Adquisición estandarizada de datos para imágenes de resonancia magnética sensibles a la neuromelanina de la sustancia negra

Summary

Este protocolo muestra cómo adquirir datos de imágenes de resonancia magnética sensibles a la neuromelanina de la sustancia negra.

Abstract

El sistema dopaminérgico juega un papel crucial en la cognición saludable (por ejemplo, aprendizaje de recompensa e incertidumbre) y trastornos neuropsiquiátricos (por ejemplo, enfermedad de Parkinson y esquizofrenia). La neuromelanina es un subproducto de la síntesis de dopamina que se acumula en las neuronas dopaminérgicas de la sustancia negra. La resonancia magnética sensible a la neuromelanina (NM-MRI) es un método no invasivo para medir la neuromelanina en esas neuronas dopaminérgicas, proporcionando una medida directa de la pérdida de células dopaminérgicas en la sustancia negra y una medida indirecta de la función de la dopamina. Aunque se ha demostrado que la RMN-NM es útil para estudiar diversos trastornos neuropsiquiátricos, se ve desafiada por un campo de visión limitado en la dirección inferior-superior, lo que resulta en la pérdida potencial de datos por la exclusión accidental de parte de la sustancia negra. Además, el campo carece de un protocolo estandarizado para la adquisición de datos de NM-MRI, un paso crítico para facilitar estudios multicéntricos a gran escala y su traducción a la clínica. Este protocolo describe un procedimiento paso a paso de colocación de volumen NM-MRI y controles de calidad en línea para garantizar la adquisición de datos de buena calidad que cubran toda la sustancia negra.

Introduction

La neuromelanina (NM) es un pigmento oscuro que se encuentra en las neuronas dopaminérgicas de la sustancia negra (SN) y en las neuronas noradrenérgicas del locus coeruleus (LC)^1,2. La NM se sintetiza por la oxidación dependiente del hierro de la dopamina citosólica y la norepinefrina y se almacena en vacuolas autofágicas en el soma³. Aparece por primera vez en humanos alrededor de los 2-3 años de edad y se acumula^{con la edad 1,4,5}.

Dentro de las vacuolas que contienen NM de las neuronas SN y LC, la NM forma complejos con hierro. Estos complejos NM-hierro son paramagnéticos, permitiendo la visualización no invasiva de NM mediante resonancia magnética (RM)^6,7. Las imágenes por resonancia magnética que pueden visualizar NM se conocen como MRI sensibles a NM (NM-MRI) y utilizan efectos de transferencia de magnetización directa o indirecta para proporcionar contraste entre regiones con alta concentración de NM (por ejemplo, el SN) y la sustancia blanca circundante ^8,9.

El contraste de transferencia de magnetización es el resultado de la interacción entre protones de agua unidos a macromoleculares (que están saturados por los pulsos de transferencia de magnetización) y los protones de agua libre circundantes. En NM-MRI, se cree que la naturaleza paramagnética de los complejos NM-hierro acorta el T₁ de los protones de agua libre circundantes, lo que resulta en efectos reducidos de magnetización-transferencia, de modo que las regiones con mayor concentración de NM aparecen hiperintensas en las exploraciones NM-MRI¹⁰. Por el contrario, la sustancia blanca que rodea el SN tiene un alto contenido macromolecular, lo que resulta en grandes efectos de magnetización-transferencia, de modo que estas regiones aparecen hipointensas en las exploraciones NM-MRI, proporcionando así un alto contraste entre el SN y la sustancia blanca circundante.

En el SN, la RMN-MRI puede proporcionar un marcador de pérdida de células dopaminérgicas¹¹ y función del sistema dopaminérgico¹². Estos dos procesos son relevantes para varios trastornos neuropsiquiátricos y están respaldados por un vasto cuerpo de trabajo clínico y preclínico. Por ejemplo, las anomalías en la función de la dopamina se han observado ampliamente en la esquizofrenia; estudios in vivo que utilizan tomografía por emisión de positrones (PET) han demostrado un aumento de la liberación de dopamina estriatal 13,14,15,16 y un aumento de la capacidad de síntesis de dopamina 17,18,19,20,21,22 . Además, los estudios post mortem han demostrado que los pacientes con esquizofrenia han aumentado los niveles de tirosina hidroxilasa, la enzima limitante de la velocidad involucrada en la síntesis de dopamina, en los ganglios basales²³ y SN^24,25.

Varios estudios han investigado los patrones de pérdida de células dopaminérgicas, particularmente en la enfermedad de Parkinson. Estudios post mortem han revelado que las neuronas dopaminérgicas pigmentadas del SN son el sitio primario de neurodegeneración en la enfermedad de Parkinson 26,27, y que, mientras que la pérdida de células SN en la enfermedad de Parkinson no se correlaciona con la pérdida celular en el envejecimiento normal^28, se correlaciona con la duración de la enfermedad ²⁹ . A diferencia de la mayoría de los métodos para investigar el sistema dopaminérgico, la no invasividad, la rentabilidad y la falta de radiación ionizante hacen de NM-MRI un biomarcador versátil³⁰.

El protocolo de RMN-NM descrito en este documento se desarrolló para aumentar la reproducibilidad de la RMN-NM tanto dentro del sujeto como entre sujetos. Este protocolo garantiza una cobertura completa del SN a pesar de la cobertura limitada de las exploraciones NM-MRI en la dirección inferior-superior. El protocolo utiliza imágenes tridimensionales (3D) ponderadas en T1 (T1w) sagitales, coronales y axiales, y se deben seguir los pasos para lograr la colocación adecuada de la pila de cortes. El protocolo descrito en este trabajo ha sido utilizado en múltiples estudios^31,32 y fue ampliamente probado. Wengler et al. completaron un estudio de la fiabilidad de este protocolo en el que las imágenes de RMN-MRI fueron adquiridas dos veces en cada participante en varios días³². Los coeficientes de correlación intraclase demostraron una excelente fiabilidad test-retest de este método para los análisis basados en regiones de interés (ROI) y voxelwise, así como un alto contraste en las imágenes.

Protocol

NOTA: La investigación realizada para desarrollar este protocolo se realizó de acuerdo con las pautas de la Junta de Revisión Institucional del Instituto Psiquiátrico del Estado de Nueva York (IRB # 7655). Un sujeto fue escaneado para grabar el video de protocolo, y se obtuvo el consentimiento informado por escrito. Consulte la Tabla de materiales para obtener detalles sobre el escáner de resonancia magnética utilizado en este protocolo. 1. Parámetros de adquisición de M…

Representative Results

La Figura 4 muestra los resultados representativos de una participante femenina de 28 años sin trastornos psiquiátricos o neurológicos. El protocolo NM-MRI garantiza una cobertura completa del SN, lograda siguiendo el paso 2 del protocolo descrito en la Figura 1, e imágenes satisfactorias de NM-MRI siguiendo el paso 3 del protocolo. Se puede observar un excelente contraste entre el SN y las regiones vecinas de sustancia blanca con una concentración insignif…

Discussion

El sistema dopaminérgico juega un papel crucial en la cognición saludable y los trastornos neuropsiquiátricos. El desarrollo de métodos no invasivos que puedan utilizarse para investigar repetidamente el sistema dopaminérgico in vivo es fundamental para el desarrollo de biomarcadores clínicamente significativos. El protocolo descrito aquí proporciona instrucciones paso a paso para adquirir imágenes de RMN de buena calidad del SN, incluida la colocación del volumen de RMN-NM y controles de control de cal…

Materials

3T Magnetic Resonance Imaging

General Electric

GE SIGNA Premier with 48-channel head coil