks de beperkte dekking van NM-MRI-scans in de inferieur-superieure richting. Het protocol maakt gebruik van sagittale, coronale en axiale driedimensionale (3D) T1-gewogen (T1w) afbeeldingen en de stappen moeten worden gevolgd om de juiste plaatsing van de slice stack te bereiken. Het protocol dat in dit artikel wordt beschreven, is gebruikt in meerdere onderzoeken^31,32 en is uitgebreid getest. Wengler et al. voltooiden een studie naar de betrouwbaarheid van dit protocol waarbij NM-MRI-beelden twee keer werden verkregen in elke deelnemer gedurende meerdere dagen³². Intra-class correlatiecoëfficiënten toonden een uitstekende test-hertest betrouwbaarheid van deze methode voor regio van belang (ROI) -gebaseerde en voxelwise analyses, evenals een hoog contrast in de afbeeldingen.

Protocol

OPMERKING: Het onderzoek dat is uitgevoerd om dit protocol te ontwikkelen, is uitgevoerd in overeenstemming met de richtlijnen van de New York State Psychiatric Institute Institutional Review Board (IRB # 7655). Eén onderwerp werd gescand voor het opnemen van de protocolvideo en schriftelijke geïnformeerde toestemming werd verkregen. Raadpleeg de tabel met materialen voor meer informatie over de MRI-scanner die in dit protocol wordt gebruikt. 1. MRI-acquisitieparameters <o…

Representative Results

Figuur 4 toont de representatieve resultaten van een 28-jarige vrouwelijke deelnemer zonder psychiatrische of neurologische aandoeningen. Het NM-MRI-protocol zorgt voor volledige dekking van het SN, bereikt door stap 2 van het protocol beschreven in figuur 1 te volgen, en bevredigende NM-MRI-beelden door stap 3 van het protocol te volgen. Uitstekend contrast tussen de SN en naburige witte stofgebieden met een verwaarloosbare NM-concentratie (d.w.z. crus cerebri)…

Discussion

Het dopaminerge systeem speelt een cruciale rol bij gezonde cognitie en neuropsychiatrische stoornissen. De ontwikkeling van niet-invasieve methoden die kunnen worden gebruikt om het dopaminerge systeem in vivo herhaaldelijk te onderzoeken, is van cruciaal belang voor de ontwikkeling van klinisch zinvolle biomarkers. Het hier beschreven protocol bevat stapsgewijze instructies voor het verkrijgen van NM-MRI-beelden van goede kwaliteit van de SN, inclusief plaatsing van het NM-MRI-volume en kwaliteitscontroles om …

Materials

3T Magnetic Resonance Imaging

General Electric

GE SIGNA Premier with 48-channel head coil